CN108390479A - 采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机 - Google Patents
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Abstract
采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机，其特征在于：该电动机包括机壳（1）、定子以及分层绑扎混合永磁转子，定子和转子均设置在机壳（1）内，该种分层转子外单元层添加的导电永磁材料磁粉可对高频电磁波产生屏蔽，降低内单元层混合永磁材料磁粉高频涡流损耗。该种结构能够有效减小电机转子内的热源，从根源上解决高速电机转子过热问题。同时该种结构保证了电机转子的均匀性、整体性和一致性，可以从机械上解决永磁体在高速旋转情况下受较大的拉应力而发生破碎的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机。属于电机领域问题。
背景技术
由于高速电机转速高，功率密度大，体积小，可以有效地节约材料；由于转动惯量较小，所以动态响应较快；高速电机可与工作机或负载直接相连，省去了传统的机械负载变速装置，因而可减小噪音和提高传动***效率。高速电机的研究与应用符合节能减排的经济发展需要，目前已成为国际电工领域的研究热点之一，在高速磨床、空气循环制冷***、储能飞轮、高速离心压缩机、鼓风机、航空航天等具有广泛的应用前景。
永磁电机以其结构简单、力能密度高、无励磁损耗、效率高等优点，最适合于高速电机。高速高频电机与普通电机相比设计难度较大，高速电机转速高达每分钟数万转甚至十几万转，圆周速度可达200m/s以上，电机在高速旋转的情况下，定子铁心损耗很大，空气和转子表面的摩擦会给电机带来很大的损耗，同时对于高速永磁电机来说，转子永磁体的涡流损耗非常大，然而电机的转子散热困难，会造成电机转子的温升过高，而永磁体在温度过高的情况下会发生不可逆退磁，给电机造成严重危害，因此减小电机转子永磁体涡流损耗成为高速永磁电机设计的核心问题之一。对于高速永磁电机来说，转子强度问题更为突出，永磁体抗拉强度远小于抗压强度，转子高速旋转产生较大的离心力，使永磁体易发生破损，因此必须对永磁体采取保护措施。
发明内容
发明目的：本发明提供一种采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机，其目的是解决传统的高速永磁电机转子涡流损耗大、散热困难造成永磁体不可逆退磁以及在高速旋转情况下永磁体受拉应力破损的问题，进而提高电机的电机的可靠性和运行寿命。
本发明采用以下技术方案：
采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机，其特征在于：该电动机包括机壳、定子以及分层绑扎混合永磁转子，定子和转子均设置在机壳内，定子包括定子铁心和定子绕组，定子绕组设置在定子铁心内，转子轴向穿过定子且转子与定子之间留有供冷却气体通过的轴向内风道，定子两端的壳体上分别设置有风道入口和风道出口，风道入口通过轴向内风道连通风道出口；以使得转子冷却气体从风道入口经轴向内风道，最后从出口风道出去，完成对转子的冷却。
所述分层绑扎混合永磁转子包括转子铁心、转子外单元层、转子中单元层以及转子内单元层；转子内单元层设置在转子铁心外，转子中单元层设置在转子内单元层外，转子外单元层设置在转子中单元层外，转子外单元层外绑扎一层碳纤维，每个单元层均由内部层的碳纤维或玻璃丝层与外部的混合永磁材料层构成。该种新型混合永磁结构即为新型混合永磁材料与碳纤维交替绑扎，无论多少层后都是新型混合永磁材料，然后在最外层添加一层碳纤维。
定子铁心设置有贯通轴向的供孔转子车穿过的孔，定子绕组设置在定子铁心的孔壁内。
定子的两端的两端还设置有绕组压板（3）。（绕组压板采用绝缘导热材料，主要的作用是固定绕组两端的端部，同时该压板可以有效的进行绕组端部与定子进行之间的换热，有利于降低绕组端部的温升。）
混合永磁材料层（15）是由永磁材料磁粉与树脂混合而成的材料。（材料的混合方法是通过精确的有限元计算，根据电机运行所需的励磁，然后按照永磁材料磁粉与树脂1：1的比例进行混合，因为若比例过大，将大大影响混合后新型永磁材料的整体性，强度问题将难以保证，若比例过小，励磁将难以达到，这样将增加整体厚度，进而强度问题也被显现而出。）
混合永磁材料层（15）沿径向由内至外，随着单元层数的增加，每层单元的永磁材料磁粉的含量依次增多，绑扎的碳纤维或玻璃丝层厚度依次增厚，并进行整体充磁形成若干极数。
