一种周径向脉振助磁配合多路风冷的高速永磁电机的制作方法

本发明涉及一种风冷高速永磁电机，具体涉及一种周径向脉振助磁配合多路风冷的高速永磁电机，属于电机技术领域。

背景技术：

高速永磁电机由于转速较高，体积小且功率密度大，应用极其广泛。但由于定子铁芯齿槽结构造成的气隙不均匀和定子电流电枢反应磁场的谐波分量，将在永磁转子、转子护套和转子轭中产生较大附加损耗，特别在永磁体表面产生较多的热量，有研究表明，永磁体温度较高、散热较难、较易退磁的位置往往在永磁体表面、轴向中部位置，即磁体涡流损耗分布最大值出现的位置附近。但目前采用较多的单相轴向风冷和定子液冷结构，虽能够有效减少定子绕组产生的温升，但对转子的降温效果非常有限，尤其是永磁体温度较高处，且由于转子在运行过程中处于高速旋转状态，采用转子液冷会存在旋转密封不够的问题，可靠性较低；采用单相轴向风冷，冷却风需经过较长路径达到永磁体温度较高部位，无法对永磁体温度较高部位进行针对性冷却，而且单相风冷冷却气体循环性差，对永磁体轴伸端和非轴伸端散热效果不一致，对转子散热十分有限。而高温易造成永磁体不可逆退磁，严重威胁电机运行的安全性与可靠性，转子温升又是限制高速永磁电机容量的关键要素，因此，良好的散热结构对高速永磁电机的稳定运行至关重要。

基于上述，现有技术中存在的问题是：高速永磁电机液冷对转子降温效果不明显，可靠性低和单轴向风冷对永磁体温度较高部位和定子绕组冷却效果差。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，为了解决现有的高速永磁电机液冷对转子降温效果不明显，可靠性低和单轴向风冷对永磁体温度较高部位和定子绕组冷却效果差的技术问题，本发明提出一种周径向脉振助磁配合多路风冷的高速永磁电机，可以实现对高速永磁电机永磁体温度较高处和定子绕组的有效冷却，通过采用周、径向脉振助磁，提高了电机功率密度和电机的冷却效果，同时降低了电机制造成本。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种周径向脉振助磁配合多路风冷的高速永磁电机，包括机壳，周向助磁铁芯，定子绕组，转子铁芯，永磁体，定子铁芯，周向助磁绕组，径向助磁绕组，所述定子铁芯安装在机壳内，转子铁芯安装在定子铁芯内，转子铁芯外周安装永磁体，转子铁芯与定子铁芯构成气隙，定子绕组安装于定子铁芯上；

所述定子铁芯沿周向分为n段，n为大于2的偶数，周向相邻的两个定子铁芯段之间通过周向助磁铁芯连接，周向相邻的两个定子铁芯段之间形成径向进风通道和径向出风通道，所述周向助磁铁芯的周向跨度远小于定子铁芯段的周向跨度，周向助磁铁芯上安装有周向助磁绕组，定子铁芯段的齿部绕有径向助磁绕组；所述高速永磁电机共三套绕组进行励磁，之一为在定子铁芯槽沿圆周分布的定子绕组，用于建立周向旋转的磁场，之二为绕周向助磁铁芯沿圆周分布的周向助磁绕组，对定子绕组在定子铁芯段轭部产生的周向磁通起到增强的作用，之三为径向助磁绕组，用于在相邻定子铁芯段之间的径向出风通道、径向进风通道建立径向辅助磁场，对定子绕组在定子铁芯齿部产生的径向磁通起到增强的作用。

为了达到对电机冷却的目的,定子铁芯段间增加进风通道和出风通道，为了减小进、出风通道处磁阻过大引起的磁通损失，通过增加周向助磁铁芯，安装周向助磁绕组和径向助磁绕组，形成周、径向助磁磁通补偿了进、出风通道处的磁势，提高电机的功率密度和冷却效果。

进一步地：所述定子铁芯沿周向分为四段，分别定义为定子铁芯段i、定子铁芯段ii、定子铁芯段iii、定子铁芯段iv，

所述定子铁芯段i和定子铁芯段iv相邻，两者之间由在轴向上分布的多个周向助磁铁芯连接，周向助磁铁芯上绕有周向助磁绕组i，定子铁芯段i和定子铁芯段iv之间形成径向进风通道i；

