CN104795909B - 一种空压机用高速电机电磁结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空压机用高速电机电磁结构，该电磁结构包括定子铁芯、设置在定子铁芯上的定子绕组、转子铁芯以及卡嵌在转子铁芯表面的永磁体，所述的定子铁芯上沿圆周均匀布设有多列定子槽，所述的定子绕组采用三层低谐波同心绕组的连接方式设置在定子槽中，所述的转子铁芯的表面沿圆周均匀布设有多个楔形槽，相邻两楔形槽之间设有楔形臂，该楔形臂上设有用于提高气隙磁密幅值的空气隔磁孔，所述的永磁体卡嵌在楔形槽中。与现有技术相比，本发明具有整体结构紧凑、转速高、机械强度高、谐波损耗小等特点。

Description

一种空压机用高速电机电磁结构

技术领域

本发明属于电机技术领域，涉及一种空压机用高速电机电磁结构。

背景技术

空压机作为工业现代化的基础产品，现已广泛应用于钢铁、电力、造船、轻工业、航空航天、汽车等领域，空压机还可应用于新能源汽车燃料电池系统，其是供气系统的关键设备，因此，空压机的性能好坏会直接影响燃料电池系统的效率、紧凑度及空气加湿性。而在目前的技术发展过程中，燃料电池系统中的空压机必须满足无油、小型、高压、低噪和耗功少的要求。而作为空压机的核心部件，驱动电机的设计是实现上述要求的基本前提，也是空压机设计的一个技术难点。

为了在体积小、质量轻、功耗小的前提下，又能够提供高压气体，高速电机是空压机的首选。高速电机具有功率密度大、尺寸小、响应快、可直接与高速机械设备连接等优点。但在工作过程中，由于高速电机的高速运转，转子部分需要承受非常大的离心力，这就必须要求具有优异的机械强度，这也对定子、转子的结构设计提出了更高的要求。对于永磁电机来说，转子强度问题更为突出，必须对永磁体采取保护措施。一般采用两种方法：一是在永磁体外加非导磁高强度合金加固套；二是采用碳纤维绑扎永磁体。在高速电机的设计中，由于功率密度的增加和总体散热面积的减小，有效的散热和冷却方式也是一个重要问题。其次，由于电机的转速高和绕组电流频率高，同样也带来了转子的高频涡流损耗增加的问题。这些问题都需要在具体电机设计方案中得到综合考虑并加以解决。

专利CN102801267A介绍了一种实心转子高速电机，该电机采用实心的转轴代替传统的冲片叠片方式制成了转子铁芯，转轴的直径加粗到极限尺寸，提高了电机的极限转速。在转轴的表面开槽，嵌镶铜导电条，铜导电条和两端铜端环焊接在一起，构成启动、运转鼠笼。

专利CN102983680A介绍了一种风水混合冷却高速永磁电机，该电机的转子由转子铁心、永磁体及碳纤维护套组成，永磁体贴在外圆表面，碳纤维护套包在永磁体外围。定子上用于设置绕组的定子槽为矩形槽，绕组分上、下两层，采用分数槽短距绕组，定子槽的槽口上部留有内风道，绕组嵌入定子槽中，定子铁心由超薄低损耗冷轧无取向电工钢片叠压而成。从机械上解决永磁体在高速旋转情况下受较大的拉应力而发生破碎的问题，还解决了大功率高速电机损耗密度大，温升过高的问题。

专利CN103078430A介绍了一种转子永磁成环形均布的永磁电机，其电机转轴的柱面内侧沿圆周成环形均布排列有槽，每个槽都是独立的互不相连的，永磁体放在槽内构成永磁电机转子主体，两端芯轴固定在轴两端。提高了永磁电机转子材料利用率和强度，可承受更高的转速和应力，并具有较小的涡流损耗，结构简单，成本低廉，输出效率高的特点。

专利CN103078459A介绍了一种无铁芯永磁电机，其定子为空心杯型绕组，转子为双转子结构，电机的内转子安装永磁体，外转子采用导磁较好的软磁材料，内转子永磁体励磁磁场通过线圈进入外转子，使外转子和励磁磁场同步，减小涡流损耗，提高了效率。降低了高速电机的铁耗，同时提高了电机的功率密度，降低转矩脉动，有效解决了电机高速下发热的问题。

专利CN103151862A介绍了一种高速永磁同步电机转子结构，电机转子是空心结构，其表面加装有两层不同材料的永磁体，永磁体外表面有金属薄环，金属薄环外表面过盈装配加金刚保护套，定子材料是硅钢片，金属薄环将电机正常工作时永磁体多余的热量及时导出，永磁体的布局，可以使电机输出电动势波形，气隙磁密波形，齿槽效应波形曲线更加光滑，同时还可以提高电机平均转矩值，提高电机输出功率的稳定性，减小了涡流损耗，并且降低了永磁体在工作时的温度，实现了高速电机大功率超高速的运行。

