本發(fā)明涉及一種高速永磁同步電機(jī)，屬于工程機(jī)械領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，高速和超高速的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)(在下文中統(tǒng)稱(chēng)為“高速電機(jī)”)的研究是國(guó)際電工界的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。高速電機(jī)是集材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制技術(shù)以及電機(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)于一體的高科技含量的新型機(jī)電產(chǎn)品。高速電機(jī)的研究涉及多個(gè)技術(shù)學(xué)科，并且其轉(zhuǎn)速通?？筛哌_(dá)每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)到十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，甚至更高。與普通電機(jī)相比，高速電機(jī)具有如下的顯著優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于轉(zhuǎn)速較高，所以電機(jī)的功率密度較高，高速電機(jī)的幾何尺寸遠(yuǎn)小于輸出功率相同的中、低速電機(jī)，因此可以有效地節(jié)約材料，減輕重量，并且節(jié)省空間。

(2)對(duì)于高速負(fù)載，高速電機(jī)可與原動(dòng)機(jī)或負(fù)載直接相連，省去了傳統(tǒng)的機(jī)械變速裝置，因而可減小噪音，并且提高傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。

(3)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快。

然而，高速電機(jī)通常要求轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組、無(wú)電刷或滑環(huán)。因此，相比而言，適于高速運(yùn)行的電機(jī)主要有感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)、以及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。上述三種類(lèi)型的電機(jī)作為高速電機(jī)使用時(shí)具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中，從功率密度和效率來(lái)看，優(yōu)選次序?yàn)橛来磐诫姍C(jī)、感應(yīng)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；另一方面，從轉(zhuǎn)子的機(jī)械特性來(lái)看，優(yōu)選次序則與上述次序正好相反，即開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)。

高速永磁同步電機(jī)在所有形式的交流高速電機(jī)中具有最高的效率和最小的體積。與高速感應(yīng)電機(jī)相比，高速永磁同步電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)可獲得更大的功率和轉(zhuǎn)矩。但是由于轉(zhuǎn)子上安裝永磁體，導(dǎo)致電機(jī)成本增加，可靠性下降。在環(huán)境惡劣的情況下，永磁體可能出現(xiàn)退磁，而導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行。此外，由于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁是無(wú)法被調(diào)節(jié)的，對(duì)其弱磁調(diào)速相對(duì)困難。特別是表貼式高速永磁同步電機(jī)，其弱磁調(diào)速的范圍很小。隨著電力電子技術(shù)、高性能永磁材料和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，高速永磁同步電機(jī)的這些缺點(diǎn)將會(huì)逐步被解決，其應(yīng)用場(chǎng)合將不斷擴(kuò)展。

當(dāng)前，高速永磁同步電機(jī)通常為兩極或四極，其定子結(jié)構(gòu)和繞組的設(shè)計(jì)與普通電機(jī)并沒(méi)有太大的差異，但是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)卻有很大的不同。(1)部分高速永磁同步電機(jī)采用了無(wú)槽結(jié)構(gòu)。由于定子采用無(wú)槽結(jié)構(gòu)，氣隙磁場(chǎng)的空間諧波較小，故對(duì)減少定子和轉(zhuǎn)子中的高頻諧波損耗較為有利。然而，由于氣隙較大而氣隙磁場(chǎng)較弱，電機(jī)輸出功率受到限制。無(wú)槽的高速永磁同步電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，在中、低速運(yùn)行范圍內(nèi)效率也很低。(2)按照永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電機(jī)可以分為表貼式、內(nèi)置式和爪極式。同樣體積的永磁體，表貼式結(jié)構(gòu)可以獲得最大出力，但轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，通常需要對(duì)永磁體進(jìn)行保護(hù)，以免脫落，可以用碳纖維捆扎或者用不銹鋼的保護(hù)套。內(nèi)置式結(jié)構(gòu)不需要永磁體的保護(hù)措施，但轉(zhuǎn)子加工復(fù)雜。目前高速永磁電機(jī)中多采用加有保護(hù)套或者采用碳纖維綁扎的表面貼裝式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種高速永磁同步電機(jī)，所述同步電機(jī)具有高密度和超高轉(zhuǎn)速。

