CN105914922B - 具有聚磁效应的无铁芯盘式电机永磁转子及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有聚磁效应的无铁芯盘式电机永磁转子，包括盘式基座和设置于基座中心轴线上的主轴，其特征在于：所述基座的一面绕圆心均匀设置有多个永磁体，各永磁体的中轴线汇聚于所述盘式基座的圆心处；各永磁体的磁化方向均平行于所述永磁体的底面圆的直径方向，且其磁化角按照预定的方式排列。本发明不需要特殊设备，充磁效果好，磁化方向更准确和易控制，因此磁化难度小，成功率高；其次，采用特定的方式对各个永磁体的磁化方向进行排列，具有良好的聚磁效应，可以得到非常理想的单边磁场，从而不需要铁芯。本发明还提供一种具有聚磁效应的无铁芯盘式电机永磁转子的制造方法。

Description

具有聚磁效应的无铁芯盘式电机永磁转子及其制造方法

技术领域

本发明涉及电机加工及制造技术领域，特别涉及一种具有聚磁效应的无铁芯盘式电机永磁转子及其制造方法。

背景技术

稀土永磁电机是上世纪70年代初期出现的一种新型永磁电机，由于稀土永磁体的高磁能积和高矫顽力，使稀土永磁电机具有体积小、重量轻、效率高、特性好等一系列优点。稀土永磁电机既可达到传统励磁电机所无法比拟的高性能要求，又可能制成满足特定运动要求的特种电机，如电梯牵引电机，汽车专用电机等。稀土永磁电机与电力电子技术和微机控制技术相结合，更使电机及传动系统的性能提高到一个崭新的水平，从而提高所配套的技术和性能。

要制造高性能的稀土永磁电机必须使稀土永磁体产生符合电磁要求的磁场，1979年美国劳伦斯·伯克利实验室的物理学家K.Halbach博士提出了一种新颖的永磁阵列，这种永磁阵列完全由稀土永磁材料制成，通过将不同充磁方向的永磁体按照一定规律排列，能够在磁体的一侧汇聚磁力线，使磁场加强，且能满足电磁要求，而另一侧削弱磁力线，从而获得比较理想的单边磁场。学术界将这种阵列方式的永磁体称为Halbach阵列永磁体。

尽管Halbach阵列能使永磁体产生理想的单边磁场，但是目前利用 Halbach阵列永磁体制造电机转子的技术仍不成熟，目前常用的技术中一般采用斜向充磁方式对单个的长方体状的永磁体进行磁化，然后将磁化后的永磁体单元粘结在一起，制成Halbach阵列永磁体，然后再组装成电机转子。这种制造方法难度非常大，效率较低，因而制造成本居高不下。

发明内容

本发明的主要目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种具有聚磁效应的无铁芯盘式电机永磁转子及其制造方法，其具有制造难度低、组装效率高，转子的功率密度大，不需要铁芯等特点。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。

本发明首先提供一种具有聚磁效应的无铁芯盘式电机永磁转子，包括盘式基座和设置于基座中心轴线上的主轴，所述基座的一面绕圆心均匀设置有多个圆台状的永磁体；各永磁体的中轴线汇聚于所述盘式基座的圆心处；各永磁体的磁化方向均平行所述永磁体的底面圆的直径方向；设每个永磁体的磁极方向与所述基座的表面之间的夹角为

则上述永磁体依次按以下角度依次排列：

式中：

N为所述盘式电机永磁转子的磁极对数；

n为每个磁极中包含的永磁体数目；

m为永磁体的顺序编号，m＝1，2，3，……，2N*n。

上述盘式电机永磁转子中，所述永磁体设置有一中心轴，所述中心轴的一端设置有销轴，另一端设置圆柱轴。

上述盘式电机永磁转子中，所述多个永磁体通过第一支架和第二支架固定于所述基座上，所述第一支架、第二支架和基座的圆心重合；所述第一支架上设置有销轴孔，所述第二支架上的设置有圆孔，所述永磁体的中心轴一端的所述销轴适于插入到第一支架上的所述销轴孔中，中心轴另一端的圆柱轴适于插入到第二支架上的所述圆孔中。

