一种高速永磁电机的制作方法

1.本发明涉及一种永磁电机，更具体地说，涉及一种高速永磁电机。


背景技术：

2.高速电机由于转速高，功率密度大，其结构尺寸远小于输出功率相同的中低速电机，可以有效地节约材料。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，因而可减小噪音和提高传动系统效率。高速电机的应用领域越来越广泛，如高速磨床及其他加工机床，高速飞轮储能系统，天然气输送及污水处理中采用的高速离心压缩机和鼓风机，以及用于分布式供电系统的燃气轮机驱动高速发电机等。由于永磁电机具有力能密度大、效率高和无刷等优点，成为高速电机的主要结构形式。
3.然而，高速和高功率密度对于高速永磁电机的设计提出了新的课题：(1)高速旋转要求电机转子具有足够的强度和刚度。转子材料的强度特性限制了永磁转子的外径大小，而转子动力学特性对于刚度的要求则制约了转子的长度。在转子外径和铁心有效长度不变时如何缩短转子的长度满足转子动力学特性的要求，成为高速永磁电机设计的关键技术之一；(2)高功率密度的同时也给高速永磁电机带来了损耗密度的增大和散热面积的减小，如何减小转子损耗和采用有效散热方式以保证永磁转子不因过热发生失磁，是高速永磁电机设计的又一关键技术。
4.例如，现有技术，中国公告号cn 203086307 u公开了一种带有通风结构的永磁同步电机。为了解决转子和定子的散热问题，该专利采用的技术方案是“沿着转子转轴的轴向，永磁体之间设有非导磁材料挡板，用于固定永磁体的轴向位置，并且使轴向上的永磁体之间具有一定间隔，即使得轴向上被隔开的永磁体之间在径向上形成通风道；在永磁体之间的通风道的下方所对应的磁钢槽和隔磁套的相应位置，沿径向开设有与永磁体之间通风道贯通的径向通风孔；所述的转子转轴为空心转轴；所述空心转轴内部开设有两头贯通的轴向通风孔，沿该转轴的轴向还开设有多排径向通风孔，所述空心转轴的径向通风孔在转轴的轴向上每排等间距分布，在转轴的径向上每排等角度分布；所述空心转轴的轴向通风孔与其径向通风孔相通；并且，所述的隔磁套的径向通风孔与空心转轴的径向通风孔位置相对应且相连通；定子铁心上也开有贯通的径向通风孔，其位置与永磁体之间的通风道相对应。”以及“在转子两端面两侧分别安装风扇，并且转子两端的风扇的风向相对，在定子线圈两端部且在转子两侧风扇上方装有风罩，风罩固定连接在机座上。”。但是这种永磁同步电机的结构比较复杂，且不适合高速永磁电机。
5.本发明正是针对上述高速永磁电机设计的关键技术，提出的一种新的高速永磁电机定子铁心和绕组设计方案，并通过样机对其可行性和有效性进行了验证。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种高速永磁电机，该高速永磁电机不但满足高速和高功率密度的要求，还具有散热性能优良的特点。为实现本发明的目的，本发明采用以下技术方
案。
7.一种高速永磁电机，包括机壳、定子铁心和转子，该机壳围绕定子铁心的外侧设置，定子铁心围绕转子设置，定子铁心由多个外齿、轭和多个内齿组成，
8.其中每个外齿和每个内齿的对齐分布在轭的两侧，它们的一端位于轭上，外齿的另一末端邻近机壳，内齿的另一末端邻近转子，
9.每两个相邻外齿之间形成外槽，每两个相邻内齿之间形成内槽，
10.定子绕组线圈缠绕在轭上，其两端分别位于外槽和内槽中，并且定子绕组不填满外槽和内槽，使得外槽和内槽的剩余空间分别形成轴向外通风道和轴向内通风道，用于散热。
11.进一步地，上述轭的径向截面呈环形。
12.进一步地，每个外齿的径向横截面均呈t形，且面积相同，每个t形外齿与轭连接的一端横截面积小，邻近机壳的一端横截面积大。
13.进一步地，每个内齿的径向横截面均呈矩形，且面积相同。
14.进一步地，外齿与内齿的数目相等，并且外槽与内槽的数目相等。
15.进一步地，上述外齿的径向高度小于内齿的径向高度，并且外槽的径向深度小于内槽的径向深度。
16.进一步地，上述定子铁心为电工钢片叠压而成的一体结构。
17.进一步地，上述定子铁心为两极结构，三相绕组。
18.进一步地，上述转子包括固定在转子铁心上的永磁体、用于密封该永磁体的护套和将该转子铁心与转轴连接为一体紧固件。
