CN104779722B - 一种高速永磁电机的转子结构 - Google Patents

Abstract

一种高速永磁电机的转子结构，包括永磁体、导磁体和转轴，所述圆柱形导磁体用于固定永磁体并提供转子磁路，所述转轴用于转子向外界提供扭矩，所述永磁体为块状永磁体，至少一块所述块状永磁体嵌入导磁体内，形成至少一磁极对。本发明采用块状永磁体嵌入导磁体内部或贯通导磁体，块状永磁体提供的磁场强度更大，同时本发明也可采用多个块状永磁体，两永磁体之间的导磁体起到固定作用并加强转子的机械强度。在有限体积条件下，本发明的高速永磁电机的转子结构提供的磁场强度和机械强度更大，功率密度更高。

Description

一种高速永磁电机的转子结构

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及高速永磁电机的转子结构。

背景技术

与传统的电机相比，高速永磁电机具有更高的功率密度，更高的可靠性，以及更小的尺寸比等优势，近年来引起业界极大兴趣和广泛研究。这种类型的电机有许多工业应用，如压缩机，真空泵，涡轮发电机，飞轮储能系统，钻孔工具，摩擦焊接设备等。按工作原理分类，高速电机主要有感应电机、开关磁阻电机和无刷永磁电机。无刷永磁电机由于省去电刷限制，可运行于更高转速，另外它采用磁能积高的稀土永磁材料作励磁，具有体积小，效率高、功率因数大、转子损耗小等优点，尤其是功率密度之高是感应电机和开关磁阻电机无法比拟的。尽管有诸多优点，但是稀土永磁材料硬而脆，抗拉强度和抗弯强度均较低，另外稀土永磁材料热稳定性较差，这些缺点限制了永磁电机在高速领域的应用范围。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种高速永磁电机的转子结构，解决高速永磁电机转子电磁和强度方面的需求，使转子既有较强的磁场强度又有较高的机械强度。

本发明提供的技术方案为：

一种高速永磁电机的转子结构，包括永磁体、导磁体和转轴，所述圆柱形导磁体用于固定永磁体并提供转子磁路，所述转轴用于转子向外界提供扭矩，所述永磁体为块状永磁体，至少一块所述块状永磁体嵌入导磁体内部或贯通导磁体，形成至少一磁极对。

优选的是，还包护套，所述护套用于包裹转子并将导磁体与永磁体固定。

优选的是，所述块状永磁体的数量为一块，整体形状为扁长方体；所述块状永磁体径向贯通所述圆柱形导磁体，形成一磁极对。

优选的是，所述块状永磁体的数量至少为两块，整体形状为扁长方体；所述至少两块块状永磁体沿圆柱形导磁体径向平行地排列并贯通所述圆柱形导磁体，形成一磁极对。

优选的是，所述块状永磁体的数量至少为两块，整体形状为长方体；所述至少两块块状永磁体沿圆柱形导磁体轴向平行地排列并贯通所述圆柱形导磁体，形成一磁极对。

优选的是，整体形状为扁长方体的块状永磁体沿圆柱形导磁体径向平行地排列，列数为n，排数为m，其中n大于等于2，m大于等于2，所述n列m排块状永磁体贯通圆柱形导磁体，形成一磁极对。

优选的是，所述块状永磁体整体为长条状，数量为四块，纵向切面为瓦片形；所述四块块状永磁体沿圆柱形导磁体的圆周方向等距地嵌入所述圆柱形导磁体，形成一磁极对。

优选的是，所述块状永磁体整体为长条状，数量为四块，纵向切面为瓦片形；所述四块块状永磁体沿圆柱形导磁体的圆周方向等距地嵌入所述圆柱形导磁体，形成两磁极对。

优选的是，所述块状永磁体整体为瓦片形，数量为4a块，其中a大于等于2，在圆柱形导磁体的圆周方向上由四块块状永磁体构成两磁极对，在圆柱形导磁体的轴向上为a列等间距平行排列的块状永磁体；所述块状永磁体同排的极性相同。

优选的是，所述块状永磁体整体为长条状瓦片形，数量为4a块，其中a大于等于2，在圆柱形导磁体的圆周方向上由4a块块状永磁体构成两磁极对，其中每一磁极由a块沿圆柱形导磁体的圆周方向平行等间距地排列的块状永磁体构成。

优选的是，所述块状永磁体整体为瓦片形，数量为4*a*b块，其中a大于等于2，b大于等于2；沿圆柱形导磁体的圆周方向上由4a块块状永磁体构成两磁极对，每一磁极由a块沿圆柱形导磁体的圆周方向平行等间距地排列的块状永磁体构成；在圆柱形导磁体的轴向上为b列等间距平行排列的块状永磁体；所述块状永磁体同排的极性相同。