本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種高速永磁同步電機(jī)，所述同步電機(jī)從外至內(nèi)依次為機(jī)殼、定子鐵心、轉(zhuǎn)子護(hù)套和轉(zhuǎn)子永磁體；其中，所述轉(zhuǎn)子護(hù)套為圓筒狀結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)子永磁體為圓柱形整體式磁鋼結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)子護(hù)套和轉(zhuǎn)子永磁體之間為過(guò)盈配合連接；所述定子鐵心為圓柱體結(jié)構(gòu)，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(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)子護(hù)套的兩端設(shè)有空氣軸承。

進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)子護(hù)套的材質(zhì)為不銹鋼；所述轉(zhuǎn)子永磁體的材質(zhì)為衫鈷永磁體。

進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)子永磁體的充磁方式為徑向充磁。

進(jìn)一步的，所述定子電樞繞組為三相對(duì)稱(chēng)分布式繞組。

進(jìn)一步的，所述定子電樞繞組采用細(xì)導(dǎo)線并繞的形式。

進(jìn)一步的，所述機(jī)殼上加工有通風(fēng)槽。

進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)子護(hù)套和轉(zhuǎn)子永磁體之間的過(guò)盈量為0.025～0.035mm。

進(jìn)一步的，所述定子鐵心的制備工藝如下：對(duì)厚度小于0.2mm的硅鋼片進(jìn)行沖壓處理，得到定子鐵心前體；將所述定子鐵心前體在露點(diǎn)不高于-60℃的高純氫氣的保護(hù)下，于900℃保溫2h，以150℃/h的降溫速率降溫至500℃后隨爐冷卻，得到定子鐵心。

進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)子護(hù)套和轉(zhuǎn)子永磁體之間裝配過(guò)程為：

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

工作原理為：

所述轉(zhuǎn)子永磁體經(jīng)轉(zhuǎn)子護(hù)套、氣隙、定子鐵心在氣隙中形成主磁場(chǎng)，在定子電樞繞組中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，完成機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

有益效果

(1)本發(fā)明所述同步電機(jī)通過(guò)合理的定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及材料設(shè)計(jì)，有效地解決了高速永磁同步發(fā)電機(jī)損耗、溫升抑制以及轉(zhuǎn)子的動(dòng)、靜力學(xué)問(wèn)題，并且所述同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，損耗更小，在高速運(yùn)行下較為平穩(wěn)。

(2)不同于現(xiàn)有高速電機(jī)的表貼式、內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，本發(fā)明所述同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體采用圓柱形整體式磁鋼結(jié)構(gòu)，材料選擇居里點(diǎn)高、溫度穩(wěn)定性好的衫鈷永磁體，防止了由于轉(zhuǎn)子過(guò)熱所造成的永磁體不可逆去磁。

(3)本發(fā)明所述同步電機(jī)中兩極整體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子永磁體采用徑向充磁，使得即使采用集中整距的定子電樞繞組仍可獲得正弦電勢(shì)波形，從而減少了定子、轉(zhuǎn)子中的高頻附加損耗，還可保證轉(zhuǎn)子沿徑向方向上各向同性以有利于轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)平衡。

(4)本發(fā)明所述同步電機(jī)中所述定子電樞繞組為三相對(duì)稱(chēng)分布式繞組，對(duì)應(yīng)的定子鐵心為少溝槽結(jié)構(gòu)，避免了無(wú)槽的高速永磁同步電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，在中、低速運(yùn)行范圍內(nèi)效率低的缺點(diǎn)，又避免了多槽結(jié)構(gòu)的高速永磁同步電機(jī)的定子鐵心加工和繞組下線工藝較復(fù)雜的問(wèn)題。