19.进一步地，上述机壳还包括分别放置在高速永磁电机两端的左端盖和右端盖，左端盖和右端盖内设置有用于支撑转轴的左轴承和右轴承。
20.进一步地，上述机壳由具有良好导热性能的非导磁材料制成。
21.本发明的有益效果是：
22.1.本发明的高速永磁电机采用背绕式定子绕组，位于不同槽的绕组线圈边之间的连接，不是通过定子铁心轴向的端部，而是径向的内、外槽之间的直接连接，这样大大缩短了传统电机定子绕组线圈轴向端部长度和高速电机转子的总长度，这对于增加高速电机转子的刚度十分重要。由于材料强度的限制，传统高速电机一般采用细而长的转子，同时为了减小定子铁心中的高频涡流和磁滞损耗，高速电机一般选用2极结构。传统高速电机的定子绕组连接方式使得绕组端部很长，故使本来细而长的转子还要加长，导致转子刚度和临界转速的降低，对于高速电机的稳定运行十分不利。本发明的高速永磁电机的定子采用背绕式绕组，可有效地解决这一难题。
23.2.高速电机的体积小和功率密度高，是因为电机的电磁功率与绕组的反电势成正比，进而与电机的转速成正比，当电机的功率和电压不变时，转速增高后绕组所需要的匝数与转速成反比地减少，因此高速电机是通过减少绕组匝数来缩小体积和获得高功率密度的。电机绕组的漏电感与绕组线圈匝数的平方成正比，绕组线圈匝数的减小导致高速电机具有很小的绕组漏电感。高速电机一般采用变频器供电，变频器输出电压中存在一系列高次谐波，由于绕组漏电感较小，对于高次谐波起不到滤波作用，致使高速电机绕组电流中存在较大的谐波分量，不仅在电机定子铁心和绕组中产生高频损耗，而且高次谐波磁场在永
磁转子中产生涡流损耗，成为转子损耗和发热的主要来源。为此，需要在变频器与高速电机之间外接滤波器。本发明的高速永磁电机的定子铁心采用径向内侧和外侧分别设置有内槽和外槽的定子铁心，绕组内外线圈边分别置于内槽和外槽中，并且绕组线圈的边缘不超过内槽和外槽的开口，即距离内槽和外槽的开口有一定的距离，为绕组电流产生的磁场提供一定的漏磁路径，从而增加了绕组的漏电感。这样本发明的绕组结构，有效地增大了绕组漏电感，取代外接滤波电抗器，对于定子绕组的高频谐波电流起到抑制作用，从而减小高速永磁转子的损耗和发热。
24.3.本发明的定子铁心通过定子绕组线圈不填满内槽和外槽，并且绕组线圈的边缘距离内槽和外槽的开口有一定距离，使得内槽和外槽未缠绕绕组线圈的部分形成了轴向通风道，解决了高速电机的定转子散热难题。传统高速电机中，由于转子的高速旋转，在高速电机转子上无法采取通风散热措施，转子产生的热量需要跨越气隙，经过定子铁心再散发出去，这样传热路径太长，传热效果差，会导致永磁转子过热。本发明的高速永磁电机通过在靠近气隙的定子铁心内槽开口附近设置轴向内通风道，主要用于永磁转子的散热，同时带走小部分的定子绕组和定子铁心的热量。同时通过在靠近机壳的外槽开口附件设置轴向外通风道，用于定子绕组和定子铁心的散热。
25.4.传统高速电机的定子绕组的散热主要利用置于槽中的导体通过热传导方式，先将绕组发热量传给定子铁心，然后由定子铁心再通过风冷或水冷方式传到电机外部。这种传统电机绕组结构，绕组端部位于定子铁心轴向两端，端部较长而且悬在空气中与定子铁心无接触，绕组端部发热量需要经过位于槽内部分导体再通过铁心向外散热，绕组端部散热困难，温升较高。本发明高速永磁电机采用背绕式绕组，将位于铁心轴向两端悬在空气中的绕组端部改为放在铁心径向的槽中，不仅增大了绕组与铁心之间的接触传导散热面积，而且定子绕组内外线圈边皆可直接通过内外通风道对流散热，可有效地提高了定子绕组和铁心的散热能力。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例和现有技术的附图做简单地介绍，很显然下面描述的附图仅仅是对本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前题下，还可以根据这些附图获得其他附图。
27.图1示意性地示出了本发明的高速永磁电机的径向截面图的一个实施例。
28.图2a为以图1所示的高速永磁电机的定子铁心的径向截面图。
29.图2b示意性地示出了本发明高速永磁电机定子背绕式绕组的线圈缠绕方式。
30.图3a示意性地示出了传统电机定子绕组。