优选的是，所述块状永磁体整体为瓦片形，数量为2n*a*b块，n为磁极对数，a为排数，b为列数；沿圆柱形导磁体的圆周方向上由2n*a块块状永磁体构成n个磁极对，每一磁极由a块沿圆柱形导磁体的圆周方向平行等间距地排列的块状永磁体构成；在圆柱形导磁体的轴向上为b列等间距平行排列的块状永磁体；所述块状永磁体同排的极性相同。

优选的是，所述块状永磁体的外部为弧面，与导磁体整体构成圆柱形。

优选的是，所述块状永磁体的外部为平面，所述块状永磁体的外部平面通过填充物与所述导磁体整体构成圆柱形。

本发明的有益效果：本发明采用块状永磁体嵌入导磁体内部，块状永磁体提供的磁场强度更大，同时本发明也可采用多个块状永磁体，两永磁体之间的导磁体起到固定作用并加强转子的机械强度。在有限体积条件下，本发明的高速永磁电机的转子结构提供的磁场强度和机械强度更大，功率密度更高。

附图说明

图1为本发明的实施例1，其中a为主视图，b为B‐B截面示意图，c为A‐A截面示意图，d为无护套时的主视图；

图2为本发明的实施例2，其中a为主视图，b为B‐B截面示意图，c为A‐A截面示意图，d为无护套时的主视图；

图3为本发明的实施例3，其中a为主视图，b为B‐B截面示意图，c为A‐A截面示意图，d为无护套时的主视图；

图4为本发明的实施例4，其中a为主视图，b为B‐B截面示意图，c为A‐A截面示意图，d为无护套时的主视图；

图5为本发明的实施例5，其中a为主视图，b为B‐B截面示意图，c为A‐A截面示意图，d为无护套时的主视图；

图6为本发明的实施例6，其中a为主视图，b为B‐B截面示意图，c为A‐A截面示意图，d为无护套时的主视图；

图7为本发明的实施例7，其中a为主视图，b为B‐B截面示意图，c为A‐A截面示意图，d为无护套时的主视图；

图8为本发明的实施例8，其中a为主视图，b为B‐B截面示意图，c为A‐A截面示意图，d为无护套时的主视图；

图9为本发明的实施例9，其中a为主视图，b为B‐B截面示意图，c为A‐A截面示意图，d为轴向沿永磁体的截面示意图；

图10为本发明的实施例10，其中a为主视图，b为B‐B截面示意图，c为A‐A截面示意图，d为轴向沿永磁体的截面示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

常见的永磁电机转子结构的永磁体为表贴式或内置式，为解决高速永磁电机转子的现有技术问题，本发明采用块状永磁体。受制于高速永磁电机的自身结构特点，其转子半径小，由于块状永磁体具有更高的磁场强度，使得电机的功率密度更高。

一种高速永磁电机的转子结构，包括永磁体3、导磁体2和转轴4，所述圆柱形导磁体2用于固定永磁体3并提供转子磁路，所述转轴4用于转子向外界提供扭矩，所述永磁体3为块状永磁体，至少一块所述块状永磁体3嵌入导磁体内，形成至少一磁极对。通常情况下，转轴4和导磁体2为一体，本发明的转子结构使得转子在有限的空间内放置更多的永磁体3来增强永磁转子的磁场强度，并通过护套1和导磁体2对块状永磁体进行双重保护，提高永磁电机转子的机械强度。

护套1用于包裹转子并将导磁体2与永磁体3固定。永磁体3通常采用具有较高磁能积的钕铁硼(NdFeB)或钐钴(SmCo)永磁材料，导磁体2采用马氏体铁合金，护套1常用的有凯夫拉纤维(Kevlar Fiber)、碳纤维(CarbonFiber)、玻璃纤维(Glass Fiber)等高强度纤维增强的复合材料，以及Inconel718和钛合金等高强度特种合金。

受通电频率的制约，目前用于高速电机的极数主要为有2极和4极两种，本发明将主要对这两种情况进行说明。

实施例1：

如图1所示，所述块状永磁体3的数量为一块，形状为扁长方体；所述块状永磁体3径向贯通所述圆柱形导磁体2，形成一磁极对。

实施例2：

如图2所示，所述块状永磁体3的数量至少为两块，本实施例采用三块形状为近似于平板状扁长方体的块状永磁体3；三块块状永磁体3沿圆柱形导磁体2的径向平行地排列并贯通所述圆柱形导磁体，形成一磁极对。块状永磁体3之间的导磁体2进一步加强了转子的机械强度。

