專利名稱：大功率高速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁同步電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及大功率高速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前，大功率高速同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子多為疊片磁極結(jié)構(gòu)，加工、制造的時(shí)間、成本均較高。為了降低轉(zhuǎn)子加工、制造的時(shí)間和成本，一些廠家采用實(shí)心磁極的結(jié)構(gòu)來代替疊片磁極結(jié)構(gòu)，但是這種替代會(huì)造成轉(zhuǎn)子磁極表面渦流損耗的增加。并且如果轉(zhuǎn)子永磁體之間若存在間隙，相互之間存在較大的排斥力，影響磁鋼的裝配，所以轉(zhuǎn)子側(cè)一般沒有徑向的冷卻風(fēng)路，無徑向通風(fēng)槽結(jié)構(gòu)。參見圖1和圖2。圖1顯示現(xiàn)有的ー種大、中型異步電機(jī)徑向通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)，圖2進(jìn)ー步顯示電機(jī)的典型的徑向通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)。如圖1和圖2所示，為了冷卻實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子只能采用在轉(zhuǎn)子軛部打孔的軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)。另ー方面，如圖3所示，在大功率高速同步電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，定子側(cè)為了通風(fēng)散熱效果考慮，一般采用徑向通風(fēng)方式冷卻，由于轉(zhuǎn)子無徑向的冷卻風(fēng)路，為了保證定子側(cè)的冷卻效果，保證足夠的冷卻風(fēng)量，只能增加氣隙通風(fēng)面積；同時(shí)氣隙通風(fēng)面積不足，則轉(zhuǎn)子側(cè)表面的渦流損耗發(fā)熱也不能及時(shí)散出，會(huì)造成磁鋼發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)磁鋼將產(chǎn)生不可逆的退磁。増加氣隙通風(fēng)面積，即增加氣隙長度，但這會(huì)増加磁鋼的用量，反過來又増加了制造成本。再一方面，在大功率高速同步電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，如圖4所示，雖然有時(shí)同時(shí)采用徑向通風(fēng)和軸向通風(fēng)，但由于轉(zhuǎn)子鉄心較長，因此如果轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)面積較大，則會(huì)影響氣隙通風(fēng)冷卻效果，影響定子、磁鋼的冷卻；如果轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)面積較小，則會(huì)增加風(fēng)路的風(fēng)阻，増加冷卻器等外置部件的成本，這給大功率高速同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)帶來了諸多限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)，其無論轉(zhuǎn)子是實(shí)心結(jié)構(gòu)還是疊片結(jié)構(gòu)，都能防止磁鋼局部過熱，防止磁鋼不可逆失磁，提高電機(jī)的工作可靠性；同時(shí)不增加氣隙長度，減少磁鋼的用量，減小整機(jī)風(fēng)路的風(fēng)阻，并且能滿足充分冷卻定子的需要。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
ー種大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)，包含相互配合的電機(jī)和冷卻器，所述電機(jī)包含定子和轉(zhuǎn)子，所述定子環(huán)繞所述轉(zhuǎn)子、中間具有氣隙，所述轉(zhuǎn)子包含轉(zhuǎn)子軸和轉(zhuǎn)子扱，轉(zhuǎn)子極包含永磁磁鋼和磁極，其特征在于
所述定子上設(shè)置有徑向通風(fēng)道；
所述轉(zhuǎn)子采用焊筋軸結(jié)構(gòu)，焊筋之間的空間形成腰形通風(fēng)孔；
所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子極間開設(shè)有數(shù)排徑向通風(fēng)孔，所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子軸的兩側(cè)還安裝有軸流式風(fēng)扇；
冷卻風(fēng)由兩側(cè)對(duì)吹的軸流式風(fēng)扇流出，兩邊對(duì)稱的從冷卻器流向轉(zhuǎn)子，進(jìn)入轉(zhuǎn)子焊筋之間的腰形通風(fēng)孔；之后冷卻風(fēng)在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下沿轉(zhuǎn)子極間的徑向通風(fēng)孔流向氣隙；氣隙中的冷卻風(fēng)在風(fēng)壓的驅(qū)動(dòng)下沿氣隙表面流向相鄰的定子徑向通風(fēng)道，最終從電機(jī)軸向的中間處回到冷卻器。進(jìn)ー步，所述徑向通風(fēng)孔的排布可以呈現(xiàn)為中間密集、兩側(cè)稀疏。進(jìn)ー步，所述轉(zhuǎn)子極間開設(shè)的徑向通風(fēng)孔與定子上的徑向通風(fēng)道可以在軸向上不對(duì)齊。進(jìn)一歩，所述轉(zhuǎn)子極的磁極可以為實(shí)心磁極。本發(fā)明大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是