所述定子铁芯段i和定子铁芯段ii相邻，两者之间由在轴向上分布的多个周向助磁铁芯连接，周向助磁铁芯上绕有周向助磁绕组ii，定子铁芯段i和定子铁芯段ii之间形成径向出风通道i

所述定子铁芯段iii和定子铁芯段ii相邻，两者之间由在轴向上分布的多个周向助磁铁芯连接，周向助磁铁芯上绕有周向助磁绕组iii，定子铁芯段iii和定子铁芯段ii之间形成径向进风通道ii；

所述定子铁芯段iv和定子铁芯段iii相邻，两者之间由在轴向上分布的多个周向助磁铁芯连接，周向助磁铁芯上绕有周向助磁绕组iv，定子铁芯段iv和定子铁芯段iii之间形成径向出风通道ii。

周向助磁绕组绕在周向助磁铁芯段，在周向助磁绕组内通单相交流电，可以在周向助磁铁芯内产生脉振周向磁通，有效补偿了周向助磁铁芯连接的两个相邻的定子铁芯段内的周向磁通，提高了电机的功率密度，相邻定子铁芯段在轴向上设置多个周向助磁铁芯和周向助磁绕组，进一步增强了周向磁通的补偿效果。

进一步地：所述径向进风通道由内至外弧长递增，径向出风通道由内至外弧长递减，径向进风通道和径向出风通道在靠近转子铁芯侧的周向弧长相同，均为d。所述进风通道内侧的周向跨度小于另一侧的周向跨度，而出风通道内侧的周向跨度大于另一侧的周向跨度，可减小风阻。

径向进风通道由内至外弧长递增，径向出风通道由内至外弧长递减，可以使冷却气体从通过径向进、出风通道时的阻力较小，增强了冷却气体的流动性，提高冷却气体对电机的冷却效果。

进一步地：周向助磁绕组i、周向助磁绕组ii、周向助磁绕组iii和周向助磁绕组iv绕法完全相同，通单相交流电，通电频率与定子绕组相同。相邻定子铁芯段间，在轴向上分部的4套绕组绕法也完全相同，并串联连接，以产生周向脉振磁通。

周向助磁绕组i、周向助磁绕组ii、周向助磁绕组iii和周向助磁绕组iv通电产生的周向磁通对电机定子绕组产生的周向磁通起到补偿作用，对于某一进风通道或出风通道，在轴向上分部的多个周向助磁绕组绕法与通电电流相同，同时产生相同的周向助磁磁通，提高了周向助磁效果。

进一步地：所述周向助磁绕组ii通电电流相位对周向助磁绕组iii、周向助磁绕组iv、周向助磁绕组i通电电流相位分别超前1/2、1和3/2个周期。

周向助磁绕组i、周向助磁绕组ii、周向助磁绕组iii和周向助磁绕组iv分别独立供电，通相位不同的单相交流电，对定子绕组产生的周向磁通起到增强的效果。

进一步地：所述径向助磁绕组共四组，依次为径向助磁绕组i、径向助磁绕组ii、径向助磁绕组iii和径向助磁绕组iv，径向助磁绕组与周向助磁绕组绕法相同，通单相交流电，通电频率与定子绕组相同；径向助磁绕组ii通电电流相位对径向助磁绕组iii、径向助磁绕组iv、径向助磁绕组i相位分别超前1/2、1和3/2个周期。

径向助磁绕组i、径向助磁绕组ii、径向助磁绕组iii和径向助磁绕组iv分别独立供电，通相位不同的单相交流电，对定子绕组在进出风通道处产生的径向磁通起到增强的效果。

进一步地：所述径向助磁绕组ii通电电流相位超前于周向助磁绕组ii1/4个周期。

周向助磁绕组和径向助磁绕组存在一定的相位差，二者相互配合，实时对定子绕组产生的周、径向磁通起到增强的作用。

进一步地：所述转子铁芯安装在转轴上，转轴端部与机壳之间设置有轴承，所述永磁体的外周安装有永磁体保护套；所述永磁体充磁方向设置为转轴对称方向。如此设置，增加气隙磁密，减小转子铁芯损耗。

进一步地：在轴向上分布的多个周向助磁铁芯由左至右依次定义为周向助磁铁芯i、周向助磁铁芯ii、周向助磁铁芯iii、周向助磁铁芯iv，所述周向助磁铁芯i、周向助磁铁芯ii、周向助磁铁芯iii、周向助磁铁芯iv在轴向设置为均匀分布，数量设置为大于2的偶数来保证轴向中部不设置周向助磁铁芯。从而使径向进风通道的冷却风经过较短路径直接到达永磁体轴向中部温度较高部位。

