一種高速永磁同步電機的製作方法

2023-06-04 02:26:01 2

本發明涉及一種高速永磁同步電機，屬於工程機械領域。

背景技術：

當前，高速和超高速的電動機和發電機(在下文中統稱為「高速電機」)的研究是國際電工界的研究熱點和難點。高速電機是集材料技術、電力電子技術、控制技術以及電機設計、製造技術於一體的高科技含量的新型機電產品。高速電機的研究涉及多個技術學科，並且其轉速通常可高達每分鐘幾萬轉到十幾萬轉，甚至更高。與普通電機相比，高速電機具有如下的顯著優點：

(1)由於轉速較高，所以電機的功率密度較高，高速電機的幾何尺寸遠小於輸出功率相同的中、低速電機，因此可以有效地節約材料，減輕重量，並且節省空間。

(2)對於高速負載，高速電機可與原動機或負載直接相連，省去了傳統的機械變速裝置，因而可減小噪音，並且提高傳動系統的效率。

(3)轉動慣量較小，動態響應較快。

然而，高速電機通常要求轉子上無繞組、無電刷或滑環。因此，相比而言，適於高速運行的電機主要有感應電機、永磁同步電機、以及開關磁阻電機。上述三種類型的電機作為高速電機使用時具有各自的優缺點，其中，從功率密度和效率來看，優選次序為永磁同步電機、感應電機、開關磁阻電機；另一方面，從轉子的機械特性來看，優選次序則與上述次序正好相反，即開關磁阻電機、感應電機、永磁同步電機。

高速永磁同步電機在所有形式的交流高速電機中具有最高的效率和最小的體積。與高速感應電機相比，高速永磁同步電機在低速運行時可獲得更大的功率和轉矩。但是由於轉子上安裝永磁體，導致電機成本增加，可靠性下降。在環境惡劣的情況下，永磁體可能出現退磁，而導致電機無法正常運行。此外，由於轉子勵磁是無法被調節的，對其弱磁調速相對困難。特別是表貼式高速永磁同步電機，其弱磁調速的範圍很小。隨著電力電子技術、高性能永磁材料和現代控制理論的發展，高速永磁同步電機的這些缺點將會逐步被解決，其應用場合將不斷擴展。

當前，高速永磁同步電機通常為兩極或四極，其定子結構和繞組的設計與普通電機並沒有太大的差異，但是轉子結構的設計卻有很大的不同。(1)部分高速永磁同步電機採用了無槽結構。由於定子採用無槽結構，氣隙磁場的空間諧波較小，故對減少定子和轉子中的高頻諧波損耗較為有利。然而，由於氣隙較大而氣隙磁場較弱，電機輸出功率受到限制。無槽的高速永磁同步電機起動轉矩小，在中、低速運行範圍內效率也很低。(2)按照永磁體在轉子上的位置的不同，永磁同步電機可以分為表貼式、內置式和爪極式。同樣體積的永磁體，表貼式結構可以獲得最大出力，但轉子在高速旋轉時，通常需要對永磁體進行保護，以免脫落，可以用碳纖維綑紮或者用不鏽鋼的保護套。內置式結構不需要永磁體的保護措施，但轉子加工複雜。目前高速永磁電機中多採用加有保護套或者採用碳纖維綁紮的表面貼裝式。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種高速永磁同步電機，所述同步電機具有高密度和超高轉速。

本發明的目的由以下技術方案實現：

一種高速永磁同步電機，所述同步電機從外至內依次為機殼、定子鐵心、轉子護套和轉子永磁體；其中，所述轉子護套為圓筒狀結構，所述轉子永磁體為圓柱形整體式磁鋼結構，所述轉子護套和轉子永磁體之間為過盈配合連接；所述定子鐵心為圓柱體結構，其上、下端面上加工有凹槽；所述定子電樞繞組繞制在所述凹槽中。

進一步的，所述轉子護套的兩端設有空氣軸承。

進一步的，所述轉子護套的材質為不鏽鋼；所述轉子永磁體的材質為衫鈷永磁體。

進一步的，所述轉子永磁體的充磁方式為徑向充磁。

進一步的，所述定子電樞繞組為三相對稱分布式繞組。

進一步的，所述定子電樞繞組採用細導線並繞的形式。

進一步的，所述機殼上加工有通風槽。

進一步的，所述轉子護套和轉子永磁體之間的過盈量為0.025～0.035mm。

進一步的，所述定子鐵心的製備工藝如下：對厚度小於0.2mm的矽鋼片進行衝壓處理，得到定子鐵心前體；將所述定子鐵心前體在露點不高於-60℃的高純氫氣的保護下，於900℃保溫2h，以150℃/h的降溫速率降溫至500℃後隨爐冷卻，得到定子鐵心。

