CN101783560A - 一种永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

一种永磁同步电机，其至少包括机壳(1)、定子铁心(2)、定子电枢绕组(3)、转子护套(4)、以及转子永磁体(5)，所述转子永磁体(5)被设置在所述转子护套(4)内，并且通过加热过盈装配使得所述转子护套(4)牢固地包住所述转子永磁体(5)。

Description

一种永磁同步电机

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机，尤其涉及一种设置有转子结构是圆筒形护套保护的圆柱形整体式永磁体的永磁同步电机。

背景技术

当前，高速和超高速的电动机和发电机(在下文中统称为“高速电机”)的研究是国际电工界的研究热点和难点。高速电机是集材料技术、电力电子技术、控制技术以及电机设计、制造技术于一体的高科技含量的新型机电产品。高速电机的研究涉及多个技术学科，并且其转速通常可高达每分钟几万转到十几万转，甚至更高。与普通电机相比，高速电机具有如下的显著优点：

(1)由于转速较高，所以电机的功率密度较高，高速电机的几何尺寸远小于输出功率相同的中、低速电机，因此可以有效地节约材料，减轻重量，并且节省空间。

(2)对于高速负载，高速电机可与原动机或负载直接相连，省去了传统的机械变速装置，因而可减小噪音，并且提高传动***的效率。

(3)转动惯量较小，动态响应较快。

然而，高速电机通常要求转子上无绕组、无电刷或滑环。因此，相比而言，适于高速运行的电机主要有感应电机、永磁同步电机、以及开关磁阻电机。上述三种类型的电机作为高速电机使用时具有各自的优缺点，其中，从功率密度和效率来看，优选次序为永磁同步电机、感应电机、开关磁阻电机；另一方面，从转子的机械特性来看，优选次序则与上述次序正好相反，即开关磁阻电机、感应电机、永磁同步电机。

高速永磁同步电机在所有形式的交流高速电机中具有最高的效率和最小的体积。与高速感应电机相比，高速永磁同步电机在低速运行时可获得更大的功率和转矩。但是由于转子上安装永磁体，导致电机成本增加，可靠性下降。在环境恶劣的情况下，永磁体可能出现退磁，而导致电机无法正常运行。此外，由于转子励磁是无法被调节的，对其弱磁调速相对困难。特别是表贴式高速永磁同步电机，其弱磁调速的范围很小。随着电力电子技术、高性能永磁材料和现代控制理论的发展，高速永磁同步电机的这些缺点将会逐步被解决，其应用场合将不断扩展。

当前，高速永磁同步电机通常为两极或四极，其定子结构和绕组的设计与普通电机并没有太大的差异，但是转子结构的设计却有很大的不同。(1)部分高速永磁同步电机采用了无槽结构。由于定子采用无槽结构，气隙磁场的空间谐波较小，故对减少定子和转子中的高频谐波损耗较为有利。然而，由于气隙较大而气隙磁场较弱，电机输出功率受到限制。无槽的永磁同步电机起动转矩小，在中、低速运行范围内效率也很低。(2)按照永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电机可以分为表贴式、内置式和爪极式。同样体积的永磁体，表贴式结构可以获得最大出力，但转子在高速旋转时，通常需要对永磁体进行保护，以免脱落，可以用碳纤维捆扎或者用不锈钢的保护套。内置式结构不需要永磁体的保护措施，但转子加工复杂。目前高速永磁电机中多采用加有保护套或者采用碳纤维绑扎的表面贴装式。

关于永磁同步电机的其他基本技术内容，本领域技术人员还可参考《现代永磁电机：理论与设计》，唐任远等著，机械工业出版社，2000年出版。该出版物的全部内容都通过引用包括在这里作为参考。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有高密度、超高转速等特征的永磁同步电机，从而至少部分地解决现有技术中所存在的缺陷。

根据本发明的第一方面，提供了一种永磁同步电机，其至少包括机壳1、定子铁心2、定子电枢绕组3、转子护套4、以及转子永磁体5。其中，转子永磁体5被设置在转子护套4内，并且使得转子护套4牢固地包住转子永磁体5。

