技术领域
[0001] 本发明涉及高速电机技术领域，特别是指一种高速永磁同步电机及护套参数确定方法。
相关背景技术
[0002] 高速电机在燃料电池、空压储能等领域有着光明的应用前景，因此成为领域内的研究重点。目前国内实现量产的产品较少，这也限制了高速空压机的研发工作。高速电机的设计和传统电机有较大的区别。
[0003] 首先，高速电机的绕组需要慎重选择。高速电机中若选择普通电机中采用的分布式绕组，会导致耗铜量增大，而且会使电机的效率降低。
[0004] 其次，高速电机的转子需要合理的设计，表贴式转子是将永磁体贴在转子表面，高速电机的转子转速过大，因此需要在转子加装护套以防止转子破损。
[0005] 此外，高速电机的转子转速高，对于脆弱的永磁体来说旋转应力较大，同时高速电机发热严重，散热困难，需要设计合理的散热结构，防止电机温度过高引发的工作异常状态。
具体实施方式
[0041] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0042] 如图1、图2、图3所示，本发明的实施例提出一种高速永磁同步电机，包括：转轴8；环绕所述转轴8固定设置的具有预设厚度的永磁体10；环绕所述永磁体10固定连接的护套
9；环绕所述护套9预留的气隙7；环绕所述气隙7设置的定子铁心2；环绕所述定子铁心2固定连接的机壳1；其中，所述定子铁心2设置有卡槽，围绕所述卡槽设置有环形绕组3；在所述环形绕组3的缝隙中穿插设置有轴向Z字型冷却水道6；在所述环形绕组3的内侧设置有绝缘层
12；在所述定子铁心2的卡槽内固定设置有热管13；所述护套9厚度为第一预设值。这里的第一预设值是根据以下过程确定的：
[0043] 获取高速永磁同步电机的护套初始厚度和护套初始过盈量；根据高速永磁同步电机永磁体和护套最大受力的约束值，调整所述初始护套厚度至一中间厚度值以及调整初始护套过盈量至一中间过盈量；根据所述中间厚度值、所述中间过盈量以及所述约束值，输出护套目标厚度和目标过盈量，所述护套目标厚度为第一预设值。为满足永磁体不发生滑移和护套不损坏的要求，永磁体尺寸不变的情况下，第一预设值优选为1.2mm，对应的目标过盈量为0.21mm时可以最大化利用护套。
[0044] 本实施例中，如图1、图2、图3所示，高速永磁同步电机包括机壳1、定子铁心2、环形绕组3、Z字型冷却水道6、气隙7、转轴8、护套9、永磁体10和绝缘层12。其中转轴8位于所述电机的中心，转轴8的长度比电机主体长度要长，伸出电机外部，转轴8位于电机内部的部分相比电机外部部分较细；围绕转轴8较细部分的外围固定设置有永磁体10，环绕所述永磁体10固定设置有护套9，环绕护套9周围预留有气隙7，用于给转轴8高速转动留出一定空间；环绕气隙7的周围设置有定子铁心2，环绕定子铁心2周围设置机壳1，机壳1与定子铁心2固定连接；其中，定子铁心2的周围设置有卡槽，围绕所述卡槽缠绕有线圈，形成环形绕组3，环形绕组3高出定子铁心一定距离，相邻卡槽的环形绕组3之间形成缝隙，在所述缝隙中设置有轴向Z字型冷却水道6；在环形绕组3的表面和机壳1之间设置有绝缘层12，以确保环形绕组3对外保持绝缘状态。
[0045] 永磁材料的性能受温度的影响，并且在高温下有退磁风险，因此本发明的方案选用耐高温的永磁材料，同时，为了保证电机的性能，减小电机体积，本方案优先选用具有高磁能积的永磁材料；相对于其他永磁材料，钕铁硼材料具有更高的剩磁、矫顽力和磁能积，具有密度较低、电导率较低、抗拉强度和抗压强度高的优点，较小的密度使其在高速旋转时受到的应力更小，而且钕铁硼材料的强度更高，有助于提高转子强度；同时较低的电导率能降低永磁体中产生的涡流损耗，有利于提升电机效率，降低转子升温，因此本实施例优选的，所述高速永磁同步电机的永磁体由钕铁硼材料制成，永磁体厚度为3.8mm。