（根据电机的功率等级，确定电机的转子最大外径，确定电机所需励磁的大小，初步估算转子分层的个数及磁粉的含量，通过电机的磁路计算，多次迭代，最终确定分层个数及各层磁粉含量，碳纤维或玻璃丝厚度的增加则需要根据精确的有限元计算，计算出外单元层碳纤维或玻璃丝厚度足够保证内单元层混合永磁材料的可靠性）一般情况，厚度同捆扎之后的转子的半径平方成正比。
机壳（1）的两端设置有端盖（12）。
定子铁心（4）的内壁上设置有用于固定绕组的定子槽，该定子槽为梨形槽，梨形槽的开口朝向转子；绕组分上、下两层，采取短距叠绕组连接，绕组采用细导线多根并绕。（绕组一般分为单层绕组和双层绕组，该处采用的是双层绕组，因此分为上下两层，短节距绕组包括短节距叠绕组和短节距波绕组；多根并绕是采用多根细导线代替原来的粗导线，进而达到减小集肤效应。）
所述细导线多根并绕是细导线多根并绕短距Y接的形式。（采用多根并绕线的短节距星接的连接方式。）。
混合永磁材料与碳纤维（或玻璃丝）绑扎交替放置，在绑扎若干个单元层后，在其最外层绑扎一层碳纤维，进而形成了混合永磁材料分层绑扎结构的高速永磁电动机转子。
具体的说：定子绕组与转子***之间设置有轴向内风道；其永磁转子的主要特征是采用混合永磁材料的分层绑扎结构，混合永磁材料是由永磁材料磁粉与树脂混合，每个单元层由内层的碳纤维（或玻璃丝）与外层的混合永磁材料构成，内层的碳纤维（或玻璃丝）是为了进行固定，外层的混合永磁材料是为了提供励磁。混合永磁材料与碳纤维（或玻璃丝）绑扎交替放置，在绑扎若干个单元层后，在其最外层绑扎一层碳纤维以保证电机转子的整体强度，进而形成了混合永磁材料的分层绑扎结构高速永磁电动机转子。沿径向由内至外，随着单元层数的增加，永磁材料磁粉的含量依次增多，绑扎的碳纤维（或玻璃丝）厚度依次增厚，并进行整体充磁形成若干极数。
该种分层绑扎混合永磁转子结构中碳纤维和树脂都是电绝缘材料，而具有较大电导率的永磁材料磁粉与树脂混合，并与碳纤维分层绑扎构成混合永磁材料的分层绑扎结构转子，能够大大减小转子内的永磁材料产生的涡流损耗，从而有效的降低转子发热；同时，由于碳纤维材料具有密度小、抗拉强度大、受温度影响较小的特点，可以对混合永磁材料在转子高速旋转的情况下提供更安全有效的保护，树脂能够大大提高永磁材料磁粉混合后的均匀性和整体性，避免电机转子在高速运行下的造成的局部应力过大的问题，该种转子采用混合永磁材料的分层绑扎结构能够有效的保证电机转子在高速旋转时强度的可靠性。
定子上用于设置绕组的定子槽为梨形槽，绕组分上、下两层，采取短距叠绕组连接，绕组采用细导线多根并绕，能够有效减小由趋肤效应造成的附加损耗；定子铁心由超薄低损耗冷轧无取向电工钢片叠压而成，可以有效降低高频下的铁心损耗。
定子绕组与转子***之间设置有轴向内风道；在机壳上设置有风道的进风口和出风口。
优点及效果：
本发明提出了一种采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机，转子采用的混合永磁材料是由永磁材料磁粉与树脂混合并充磁形成若干极数，每个单元层由内层的碳纤维（或玻璃丝）与外层的混合永磁材料构成，内层的碳纤维或玻璃丝是为了对其转子内部结构进行固定提高强度，外层的混合永磁材料是为了提供励磁。混合永磁材料与碳纤维（或玻璃丝）绑扎交替放置，在绑扎若干个单元层后，在其最外层绑扎一层碳纤维以保证电机转子的整体强度，进而形成了混合永磁材料分层绑扎结构的高速永磁电动机转子。该种混合永磁材料分层绑扎结构电机转子由内至外，随着单元层数的增加，永磁材料磁粉的含量依次增多，转子最外层对强度要求最大，所以最外层绑扎的碳纤维厚度较大。该种转子分层结构中，永磁材料磁粉与树脂混合，能够有效减小转子内的涡流损耗，进而减小电机的热源，降低电机的温升。永磁材料磁粉与树脂均匀分布在转子圆周表面能够保证转子的整体性和一致性，可以避免采用永磁体分块结构造成的边缘应力分布不均匀的现象。同时由于碳纤维的缠绕，碳纤维具有密度小、拉伸强度大、受温度影响较小的特点，可以保证永磁转子高温高速下的可靠运行。
本发明的有益效果是：
1、该种分层绑扎混合永磁转子采用磁粉和树脂形成的圆环状结构，代替了常规电机中磁钢块加填充块的分块结构，转子永磁体部分无集中应力，保证了高速永磁电机转子的整体性、均匀性和一致性，消除了常规结构磁钢分块之间以及磁钢和填充块之间边缘效应造成的局部应力过大所引起的永磁块损坏的问题，进而提高了高速永磁电机转子抗拉强度，提高转子转速限制，在体积不变的前提下增大了电机的输出功率，这是常规电机采用磁钢加填充块结构所不能实现的。
