CN102570666A

CN102570666A - 切向式永磁同步电机转子结构

Info

Publication number: CN102570666A
Application number: CN2012100196234A
Authority: CN
Inventors: 马吉恩; 方攸同; 马子魁; 卢琴芬; 黄晓艳; 张建承; 陈威
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-01-22
Filing date: 2012-01-22
Publication date: 2012-07-11

Abstract

切向式永磁同步电机转子结构，包括转轴，隔磁轴套，永磁体和转子极靴，及左端板和右端板；永磁体和转子极靴沿隔磁轴套的圆周间隔分布，永磁体紧贴转子极靴；两个端板之间设有多个由非导磁材料制成的转子隔板，转子极靴之间相互独立，转子极靴与转子隔板沿轴向间隔分布，转子隔板将转子沿轴向分隔为多个转子单元，每个转子单元中转子极靴的两个端面分别与相邻的转子隔板的端面贴紧；转子隔板上设有允许隔磁轴套贯穿的通孔，左端板、转子极靴、转子隔板和右端板贯穿有拉紧螺栓，拉紧螺栓在轴向锁紧左右端板和左右端板之间的转子极靴、永磁体与转子隔板。本发明具有机械强度高，适用于高速旋转电机的优点。

Description

切向式永磁同步电机转子结构

技术领域

本发明涉及一种切向式永磁同步电机的转子结构，尤其涉及一种用于高速铁路列车永磁牵引电机的永磁体内置切向式永磁电机转子。

背景技术

电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内部建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法。一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，例如普通的直流电机和同步电机。这种电励磁的电机既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断提供给能量以维持电流流动；另一种是由永磁体产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场，即所谓的永磁电机。

与传统励磁电机相比，永磁同步电机具有结构简单、损耗小、功率因数高、效率高、功率密度高、起动力矩大、温升低、轻量化等显著特点。随着稀土永磁材料（特别是钕铁硼永磁材料）磁性性能的不断提高和完善以及价格的逐步降低，永磁电机研究开发逐步成熟，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得了越来越广泛的应用。

永磁同步电机是依靠安装在转子上的永久磁铁产生磁场的电动机，定子结构与普通同/异步电动机基本相同，即由硅钢片叠压构成的定子铁心和嵌在定子铁心槽内的定子线圈组成，定子线圈的连接使三相交流电产生旋转磁场；转子由转子铁心和永磁体构成，这是永磁电机与其他类型电机的主要区别，转子磁路结构是永磁电机的关键技术所在。转子磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制策略、制造工艺和使用场合也不同。

按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电机的转子磁路一般可分为表面式、内置式和爪极式等三种。表面式转子此路结构简单、制造成本低，但转子表面无法安放启动绕组，因而无异步起动能力。内置式转子的永磁体位于转子内部，按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子磁路结构又可分为切向式、切向式和混合式三种。与表面式转子相比，永磁体内置式转子可对机械强度较低的永磁体进行保护。

但上述类型的转子均存在机械强度低的问题，存在转子表面涡流损耗严重的缺点，无法满足高转速、大功率、大直径永磁电机转子的要求。

中国专利申请201010513307.3号披露了一种大功率永磁电机转子，采用永磁体内嵌式结构，转子由沿轴向的至少两个转子单元构成，每个转子单元相邻两极永磁体之间的铁心上开设有沿转子轴向的隔磁凹槽，相邻的转子单元之间设有不导磁材料制成的隔板，转子单元两端设有端板，至少两个转子单元通过轴向定位拉紧螺栓进行固定。

这种永磁电机转子存在以下缺点：1、转子极靴受到的离心力由端板、隔板和定位拉紧螺栓共同承担，也就是说固定转子单元的定位拉紧螺栓需要承受弯矩，当转子高速旋转时，离心力很大，容易造成定位拉紧螺栓被离心力折断，也就是说，该转子不适用于高速旋转的电机。2、虽然在铁心开设有隔磁凹槽，但是相邻的永磁体之间的铁心仍然存在连接部分，相邻两极的永磁体磁场容易通过永磁体之间铁心的连接部分直接连通而造成漏磁，也就是说，该结构无法避免漏磁且漏磁严重。3、隔板设置于相邻的两个转子单元之间，隔板的厚度占用了转子沿轴向的有效长度；当转子采用的转子单元的数目较多且转子隔板较厚时，转子的有效长度将急剧减小，从而影响转子的电磁性能。