[0046] 对高速永磁电机而言，护套对于保证转子强度，保护永磁体具有重要意义。同时，护套材料和厚度也会对电机性能、损耗及散热等方面产生较大影响，受转轴及永磁体的限制，转子表面线速度不能过大，同时，为避免转子表面线速度过高使得空气摩擦损耗过大，故转子外径不宜太大。此外为降低损耗，尽量选用电阻率大的材料，本实施例优选的，选用强度更高、电阻率更大的玻璃纤维材料制作护套，所述护套由玻璃纤维材料制成，护套材料和厚度会对电机性能、损耗及散热等方面产生较大影响，护套厚度随护套材料密度的增大而增大，随材料许用应力的增大而减小，在满足转子强度的前提下，降低护套厚度有利于提升电机性能，因此护套9的目标厚度需为第一预设值，本实施例中优选护套9厚度为1.2mm。
[0047] 定子铁心2上的卡槽采用多槽结构，环形绕组3直接缠绕在定子铁心2的多槽结构卡槽中上，环形绕组3的端部长度较短，具体的，考虑到绕组铜损等因素的影响，环形绕组3使用的导线线径为0.4mm；本实施例中，在定子铁心2上设置12个卡槽，如图6所示，每个卡槽的槽口宽度为0.824mm，槽口高度为16.65mm，槽间距为5.31mm，以更好地提高电机的各项性能。此外，硅钢片具有高导磁率、高电阻率、低损耗系数等优异的性能，因此本实施例优选的，所述定子铁心2由硅钢片为材料制成。
[0048] 如图7所示，在所述定子铁心2的卡槽内固定设置的热管13。
[0049] 本实施例中，如图7所示，还包含一种在环形绕组3轴向设置，与Z字型冷却水道6搭配使用的热管13，热管13贴近槽内绕组，穿过定子铁心2的卡槽，轴向Z字型冷却水道6贴近环形绕组的定子外侧设置，两种散热结构搭配在一起，可以最大程度地将发热最严重的绕组部分产生的热量传递到电机外部进行冷却，相比于传统的螺旋水道更贴近电机的热源，不仅可以有效实现散热，还可以减小整体的体积，达到更好的冷却效果。
[0050] 如图5所示，本发明的一可选的实施例中，所述高速永磁同步电机，还包括：在所述环形绕组3顶端固定连接的绕组外壳4。
[0051] 本实施例中，在环形绕组3顶端固定设置有绕组外壳4，绕组外壳4能够包裹住环形绕组3顶端的部位，槽内绕组和定子铁心间放有绝缘物质，绕组外壳4为弧形的连接结构，该结构可以起到固定环形绕组3及定子铁心2的作用，同时也可以对环形绕组3顶端起到保护和加强绝缘的作用。
[0052] 如图1、图3所示，本发明的一可选的实施例中，所述高速永磁同步电机，还包括：与所述Z字型冷却水道6顶端固定连接的冷却水道外壳5。
[0053] 本实施例中，如图1、图3所示，在Z字型冷却水道6顶端固定设置有冷却水道外壳5，能够固定Z字型冷却水道6的顶端和定子铁心2，使Z字型冷却水道6露出端头的部分固定更加牢固，同时保护Z字型冷却水道6不易受到损坏。
[0054] 如图1、图5所示，本发明的一可选的实施例中，所述高速永磁同步电机，还包括：在所述环形绕组3与所述机壳1之间设置的绕组固定壳11。
[0055] 本实施例中，如图1、图5所示，在环形绕组3外部绕组顶端与所述机壳1之间固定设置有绕组固定壳11，绕组固定壳11能够将环形绕组3外部绕组顶端作为一个整体固定在一起，使绕组导线不易损坏和散乱，同时也进一步确保环形绕组3保持绝缘状态。
[0056] 本发明的一可选的实施例中，所述转轴8的轴向长度超过所述永磁体10的覆盖范围，且所述轴向长度为第二预设值。
[0057] 当转子的临界转速接近电机的额定转速时，电机会发生剧烈的振动，不仅会导致严重的噪声，还会破坏电机的结构。为了防止调整电机的电磁结构以改变临界转速带来的电磁性能变化的问题，需要设置合适的转轴伸出长度和护套伸出长度以减小对临界转速的影响。在电机的临界转速靠近额定转速时，可以通过修改这些结构参数使临界转速远离额定转速，而且不会影响电机的电磁结构，因此也不需要对电机的转矩、效率等特性进行重新计算分析。增加转轴两侧的伸出长度可以使临界转速降低，而且当轴伸长度超过永磁体的轴向长度时，下降的趋势进一步加剧。护套伸出的长度越长，转子的临界转速越小。相比之下，轴伸长度对临界转速的影响更大。