专利CN103490541A介绍了一种高速电机自冷却转子，芯轴的中间位置设置有铁心，在护套和铁心之间设置有永磁体，永磁体中设置有将永磁体分隔开的若干C型隔磁导条，C型隔磁导条的中心槽形成高速电机自冷却转子的冷却通道，冷却通道末端与护套上的排气孔联通，高速电机自冷却转子的一端设有供冷却空气进入的中心孔，中心孔延伸至铁心，进而有效地将转子中的热量传递出来，避免转子过热所产生的危害。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种整体结构紧凑、转速高、机械强度高、谐波损耗小的空压机用高速电机电磁结构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种空压机用高速电机电磁结构，该电磁结构包括定子铁芯、设置在定子铁芯上的定子绕组、转子铁芯以及卡嵌在转子铁芯表面的永磁体，所述的定子铁芯上沿圆周均匀布设有多列定子槽，所述的定子绕组采用三层低谐波同心绕组的连接方式设置在定子槽中，所述的转子铁芯的表面沿圆周均匀布设有多个楔形槽，相邻两楔形槽之间设有楔形臂，该楔形臂上设有用于提高气隙磁密幅值的空气隔磁孔，所述的永磁体卡嵌在楔形槽中，工作时，在转子铁芯高速运转的条件下，所述的楔形臂对永磁体产生径向压力，将永磁体压紧在转子铁芯表面。

所述的定子铁芯采用非晶合金制备而成。

所述的非晶合金优选铁基非晶合金。

所述的三层低谐波同心绕组的连接方式为：所述的定子绕组共设有三层，沿径向由内向外依次展开，并且每层定子绕组的匝数比例依次为26.6％、31.0％、42.4％。

所述的楔形槽共设有4个或6个或8个，沿轴向设置在所述的转子铁芯的表面上，所述的永磁体沿轴向卡嵌在楔形槽中。

所述的楔形槽的槽角为45°～60°。

所述的空气隔磁孔为T形空气隔磁孔。

所述的空气隔磁孔设置在楔形臂上，并且所述的空气隔磁孔的面积为楔形臂面积的1/3～1/2。

本发明一种空压机用高速电机电磁结构，可以满足转速高、功率密度大、转矩脉动小、损耗低、结构紧凑的要求。由于高速电机的高转速，使得转子受到很大的离心力，尤其是设置在转子铁芯表面上的永磁体，因此，通过在转子铁芯表面上开设楔形槽，并通过楔形臂的将永磁体牢牢地固定在楔形槽中，能有效增加转子的机械强度，并提高运行安全性。同时，在磁极之间添加空气隔磁孔结构，这样既减轻了电机的重量，又可以减少漏磁，提高气隙磁密幅值，有效增加转子的散热面积。

针对传统硅钢电机耗电量大，并且在高频运转时因铁损急剧增加、铁芯温度迅速升高而导致电机故障的问题，高速电机的定子材料选择了铁损低、导磁率高、机械强度高的非晶合金材料。为使定子绕组产生的磁场与永磁体产生的磁场可以有一个最佳配合，以最大程度地削弱谐波损耗，定子绕组采用区别于传统两层均布绕组的三层低谐波同心绕组，即每个定子槽中设有三层定子绕组，各层匝数比例不同，每相绕组通过在三层不同的匝数配比26.6％、31.0％和42.4％，使其产生的磁势接近正弦波，进而达到减小损耗的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)由于采用非晶合金制备定子铁芯，具有优异的软磁性能，可以通过分别降低磁滞损耗(因其矫顽力和剩磁小，所以磁滞回线的面积也小和涡流损耗(电阻率大涡流损耗系数小，且厚度小)，从而达到降低铁心损耗的目的；

2)由非晶合金制成的定子铁芯的导磁率高，励磁电流较小，能有效降低电机的铜耗，而铜耗降低之后，其发热量也会减小，提高了电机工作的安全性能；

3)与传统电机体积相同的非晶电机重量轻、耗材少；

4)导磁率几乎不随频率升高而发生改变，在高频下优势显著，与高速电机的特性非常契合；

5)由于定子绕组采用了三层低谐波同心绕组，与传统的两层均布式绕组相比，其绕组形成的磁场磁势更加接近于正弦波，与永磁体产生的近似正弦磁场正好相匹配，可以有效的减小电机的谐波损耗，从而提高电机的功率密度与效率；