发明内容

为克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种机械强度高，适用于高速旋转电机的切向式永磁同步电机转子结构。

切向式永磁同步电机转子结构，包括转轴，与转轴固定连接的隔磁轴套，沿隔磁轴套外围均匀分布的永磁体和转子极靴，以及分别位于隔磁轴套两端的左端板和右端板；永磁体和转子极靴沿隔磁轴套的圆周间隔分布，永磁体紧贴转子极靴。

其特征在于：两个端板之间设有多个由非导磁材料制成的转子隔板，转子极靴之间相互独立，转子极靴与转子隔板沿轴向间隔分布，转子隔板将转子沿轴向分隔为多个转子单元，每个转子单元中转子极靴的两个端面分别与相邻的转子隔板的端面贴紧；转子隔板上设有允许隔磁轴套贯穿的通孔，左端板、转子极靴、转子隔板和右端板贯穿有拉紧螺栓，拉紧螺栓在轴向锁紧左右端板和左右端板之间的转子极靴、永磁体与转子隔板。

进一步，转子隔板呈圆环形，转子隔板中部的通孔允许隔磁轴套贯穿，转子隔板上均匀分布有允许拉紧螺栓贯穿的螺栓孔，转子隔板与拉紧螺栓间隙配合，确保拉紧螺栓主要承受轴向拉力的作用，避免拉紧螺栓承受弯矩作用，以改善拉紧螺栓的受力状态。

进一步，转子极靴呈扇形，转子极靴的两侧外缘分别向外延伸形成凸筋，相邻的两个转子极靴的凸筋之间有间隔，相邻的两个转子极靴、凸筋和隔磁轴套围成与永磁体适配的容置腔，永磁体的顶部宽度小于底部宽度。凸筋与永磁体的顶面接触以阻止永磁体脱离容置腔。

进一步，转子极靴与永磁体之间通过金属胶粘接固定。

进一步，转子极靴与永磁体贴靠形成的结合面为斜面或者是1/4椭圆曲面或者是圆弧曲面。结合面为斜面时，永磁体的截面形状为等腰梯形。结合面为1/4椭圆曲面时，永磁体的截面形状为两腰为1/4椭圆曲线的等腰梯形。结合面为圆弧曲面时，永磁体的截面形状为两腰为圆弧的等腰梯形。永磁体与隔磁轴套接触的底面仍然为平面。

进一步，左端板、右端板、转子极靴和转子隔板上均设有允许拉紧螺栓穿过的安装通孔，左、右端板、转子极靴和转子隔板上的通孔分别对位形成允许拉紧螺栓贯穿的安装通道，拉紧螺栓与转子极靴和转子隔板之间为间隙配合。

本发明的技术构思是：沿转子结构的轴向用转子隔板将转子结构分隔为多个转子单元，相邻的转子单元的转子极靴通过转子隔板隔磁，同一个转子单元内，转子极靴相互独立而不会相互连通，并且隔磁轴套采用不导磁材料制成，从而避免了漏磁现象的发生。转子结构依靠拉紧螺栓锁紧，转子极靴的两个端面分别贴紧于两个转子隔板，依靠转子极靴与转子隔板之间的摩擦力来克服转子结构高速旋转时转子极靴和永磁体受到的离心力。依靠调节拉紧螺栓的锁紧力来调节转子极靴与转子隔板之间的摩擦力，拉紧螺栓只需要承受轴向的拉力而无需承受由于离心力而产生的弯矩，拉紧螺栓不容易被折断，转子结构的使用寿命长。

