一种采用径向分层复合整体永磁外转子的高速发电机制造技术

一种采用径向分层复合整体永磁外转子的高速发电机，其特征在于：该高速电动机包括外转子和设置在外转子内的定子；定子设置在外转子的轴向通孔内，定子与外转子间留有间隙；该种结构能够有效减小电机转子内的热源，从根源上解决高速电机转子过热问题。同时该种结构保证了电机转子的均匀性、整体性和一致性，可以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。

【技术实现步骤摘要】
一种采用径向分层复合整体永磁外转子的高速发电机
本专利技术涉及一种采用径向分层复合整体永磁外转子的高速发电机。属于电机领域问题。
技术介绍
高速永磁同步发电机由于功率密度大，转速高，电机体积远小于相同输出功率的中低转速电机，因此可以有效地节省材料；高速电机的尺寸小使得它有较小的转动惯量，具有较快的动态响应能力；又因高速电机可与原动机直接相连，省去了传统的机械变速装置，因而可以提高传统系统的效率，降低噪音。尤其是永磁发电机拥有力能密度高、结构简单、无励磁损耗和效率高等优点，特别适合用作中、小型高速电机。随着工业电气化的进程，用高速电机取代原来的柴油发动机作为动力源具有很多显著的优点，如提高了能源的使用效率，降低了环境的噪声等，高速永磁发电机的研究与应用符合节能减排的经济发展需要，目前已成为国际电工领域的研究热点之一，在航空、船舶、混合动力汽车、高速磨床、储能飞轮以及分布式发电系统中具有广阔的发展前景。高速永磁发电机与普通电机相比设计难度较大，高速电机转速高达每分钟数万转甚至十几万转，圆周速度可达200m/s以上，电机在高速旋转的情况下，定子铁心损耗很大，空气和转子表面的摩擦会给电机带来很大的损耗，同时对于高速永磁电机来说，转子永磁体的涡流损耗非常大，然而电机的转子散热困难，会造成电机转子的温升过高，而永磁体在温度过高的情况下会发生不可逆退磁，给电机造成严重危害，因此减小电机转子的损耗成为高速永磁电机设计的核心问题之一。对于高速永磁电机来说，转子强度问题更为突出，因为永磁体不能承受高速旋转产生的拉应力而必须对永磁体采取保护措施。与内转子高速电机相比，外转子电机的直径大，高速旋转要承受的离心力更大，同时转子直接与其它结构配合，需要承受一定的压力载荷，因此对转子强度提出更高的要求。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提出一种采用径向分层复合整体永磁外转子的高速发电机，其目的是解决以往的高速永磁电机在高速旋转情况下永磁体强度不够而发生破损问题以及转子涡流损耗大、散热困难造成永磁体不可逆退磁，严重影响电机的可靠性和运行寿命的问题，进而大大提高电机运行的可靠性。技术方案：本专利技术采用以下技术方案：一种采用径向分层复合整体永磁外转子的高速发电机，其特征在于：该高速电动机包括外转子和设置在外转子内的定子；定子设置在外转子的轴向通孔内，定子与外转子间留有间隙；所述定子包括定子铁心和定子绕组；定子绕组设置在定子铁心的外侧壁上开有的定子槽内，定子槽的开口朝向外转子；所述转子包括转子轭和三个混合永磁结构单元层；三个混合永磁结构单元层分为外永磁结构单元层、中永磁结构单元层和内永磁结构单元层；内永磁结构单元层、中永磁结构单元层和外永磁结构单元层由内向外依次连接设置，外永磁结构单元层设置在转子轭的通孔内壁上；每个混合永磁结构单元层均由外部层的碳纤维或玻璃丝层与内部的混合永磁材料层构成；三个混合永磁结构单元层结合以后形成混合永磁材料层与碳纤维或玻璃丝层绑扎交替的结构，外永磁结构单元层的碳纤维或玻璃丝层连接转子轭的通孔内壁。该种新型混合永磁结构即为新型混合永磁材料与碳纤维交替绑扎，无论多少层后都是新型混合永磁材料面对定子绕组，然后在朝向定子绕组的层外添加一层碳纤维。定子的两端还设置有绕组压板。（绕组压板采用绝缘导热材料，主要的作用是固定绕组两端的端部，同时该压板可以有效的进行绕组端部与定子进行之间的换热，有利于降低绕组端部的温升。）在最内层的混合永磁单元内壁绑扎一层碳纤维，进而形成了混合永磁材料分层绑扎结构的外转子高速永磁电动机转子。三个混合永磁结构单元层，由内至外，随着单元层数的增加，混合永磁材料层内的永磁材料磁粉的含量依次减少，碳纤维或玻璃丝层厚度依次增厚，最外层绑扎的碳纤维或玻璃丝层厚度最大，混合永磁材料层整体充磁形成若干极数。（根据电机的功率等级，确定电机的转子最大外径，确定电机所需励磁的大小，初步估算转子分层的个数及磁粉的含量，通过电机的磁路计算，多次迭代，最终确定分层个数及各层磁粉含量，碳纤维或玻璃丝厚度的增加则需要根据精确的有限元计算，计算出外单元层碳纤维或玻璃丝厚度足够保证内单元层混合永磁材料的可靠性）一般情况，厚度同捆扎之后的转子的半径平方成正比。定子上用于设置绕组的定子槽为梨形槽，绕组分上、下两层，采取短距叠绕组连接，绕组采用细导线多根并绕。（绕组一般分为单层绕组和双层绕组，该处采用的是双层绕组，因此分为上下两层，短节距绕组包括短节距叠绕组和短节距波绕组；多根并绕是采用多根细导线代替原来的粗导线，进而达到减小集肤效应。）混合永磁材料层是由永磁材料磁粉与树脂均匀混合。（材料的混合方法是通过精确的有限元计算，根据电机运行所需的励磁，然后按照永磁材料磁粉与树脂1：1的比例进行混合，因为若比例过大，将大大影响混合后新型永磁材料的整体性，强度问题将难以保证，若比例过小，励磁将难以达到，这样将增加整体厚度，进而强度问题也被显现而出。）定子铁心由超薄低损耗冷轧无取向电工钢片叠压而成。该高速发电机，内定子中具有静止轴，定子采用梨形槽，绕组采用双层短距绕组，绕组压板设置在定子铁心的两端。其永磁外转子的主要特征是采用混合永磁材料的分层绑扎结构，混合永磁材料是由永磁材料磁粉与树脂混合，每个单元层由外层的碳纤维（或玻璃丝）与内层的混合永磁材料构成，外层的碳纤维（或玻璃丝）是为了进行固定，内层的混合永磁材料是为了提供励磁。混合永磁材料与碳纤维（或玻璃丝）绑扎交替放置，在绑扎若干个单元层后，在其最外层绑扎一层碳纤维以保证电机转子的整体强度，进而形成了采用径向分层复合整体永磁外转子高速永磁发电机转子。沿径向由内至外，随着单元层数的增加，永磁材料磁粉的含量依次减少，绑扎的碳纤维（或玻璃丝）厚度依次增厚，并进行整体充磁形成若干极数。该种混合永磁材料径向分层外转子结构中碳纤维和树脂都是电绝缘材料，而具有较大电导率的永磁材料磁粉与树脂混合，并与碳纤维分层绑扎构成混合永磁材料径向分层结构的外转子，能够大大减小转子内的永磁材料产生的涡流损耗，从而有效的降低转子发热；同时，由于碳纤维材料具有密度小、抗拉强度大、受温度影响较小的特点，可以对混合永磁材料在转子高速旋转的情况下提供更安全有效的保护，树脂能够大大提高永磁材料磁粉混合后的均匀性、整体性和一致性，避免电机转子在高速运行下的造成的局部应力过大的问题，该种转子采用混合永磁材料径向分层结构能够有效的保证电机转子在高速旋转时强度的可靠性。定子上用于设置绕组的定子槽为梨形槽，绕组分上、下两层，采取短距叠绕组连接，绕组采用细导线多根并绕，能够有效减小由趋肤效应造成的附加损耗；定子铁心由超薄低损耗冷轧无取向电工钢片叠压而成，可以有效降低高频下的铁心损耗。优点及效果：本专利技术提出了一种采用径向分层复合整体永磁外转子高速永磁发电机，外转子采用的混合永磁材料是由永磁材料磁粉与树脂混合并充磁形成若干极数，每个单元层由外部层的碳纤维（或玻璃丝）与内部层的混合永磁材料构成，外部层的碳纤维（或玻璃丝）是为了对其转子内部结构进行固定提高强度，内部层的混合永磁材料是为了提供励磁。混合永磁材料与碳纤维（或玻璃丝）绑扎交替放置，在绑扎若干个单元层后，在其最外层绑扎一层碳纤维以保证电机转子的整体强度，进而形成了径向分层复合整体永磁外转子高速永磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用径向分层复合整体永磁外转子的高速发电机，其特征在于：该高速电动机包括外转子和设置在外转子内的定子；定子设置在外转子的轴向通孔内，定子与外转子间留有间隙；所述定子包括定子铁心（5）和定子绕组（3）；定子绕组（3）设置在定子铁心（5）的外侧壁上开有的定子槽内，定子槽的开口朝向外转子；所述转子包括转子轭（4）和三个混合永磁结构单元层；三个混合永磁结构单元层分为外永磁结构单元层（7）、中永磁结构单元层（8）和内永磁结构单元层（9）；内永磁结构单元层（9）、中永磁结构单元层（8）和外永磁结构单元层（7）由内向外依次连接设置，外永磁结构单元层（7）设置在转子轭（4）的通孔内壁上；每个混合永磁结构单元层均由外部层的碳纤维或玻璃丝层（13）与内部的混合永磁材料层（12）构成；三个混合永磁结构单元层结合以后形成混合永磁材料层与碳纤维或玻璃丝层绑扎交替的结构，外永磁结构单元层（7）的碳纤维或玻璃丝层（13）连接转子轭（4）的通孔内壁。