2、该种分层绑扎混合永磁转子，从内至外由1,2,3,······,n个单元层组成，每个单元层都包含提供励磁的混合永磁材料和增加转子强度的碳纤维（或玻璃丝），并在最外层绑扎一层碳纤维保证转子整体强度。碳纤维材料具有密度小、抗拉强度大、受温度影响较小的特点，该种转子分层绑扎的结构可以大大保证混合永磁转子在高速高温情况下运行的可靠性。
3、该种混合永磁材料由永磁材料磁粉和树脂按比例混合而成，树脂是电的不良导体，混合后能够有效减小混合永磁材料内部的涡流，降低该部分的损耗，解决其局部发热严重的问题。
4、该种分层绑扎混合永磁转子，外单元层添加的导电永磁材料磁粉可对高频电磁波产生屏蔽，降低内单元层混合永磁材料中永磁材料磁粉的高频涡流损耗。该种结构能够有效减小电机转子内的热源，从根源上解决高速电机转子过热问题。
5、该种转子结构弹性模量高，比强度高，密度低，可提高转子固有频率，提升电机转子稳定运行范围。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明。
图1为本发明电机的电路连接示意图。
图2为本发明电机的结构图；
图3为本发明电机转子单元层结构示意图
图4为本发明的轴向截面图；
图中：1.电机机壳，2.风道入口，3.定子压板，4.定子铁心，5.定子绕组，6.轴向内风道，7.转子外单元层，8.转子中单元层，9.转子内单元层，10.绕组端部，11.风道出口，12电机端盖，13.滑动轴承，14.转子铁心，15.混合永磁材料，16.碳纤维（或玻璃丝）。
具体实施方式：下面结合附图对本发明加以具体描述：
采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机，其特征在于：该电动机包括机壳（1）、定子以及分层绑扎混合永磁转子，定子和转子均设置在机壳（1）内，定子包括定子铁心（4）和定子绕组（5），定子绕组（5）设置在定子铁心（4）内，转子轴向穿过定子且转子与定子之间留有供冷却气体通过的轴向内风道（6），定子两端的壳体上分别设置有风道入口（2）和风道出口（11），风道入口（2）通过轴向内风道（6）连通风道出口（9）；
所述分层绑扎混合永磁转子包括转子铁心（14）、转子外单元层（7）、转子中单元层（8）以及转子内单元层（9）；转子内单元层（9）设置在转子铁心（14）外，转子中单元层（8）设置在转子内单元层（9）外，转子外单元层（7）设置在转子中单元层（8）外，转子外单元层（7）外绑扎一层碳纤维，每个单元层均由内部层的碳纤维或玻璃丝层（16）与外部的混合永磁材料层（15）构成。
定子铁心（4）设置有贯通轴向的供孔转子车穿过的孔，定子绕组（5）设置在定子铁心（4）的孔壁内。
定子的两端的两端还设置有绕组压板（3）。
混合永磁材料层（15）是由永磁材料磁粉与树脂混合而成的材料。
混合永磁材料层（15）沿径向由内至外，随着单元层数的增加，每层单元的永磁材料磁粉的含量依次增多，绑扎的碳纤维或玻璃丝层厚度依次增厚，并进行整体充磁形成若干极数。
机壳（1）的两端设置有端盖（12）。
定子铁心（4）上设置有用于固定绕组的定子槽，该定子槽为梨形槽，绕组分上、下两层，采取短距叠绕组连接，绕组采用细导线多根并绕。
所述细导线多根并绕是细导线多根并绕短距Y接的形式。
下面结合附图进行详细说明：
如图1所示，电机由变频驱动。电机绕组与变频器相连，变频器进口端与电网相连，出口端与电机相连，变频器将电网的频率变大，通过变频器实现电机的高速旋转。电机转子与负载直连，实现高速设备的运行。
如图2所示，定子铁心两端装有绕组压板3，定子绕组5嵌入定子铁心4的定子槽中。定子槽采用梨形槽，绕组5采用细导线多根并绕短距Y接的形式，可以减小高频驱动下的附加损耗，还可以避免因槽口尺寸较大而产生较大的齿槽转矩，减小电动机运行时的转矩波动，使电机更可靠的运行。电机转子在机加工后进行径向整体充磁。电机运行时，冷风从机壳进风口2进入电机，经过绕组端部流向轴向内风道6，经另一端的绕组端部，从电机的风道出口11流出，完成对电机的冷却。混合永磁材料分层绑扎结构电机转子由转子外部层7、转子中部层8、转子内部层9以及转子铁心14构成。刚性转轴两端用滑动轴承13支撑。
如图3所示，每个单元层在内部层绑扎一层很薄的碳纤维（或玻璃丝）进行固定，然后在外部层添加混合永磁材料为电机提供励磁，混合永磁材料由永磁材料磁粉和树脂均匀混合，若干个单元层叠加后构成该种分层转子结构，其中树脂是电的不良导体，混合后能够有效减小混合永磁材料内部的涡流，降低该部分的损耗，解决其局部发热严重的问题。同时该种分层结构将转子高速运行时的集中应力分散到每个单元层中，进而大大增大转子强度，提高转子转速限制。