本发明的有益效果是：1、依靠转子极靴与隔板之间的摩擦力来克服转子结构旋转时的离心力，拉紧螺栓不受弯矩、不易折断，转子结构的使用寿命长。2、转子极靴之间相互独立并使用隔磁轴套，避免发生漏磁现象。

附图说明

图1是切向式永磁电机转子整体示意图。

图2是切向式永磁电机转子结构分解图。

图3是切向式永磁电机转子极靴、永磁体和隔磁轴套配合及磁场分析示意图。

图4是切向式永磁电机转子隔板示意图。

图5是切向式永磁电机转子极靴示意图。

图6是圆弧面式永磁体、极靴和隔磁轴套示意图。

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明：

如图1、图2所示，切向式永磁同步电机转子结构，包括转轴1，与转轴1固定连接的隔磁轴套8，沿隔磁轴套8外围均匀分布的永磁体5和转子极靴4，以及分别位于隔磁轴套8两端的左端板31和右端板32；永磁体5和转子极靴4沿隔磁轴套8的圆周间隔分布，永磁体5紧贴转子极靴4。隔磁轴套8采用非导磁材料制成，防止转子内部出现漏磁现象。

两个端板31、32之间设有多个由非导磁材料制成的转子隔板6，转子极靴4之间相互独立，转子极靴4与转子隔板6沿轴向间隔分布，转子隔板6将转子沿轴向分隔为多个转子单元，每个转子单元中转子极靴4的两个端面分别与相邻的转子隔板6的端面贴紧；转子隔板6上设有允许隔磁轴套贯穿的通孔61，左端板31、转子极靴4、转子隔板6和右端板32贯穿有拉紧螺栓7，拉紧螺栓7在轴向锁紧左右端板31、32和左右端板31、32之间的转子极靴4、永磁体5与转子隔板6。

相邻的永磁体5的磁极同性。转子磁路分析如图3所示，磁力线从永磁体5的N极出发，穿过位于永磁体5a一侧的转子极靴4a后进入转子与定子之间的气隙（图中未画出）,再途径定子、气隙和位于永磁体5另一侧的转子极靴4b绕回永磁体5a的S极，从而形成封闭的磁场回路。由于隔磁轴套8采用非磁性材料制成，因而隔磁轴套8内部磁通量为零，因而不会引起漏磁现象。

转子隔板6呈圆环形，转子隔板6中部的通孔61允许隔磁轴套8贯穿，转子隔板6上均匀分布有允许拉紧螺栓7贯穿的螺栓孔62，转子隔板6与拉紧螺栓7间隙配合，确保拉紧螺栓7主要承受轴向拉力的作用，避免拉紧螺栓7承受弯矩作用，以改善拉紧螺栓7的受力状态。转子隔板6的结构如图4所示。转子隔板4的内表面14′与隔磁轴套8的外圆表面相接触，从而实现转子隔板6相对转子轴1中心轴线的径向定位。转子隔板6与极靴4之间存在摩擦，从而在拉紧螺栓7的拉力作用下将永磁体5和极靴4受到的离心力传递到转子隔板6之上。

如图5所示，转子极靴4呈扇形，转子极靴4的两侧外缘分别向外延伸形成凸筋41，相邻的两个转子极靴4的凸筋41之间有间隔，相邻的两个转子极靴4、凸筋41和隔磁轴套8围成与永磁体适配的容置腔A，永磁体5的顶部宽度小于底部宽度。凸筋41与永磁体5的顶面接触以阻止永磁体5脱离容置腔。凸筋41和永磁体5接触并且形成结合面3′和4′。

转子极靴4与永磁体5贴靠形成的结合面之间通过金属胶粘接固定，以使所述永磁体5和极靴4联结的更为牢固，用以传递永磁体5受到的磁场扭矩。永磁体5的与隔磁轴套8接触的底面5′为平面。永磁体的底面与隔磁轴套之间通过金属胶粘接，使永磁体5和隔磁轴套8联结的更为牢固。

