一种高速永磁同步电机的制作方法

本发明涉及一种高速永磁同步电机，属于工程机械领域。

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，并且提高传动系统的效率。

(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。无槽的高速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。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高速永磁同步电机，所述同步电机具有高密度和超高转速。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种高速永磁同步电机，所述同步电机从外至内依次为机壳、定子铁心、转子护套和转子永磁体；其中，所述转子护套为圆筒状结构，所述转子永磁体为圆柱形整体式磁钢结构，所述转子护套和转子永磁体之间为过盈配合连接；所述定子铁心为圆柱体结构，其上、下端面上加工有凹槽；所述定子电枢绕组绕制在所述凹槽中。

进一步的，所述转子护套的两端设有空气轴承。

进一步的，所述转子护套的材质为不锈钢；所述转子永磁体的材质为衫钴永磁体。

进一步的，所述转子永磁体的充磁方式为径向充磁。

进一步的，所述定子电枢绕组为三相对称分布式绕组。

进一步的，所述定子电枢绕组采用细导线并绕的形式。

进一步的，所述机壳上加工有通风槽。

进一步的，所述转子护套和转子永磁体之间的过盈量为0.025～0.035mm。

进一步的，所述定子铁心的制备工艺如下：对厚度小于0.2mm的硅钢片进行冲压处理，得到定子铁心前体；将所述定子铁心前体在露点不高于-60℃的高纯氢气的保护下，于900℃保温2h，以150℃/h的降温速率降温至500℃后随炉冷却，得到定子铁心。

进一步的，所述转子护套和转子永磁体之间装配过程为：

将转子护套于300℃下保温1h，保持温度不变，将转子永磁体套装到所述转子护套中，冷却至室温，完成装配。

工作原理为：

所述转子永磁体经转子护套、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。

有益效果

(1)本发明所述同步电机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，并且所述同步电机结构简单，损耗更小，在高速运行下较为平稳。

(2)不同于现有高速电机的表贴式、内置式转子结构，本发明所述同步电机的转子永磁体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。

(3)本发明所述同步电机中两极整体结构的转子永磁体采用径向充磁，使得即使采用集中整距的定子电枢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。

(4)本发明所述同步电机中所述定子电枢绕组为三相对称分布式绕组，对应的定子铁心为少沟槽结构，避免了无槽的高速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高速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。

(5)本发明所述同步电机中定子铁心由低损耗的硅钢片冲压而成，可以有效地降低对电机的效率和发热性能具有主导的作用铁心损耗。

(6)本发明所述同步电机中定子电枢绕组为三相对称分布式绕组，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。

(7)本发明所述同步电机中机壳上加工有通风槽，利用通风槽的风冷方式可以进一步抑制高度高速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为沿本发明所述高速永磁同步电机轴向的剖面图；

图2为沿本发明所述高速永磁同步电机径向的剖面图；

图3为本发明所述高速永磁同步电机的转子护套和转子永磁体部分的结构示意图；

其中，1-机壳、2-定子铁心、3-定子电枢绕组、4-转子护套、5-转子永磁体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。

实施例1

如图1、2和3所示，一种高速永磁同步电机，所述同步电机从外至内依次为机壳1、定子铁心2、转子护套4和转子永磁体5；其中，所述转子护套4为圆筒状结构，所述转子永磁体5为圆柱形整体式磁钢结构，所述转子护套4和转子永磁体5之间为过盈配合连接；所述定子铁心2为圆柱体结构，其上、下端面上加工有凹槽；所述定子电枢绕组3绕制在所述凹槽中。

进一步的，所述转子护套4的两端设有空气轴承。

进一步的，所述转子护套4的材质为不锈钢；所述转子永磁体5的材质为衫钴永磁体。

进一步的，所述转子永磁体5的充磁方式为径向充磁。

进一步的，所述定子铁心2由厚度小于0.2mm的硅钢片冲压而成。

进一步的，所述定子电枢绕组3为三相对称分布式绕组。

进一步的，所述定子电枢绕组3采用细导线并绕的形式。

进一步的，所述机壳1上加工有通风槽。

进一步的，所述转子护套4和转子永磁体5之间的过盈量为0.025～0.035

进一步的，所述定子铁心2的制备工艺如下：对厚度小于0.2mm的硅钢片进行冲压处理，得到定子铁心2前体；将所述定子铁心2前体在露点不高于-60℃的高纯氢气的保护下，于900℃保温2h，以150℃/h的降温速率降温至500℃后随炉冷却，得到定子铁心2。

进一步的，所述转子护套4和转子永磁体5之间装配过程为：

将转子护套4于300℃下保温1h，保持温度不变，将转子永磁体5套装到所述转子护套4中，冷却至室温，完成装配。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。