一种应用于高温环境下的超高速永磁同步电机

【技术领域】

本发明属于高速永磁电机技术领域，具体涉及一种应用于高温环境下的超高速永磁同步电机。

【背景技术】

高速永磁电机具有高功率密度、高效率、转速范围宽以及体积小等优点，广泛应用于微型燃气轮机、离心式空气压缩机、飞轮储能、新能源分布式发电等领域。

此外，随着国家航空航天技术、国防科技、极地深海探测等领域的快速发展，高速永磁电机以其优异的特性同样扮演着非常重要的角色。然而，这些工作场合要求电机具备在高温、低温或真空等恶劣环境下长期可靠运行的能力。

因此，极端的环境温度和有限的空间尺寸等给高速永磁电机的设计研究工作提出了极大的挑战。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种应用于高温环境下的超高速永磁同步电机，以解决现有技术中的永磁同步电机难以适应高温、低温或真空等恶劣环境的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种应用于高温环境下的超高速永磁同步电机，包括转轴，所述转轴上环绕有三个定子铁心单元模块，每一个定子铁心单元模块中开设有腔体，所述腔体的截面沿着转轴的轴向逐渐改变，所述腔体内设置有环形绕组；

所述定子铁心单元模块和转轴之间设置有永磁体；所述定子铁心单元模块的材料为软磁复合材料；

所述定子铁心单元包括环形主体，环形主体内侧壁上设置有两个凸出部分，两个凸出部分沿着环形主体的周向等分，且相对设置；

每一个凸出部分包括一个径向凸出部分和一个轴向凸出部分，径向凸出部分沿着环形主体的内壁设置，径向部分的外弧边和环形主体的内壁一体连接，径向凸出部分的内弧边和轴向凸出部分的底部一体连接，轴向凸出部分沿着环形主体的轴线凸出，轴向凸出部分的上表面分为三部分，中间部分的高度高于两边部分的高度。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述定子铁心单元模块为爪极型式。

优选的，所述永磁体分为三部分，每一个部分的永磁体和一个定子铁心单元模块对应。

优选的，每一部分的永磁体粘贴在转轴上。

优选的，相邻部分的永磁体之间设置有第二隔磁材料。

优选的，所述永磁体和定子铁心单元模块之间设置有护套。

优选的，每一个定子铁心单元模块相对于其相邻的定子铁心单元模块，沿转轴的周向旋转120°。

优选的，相邻的定子铁心单元模块之间设置有第一隔磁材料。

优选的，所述环形绕组为全局环形绕组。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种应用于高温环境下的超高速永磁同步电机。该电机采用内爪极定子拓扑结构，由多个爪极定子单元模块构成。该结构在每一个定子铁心单元模块的中间开设有腔体，腔体中的两个向内的凸台作为电机的极数，腔体中的两个凸台截面沿着转轴的轴向逐渐改变，形成两个曲面，可以降低电机的空间谐波，提升气隙磁密正弦性进而降低齿槽转矩使得电机的输出转矩更加稳定；因为该定子铁心单元模块结构的特殊性，本发明采用了软磁复合材料(SMC)，SMC是一种由粉末冶金技术制造，主要组成部分为表面包裹绝缘材料的纯铁颗粒的新型软磁材料，经过模具压制后再进行热处理可以制造出所需形状，制造工艺简单、加工成本低，适用于本发明的特殊腔体结构；同时由于其主要组成部分为高纯度的铁粉，所以软磁复合材料具有较高的饱和磁通密度(2.0T)；每一个铁粉颗粒的外围包裹了无机绝缘材料，(每个铁粉颗粒的平均直径大约为0.1mm)所以其涡流路径较小，具有较小的涡流损耗。因为本发明的定子单元模块结构简单，通过该材料可以采用模具一次成型或线切割加工而成，工艺简单；本发明提供了一种能在极端环境下长期可靠运行的超高速永磁电机，包括新型的定子结构型式、环形绕组结构型式等，拓宽超高速永磁电机的结构型式以及应用领域。

进一步的，每个定子铁心单元模块采用两极爪极结构型式，可以降低高速永磁电机的运行频率。

进一步的，每一个定子铁心单元和转轴之间设置有永磁体，永磁体数量与定子铁心单元模块相同，根据定子铁心单元模块的位置，对应粘贴在转轴上，相邻永磁体之间填充有隔磁材料。与整块永磁体结构相比可以节约永磁材料，降低电机的成本。

进一步的，本发明中每个爪极定子单元模块可以作为单相电机运行，多个单元电机模块之间沿轴向偏移特定的角度则可以组成多相电机。

进一步的，在相邻定子铁心单元模块之间添加有非导磁金属材料避免定子铁心单元模块之间发生磁路耦合。

进一步的，超高速永磁电机绕组采用全局环形绕组结构型式，该绕组结构型式可以很好的贴合定子铁心，使绕组得到充分利用；另外该种绕组结构型式由于没有端部，可以减小绕组端部漏抗、端部损耗，降低电机轴向长度，进一步提升电机性能。

【附图说明】

图1为本发明的半剖投影示意图；

图2为本发明的定子铁心单元模块结构示意图；

图3为本发明的定子铁心单元模块中的腔体结构示意图(第一视角)；

图4为本发明的定子铁心单元模块中的腔体结构示意图(第二视角)；

图5为本发明的环形绕组结构示意图；

其中：1-定子铁心单元模块；2-环形绕组；3-第一隔磁材料；4-永磁体；5-护套；6-第二隔磁材料；7-转轴；8-电机；9-腔体；10-凸出部分；11-环状主体；10-1-径向凸出部分；10-2-轴向凸出部分；10-3-外弧边；10-4内弧边；10-5凹槽。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1和图2，本发明公开了一种应用于高温环境下的超高速永磁同步电机，该电机包括转轴7，转轴7上环绕套装有三个定子铁心单元模块1，三个定子铁心单元模块1沿转轴7的轴向长度方向设置，每一个定子铁心单元模块1的中间开设有腔体9，腔体9的截面沿着转轴7的轴向逐渐改变，腔体9不是密闭的腔体，其一个垂直于轴向的侧边延伸至转轴7的表面。腔体9内填充有环形绕组2。