(I)通過使轉(zhuǎn)子采用焊筋軸結(jié)構(gòu)，利用焊筋之間的空間作為腰形通風(fēng)孔，由于焊筋軸結(jié)構(gòu)焊筋之間的空間較大，因此既能通風(fēng)，也能減小轉(zhuǎn)子一側(cè)的風(fēng)阻。
(2)考慮到永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子無法采用徑向通風(fēng)槽板的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明結(jié)合實(shí)心磁極的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子極之間打多排徑向通風(fēng)孔，作為轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)的通路，等效的代替轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)槽，使冷卻風(fēng)在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下從徑向通風(fēng)孔甩出，流向氣隙，這樣即使選用小氣隙的電磁方案，仍能保證足夠的徑向冷卻風(fēng)量。(3)電機(jī)整體風(fēng)路為兩側(cè)對(duì)稱的冷卻通風(fēng)結(jié)構(gòu)，發(fā)熱最嚴(yán)重的是電機(jī)鐵心的中間部分。本發(fā)明通過使轉(zhuǎn)子極間徑向通風(fēng)孔的排布呈現(xiàn)中間密集、兩側(cè)稀疏，加強(qiáng)了電機(jī)鉄心中間部分的冷卻效果。(4)由于高次諧波磁場、負(fù)序磁場會(huì)在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生渦流損耗，所以轉(zhuǎn)子表面的散熱及其重要，如熱量不能及時(shí)散出，會(huì)導(dǎo)致磁鋼溫度升高，容易導(dǎo)致磁鋼產(chǎn)生不可逆退磁，所以轉(zhuǎn)子表面的通風(fēng)冷卻是整機(jī)風(fēng)路冷卻的關(guān)鍵點(diǎn)。本發(fā)明通過使轉(zhuǎn)子極間徑向通風(fēng)孔的位置與定子徑向通風(fēng)道的位置在軸向上不對(duì)齊，増加了氣隙通風(fēng)冷卻的面積，增強(qiáng)了冷卻效果。冷卻風(fēng)從轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)孔甩出后，在風(fēng)壓的驅(qū)動(dòng)下，強(qiáng)迫流向相鄰的定子徑向通風(fēng)道，同時(shí)冷卻流經(jīng)的轉(zhuǎn)子表面，有效的控制了磁鋼的工作溫度。


圖1是現(xiàn)有的ー種大、中型異步電機(jī)徑向通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)。圖2是電機(jī)的典型的軸向通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)。圖3是電機(jī)的典型的徑向通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)。圖4是電機(jī)的典型的徑-軸向通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)。圖5是本發(fā)明大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)的冷卻結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)中電機(jī)內(nèi)的風(fēng)速分布示意圖。圖7是本發(fā)明大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)子的徑向通風(fēng)孔位置的壓頭分布示意圖。圖8是本發(fā)明大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)子的溫度分布示意圖。附圖標(biāo)號(hào)說明1、冷卻器；2、擋風(fēng)圈； 3、軸流式風(fēng)扇； 4、永磁磁鋼；5、磁極；
6、徑向通風(fēng)孔； 7、轉(zhuǎn)子軸； 8、定子徑向通風(fēng)槽板；9、轉(zhuǎn)子極； 10、徑向通風(fēng)道；20、電機(jī)； 21、定子；22、轉(zhuǎn)子；23、氣隙；
Fl, F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4、風(fēng)區(qū)；
Cl，C2，C3，C4、徑向通風(fēng)孔的位置；
Tl，T2，T3、轉(zhuǎn)子的位置。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖給出本發(fā)明大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施方式