优选地，通过加热过盈装配使得转子护套4牢固地包住转子永磁体5。

相应地，通过加热过盈装配使得转子永磁体5置于转子圆筒形护套4内，转子永磁体5经过例如不锈钢护套的转子护套4、气隙、定子铁心2在气隙中形成主磁场，在定子电枢绕组3中产生电动势，完成机械能到电能的转换。

优选地，转子护套4是圆筒形状的护套，并且采用高强度、不导磁的不锈钢材料制成的。

相应地，不同于现有高速电机的表贴式、内置式转子结构，根据本发明的转子永磁体5采用圆柱形整体式磁钢结构，材料选择居里点高、温度稳定性好的衫钴永磁体，防止了由于转子过热所造成的永磁体不可逆去磁。

优选地，可将转子护套4作为电机的转轴。

优选地，对于转子永磁体5采用径向充磁方式进行充磁，并且转子永磁体5是衫钴永磁体。

相应地，两极整体结构的永磁转子由于采用径向充磁，这就使得即使采用集中整距的定子绕组仍可获得正弦电势波形，从而减少了定子、转子中的高频附加损耗，还可保证转子沿径向方向上各向同性以有利于转子的动态平衡。

优选地，定子可采用少槽结构，定子铁心2沿机壳1的壳体轴向被固定在所述壳体上。

相应地，避免了无槽的永磁同步电机起动转矩小，在中、低速运行范围内效率低的缺点，又避免了多槽结构的永磁同步电机的定子铁心加工和绕组下线工艺较复杂的问题。

优选地，定子铁心2是由低损耗硅钢片制成的，并且硅钢片的厚度小于0.2mm。

相应地，由于电机绕组中所通电流的频率比较高，铁心损耗成为主要损耗，对电机的效率和发热性能具有主导的作用。通过上述设置，可以有效地降低铁损。

优选地，定子电枢绕组3是三相对称分布式绕组，分别设置在定子铁心2的槽内，并且定子电枢绕组3采用多股细导线并绕的形式。

相应地，上述设置有利于产生正弦波形的反电势，还可有效地克服高频运行时趋肤效应对绕组交流阻抗的影响。

优选地，永磁同步电机采用空气轴承支撑。

优选地，在机壳1上开设有通风槽。

相应地，利用通风槽的风冷方式可以进一步抑制高度永磁同步电机的温升，同时进一步提高该电机的功率密度。

附图说明

图1是沿与根据本发明实施例的永磁同步电机的轴向平行的平面剖开的截面示意图；

图2是根据本发明实施例的永磁同步电机的转子护套4和转子永磁体5的结构示意图；以及

图3是沿与根据本发明实施例的永磁同步电机的轴向垂直的平面剖开的截面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

针对现有的高速永磁同步电机的上述缺陷，本发明提供了一种具有改进结构的高速永磁同步电机，该永磁同步电机的转子结构为圆筒形护套保护的圆柱形整体式永磁体。通过合理的定子和转子结构以及材料设计，有效地解决了高速永磁同步发电机损耗、温升抑制以及转子的动、静力学问题，并且使根据本发明实施例的永磁同步电机的结构更加简单，损耗更小，高速运行下更加平稳。

图1是沿与根据本发明实施例的永磁同步电机的轴向平行的平面剖开的截面图。如图1所示，根据本发明实施例的永磁同步电机的结构至少包括：机壳1、定子铁心2、定子电枢绕组3、转子不锈钢护套4、以及转子永磁体5。

图2是根据本发明实施例的永磁同步电机的转子护套4和转子永磁体5的结构示意图，并且图3是沿与根据本发明实施例的永磁同步电机的轴向垂直的平面剖开的截面图。

通过图1至图3，本领域技术人员可以清楚地了解根据本发明实施例的具有特殊结构特征的永磁同步电机。

根据本发明实施例的永磁同步电机的工作原理为：转子永磁体经不锈钢护套、气隙、定子铁心在气隙中形成主磁场，在定子电枢绕组中产生电动势，完成机械能到电能的转换。为了提高电机的功率密度，降低电机损耗，保证转子机械强度，还可利用有限元分析软件对高速永磁同步发电机进行电机场、温度场和机械应力场的校核。