上述盘式电机永磁转子中，设所述永磁体的顶面直径为d1，底面直径为 d2，高度为h，所述第二支架的外径为D1，第一支架的内径为D2，则永磁体的尺寸为：

h＝(D2-D1)/2；

式中：

N为所述盘式电机永磁转子的磁极对数；

n为每个磁极中包含的永磁体数目。

本发明还提供一种具有聚磁效应的无铁芯盘式电机永磁转子的制造方法，包括以下步骤：

a、配置一圆盘形的基座，该基座的中心轴上设置有一主轴；配置2N*n 个圆台状的永磁体；每个永磁体设置有一中心轴，所述中心轴的一端设置有销轴，另一端为圆柱轴；

b、为每个永磁体充磁，且充磁方向平行于所述永磁体的底面圆的直径方向；

c、配置第一支架和第二支架，所述第一支架上均匀设置有2N*n个销轴孔，所述第二支架上均匀设置有2N*n个圆孔；

d、将上述2N*n个永磁体的销轴分别插入到第一支架的所述2N*n个销轴孔中，圆柱轴分别插入到第二支架的2N*n个圆孔中，并使各永磁体的磁极方向与基座的表面之间的夹角

依次满足以下要求：

其中：N为所述盘式电机永磁转子的磁极对数；

n为每个磁极中包含的永磁体数目；

m为永磁体的顺序编号，m＝1，2，3，……，2N*n；

e、将所述第一支架和/或第二支架固定于所述基座上，并使第一支架、第二支架和基座的圆心重合。

本发明相比于传统的盘式电机永磁转子和制造方法，首先，采用平行于永磁体的底面圆的直径方向充磁的永磁体代替传统的斜向充磁的长方体状的永磁体，由于截面为圆形的永磁体各向同性，在直径方向充磁时，不需要特殊设备，充磁效果好，磁化方向更准确和易控制，因此磁化难度小，成功率高；其次，采用所述的公式对各个永磁体的磁化方向进行排列，具有良好的聚磁效应，可以得到非常理想的单边磁场，盘式电机永磁转子不需要铁芯，而且，每个磁极所包含的永磁体数目越多，所得到的磁场就越趋近于正弦分布，从而电机的性能越好。

附图说明

图1是本发明实施例中盘式电机永磁转子的正面结构示意图。

图2是本发明实施例中盘式电机永磁转子的剖视结构示意图。

图3是本发明实施例中永磁体的结构示意图。

图4是本发明实施例中第一支架的展开结构示意图。

图5是本发明实施例中第二支架的展开结构示意图。

图6是本发明实施例中盘式电机永磁转子的磁场分布示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例详细说明本发明的技术方案，以便更清楚、直观地理解本发明的发明实质。

参照图1、图2和图3所示，本实施例提供一种具有聚磁效应的无铁芯盘式电机永磁转子。该盘式电机永磁转子包括圆盘形的基座10，该基座10 的中心轴线上设置有一主轴20，该基座10的一面绕其圆心均匀设置有多个圆台状的永磁体30；所有永磁体30的中轴线汇聚于基座10的圆心处。各永磁体30的磁化方向均平行于永磁体30的底面圆的直径方向。