[0058] 本实施例中，当转轴8直径一定时，转轴8轴伸长度的改变会极大地影响转子系统临界转速和振幅大小，随着转轴8伸长度的增加，转子一、二阶临界转速明显减小，当转轴8轴伸长度大于或者等于70mm时，转子发生共振风险的概率比较低，此时电机工作转速小于二倍的一阶临界转速，因此滑动轴承不会发生油膜振荡危险，可以保证电机的安全稳定运行，本实施例优选转轴8轴的伸长度为70mm。
[0059] 本发明的一可选的实施例中，所述永磁体10的厚度为第三预设值。
[0060] 当高速永磁电机各部分的材料确定后，电机的功率密度与电机的输出功率及各部分的体积有关，其中永磁体厚度与电机输出功率关系密切，因此永磁体10的厚度需为第三预设值，本实施例中优选永磁体10厚度为3.8mm。
[0061] 本发明的实施例通过设置Z字型冷却水道和穿过定子铁心卡槽的热管，将两种散热结构搭配在一起，可以最大程度地将发热最严重的环形绕组部分产生的热量传递到电机外部进行冷却，相比于传统的螺旋水道更贴近电机的热源，不仅可以有效实现散热，还可以减小整体的体积，达到更好的冷却效果。
[0062] 如图8所示，本发明的实施例中，还提供一种高速永磁同步电机护套参数确定方法，包括：
[0063] 步骤81，获取高速永磁同步电机的初始护套厚度和初始护套过盈量；
[0064] 步骤82，根据高速永磁同步电机永磁体和护套最大受力的约束值，调整所述护套厚度至一中间厚度值以及调整护套过盈量至一中间过盈量；
[0065] 步骤83，根据所述中间厚度值、所述中间过盈量以及所述约束值，输出护套目标厚度和目标过盈量，所述护套目标厚度为第一预设值。
[0066] 本发明的该实施例中，护套与永磁体间的接触压力随过盈量的增加而增加，且永磁体一般具有抗压特性，因此为满足护套设计的要求，可以通过增加护套厚度和过盈量来对永磁体提供保护。但过大的护套会增大气隙，不利于电磁性能的提高，也会增加气隙热阻，不利于散热。而较大的过盈量不利于加工装配，还会使得护套内径处的等效应力增加。在设计电机时需要确定最佳护套厚度和过盈量，以最大化利用护套对永磁体的保护，同时又减小电磁性能的损失。
[0067] 如图9所示，在确定具体参数时，首先预估护套厚度和过盈量的经验值，作为初始设定，然后判断在当前参数条件下，是否满足约束值的要求，如果所述约束值不满足设计要求，则根据规则改变所述护套厚度和所述过盈量的数值，并再次判断所述约束值是否满足设计要求；如果所述约束值满足设计要求，则输出所述护套厚度和所述过盈量的数值。
[0068] 本发明的一可选的实施例中，所述根据高速永磁同步电机永磁体和护套最大受力的约束值，调整所述初始护套厚度至一中间厚度值以及调整初始护套过盈量至一中间过盈量，包括：
[0069] 在高速永磁同步电机永磁体和护套最大受力的约束值不满足预设值的情况下，则增加所述护套过盈量至一中间过盈量，若所述中间过盈量不大于最大预设值，则将所述护套过盈量设置为所述中间过盈量；若所述中间过盈量大于所述最大预设值，则增加所述护套厚度至一中间厚度值，并减小所述中间过盈量。
[0070] 本实施例中，在调整护套厚度和过盈量的数值时，过盈量要小于其最大预设值，否则护套受到损伤的风险较大，不能使护套起到保护作用，因此在参数调整过程中，首先判断过盈量是否大于其最大预设值，如果是，就增加护套的厚度，然后适当减少过盈量后，再进行约束值判断；如果不是，才继续进行判定，这样可以提高参数确定的效率，能够更快地确定合理的护套厚度和过盈量参数。
[0071] 本发明的一可选的实施例中，所述约束值包括：高速低温转速大于预设转速且温度低于第一预设温度下永磁体内径处接触压力，和高速高温转速大于预设转速且温度高于第二预设温度下的护套最大等效应力；其中，预设转速为100krpm，第一预设温度为20度至30度；第二预设温度为150度至220度。