如图4所示，电机转子按照磁粉的含量高低沿径向由内至外分为若干个单元层，每个单元层中内部层的碳纤维（或玻璃丝）是为了进行固定，外部层中的混合永磁材料是为了提供励磁。电机运行时，转子磁场与定子磁场铰链，转子提供励磁，因此为了更好的提高材料的利用率，同时保证外单元层中强度的可靠性，在分层转子加工过程中，由内至外，每个单元层中磁粉含量和碳纤维（或玻璃丝）厚度依次增多。同时外单元层添加的导电永磁材料磁粉可对高频电磁波产生屏蔽，降低内单元层永磁材料磁粉中的高频涡流损耗，该种结构能够有效减小电机转子内的热源，从根源上解决高速电机转子过热问题。该种结构保证了转子圆周方向的均匀性、整体性和一致性，同时该种转子结构的弹性模量高，比强度高，密度低，可提高转子固有频率，提升电机转子稳定运行范围。碳纤维材料具有密度小、抗拉强度大、受温度影响较小的特点，可以对永磁体在高温高速运行时进行更安全有效的保护，避免电机高速运行过程中局部应力过大的问题。
该电机具有较高的可靠性，结构简单，转子强度高等特点。
该种分层转子外单元层添加的导电永磁材料磁粉可对高频电磁波产生屏蔽，降低内单元层混合永磁材料磁粉高频涡流损耗。该种结构能够有效减小电机转子内的热源，从根源上解决高速电机转子过热问题。同时该种结构保证了电机转子的均匀性、整体性和一致性，可以从机械上解决永磁体在高速旋转情况下受较大的拉应力而发生破碎的问题。
Claims (8)
1.采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机，其特征在于：该电动机包括机壳（1）、定子以及分层绑扎混合永磁转子，定子和转子均设置在机壳（1）内，定子包括定子铁心（4）和定子绕组（5），定子绕组（5）设置在定子铁心（4）内，转子轴向穿过定子且转子与定子之间留有供冷却气体通过的轴向内风道（6），定子两端的壳体上分别设置有风道入口（2）和风道出口（11），风道入口（2）通过轴向内风道（6）连通风道出口（9）；
所述分层绑扎混合永磁转子包括转子铁心（14）、转子外单元层（7）、转子中单元层（8）以及转子内单元层（9）；转子内单元层（9）设置在转子铁心（14）外，转子中单元层（8）设置在转子内单元层（9）外，转子外单元层（7）设置在转子中单元层（8）外，转子外单元层（7）外绑扎一层碳纤维，每个单元层均由内部层的碳纤维或玻璃丝层（16）与外部的混合永磁材料层（15）构成。
2.根据权利要求1所述的采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机，其特征在于：定子铁心（4）设置有贯通轴向的供孔转子车穿过的孔，定子绕组（5）设置在定子铁心（4）的孔壁内。
3.根据权利要求1所述的采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机，其特征在于：定子的两端的两端还设置有绕组压板（3）。
4.根据权利要求1所述的采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机，其特征在于：混合永磁材料层（15）是由永磁材料磁粉与树脂混合而成的材料。
5.根据权利要求4所述的采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机，其特征在于：混合永磁材料层（15）沿径向由内至外，随着单元层数的增加，每层单元的永磁材料磁粉的含量依次增多，绑扎的碳纤维或玻璃丝层厚度依次增厚，并进行整体充磁形成若干极数。
6.根据权利要求4所述的采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机，其特征在于：机壳（1）的两端设置有端盖（12）。
7.根据权利要求2所述的采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机，其特征在于：定子铁心（4）的内壁上设置有用于固定绕组的定子槽，该定子槽为梨形槽，梨形槽的开口朝向转子；绕组分上、下两层，采取短距叠绕组连接，绕组采用细导线多根并绕。
8.根据权利要求7所述的采用分层绑扎混合永磁转子的高速电动机，其特征在于：所述细导线多根并绕是细导线多根并绕短距Y接的形式。
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