将定子铁芯段间在轴向上分部的周向助磁铁芯设置为大于2的偶数，电机定子铁芯在轴向中部无周向助磁铁芯，进出风通道处的冷却气体可经过较短路径直接到达永磁体轴向中部温度较高部位，增强了冷却效果。

进一步地：在轴向上分布的多个周向助磁铁芯由左至右依次定义为周向助磁铁芯i、周向助磁铁芯ii、周向助磁铁芯iii、周向助磁铁芯iv，所述周向助磁铁芯i、周向助磁铁芯ii、周向助磁铁芯iii、周向助磁铁芯iv在轴向上设置为不均匀分布，使中部径向进风通道的轴向长度大于其他径向进风通道的轴向长度，从而使径向进风通道中部的冷却风较大，增加对永磁体轴向中部温度较高部位的冷却效果。

将定子铁芯段间在轴向上分部的周向助磁铁芯设置为：靠近轴向中部的两根周向助磁铁芯之间的距离较长，其他较短，使轴向中部进风通道处的冷却风较大，增强对永磁体轴向中部温度较高部位的冷却效果。

本发明所达到的效果为：

在本发明所提出的“一种周径向脉振助磁配合多路风冷的高速永磁电机”技术方案公开之前，关于通过在周向分段的定子铁芯之间增加周、径向脉振助磁磁通，在保证电机功率密度的基础上提高了电机的冷却效果的结构还未见报道。

本发明为了解决高速永磁电机单轴向风冷循环性差，对永磁体温度较高位置和定子绕组降温效果不明显的问题，采用在相邻定子铁芯段之间增加周向助磁绕组和径向助磁绕组，形成径向进风通道和出风通道，相比单轴向风冷，本发明的电机外侧冷却气体能够通过较短路径直接到达永磁体表面、轴向中部、周向两边温度较高的部位，再利用定子铁芯段之间的径向出风通道和轴向机壳出风通道流出电机外，冷却气体可通过副槽进风通道流入电机副槽，对较难散热的定子绕组进行冷却，相比单轴向风冷，本发明冷却气体流动路径短，流动性好，而且避免了单轴向风冷冷却气体在轴向上温度不均匀对永磁体轴伸端或非轴伸端散热不一致的问题，对永磁体温度较高较易退磁部位进行有效的针对性冷却。

为了对电机进行冷却，在相邻定子铁芯段之间设置进、出风通道，通过增加周、径向助磁磁通来减小进、出风通道处磁阻过大引起的磁通损失给电机造成的影响，周向助磁绕组和径向助磁绕组有效地补偿了进、出风通道处的磁势，同时这种结构提高了电机的功率密度和电机的冷却效果，降低了电机的制造成本。

附图说明

图1为本发明的永磁电机的结构示意图；

图2为图1的a-a’剖视图；

图3为图2的e-e’剖视图及冷却气体流动示意图；

图4为定子铁芯段i的局部放大及副槽内冷却气体流动方向图；

图5为图1的b-b’剖视图；

图6为图1的c-c’剖视图；

图7为图1的d-d’剖视图；

图8为图1定子铁芯助磁磁通方向示意图；

图9为永磁体充磁方向及磁通方向示意图。

图中：1-机壳，2-径向进风通道，2-1径向进风通道i，2-2径向进风通道ii，3-周向助磁铁芯，3-1周向助磁铁芯i，3-2周向助磁铁芯ii，3-3周向助磁铁芯iii，3-4周向助磁铁芯iv，3-5周向助磁铁芯v，4-定子绕组，5-出风口，6-轴承，7-转轴，8-转子铁芯，9-永磁体，10-永磁体护套，11-气隙，12-定子铁芯，12-1定子铁芯段i，12-2定子铁芯段ii，12-3定子铁芯段iii，12-4定子铁芯段iv，13-周向助磁绕组，13-1周向助磁绕组i，13-2周向助磁绕组ii，13-3周向助磁绕组iii，13-4周向助磁绕组iv，14-径向助磁绕组，14-1径向助磁绕组i，14-2径向助磁绕组ii，14-3径向助磁绕组iii，14-4径向助磁绕组iv，15-径向出风通道，15-1径向出风通道i，15-2径向出风通道ii，16-导风管，17-副槽进风通道，18-副槽出风通道，19-副槽，20-封盖。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、中”、“外”、“前”、后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“设置”、“连接”、固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1-9并结合实施例来详细说明本申请。