所述定子铁心单元模块1的材料为软磁复合材料(SMC)，该材料是一种由粉末冶金技术制造，主要组成部分为表面包裹绝缘材料的纯铁颗粒的新型软磁材料。经过模具压制后再进行热处理可以制造出所需形状，制造工艺简单、加工成本低；由于其主要组成部分为高纯度的铁粉，所以软磁复合材料具有较高的饱和磁通密度(2.0T)；每一个铁粉颗粒的外围包裹了无机绝缘材料，(每个铁粉颗粒的平均直径大约为0.1mm)所以其涡流路径较小，具有较小的涡流损耗。因为该定子铁心单元模块1中的腔体9为不规则的形状，因此该适用于加工的材料适用于本发明这种特殊结构的定子铁心单元模块1的结构，且使得该同步电机的加工以及安装与常规高速永磁电机相比非常简便。

参见图1和图2，本发明的优选方案之一为单个定子铁心单元模块1可以作为一相运行，因此电机的定子可以根据电机8的相数进行旋转，每一个定子铁心单元模块1相对于其相邻的定子铁心单元模块1，沿转轴7的周向旋转120°电角度，即三个定子铁心单元模块1沿着转轴7的周向两两相错120°电角度，即相邻的定子铁心单元模块1沿轴向偏移360/P·m电角度，其中P为极对数，m为电机相数。本发明中P为1，m为3。本发明的定子由3个单相的定子铁心单元模块1沿转轴7的周向偏移特定的电角度叠加而成，每个定子铁心单元模块1采用两极爪极结构型式，可以降低高速永磁电机的运行频率。相邻定子铁心单元模块1之间填充有第一隔磁材料3，避免定子铁心单元模块1之间发生磁路耦合。图2是单个定子铁心单元模块1的单个爪极，每个定子铁心单元有两个爪极代表磁极数为两极，单个定子铁心则为一个单相电机，因此对于设计多相电机只需将多个定子铁心沿轴向偏移特定的电角度。

参见图2、图3和图4，所述定子铁心单元模块1包括一体连接的凸出部分10和环形主体11，所述环形主体11为环状结构，凸出部分10设置在环形主体11的内部，凸出部分10设置有两个，且两个凸出部分10相互对称，每一个凸出部分10包括径向凸出部分10-1和轴向凸出部分10-2，径向凸出部分10-1为弧形块状，径向凸出部分10-1为环形主体11径向方向凸出的部分，径向部分10-1的外弧边10-3和环形主体11的内壁一体连接，外弧边10-3的长度小于环形主体11的半周长，径向凸出部分10-1的外侧面和环形主体11的一侧平齐且一体连接，和外弧边相对应的边部为径向凸出部分10-1的内弧边10-4；轴向凸出部分10-2为沿环状主体11轴向凸出的部分，轴向凸出部分10-2的底部和径向凸出部分10-1的内弧边10-2一体连接，轴向凸出部分10-2沿着定子铁心单元模块1的轴线向环形主体11内部凸出，轴向凸出部分10-2的高度小于环形主体11厚度的一半，轴向凸出部分10-2的上表面分为三个部分，中间部分的高度高于两边的部分，轴向凸出部分10-2的内弧面和永磁体4同轴线；通过上述描述可知，轴向凸出部分10-2和径向凸出部分10-1形成一个凹槽10-5，所述环形绕组2设置在一个环形主体11的两个凹槽10-5中。

更为具体的，从定子铁心单元模块1的外端面向定子铁心单元模块1的内部，所述轴向凸出部分10-2的壁厚逐渐减小。

上述两个凸出部分沿着环形主体11的周向等分，且相对于环形主体(11)径向的中间面对称设置。

本发明的优选方案之一为，定子铁心单元模块1和转轴7之间设置有永磁体4，永磁体4分为三个长度相等的部分，即在每一个定子铁心单元模块1和转轴7之间都设置有一个对应的永磁体4，转轴7上永磁体4的数量与定子铁心单元模块1的数量相同，永磁体4粘贴在转轴7的表面，相邻的不同部分的永磁体4之间设置有第二隔磁材料6，防止永磁体4轴向移动和磁路耦合。所有的永磁体4的外部共同套装有护套5，护套5包裹住永磁体4，即永磁体4和定子铁心单元模块1之间设置有护套5，能够防止第二隔磁材料6甩出。该结构与整块永磁体结构相比可以节约永磁材料，降低电机的成本。

第一隔磁材料3和第二隔磁材料6均为非导磁金属材料。

本发明的优选方案之一，环形绕组2为全局环形绕组，该绕组结构形式可以很好的贴合定子铁心，使绕组得到充分利用；另外该种绕组结构型式由于没有端部，可以减小绕组端部漏抗、端部损耗，降低电机轴向长度，进一步提升电机性能。图5是铁心相配合的全局环形绕组线圈，定子铁心单元模块1采用新型软磁复合材料(SMC)，根据相应的模具直接压制或者线切割构成。全局环形绕组2经过工装绕制成型之后，固定在定子铁心单元模块1之中。

本发明的目的在于提出一种能在极端环境下长期可靠运行的超高速永磁电机，包括新型的定子结构型式、环形绕组结构型式等。拓宽超高速永磁电机的结构型式以及应用领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。