進一步的，所述轉子護套和轉子永磁體之間裝配過程為：

將轉子護套於300℃下保溫1h，保持溫度不變，將轉子永磁體套裝到所述轉子護套中，冷卻至室溫，完成裝配。

工作原理為：

所述轉子永磁體經轉子護套、氣隙、定子鐵心在氣隙中形成主磁場，在定子電樞繞組中產生電動勢，完成機械能到電能的轉換。

有益效果

(1)本發明所述同步電機通過合理的定子和轉子結構以及材料設計，有效地解決了高速永磁同步發電機損耗、溫升抑制以及轉子的動、靜力學問題，並且所述同步電機結構簡單，損耗更小，在高速運行下較為平穩。

(2)不同於現有高速電機的表貼式、內置式轉子結構，本發明所述同步電機的轉子永磁體採用圓柱形整體式磁鋼結構，材料選擇居裡點高、溫度穩定性好的衫鈷永磁體，防止了由於轉子過熱所造成的永磁體不可逆去磁。

(3)本發明所述同步電機中兩極整體結構的轉子永磁體採用徑向充磁，使得即使採用集中整距的定子電樞繞組仍可獲得正弦電勢波形，從而減少了定子、轉子中的高頻附加損耗，還可保證轉子沿徑向方向上各向同性以有利於轉子的動態平衡。

(4)本發明所述同步電機中所述定子電樞繞組為三相對稱分布式繞組，對應的定子鐵心為少溝槽結構，避免了無槽的高速永磁同步電機起動轉矩小，在中、低速運行範圍內效率低的缺點，又避免了多槽結構的高速永磁同步電機的定子鐵心加工和繞組下線工藝較複雜的問題。

(5)本發明所述同步電機中定子鐵心由低損耗的矽鋼片衝壓而成，可以有效地降低對電機的效率和發熱性能具有主導的作用鐵心損耗。

(6)本發明所述同步電機中定子電樞繞組為三相對稱分布式繞組，利於產生正弦波形的反電勢，還可有效地克服高頻運行時趨膚效應對繞組交流阻抗的影響。

(7)本發明所述同步電機中機殼上加工有通風槽，利用通風槽的風冷方式可以進一步抑制高度高速永磁同步電機的溫升，同時進一步提高該電機的功率密度。

附圖說明

圖1為沿本發明所述高速永磁同步電機軸向的剖面圖；

圖2為沿本發明所述高速永磁同步電機徑向的剖面圖；

圖3為本發明所述高速永磁同步電機的轉子護套和轉子永磁體部分的結構示意圖；

其中，1-機殼、2-定子鐵心、3-定子電樞繞組、4-轉子護套、5-轉子永磁體。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例來詳述本發明，但不限於此。

實施例1

如圖1、2和3所示，一種高速永磁同步電機，所述同步電機從外至內依次為機殼1、定子鐵心2、轉子護套4和轉子永磁體5；其中，所述轉子護套4為圓筒狀結構，所述轉子永磁體5為圓柱形整體式磁鋼結構，所述轉子護套4和轉子永磁體5之間為過盈配合連接；所述定子鐵心2為圓柱體結構，其上、下端面上加工有凹槽；所述定子電樞繞組3繞制在所述凹槽中。

進一步的，所述轉子護套4的兩端設有空氣軸承。

進一步的，所述轉子護套4的材質為不鏽鋼；所述轉子永磁體5的材質為衫鈷永磁體。

進一步的，所述轉子永磁體5的充磁方式為徑向充磁。

進一步的，所述定子鐵心2由厚度小於0.2mm的矽鋼片衝壓而成。

進一步的，所述定子電樞繞組3為三相對稱分布式繞組。

進一步的，所述定子電樞繞組3採用細導線並繞的形式。

進一步的，所述機殼1上加工有通風槽。

進一步的，所述轉子護套4和轉子永磁體5之間的過盈量為0.025～0.035

進一步的，所述定子鐵心2的製備工藝如下：對厚度小於0.2mm的矽鋼片進行衝壓處理，得到定子鐵心2前體；將所述定子鐵心2前體在露點不高於-60℃的高純氫氣的保護下，於900℃保溫2h，以150℃/h的降溫速率降溫至500℃後隨爐冷卻，得到定子鐵心2。

進一步的，所述轉子護套4和轉子永磁體5之間裝配過程為：

將轉子護套4於300℃下保溫1h，保持溫度不變，將轉子永磁體5套裝到所述轉子護套4中，冷卻至室溫，完成裝配。

本發明包括但不限於以上實施例，凡是在本發明精神的原則之下進行的任何等同替換或局部改進，都將視為在本發明的保護範圍之內。