假设该盘式电机永磁转子有N对磁极，每个磁极包含n个永磁体30，则总共有2N*n个永磁体30。每个永磁体30的磁极方向与基座10的表面之间的夹角为

(下称磁化角)，则上述永磁体30的磁化角依次按以下规则排列：

其中，m为永磁体30的顺序编号，m＝1，2，3，……，2N*n。

以磁极对数为2，每个磁极中包含4个永磁体30为例，总共有16个永磁体30，可以计算出第1个永磁体30的磁化角为：

第2个永磁体30的磁化角为：

……

第16个永磁体30的磁化角为：

即，第1个永磁体30的磁化角为0度。

所有16个永磁体30经过上述方式排布后，得到图6所示的磁场分布效果。可见，在本实施例的盘式电机永磁转子的远离基座10的一面，形成增强的近似于正弦磁力曲线，而在靠近基座10的一面基本上没有磁力线，从而有效地利用了永磁体30的磁场，并增加了盘式电机永磁转子的功率密度。而且，经过实验证明，对于相同的磁极对数，每个磁极中包含的永磁体30数目越多，即n越大，则远离基座10的一面的磁力线越趋近于正弦曲线，电机的性能也越好。

此外，请参照图3、图4和图5所示，永磁体30设置有一中心轴31，该中心轴31的一端设置有销轴32，另一端设置有圆柱轴33。该多个永磁体30 通过一第一支架40和一第二支架50固定在基座10上，并且第一支架40、第二支架50和基座10的圆心重合。其中，第一支架40上均匀设置有2N*n 个销轴孔41，第二支架50上均匀设置有2N*n个圆孔51。永磁体30上的销轴32适于插入到第一支架40上的销轴孔41中，另一端的圆柱轴33适于插入到第二支架50上的圆孔51中。

第一支架40上的销轴孔41之间的距离与第二支架50上的圆孔51之间的距离能使得永磁体30安装到第一支架40和第二支架50之间后，能保持永磁体30的中心轴31汇集在第一支架40和第二支架50的圆心处，并且各永磁体30之间的距离相同。

具体地，在对永磁体30的磁化角进行调节后，可以通过该销轴32插入上述销轴孔41，以限制永磁体30绕中心轴31旋转，并保持永磁体30的磁化角不变。

本实施例采用分别设置于第一支架40的销轴孔41与设置于中心轴31 上的销轴32的配合，以及设置于第二支架50的圆孔51与中心轴31的圆柱轴33的配合来固定永磁体30和调节磁化角，以代替传统采用粘结等固定方式，其优点在于，永磁体30的组装方便，安装牢固可靠，有利于提高生产效率和良品率。而且，采用销轴孔41固定永磁体30的方式，可以在安装永磁体30的同时对永磁体30的磁化角进行调节和固定，这种方式安装永磁体30 非常方便和快捷。

在已知电机转子的大小时，可以根据以下方式来配置永磁体30的尺寸大小：

h＝(D2-D1)/2；

式中：

d₁为永磁体30顶面的直径；

d₂为永磁体30底面的直径；

h为永磁体30的高度(不含中心轴)；

N为所述盘式电机永磁转子的磁极对数；

n为每个磁极中包含的永磁体30的数目。

可见，在对特定大小的盘式电机配置永磁转子时，可以方便地根据上述计算方法确定永磁体30的尺寸，从而得到所需尺寸的永磁转子。

本实施例还提供一种盘式电机永磁转子的制造方法，其包括以下步骤：

a、配置一圆盘形的基座，该基座的中心轴上设置有一主轴；配置2N*n 个圆台状的永磁体；每个永磁体设置有一中心轴，所述中心轴的一端设置有销轴，另一端为圆柱轴；

b、为每个永磁体充磁，且充磁方向平行于永磁体的底面圆的直径方向；

c、配置第一支架和第二支架，所述第一支架上均匀设置有2N*n个销轴孔，所述第二支架上均匀设置有2N*n个圆孔；

d、将上述2N*n个永磁体的销轴分别插入到第一支架的所述2N*n个销轴孔中，圆柱轴分别插入到第二支架的2N*n个圆孔中，并使各永磁体的磁极方向与基座的表面之间的夹角