，但是，本發(fā)明的實(shí)施不限于以下的實(shí)施方式。參見圖5。大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)，包含相互配合的電機(jī)20和冷卻器I，所述電機(jī)20包含定子21和轉(zhuǎn)子22，所述定子21環(huán)繞所述轉(zhuǎn)子22、中間具有氣隙23。所述轉(zhuǎn)子22包含轉(zhuǎn)子軸7和轉(zhuǎn)子極9。轉(zhuǎn)子極9包含永磁磁鋼4和磁極5。定子21上設(shè)置有由定子徑向通風(fēng)槽板8構(gòu)成的徑向通風(fēng)道10 ;轉(zhuǎn)子22采用焊筋軸結(jié)構(gòu)，焊筋之間的空間形成腰形通風(fēng)孔。轉(zhuǎn)子22的轉(zhuǎn)子極9間開設(shè)有數(shù)排徑向通風(fēng)孔6。轉(zhuǎn)子22的轉(zhuǎn)子軸7的兩側(cè)還安裝有軸流式風(fēng)扇3。進(jìn)ー步，可以使轉(zhuǎn)子極9之間的徑向通風(fēng)孔6的排布呈現(xiàn)為中間密集、兩側(cè)稀疏。另外，還可以使轉(zhuǎn)子極9之間的徑向通風(fēng)孔6的位置與定子徑向通風(fēng)道10的位置在軸向上不對(duì)齊。軸流式風(fēng)扇3的外側(cè)，即靠近定子機(jī)座的位置，還可以設(shè)置擋風(fēng)圈2。磁極5可以是實(shí)心磁極。冷卻器I可以安裝在電機(jī)20背部。工作時(shí)，冷卻風(fēng)由兩側(cè)對(duì)吹的軸流式風(fēng)扇3流出，兩邊對(duì)稱的從冷卻器I流向轉(zhuǎn)子22，進(jìn)入轉(zhuǎn)子22的焊筋之間的腰形通風(fēng)孔；之后冷卻風(fēng)在轉(zhuǎn)子22高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下沿轉(zhuǎn)子極9間的徑向通風(fēng)孔6流向氣隙23 ;氣隙23中的冷卻風(fēng)在風(fēng)壓的驅(qū)動(dòng)下沿氣隙23表面流向相鄰的定子21的徑向通風(fēng)道10，最終從電機(jī)20軸向的中間處回到冷卻器I。本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思是現(xiàn)有的高速永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子一般采用疊片式，如果轉(zhuǎn)子永磁體之間存在間隙，則相互之間存在較大的排斥力，影響磁鋼的裝配，所以轉(zhuǎn)子側(cè)一般沒有徑向的冷卻風(fēng)路，無徑向通風(fēng)槽結(jié)構(gòu)。為了降低加工、制造的時(shí)間、成本，可以采用實(shí)心磁極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但此時(shí)如何設(shè)計(jì)電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路，才能既可以防止磁鋼局部過熱、防止磁鋼不可逆失磁、提高電機(jī)的工作可靠性，又可以同時(shí)不增加氣隙長度、減少磁鋼的用量、減小整機(jī)風(fēng)路的風(fēng)阻，并且能滿足充分冷卻定子的需要等要求都是應(yīng)該考慮的因素，也是該整機(jī)風(fēng)路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。本發(fā)明考慮到由于永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子無法采用徑向通風(fēng)槽板的結(jié)構(gòu)，因此結(jié)合實(shí)心磁極的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造性地在極間開數(shù)排徑向的通風(fēng)孔，作為轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)的通路。由于本發(fā)明所設(shè)計(jì)的高轉(zhuǎn)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)使得轉(zhuǎn)子也近似為徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，尤其在定、轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)路不對(duì)齊時(shí)，所以能在氣隙尺寸不變的情況下，減少電機(jī)整機(jī)風(fēng)路的風(fēng)阻、増加通風(fēng)冷卻面積，特別是氣隙中的冷卻風(fēng)量。在降低加工、制造的時(shí)間、成本，滿足電磁性能的同時(shí)也能充分冷卻電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子等各個(gè)部件，特別是防止磁鋼局部過熱，防止磁鋼不可逆失磁，提高電機(jī)的工作可靠性。圖6至圖8是本發(fā)明的有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。圖6顯示工作時(shí)電機(jī)20內(nèi)的風(fēng)速分布示意圖，其中，風(fēng)區(qū)Fl處風(fēng)速最大，風(fēng)區(qū)F2處比Fl處略微減小，風(fēng)區(qū)F3和F4處風(fēng)速基本相同、略小于F2處。Fl處最靠近轉(zhuǎn)軸，F(xiàn)2、F3、F4依次遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸。這說明本發(fā)明減小了整機(jī)風(fēng)路的風(fēng)阻。整機(jī)風(fēng)路風(fēng)阻的減小不僅能增強(qiáng)冷卻效果，也能減小冷卻器馬達(dá)、風(fēng)扇等的設(shè)計(jì)難度。圖7顯示工作時(shí)轉(zhuǎn)子22徑向通風(fēng)孔6各位置處的壓頭分布，其中，徑向通風(fēng)孔的位置Cl處壓頭最大，徑向通風(fēng)孔的位置C2處比Cl處略小，C3處比C2處略小，C4處比C3處略小。Cl處靠近氣隙23，C4處靠近轉(zhuǎn)軸，C2、C3處于Cl和C4中間，并分別靠近Cl和C4。Cl處的壓頭比現(xiàn)有整機(jī)風(fēng)路中該處的壓頭增強(qiáng)很大。