(5)本發(fā)明所述同步電機(jī)中定子鐵心由低損耗的硅鋼片沖壓而成，可以有效地降低對(duì)電機(jī)的效率和發(fā)熱性能具有主導(dǎo)的作用鐵心損耗。

(6)本發(fā)明所述同步電機(jī)中定子電樞繞組為三相對(duì)稱(chēng)分布式繞組，利于產(chǎn)生正弦波形的反電勢(shì)，還可有效地克服高頻運(yùn)行時(shí)趨膚效應(yīng)對(duì)繞組交流阻抗的影響。

(7)本發(fā)明所述同步電機(jī)中機(jī)殼上加工有通風(fēng)槽，利用通風(fēng)槽的風(fēng)冷方式可以進(jìn)一步抑制高度高速永磁同步電機(jī)的溫升，同時(shí)進(jìn)一步提高該電機(jī)的功率密度。

附圖說(shuō)明

圖1為沿本發(fā)明所述高速永磁同步電機(jī)軸向的剖面圖；

圖2為沿本發(fā)明所述高速永磁同步電機(jī)徑向的剖面圖；

圖3為本發(fā)明所述高速永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子護(hù)套和轉(zhuǎn)子永磁體部分的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1-機(jī)殼、2-定子鐵心、3-定子電樞繞組、4-轉(zhuǎn)子護(hù)套、5-轉(zhuǎn)子永磁體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來(lái)詳述本發(fā)明，但不限于此。

實(shí)施例1

如圖1、2和3所示，一種高速永磁同步電機(jī)，所述同步電機(jī)從外至內(nèi)依次為機(jī)殼1、定子鐵心2、轉(zhuǎn)子護(hù)套4和轉(zhuǎn)子永磁體5；其中，所述轉(zhuǎn)子護(hù)套4為圓筒狀結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)子永磁體5為圓柱形整體式磁鋼結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)子護(hù)套4和轉(zhuǎn)子永磁體5之間為過(guò)盈配合連接；所述定子鐵心2為圓柱體結(jié)構(gòu)，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(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)子護(hù)套4的兩端設(shè)有空氣軸承。

進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)子護(hù)套4的材質(zhì)為不銹鋼；所述轉(zhuǎn)子永磁體5的材質(zhì)為衫鈷永磁體。

進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)子永磁體5的充磁方式為徑向充磁。

進(jìn)一步的，所述定子鐵心2由厚度小于0.2mm的硅鋼片沖壓而成。

進(jìn)一步的，所述定子電樞繞組3為三相對(duì)稱(chēng)分布式繞組。

進(jìn)一步的，所述定子電樞繞組3采用細(xì)導(dǎo)線并繞的形式。

進(jìn)一步的，所述機(jī)殼1上加工有通風(fēng)槽。

進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)子護(hù)套4和轉(zhuǎn)子永磁體5之間的過(guò)盈量為0.025～0.035

進(jìn)一步的，所述定子鐵心2的制備工藝如下：對(duì)厚度小于0.2mm的硅鋼片進(jìn)行沖壓處理，得到定子鐵心2前體；將所述定子鐵心2前體在露點(diǎn)不高于-60℃的高純氫氣的保護(hù)下，于900℃保溫2h，以150℃/h的降溫速率降溫至500℃后隨爐冷卻，得到定子鐵心2。

進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)子護(hù)套4和轉(zhuǎn)子永磁體5之間裝配過(guò)程為：

將轉(zhuǎn)子護(hù)套4于300℃下保溫1h，保持溫度不變，將轉(zhuǎn)子永磁體5套裝到所述轉(zhuǎn)子護(hù)套4中，冷卻至室溫，完成裝配。

本發(fā)明包括但不限于以上實(shí)施例，凡是在本發(fā)明精神的原則之下進(jìn)行的任何等同替換或局部改進(jìn)，都將視為在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。