下面根据附图详细阐述本发明优选的实施例。

实施例：参见图1至图9，本实施例的一种周径向脉振助磁配合多路风冷的高速永磁电机，包括机壳1，径向进风通道2，周向助磁铁芯3，定子绕组4，轴承6、转轴7、转子铁芯8，永磁体9，永磁体护套10，定子铁芯12，周向助磁绕组13，径向助磁绕组14，导风管16，封盖20。

所述定子铁芯12安装在机壳1内，转子铁芯8安装在定子铁芯12内，转子铁芯8外周安装永磁体9，转子铁芯8与定子铁芯12构成气隙11，定子绕组4安装于定子铁芯12上；所述转子铁芯8安装在转轴7上，转轴7端部与机壳1之间设置有轴承6，所述永磁体9的外周安装有永磁体保护套10；所述永磁体9充磁方向设置为转轴对称方向。

所述定子铁芯12设有副槽进风通道17、副槽出风通道18和副槽19，机壳1的侧壁上开设有进风口，机壳的端部开设有出风口5。

参见图1-9可知，将一种周径向脉振助磁配合多路风冷的高速永磁电机的定子铁芯12周向分为四段，分别定义为定子铁芯段i12-1、定子铁芯段ii12-2、定子铁芯段iii12-3、定子铁芯段iv12-4，所述定子铁芯段i和定子铁芯段iv相邻，两者之间由在轴向上分布的多个周向助磁铁芯连接，每段周向助磁铁芯上都绕有周向助磁绕组i13-1，定子铁芯段i和定子铁芯段iv之间形成径向进风通道i2-1；所述定子铁芯段i和定子铁芯段ii相邻，两者之间由在轴向上分布的多个周向助磁铁芯连接，每段周向助磁铁芯上都绕有周向助磁绕组ii13-2，定子铁芯段i和定子铁芯段ii之间形成径向出风通道i15-1；所述定子铁芯段iii和定子铁芯段ii相邻，两者之间由在轴向上分布的多个周向助磁铁芯连接，每段周向助磁铁芯上都绕有周向助磁绕组iii13-3，定子铁芯段iii和定子铁芯段ii之间形成径向进风通道ii2-2；所述定子铁芯段iv和定子铁芯段iii相邻，两者之间由在轴向上分布的多个周向助磁铁芯连接，每段周向助磁铁芯上都绕有周向助磁绕组iv13-4，定子铁芯段iv和定子铁芯段iii之间形成径向出风通道ii15-2。

所述周向助磁铁芯3的周向跨度远小于定子铁芯段的周向跨度，周向助磁铁芯3上绕有周向助磁绕组13，定子铁芯段的齿部绕有径向助磁绕组14；所述高速永磁电机共三套绕组进行励磁，之一为在定子铁芯12槽沿圆周分布的定子绕组4，用于建立周向旋转的磁场，之二为绕周向助磁铁芯3沿圆周分布的周向助磁绕组13，对定子绕组4在定子铁芯段轭部产生的周向磁通起到增强的作用，之三为径向助磁绕组14，用于在相邻定子铁芯段之间的径向出风通道15、径向进风通道2建立径向辅助磁场，对定子绕组4在定子铁芯12齿部产生的径向磁通起到增强的作用。

另外，根据一种实现方式，参见图1可知，所述径向进风通道2由内至外弧长递增，径向出风通道15由内至外弧长递减，径向进风通道2和径向出风通道15在靠近转子铁芯8侧的周向弧长相同，均为d。所述进风通道内侧的周向跨度小于另一侧的周向跨度，而出风通道内侧的周向跨度大于另一侧的周向跨度。如此设置，可减小风阻。

另外，根据一种实现方式，参见图1和图4可知，周向助磁绕组i13-1、周向助磁绕组ii13-2、周向助磁绕组iii13-3和周向助磁绕组iv13-4绕法完全相同，通单相交流电，通电频率与定子绕组4相同。相邻定子铁芯段间，在轴向上分部的4套绕组绕法也完全相同，并串联连接，以产生周向脉振磁通。