实施例3：

如图3所示，所述块状永磁体3的数量至少为两块，形状为近似于长条状的长方体；所述至少两块块状永磁体3沿圆柱形导磁体2轴向平行地排列并贯通所述圆柱形导磁体2，形成一磁极对。块状永磁体3之间的导磁体2进一步加强了转子的机械强度

实施例4：

如图4所示，整体形状为近似于长条状长方体的块状永磁体3沿圆柱形导磁体2径向平行地排列，列数为n，排数为m，其中n大于等于2，m大于等于2，所述n列m排块状永磁体3贯通圆柱形导磁体2，形成一磁极对。块状永磁体3之间的导磁体2进一步加强了转子的机械强度。

实施例5：

如图5所示，所述块状永磁体3整体为长条状，数量为四块，纵向切面为瓦片形；所述四块块状永磁体3沿圆柱形导磁体2的圆周方向等距地嵌入所述圆柱形导磁体2，形成一磁极对。块状永磁体3之间的导磁体2进一步加强了转子的机械强度。

本实施例的另一种情况是，所述块状永磁体3整体为长条状，数量为四块，纵向切面为瓦片形；所述四块块状永磁体3沿圆柱形导磁体的圆周方向等距地嵌入所述圆柱形导磁体，形成两磁极对，即沿圆周方向的极性为N‐S‐N‐S。

实施例6：

如图6所示，所述块状永磁体3整体为瓦片形，数量为4a块，其中a大于等于2，在圆柱形导磁体的圆周方向上由四块块状永磁体3构成两磁极对，在圆柱形导磁体2的轴向上为a列等间距平行排列的块状永磁体3；所述块状永磁体3同排的极性相同。块状永磁体3之间的导磁体2进一步加强了转子的机械强度。

实施例7：

如图7所示，所述块状永磁体3整体为长条状近似于锥形的瓦片形，数量为4a块，其中a大于等于2，在圆柱形导磁体2的圆周方向上由4a块块状永磁体3构成两磁极对，其中每一磁极由a块沿圆柱形导磁体2的圆周方向平行等间距地排列的块状永磁体3构成，即a块极性相同的块状永磁体3构成相应的磁极。块状永磁体3之间的导磁体2进一步加强了转子的机械强度。

实施例8：

如图8所示，所述块状永磁体3整体为近似于锥形的瓦片形，数量为4*a*b块，其中a大于等于2，b大于等于2；沿圆柱形导磁体2的圆周方向上由4a块块状永磁体3构成两磁极对，每一磁极由a块沿圆柱形导磁体2的圆周方向平行等间距地排列的块状永磁体3构成，即a块极性相同的块状永磁体3构成相应的磁极；在圆柱形导磁体2的轴向上为b列等间距平行排列的块状永磁体3；所述块状永磁体3同排的极性相同。如果沿转子的圆周方向展开，永磁体的排列方式为4a排b列的矩阵状。块状永磁体3之间的导磁体2进一步加强了转子的机械强度。

以上为两磁极对时的状况，当磁极对数多于两对时的技术方案为：所述块状永磁体整体为瓦片形，数量为2n*a*b块，n为磁极对数，a为排数，b为列数；沿圆柱形导磁体的圆周方向上由2n*a块块状永磁体构成n个磁极对，每一磁极由a块沿圆柱形导磁体的圆周方向平行等间距地排列的块状永磁体构成，即a块极性相同的永磁体构成相应的磁极；在圆柱形导磁体的轴向上为b列等间距平行排列的块状永磁体；所述块状永磁体同排的极性相同。

实施例5到8中的转轴可采用空心轴，在安装时，永磁体从空心轴内部向外推入内置安装，这种方式可防止旋转时永磁体离心变形发生损坏。

所述块状永磁体3的外部为弧面，与导磁体整体构成圆柱形。此形态为理想状态，在图1至8中的永磁体结构外部均为弧面。本发明的块状永磁体的外部可露出并与圆柱形导磁体整体形成表面光滑的圆柱形，但鉴于加工工艺问题，永磁体与护套1接触的表面不易加工成弧面时，块状永磁体朝向外侧的面也可加工为平面，并通过不导磁的填充物5填充，使得转子整体成为圆柱体，填充物5的材料可以为环氧树脂系胶结剂、铝等不导磁物质，具体实施例如下：

实施例9：

如图9所示，所述块状永磁体3的朝向转子外部的面为平面，所述块状永磁体3为长方体，长方体的两端与转子的外表面相接，即在径向截面上观察，长方形为转子所处圆的内接长方形(图9b)。所述块状永磁体3的外部平面通过填充物5填充，并与所述导磁体2整体构成圆柱形。