依次满足以下要求：

其中：N为盘式电机永磁转子的磁极对数；

n为每个磁极中包含的永磁体数目；

m为永磁体的顺序编号，m＝1，2，3，……，2N*n；

e、将第一支架和/或第二支架固定于所述基座上，并使第一支架、第二支架和基座的圆心重合。

采用上述方法，可以使盘式电机永磁转子的组装变得更方便，安装更牢固可靠，有利于提高生产效率和良品率。而且，采用将销轴插入销轴孔的方式固定永磁体，可以对永磁体的磁化角进行固化的同时，固定永磁体，采用这种方式可以使永磁体的组装非常方便和快捷。

综上所述，本发明相比于传统的盘式电机永磁转子和制造方法，首先，采用平行于永磁体的底面圆的直径方向充磁的永磁体代替传统的斜向充磁的长方体状的永磁体，由于截面为圆形的永磁体各向同性，在直径方向充磁时，不需要特殊设备，充磁效果好，磁化方向更准确和易控制，因此磁化难度小，成功率高；其次，采用所述的公式对各个永磁体的磁化方向进行排列，具有良好的聚磁效应，可以得到非常理想的单边磁场，盘式电机永磁转子不需要铁芯，而且，每个磁极所包含的永磁体数目越多，所得到的磁场就越趋近于正弦分布，从而电机的性能越好。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种具有聚磁效应的无铁芯盘式电机永磁转子，包括盘式基座和设置于基座中心轴线上的主轴，其特征在于：所述基座的一面绕圆心均匀设置有多个圆台状的永磁体，各永磁体的中轴线汇聚于所述盘式基座的圆心处；各永磁体的磁化方向均平行于所述永磁体的底面圆的直径方向；设每个永磁体的磁极方向与所述基座的表面之间的夹角为

则上述永磁体依次按以下角度依次排列：

式中：

N为所述盘式电机永磁转子的磁极对数；

n为每个磁极中包含的永磁体数目；

m为永磁体的顺序编号，m＝1，2，3，……，2N*n。

2.如权利要求1所述的盘式电机永磁转子，其特征在于：所述永磁体设置有一中心轴，所述中心轴的一端设置有销轴，另一端设置圆柱轴。

3.如权利要求2所述的盘式电机永磁转子，其特征在于：多个所述永磁体通过第一支架和第二支架固定于所述基座上，所述第一支架、第二支架和基座的圆心重合；所述第一支架上设置有销轴孔，所述第二支架上设置有圆孔，所述永磁体的中心轴一端的所述销轴适于插入到第一支架上的所述销轴孔中，中心轴另一端的圆柱轴适于插入到第二支架上的所述圆孔中。

4.如权利要求3所述的盘式电机永磁转子，其特征在于：设所述永磁体的顶面直径为d1，底面直径为d2，高度为h，所述第二支架的外径为D1，第一支架的内径为D2，则永磁体的尺寸为：

h＝(D2-D1)/2；

式中：

N为所述盘式电机永磁转子的磁极对数；

n为每个磁极中包含的永磁体数目。

5.一种具有聚磁效应的无铁芯盘式电机永磁转子的制造方法，包括以下步骤：

a、配置一圆盘形的基座，该基座的中心轴上设置有一主轴；配置2N*n个圆台状的永磁体，每个永磁体设置有一中心轴，所述中心轴的一端设置有销轴，另一端为圆柱轴；

b、为每个永磁体充磁，且充磁方向平行于所述永磁体的底面圆的直径方向；

c、配置第一支架和第二支架，所述第一支架上均匀设置有2N*n个销轴孔，所述第二支架上均匀设置有2N*n个圆孔；

d、将上述2N*n个永磁体的销轴分别插入到第一支架的所述2N*n个销轴孔中，圆柱轴分别插入到第二支架的2N*n个圆孔中，并使各永磁体的磁极方向与基座的表面之间的夹角

依次满足以下要求：

其中：N为所述盘式电机永磁转子的磁极对数；

n为每个磁极中包含的永磁体数目；

m为永磁体的顺序编号，m＝1，2，3，……，2N*n；

e、将所述第一支架和/或第二支架固定于所述基座上，并使第一支架、第二支架和基座的圆心重合。

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