【技术特征摘要】
1.一种采用径向分层复合整体永磁外转子的高速发电机，其特征在于：该高速电动机包括外转子和设置在外转子内的定子；定子设置在外转子的轴向通孔内，定子与外转子间留有间隙；所述定子包括定子铁心（5）和定子绕组（3）；定子绕组（3）设置在定子铁心（5）的外侧壁上开有的定子槽内，定子槽的开口朝向外转子；所述转子包括转子轭（4）和三个混合永磁结构单元层；三个混合永磁结构单元层分为外永磁结构单元层（7）、中永磁结构单元层（8）和内永磁结构单元层（9）；内永磁结构单元层（9）、中永磁结构单元层（8）和外永磁结构单元层（7）由内向外依次连接设置，外永磁结构单元层（7）设置在转子轭（4）的通孔内壁上；每个混合永磁结构单元层均由外部层的碳纤维或玻璃丝层（13）与内部的混合永磁材料层（12）构成；三个混合永磁结构单元层结合以后形成混合永磁材料层与碳纤维或玻璃丝层绑扎交替的结构，外永磁结构单元层（7）的碳纤维或玻璃丝层（13）连接转子轭（4）的通孔内壁。2.根据权利要求1所述的一种采用径向分层复合整体永磁外转子的高速发电机，其特征在于：定子的两端还设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：金石，刘光伟，张凤阁，王皓，施隆，戴睿，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21