這說明本發(fā)明大大增強(qiáng)了大功率高速永磁同步電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)冷卻效果，特別是增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子氣隙表面的散熱能力。氣隙表面散熱能力的提高能使將磁鋼的工作溫度控制在較低水平有保證，防止磁鋼溫度過高時(shí)不可逆失磁。圖8顯示工作時(shí)轉(zhuǎn)子22上各位置處的溫度分布，自轉(zhuǎn)子的位置Tl到位置T2再到位置T3，溫度依次遞減。因此，本發(fā)明能大大增強(qiáng)大功率高速永磁同步電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)冷卻效果，特別是增強(qiáng)轉(zhuǎn)子氣隙表面的散熱能力，保證磁鋼的工作溫度控制在較低水平；同時(shí)也能減小整機(jī)風(fēng)路的風(fēng)阻，減小冷卻器馬達(dá)、風(fēng)扇等的設(shè)計(jì)難度。另ー方面，本發(fā)明也使得大功率高速永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用實(shí)心磁極的結(jié)構(gòu)來代替疊片磁極結(jié)構(gòu)成為可能。即使為了降低加工、制造的時(shí)間、成本，采用實(shí)心磁極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，本發(fā)明高速永磁同步電動(dòng)機(jī)的整機(jī)風(fēng)路，例如可以是2.1兆瓦，仍能避免磁鋼局部過熱，從而防止磁鋼不可逆失磁，提高電機(jī)的工作可靠性；同時(shí)不增加氣隙長度，減少磁鋼的用量，減小整機(jī)風(fēng)路的風(fēng)阻，并且能滿足充分冷卻定子的需要。應(yīng)當(dāng)指出，以上敘述中的實(shí)施方式僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)，包含相互配合的電機(jī)和冷卻器，所述電機(jī)包含定子和轉(zhuǎn)子，所述定子環(huán)繞所述轉(zhuǎn)子、中間具有氣隙，所述轉(zhuǎn)子包含轉(zhuǎn)子軸和轉(zhuǎn)子極，轉(zhuǎn)子極包含永磁磁鋼和磁極，其特征在于 所述定子上設(shè)置有徑向通風(fēng)道； 所述轉(zhuǎn)子采用焊筋軸結(jié)構(gòu)，焊筋之間的空間形成腰形通風(fēng)孔； 所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子極間開設(shè)有數(shù)排徑向通風(fēng)孔，所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子軸的兩側(cè)還安裝有軸流式風(fēng)扇； 冷卻風(fēng)由兩側(cè)對(duì)吹的軸流式風(fēng)扇流出，兩邊對(duì)稱的從冷卻器流向轉(zhuǎn)子，進(jìn)入轉(zhuǎn)子焊筋之間的腰形通風(fēng)孔；之后冷卻風(fēng)在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下沿轉(zhuǎn)子極間的徑向通風(fēng)孔流向氣隙；氣隙中的冷卻風(fēng)在風(fēng)壓的驅(qū)動(dòng)下沿氣隙表面流向相鄰的定子徑向通風(fēng)道，最終從電機(jī)軸向的中間處回到冷卻器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)，其特征在于所述徑向通風(fēng)孔的排布呈現(xiàn)為中間密集、兩側(cè)稀疏。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子極間開設(shè)的徑向通風(fēng)孔與定子上的徑向通風(fēng)道在軸向上不對(duì)齊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子極的磁極為實(shí)心磁極。
全文摘要
本發(fā)明大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)的整機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)，包含相互配合的電機(jī)和冷卻器，所述電機(jī)包含定子和轉(zhuǎn)子，所述定子環(huán)繞所述轉(zhuǎn)子、中間具有氣隙，所述轉(zhuǎn)子包含轉(zhuǎn)子軸和轉(zhuǎn)子極，轉(zhuǎn)子極包含永磁磁鋼和磁極，其特征在于，定子上設(shè)置有徑向通風(fēng)道；轉(zhuǎn)子采用焊筋軸結(jié)構(gòu)，焊筋之間的空間形成腰形通風(fēng)孔；轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子極間開設(shè)有數(shù)排徑向通風(fēng)孔，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子軸的兩側(cè)還安裝有軸流式風(fēng)扇。無論轉(zhuǎn)子是實(shí)心結(jié)構(gòu)還是疊片結(jié)構(gòu)，本發(fā)明都能防止磁鋼局部過熱，防止磁鋼不可逆失磁，提高電機(jī)的工作可靠性；同時(shí)不增加氣隙長度，減少磁鋼的用量，減小整機(jī)風(fēng)路的風(fēng)阻并且能滿足充分冷卻定子的需要。
文檔編號(hào)H02K9/06GK103023217SQ201210549458
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者李全峰 申請(qǐng)人:上海電機(jī)學(xué)院