参见图8和图9可知，永磁体9半周向依次标记为9-1，9-2，9-3，9-4，9-5，9-6，9-7，周向助磁铁芯v3-5定义为径向出风通道处的助磁铁芯，当永磁体9-1正对周向助磁铁芯v3-5时，径向助磁绕组ii14-2电流最大，在出风通道15中产生径向圆外的磁通；当转子铁芯8旋转到永磁体9-2和永磁体9-3连接处正对周向助磁铁芯v3-5时，径向助磁绕组ii14-2电流为0；当转子铁芯8旋转到永磁体9-4正对周向助磁铁芯v3-5时，径向助磁绕组ii14-2电流为反向最大，在出风通道15产生径向圆心的磁通；当转子铁芯8旋转到永磁体9-5和永磁体9-6连接处正对周向助磁铁芯v3-5时，径向助磁绕组ii14-2电流为0；当转子铁芯8旋转到永磁体9-7正对周向助磁铁芯v3-5时，径向助磁绕组ii14-2电流最大，在出风通道15产生径向圆外的磁通。所述径向助磁绕组ii14-2通电电流相位对径向助磁绕组iii14-3、径向助磁绕组iv14-3、径向助磁绕组i14-1通电电流相位分别超前1/2、1和3/2个周期。

另外，根据一种实现方式，参见图8和图9可知，周向助磁绕组i13-1、周向助磁绕组ii13-2、周向助磁绕组iii13-3和周向助磁绕组iv13-4绕法与径向助磁绕组i14-1完全相同，通单相交流电，通电频率与定子绕组4相同。当永磁体9-1正对周向助磁铁芯v3-5时，周向助磁绕组ii13-2电流为0；当转子铁芯8旋转到永磁体9-2和永磁体9-3连接处正对周向助磁铁芯v3-5时，周向助磁绕组ii13-2电流最大，在周向助磁铁芯v3-5中产生逆时针最大周向助磁磁通；当转子铁芯8旋转到永磁体9-4正对周向助磁铁芯v3-5时，周向助磁绕组ii13-2电流为0；当转子铁芯8旋转到永磁体9-5和永磁体9-6连接处正对周向助磁铁芯v3-5时，周向助磁绕组ii13-2电流反向最大，在周向助磁铁芯v3-5中产生顺时针最大周向助磁磁通；当转子铁芯8旋转到永磁体9-7正对周向助磁铁芯v3-5时，周向助磁绕组ii13-2电流为0。周向助磁绕组i13-1通电电流相位对周向助磁绕组ii13-2、周向助磁绕组iii13-3、周向助磁绕组iv13-4通电电流相位分别超前1/2、1和3/2个周期。

另外，根据一种实现方式，参见图8可知，径向助磁绕组ii14-2通电电流相位超前于周向助磁绕组ii13-21/4个周期。

另外，根据一种实现方式，参见图2和图3可知，冷却气体从径向进风通道2流入电机，到达永磁体护套10表面，一部分冷却气体通过气隙11和出风口5直接流出电机，另一部分在电机转子旋转带动下通过径向出风通道15流出电机。

另外，根据一种实现方式，参见图3-7可知，冷却气体从径向进风通道ii流入电机，经副槽进风通道i7流入副槽19，封盖20压装于副槽19端部，冷却气体在副槽内轴向流动，再通过导风管16流入下一副槽19，最后冷却气体一部分流入副槽出风通道18，与转子带动的气隙11内的冷却气体在径向出风通道15汇合，流出电机，另一部分通过副槽19流入机壳出风通道5，流出电机。

另外，根据一种实现方式，参见图9可知，永磁体充磁方向设置为转轴对称方向，如此设置，增加气隙11磁密，减小转子铁芯8铁芯损耗。

另外，根据一种实现方式，参见图2和图4可知，进一步地：所述周向助磁铁芯i3-1、周向助磁铁芯ii3-2、周向助磁铁芯iii3-3、周向助磁铁芯iv3-4在轴向设置为均匀分布，保证轴向中部不设置周向助磁铁芯。从而使径向进风通道的冷却风经过较短路径直接到达永磁体轴向中部温度较高部位。

另外，根据一种实现方式，参见图2和图4可知，所述周向助磁铁芯i、周向助磁铁芯ii、周向助磁铁芯iii、周向助磁铁芯iv在轴向上设置为不均匀分布，使中部径向进风通道的轴向长度大于其他径向进风通道的轴向长度，从而使径向进风通道中部的冷却风较大，增加对永磁体轴向中部温度较高部位的冷却效果。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。