实施例10：

如图10所示，述块状永磁体3的朝向转子外部的面为平面，所述块状永磁体3为长方体，长方体位于导磁体2内部，其余部分通过填充物5填充，并与所述导磁体2整体构成圆柱形。

本发明的转子结构的永磁体与导磁体结合时要保证其对称性，防止在工作时由于重力分布不均产生离心力。

Claims (10)

1.一种高速永磁电机的转子结构，包括永磁体、导磁体和转轴，所述导磁体为圆柱形导磁体，它用于固定永磁体并提供转子磁路，所述转轴用于转子向外界提供扭矩，

所述永磁体为块状永磁体，至少一块所述块状永磁体嵌入导磁体内部或贯通所述导磁体，形成至少一磁极对；

其特征在于：转轴可采用空心轴，在安装时，永磁体从空心轴内部向外推入内置安装。

2.根据权利要求1所述的高速永磁电机的转子结构，其特征在于：

还包括护套，所述护套用于包裹转子并将导磁体与永磁体固定。

3.根据权利要求2所述的高速永磁电机的转子结构，其特征在于：

所述块状永磁体的数量为一块，整体形状为扁长方体；所述块状永磁体径向贯通所述圆柱形导磁体，形成一磁极对。

4.根据权利要求2所述的高速永磁电机的转子结构，其特征在于：

所述块状永磁体的数量至少为两块，整体形状为扁长方体；所述至少两块块状永磁体沿圆柱形导磁体径向平行地排列并贯通所述圆柱形导磁体，形成一磁极对；或者

所述块状永磁体的数量至少为两块，整体形状为长方体；所述至少两块块状永磁体沿圆柱形导磁体轴向平行地排列并贯通所述圆柱形导磁体，形成一磁极对。

5.根据权利要求2所述的高速永磁电机的转子结构，其特征在于：

整体形状为扁长方体的块状永磁体沿圆柱形导磁体径向平行地排列，列数为n，排数为m，其中n大于等于2，m大于等于2，所述n列m排块状永磁体贯通圆柱形导磁体，形成一磁极对。

6.根据权利要求2所述的高速永磁电机的转子结构，其特征在于：

所述块状永磁体整体为长条状，数量为四块，纵向切面为瓦片形；所述四块块状永磁体沿圆柱形导磁体的圆周方向等距地嵌入所述圆柱形导磁体，形成一磁极对；或者

所述块状永磁体整体为长条状，数量为四块，纵向切面为瓦片形；所述四块块状永磁体沿圆柱形导磁体的圆周方向等距地嵌入所述圆柱形导磁体，形成两磁极对。

7.根据权利要求2所述的高速永磁电机的转子结构，其特征在于：

所述块状永磁体整体为瓦片形，数量为4a块，其中a大于等于2，在圆柱形导磁体的圆周方向上由四块块状永磁体构成两磁极对，在圆柱形导磁体的轴向上为a列等间距平行排列的块状永磁体；所述块状永磁体同排的极性相同；或者

所述块状永磁体整体为长条状瓦片形，数量为4a块，其中a大于等于2，在圆柱形导磁体的圆周方向上由4a块块状永磁体构成两磁极对，其中每一磁极由a块沿圆柱形导磁体的圆周方向平行等间距地排列的块状永磁体构成；或者

所述块状永磁体整体为瓦片形，数量为4*a*b块，其中a大于等于2，b大于等于2；沿圆柱形导磁体的圆周方向上由4a块块状永磁体构成两磁极对，每一磁极由a块沿圆柱形导磁体的圆周方向平行等间距地排列的块状永磁体构成；在圆柱形导磁体的轴向上为b列等间距平行排列的块状永磁体；所述块状永磁体同排的极性相同。

8.根据权利要求2所述的高速永磁电机的转子结构，其特征在于：

所述块状永磁体整体为瓦片形，数量为2n*a*b块，n为磁极对数，a为排数，b为列数；沿圆柱形导磁体的圆周方向上由2n*a块块状永磁体构成n个磁极对，每一磁极由a块沿圆柱形导磁体的圆周方向平行等间距地排列的块状永磁体构成；在圆柱形导磁体的轴向上为b列等间距平行排列的块状永磁体；所述块状永磁体同排的极性相同。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的高速永磁电机的转子结构，其特征在于：

所述块状永磁体的外部为弧面，与导磁体整体构成圆柱形。

10.根据权利要求1至8中任意一项所述的高速永磁电机的转子结构，其特征在于：

所述块状永磁体的外部为平面，所述块状永磁体的外部平面通过不导磁的填充物与所述导磁体整体构成圆柱形；填充物为环氧树脂系胶结剂或铝。