[0072] 具体的，高速低温的条件是指，转速为100krpm，温度为20°C至30°C的条件；高速高温的条件是指，转速为100krpm，温度为150°C至220°C的条件。本实施例中，取接触压力的极限值为1MPa，护套过盈量的最大预设值为0.25mm，同时取1.5的安全系数约束永磁体和护套的最大应力，即要求永磁体的最大应力不超过53MPa，护套最大等效应力不超过1300MPa。基于护套材料玻璃纤维的密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、屈服/抗拉强度各类属性值，对护套不同厚度和不同过盈量进行参数化计算，不同部件的应力计算公式为：
[0073]
[0074] 式中，ρ、α、v、E、ω为转子部件的材料密度、热膨胀系数、泊松比、弹性模量和角速度；λ、θ分别对应材料径向和切向；△T为部件温升，r为部件的内径，A、B为固定系数。
[0075] 最终可得到最佳护套厚度（即目标厚度）和过盈量（目标过盈量）的方案，为满足永磁体不发生滑移和护套不损坏的要求，永磁体尺寸不变的情况下，玻璃纤维护套的最佳厚度为1.2mm，对应的过盈量取为0.21mm时可以最大化利用护套。
[0076] 高速永磁同步电机的参数还可以包括：风摩损耗，本发明的该方法还可以进一步包括风摩损耗的优化，包括：
[0077] 风摩损耗的表达式：
[0078] ，
[0079] 式中，K为转子表面粗糙度系数， 为表面摩擦系数， 为空气密度， 为转子角速度，为转子半径，为气隙的轴向长度；
[0080] 所述优化变量为：定子铁心槽口宽度b0和定子铁心槽口高度h0，槽口宽度和槽口高度如图6所示；
[0081] 所述变量取值范围为：0.8mm≤b0≤3.0mm，0.8mm≤h0≤1.25mm；
[0082] 所述约束条件为：漏电感
[0083] ，
[0084] 式中， 为真空中的磁导率，N为槽内导体数； 为定子铁心长度；b0≥h0；
[0085] 根据所述变量取值范围，确定优化变量的采样点；
[0086] 进行近似建模，对所述近似模型进行计算寻优，得到优化结果。
[0087] 根据优化变量的取值范围，通过最大最小距离拉丁超立方抽样法确定优化变量的采样点，例如50组采样点。对设计采样点的风摩损耗进行仿真，得到各组变量下对应的数据，进而通过克里金插值法得到所需的插值模型。
[0088] 高速永磁同步电机的参数还可以包括：功率密度，本发明的该方法还可以进一步包括功率密度的优化，包括：
[0089] 高速永磁同步电机功率的表达式： ，式中，为功率密度， 为输出功率， 为电机各部分的密度， 为电机各部分的体积；
[0090] 所述优化变量为：永磁体厚度hPM，定子铁心齿宽b1和定子铁心槽深h1；
[0091] 所述变量取值范围为：3.2mm≤hPM≤3.8mm，15.5mm≤h1≤20mm；3.5mm≤b1≤5.5mm；
[0092] 所述约束条件为：定子铁心槽的最小面积
[0093] ，
[0094] 式中， 为导线绝缘层系数， 为电机额定电流有效值， 为绕组最大电流密度， 为槽内绝缘层面积，为槽满率；定子铁心槽的面积S> ； >15kw。
[0095] 根据所述变量取值范围，确定优化变量的采样点；
[0096] 进行近似建模，对所述近似模型进行计算寻优，得到优化结果。
[0097] 本实施例中，根据优化变量的取值范围，通过拉丁超立方抽样法确定了优化变量的采样点，对电机的参数化模型在采样点进行仿真，得到电机的输出转矩、定子铁损、转子涡流损耗、定子槽面积以及槽绝缘面积等参数；通过克里金插值算法可以得到电机性能的插值模型。
[0098] 本发明的上述实施例，通过优化高速永磁同步电机的相关参数，从而提高高速永磁同步电机的散热效率，进一步保证高速永磁同步电机工作状态稳定。
[0099] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