31.图3b示意性地示出了本发明的高速永磁电机的定子的背绕式绕组。
具体实施方式
32.本发明的描述中，“背绕式绕组”是指本发明高速永磁电机的定子铁心采用径向内侧和外侧分别设置有内槽和外槽的定子铁心，绕组线圈的缠绕方式是每个线圈的两边分别放在定子铁心背靠背的内槽和外槽中。
33.本发明的描述中，“轴向”是指电机的转子转轴所在的方向，“径向”是指与轴向垂直的方向，或是指定子铁心和转子铁心的直径或半径所在的方向。
34.本发明的描述中，“多个外齿”和“多个外齿”的数目可以由本领域技术人员根据电机的实际需要设定。外齿和内齿的数目与电机定子绕组的极数、相数以及电机的功率大小和定子铁心内径大小有关，其关系为：极数和相数越多，外齿和内齿的数目越多；电机功率和定子铁心内径越大，外齿和内齿的数目越多。对于常用的中小功率三相两极高速永磁电机，外齿和内齿数均可选用12、18、24、30、36等。在本发明的一个具体实施方式中，外齿和外齿的数目均是12个。
35.本发明的高速永磁电机中，优选每个内齿是等截面，并且轭是等截面的环形，使得定子铁心中的磁场分布均衡以减小铁耗。
36.本发明的高速永磁电机中，优选定子内齿和轭部磁通密度相近。
37.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白理解，下面结合附图，进一步阐述本发明。
38.图1显示了本发明的高速永磁电机1的径向截面图，该从该图可以看出高速永磁电机1具有机壳10、定子铁心20和转子30。其中机壳10位于定子铁心20外侧并包围定子铁心20，即机壳10紧邻定子铁心20的外侧(外圆周表面)，定子铁心20围绕转子30设置，即，转子30位于定子铁心20内侧，邻近定子铁心20的内侧(内圆周表面)。
39.定子铁心20由多个外齿21、多个内齿22和轭23组成。在图1所示的例子中，外齿21和内齿22的个数分别为12，一一对齐分布在轭23的两侧。外齿21的一端和内齿22的一端分别位于轭23上，外齿21的另一端和内齿22的另一端分别邻近机壳10和转子30。每两个相邻外齿21之间形成外槽24，每两个相邻内齿22之间形成内槽25，外槽24和内槽25的开口分别位于定子铁心20的外圆周表面和内圆周表面上，并且一一对应分布在轭23的两侧。每个外齿21的径向截面均呈t形，且面积相同。t形外齿21的较宽端是定子铁心20的外圆周表面的一部分，其较窄端与轭23连接在一起。每个内齿22的径向截面均呈矩形，且面积相同。矩形内齿22的一端是定子铁心20的内圆周表面的一部分，另一端与轭23连接在一起。每两个t形外齿21之间的外槽24呈开口小，中间和底部大的罐子形状，罐子形状的外槽24的开口位于定子铁心20的外圆周表面上。两个矩形内齿22之间的内槽25呈开口小，底部大的锥形瓶形状，锥形瓶形状的内槽25的开口位于定子铁心20的内圆周表面上。轭23的径向截面呈环形。
40.定子绕组线圈26缠绕在轭23上，其两端分别位于外槽24和内槽25中，并且绕组线圈26不填满外槽24和内槽25(外槽24和内槽25分别剩余约1/5的位置是空的)。定子绕组线圈26的外边缘261距离外槽24的位于外圆周表面上的开口有一定距离，这样对外槽24来说，定子绕组线圈的外边缘261与其开口之间的部分是空的，形成轴向的位通风道27。定子绕组线圈26的内边缘262距离内槽25的位于内圆周表面上的开口有一定距离，这样对内槽25来说，定子绕组线圈的内边缘262与其开口之间的部分是空的，形成轴向的内通风道28。这样定子绕组线圈的外边缘261和内边缘262分别直接通过轴向外通风道27和轴向内通风道28对流散热，可有效地提高定子绕组和铁心的散热能力。并且，定子绕组线圈的外边缘261和内边缘262分别位于定子铁心的外槽24和内槽25中，增加了绕组线圈的漏电感，对定子绕组的高频谐波电流起到抑制作用，从而减小了高速永磁电机高次谐波电流产生的附加损耗和发热。
41.图2a显示了图1的高速永磁电机1的定子绕组线圈26在定子铁心20的外槽24和内槽25中的排列情况。为了便于说明，该图中将12个外槽24和12个内槽25中的三相绕组线圈26的分别标记为a1、a2、