6)由于转子铁芯表面采用楔形槽结构，将永磁体嵌入楔形槽中，高速旋转时，永磁体会得到由楔形臂提供的径向压紧力，用机械锁定的方式保证了电机工作的安全性；

7)由于采用空气隔磁孔结构，这样既减轻了电机的重量，又可以减少漏磁，提高气隙磁密幅值，有效增加转子的散热面积。

附图说明

图1为实施例1结构示意图；

图2为实施例1局部结构放大示意图；

图3为三层低谐波同心绕组连接方式示意图；

图4为转子铁芯表面永磁体安装结构示意图；

图5为转子铁芯表面空气隔磁孔结构示意图；

图中标记说明：

1—定子铁芯、2—定子绕组、3—转子铁芯、4—永磁体、5—楔形臂、6—空气隔磁孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图1-5所示，一种空压机用高速电机电磁结构，该电磁结构包括定子铁芯1、设置在定子铁芯1上的定子绕组2、转子铁芯3以及卡嵌在转子铁芯3表面的永磁体4，定子铁芯1上沿圆周均匀布设有多列定子槽，定子绕组2采用三层低谐波同心绕组的连接方式设置在定子槽中，转子铁芯3的表面沿圆周均匀布设有多个楔形槽，相邻两楔形槽之间设有楔形臂5，该楔形臂5上设有用于提高气隙磁密幅值的空气隔磁孔6，永磁体4卡嵌在楔形槽中，工作时，在转子铁芯3高速运转的条件下，楔形臂5对永磁体4产生径向压力，将永磁体4压紧在转子铁芯3表面。

其中，定子铁芯1采用非晶合金制备而成，非晶合金优选铁基非晶合金。三层低谐波同心绕组的连接方式为：定子绕组2共设有三层，沿径向由内向外依次展开，并且每层定子绕组2的匝数比例依次为26.6％、31.0％、42.4％。

本实施例中，楔形槽共设有4个，沿轴向设置在转子铁芯3的表面上，永磁体4沿轴向卡嵌在楔形槽中，并且楔形槽的槽角为45°。空气隔磁孔为T形空气隔磁孔，并且空气隔磁孔的面积为楔形臂面积的1/3。

在工作时，由于高速电机的高转速，使得转子受到很大的离心力，尤其是设置在转子铁芯3表面上的永磁体4，因此，通过在转子铁芯3表面上开设楔形槽，并通过楔形臂5的将永磁体4牢牢地固定在楔形槽中，能有效增加转子的机械强度，并提高运行安全性。同时，在磁极之间添加空气隔磁孔6结构，这样既减轻了电机的重量，又可以减少漏磁，提高气隙磁密幅值，有效增加转子的散热面积。

实施例2：

本实施例中，楔形槽共设有6个，沿轴向设置在转子铁芯3的表面上，永磁体4沿轴向卡嵌在楔形槽中，并且楔形槽的槽角为50°。空气隔磁孔为T形空气隔磁孔，并且空气隔磁孔的面积为楔形臂面积的1/2。其余同实施例1。

实施例3：

本实施例中，楔形槽共设有8个，沿轴向设置在转子铁芯3的表面上，永磁体4沿轴向卡嵌在楔形槽中，并且楔形槽的槽角为60°。空气隔磁孔为T形空气隔磁孔，并且空气隔磁孔的面积为楔形臂面积的1/3。其余同实施例1。

Claims (6)

1.一种空压机用高速电机电磁结构，该电磁结构包括定子铁芯、设置在定子铁芯上的定子绕组、转子铁芯以及卡嵌在转子铁芯表面的永磁体，其特征在于，所述的定子铁芯上沿圆周均匀布设有多列定子槽，所述的定子绕组采用三层低谐波同心绕组的连接方式设置在定子槽中，所述的转子铁芯的表面沿圆周均匀布设有多个楔形槽，相邻两楔形槽之间设有楔形臂，该楔形臂上设有用于提高气隙磁密幅值的空气隔磁孔，所述的永磁体卡嵌在楔形槽中，工作时，在转子铁芯高速运转的条件下，所述的楔形臂对永磁体产生径向压力，将永磁体压紧在转子铁芯表面；

所述的三层低谐波同心绕组的连接方式为：所述的定子绕组共设有三层，沿径向由内向外依次展开，并且每层定子绕组的匝数比例依次为26.6％、31.0％、42.4％；

所述的空气隔磁孔设置在楔形臂上，并且所述的空气隔磁孔的面积为楔形臂面积的1/3～1/2。

2.根据权利要求1所述的一种空压机用高速电机电磁结构，其特征在于，所述的定子铁芯采用非晶合金制备而成。

3.根据权利要求2所述的一种空压机用高速电机电磁结构，其特征在于，所述的非晶合金优选铁基非晶合金。

4.根据权利要求1所述的一种空压机用高速电机电磁结构，其特征在于，所述的楔形槽共设有4个或6个或8个，沿轴向设置在所述的转子铁芯的表面上，所述的永磁体沿轴向卡嵌在楔形槽中。

5.根据权利要求1所述的一种空压机用高速电机电磁结构，其特征在于，所述的楔形槽的槽角为45°～60°。

6.根据权利要求1所述的一种空压机用高速电机电磁结构，其特征在于，所述的空气隔磁孔为T形空气隔磁孔。