可见，根据本发明实施例的永磁同步电机具有如下的主要特征：

(1)根据本发明的实施例，高速永磁同步电机采用了两极结构。

(2)根据本发明的实施例，定子采用了少槽结构，定子铁心2沿壳体1的轴向固定在壳体1上。这样，既避免了无槽的永磁同步电机的起动转矩小，在中、低速运行范围内效率低等缺点，又避免了多槽结构的永磁同步电机的定子铁心2的加工和绕组下线工艺较复杂等问题。

(3)对于高速永磁同步电机，由于电机绕组中所通电流的频率比较高，铁心损耗成为主要损耗，对电机的效率和发热性能具有主导的作用。为了降低铁损，根据本发明的实施例，定子铁心2的制造材料选用薄的低损耗硅钢片，并且优选地低损耗硅钢片的厚度小于0.2mm。

(4)根据本发明的实施例，定子电枢绕组3为三相对称分布式绕组，分别置于定子铁心2的槽内，以利于产生正弦波形的反电势。为了克服高频运行时趋肤效应对绕组交流阻抗的影响。优选地，定子电枢绕组3可采用多股细导线并绕的形式。

(5)不同于现有的高速电机表贴式、内置式转子结构，根据本发明实施例的转子永磁体5采用圆柱形整体式磁钢结构，材料选择居里点高、温度稳定性好的衫钴永磁体，防止转子过热造成永磁体不可逆去磁。另外，转子永磁体5置于转子圆筒形护套4内，转子永磁体5和护套4的结构如图2所示。另外，两极整体结构的永磁转子可采用径向充磁，这就使得即使采用集中整距的定子绕组仍可获得正弦电势波形，从而减少了定子、转子中的高频附加损耗。圆筒形护套4可采用高强度、不导磁的不锈钢材料，既作为永磁体5的保护套，又作为转轴，其制造简单，保证转子沿径向方向的各向同性有利于转子的动态平衡。

(6)根据本发明实施例，圆柱形转子永磁体5和圆筒形护套4可采用加热过盈装配，保证转子圆筒形护套4能够牢固地将转子永磁体5包住。优选地，针对该加工工艺，永磁体5和护套4的机械尺寸采用过盈设计。

(7)根据本发明实施例，高速永磁同步电机采用了空气轴承支撑。

(8)为了进一步抑制电机温升，同时提高电机的功率密度，根据本发明实施例的高速永磁电机采用风冷方式进行冷却。优选地，在定子外壳1上开设有通风槽。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种永磁同步电机，其至少包括机壳(1)、定子铁心(2)、定子电枢绕组(3)、转子护套(4)、以及转子永磁体(5)，其特征在于，所述转子永磁体(5)被设置在所述转子护套(4)内，并且使得所述转子护套(4)牢固地包住所述转子永磁体(5)。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，通过加热过盈装配使得所述转子护套(4)牢固地包住所述转子永磁体(5)。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述转子护套(4)是圆筒形状。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机，其特征在于，所述转子护套(4)是采用高强度、不导磁的不锈钢材料制成的。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述转子护套(4)作为所述永磁同步电机的转轴。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的永磁同步电机，其特征在于，对于所述转子永磁体(5)采用径向充磁方式进行充磁。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的永磁同步电机，其特征在于，所述转子永磁体(5)是衫钴永磁体。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的永磁同步电机，其特征在于，定子采用少槽结构，所述定子铁心(2)沿所述机壳(1)的壳体轴向被固定在所述壳体上。

9.根据权利要求8所述的永磁同步电机，其特征在于，所述定子铁心(2)是由低损耗硅钢片制成的。

10.根据权利要求9所述的永磁同步电机，其特征在于，所述硅钢片的厚度小于0.2mm。

11.根据权利要求8所述的永磁同步电机，其特征在于，所述定子电枢绕组(3)是三相对称分布式绕组，分别设置在定子铁心(2)的槽内。

12.根据权利要求11所述的永磁同步电机，其特征在于，所述定子电枢绕组(3)具有多股细导线并绕的形式。

13.根据权利要求1至5中任一项所述的永磁同步电机，其特征在于，所述的永磁同步电机采用空气轴承支撑。

14.根据权利要求1至5中任一项所述的永磁同步电机，其特征在于，在所述机壳(1)上开设有通风槽。

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