转子极靴4与永磁体5贴靠形成的结合面为斜面1′、2′或者是1/4椭圆曲面或者是圆弧曲面9′和10′。结合面为斜面1′、2′时，永磁体5的截面形状为等腰梯形，如图3、4所示。结合面为1/4椭圆曲面时，永磁体5的截面形状为两腰为1/4椭圆曲线的等腰梯形。结合面为圆弧曲面9′和10′时，永磁体5的截面形状为两腰为圆弧的等腰梯形，如图6所示。永磁体5受到的离心力通过永磁体5与转子极靴4之间的结合面传递到转子极靴4之上。转子极靴4由沿转子轴向布置的硅钢片叠合而成，并在拉紧螺栓7的轴向拉力作用下紧紧顶靠在转子隔板6和端板3之上。

左端板31、右端板32、转子极靴4和转子隔板6上均设有允许拉紧螺栓7穿过的安装通孔，左、右端板31、32、转子极靴4和转子隔板6上的通孔分别对位形成允许拉紧螺栓贯穿的安装通道，拉紧螺栓与转子极靴和转子隔板之间为间隙配合。

另外，可在转子结构的表面上的空隙处填充玻璃钢或环氧树脂等热固性高分子材料，防止电机在高速运转时在转子表面不平处形成空气涡流，以减小转子在高速运转时的空气阻力，并可防止由永磁体5崩碎所产生的碎片落入永磁电机转子与定子之间的气隙，从而避免发生严重的机械故障。

本发明的技术构思是：沿转子结构的轴向用转子隔板6将转子结构分隔为多个转子单元，相邻的转子单元的转子极靴4通过转子隔板6隔磁，同一个转子单元内，转子极靴4相互独立而不会相互连通，并且隔磁轴套8采用不导磁材料制成，从而避免了漏磁现象的发生。转子结构依靠拉紧螺栓7锁紧，转子极靴4的两个端面分别贴紧于两个转子隔板6，依靠转子极靴4与转子隔板6之间的摩擦力来克服转子结构高速旋转时转子极靴4和永磁体5受到的离心力。依靠调节拉紧螺栓7的锁紧力来调节转子极靴4与转子隔板6之间的摩擦力，拉紧螺栓7只需要承受轴向的拉力而无需承受由于离心力而产生的弯矩，拉紧螺栓不容易被折断，转子结构的使用寿命长。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.切向式永磁同步电机转子结构，包括转轴，与转轴固定连接的隔磁轴套，沿隔磁轴套外围均匀分布的永磁体和转子极靴，以及分别位于隔磁轴套两端的左端板和右端板；永磁体和转子极靴沿隔磁轴套的圆周间隔分布，永磁体紧贴转子极靴；

2.如权利要求1所述的切向式永磁同步电机转子结构，其特征在于：转子隔板呈圆环形，转子隔板中部的通孔允许隔磁轴套贯穿，转子隔板上均匀分布有允许拉紧螺栓贯穿的螺栓孔，转子隔板与拉紧螺栓间隙配合。

3.如权利要求2所述的切向式永磁同步电机转子结构，其特征在于：转子极靴呈扇形，转子极靴的两侧外缘分别向外延伸形成凸筋，相邻的两个转子极靴的凸筋之间有间隔，相邻的两个转子极靴、凸筋和隔磁轴套围成与永磁体适配的容置腔，永磁体的顶部宽度小于底部宽度。

4.如权利要求1-3之一所述的切向式永磁同步电机转子结构，其特征在于：转子极靴与永磁体之间通过金属胶粘接固定，永磁体与隔磁轴套之间由金属胶粘接固定。

5.如权利要求4所述的切向式永磁同步电机转子结构，其特征在于：转子极靴与永磁体贴靠形成的结合面为斜面或者是1/4椭圆曲面或者是圆弧曲面。

6.如权利要求5所述的切向式永磁同步电机转子结构，其特征在于：左端板、右端板、转子极靴和转子隔板上均设有允许拉紧螺栓穿过的安装螺孔，左、右端板、转子极靴和转子隔板上的螺孔分别对位形成允许拉紧螺栓贯穿的安装通道，拉紧螺栓与转子极靴和转子隔板之间为间隙配合。