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a1、
‑
a2和b1、b2、
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b1、
‑
b2以及c1、c2、
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c1、
‑
c2。
42.图2b显示了图2a所示定子铁心具有12个内槽和12个外槽的两极三相绕组永磁电机定子绕组线圈的缠绕方式。该图以a相绕组为例，示意说明a相绕组线圈在图2a中所示a1、a2、
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a1、
‑
a2内外槽中的缠绕和连接方式。可以看出，线圈在a1与a2槽中的缠绕方向是一致的，线圈在
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a1与
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a2槽中的缠绕方向也是一致的，但线圈在a1和a2槽中的缠绕方向与线圈在
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a1和
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a2槽中的缠绕方向是相反的，这样才能使a1、a2、
‑
a1、
‑
a2四个线圈串联之后a相绕组(图2b中端子a和
‑
a间)总的反电动势相叠加而不是相抵消。
43.图3a显示了传统电机的定子绕组的结构示意图。其中10’表示机壳，20’表示定子铁心，26’表示定子绕组，40’表示转轴，从该图可以看出，传统电机中定子槽中的线圈在定子铁心的端部轴向闭合。这种传统高速电机定子绕组的散热主要利用置于槽中的导体通过热传导方式，先将绕组发热量传给定子铁心，然后由定子铁心再通过风冷或水冷方式传到电机外部。这种传统电机绕组结构中绕组端部位于定子铁心轴向两端，端部较长而且悬在空气中与定子铁心无接触，绕组端部发热量需要经过位于槽内部分导体再通过铁心向外散热，绕组端部散热困难，温升较高。
44.图3b显示了本发明的高速永磁电机1的背绕式定子绕组的结构示意图，其中10表示机壳，20表示定子铁心，26表示定子绕组，40表示转轴，从该图可以看出定子槽中的绕组线圈在定子铁心的轭处闭合。通过图3a与图3b的对比可以看出，本发明的背绕式绕组将传统电机位于定子铁心两轴向端部并悬在空气中的绕组端部改为放在铁心径向的槽中，绕组的轴向端部长度比传统电机的绕组线圈的轴向端部长度大为缩短，从而可减小转子总长度并可提高电机转子的刚度。另外，还增大了绕组与定子铁心之间的接触传导散热面积，而且定子绕组内外线圈边皆可直接通过内外通风道对流散热，有效地提高了定子绕组和铁心的散热能力。
45.本发明上述定子铁心可采用超薄高频低损耗电工钢片叠压而成。
46.本发明的高速永磁电机还包括转轴40，如图1所示，转子30包括固定在转子铁心上的永磁体、用于密封所述永磁体的护套和将所述转子铁心与转轴连接为一体紧固件。
47.本发明的高速永磁电机还包括机壳，该机壳除了设置在定子铁心外周的机壳主要部分之外，还包括分别放置在高速永磁电机两端的左端盖和右端盖，左端盖和右端盖内设置有用于支撑所述转轴的左轴承和右轴承。机壳由具有良好导热性能的非导磁材料(如铝合金)制成，不仅可提高机壳的散热能力，更重要的是利用其隔磁作用保证具有永磁体的转子产生的磁通不进入定子铁心的外齿21，定子铁心的外齿21仅承担支撑定子铁心的外槽24和绕组而不会造成转子磁通的泄漏。
48.工作时，具有永磁体的转子的一个磁极产生的磁通跨越气隙后经过该磁极下对应的定子铁心的内齿22进入定子铁心20，然后通过定子铁心的轭23，经过另一磁极下对应的定子铁心的内齿22返回转子。
49.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些
变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。