CN105958687A - 具有聚磁效应的无铁芯永磁电机内转子及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有聚磁效应的无铁芯永磁电机内转子，包括一根旋转轴和安装在旋转轴上的支架，支架上均匀设置有排列成圆形的多个永磁体，每个永磁体呈圆柱体且设置有用于固定的中心轴，永磁体的磁化方向平行于直径方向，上述多个永磁体依次按预定的磁化角度逆时针排列，由于圆柱形永磁体在直径方向充磁时，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，而且采用上述预定的排列规则对永磁体进行布置，可以得到非常理想的外部增强的单边磁场，内部磁场消失，因此电机转子不需要导磁用的铁芯。本发明还提供一种永磁电机内转子的制造方法。

Description

具有聚磁效应的无铁芯永磁电机内转子及其制造方法

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永磁电机内转子及其制造方法。

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永磁电机内转子及其制造方法，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永磁电机内转子，包括一根旋转轴和安装在旋转轴上的支架，均匀排列成圆形的2N*n个永磁体安装在所述支架上。所述永磁体呈圆柱体，且磁化方向平行于直径方向，设每个永磁体的磁极方向与X轴所成的角度为则上述2N*n个永磁体依次按以下角度逆时针排列：

式中：

N为所述内转子的磁极对数；

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。

上述内转子中，所述支架上设置有2N*n个排列成圆形的安装孔，每一个安装孔内插设有一个所述永磁体。

上述内转子中，所述永磁体设置有一中心轴，所述中心轴的一端设置有轴销。

上述内转子中，所述支架包括第一支架和第二支架，第一个支架上的安装孔为销轴孔，所述第二个支架上的安装孔为圆孔，永磁体中心轴一端的所述轴销插入到第一个支架上的所述销轴孔中，永磁体中心轴另一端插入到第二个支架上的所述圆孔中。

上述内转子中，所述第一支架和第二支架分别通过一锁紧装置固定在所述旋转轴上。

上述内转子中，设内转子的外轮廓由永磁体构成，且内转子的外径为D，永磁体的直径为d，则永磁体的直径设置为：

$d=\frac{D*sin\left(\frac{90}{N*n}\right)}{1+\sin \left(\frac{90}{N*n}\right)},$

式中：

N为所述内转子的磁极对数；

n为每个磁极中包含的永磁体数目。

本发明还提供一种永磁电机内转子的制造方法，包括以下步骤：

a、配置一旋转轴和一固定于所述旋转轴上的第一支架，所述第一支架上设置有2N*n个销轴孔，所述2N*n个安装孔均匀排列成圆形；

b、配置2N*n个带有中心轴的圆柱形永磁体，对每个永磁体进行充磁，磁化方向平行于直径方向，并与中心轴上的轴销的方向保持对应一致；

c、将每个所述永磁体具有轴销的一端插入第一个支架的销轴孔中，并使各永磁体的磁极方向与X轴所成的角度依次满足以下要求；

其中：N为所述内转子的磁极对数；

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；

d、配置第二支架，所述第二支架上对应于所述轴孔均匀设置有排列成圆形的2N*n个圆孔；

e、将第二支架安装在旋转轴上，并将上述排列好的永磁体的中心轴的另一端插入到第二支架圆孔中；

f、将第二支架固定于所述旋转轴，并且使固定于所述第一支架和第二支架之间的每个永磁体保持同旋转轴对应的平行关系。

本发明相比于传统的内转子和制造方法，首先，采用平行于直径方向充磁的圆柱形永磁体代替传统的斜向充磁的长方体状的永磁体，由于圆柱形永磁体在直径方向充磁时，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，因而电机转子不需要导磁用的铁芯，可以节省大量材料。而且，每个磁极所包含的永磁体数目越多，所得到的磁场就越趁近于正弦分布，从而电机的性能越好。

附图说明

图1是本发明实施例中永磁电机内转子的正面结构示意图。

图2是本发明实施例中永磁电机内转子的剖面结构示意图。

图3是本发明实施例中永磁体的正面结构示意图。

图4是本发明实施例中永磁体的侧面结构示意图。

图5是本发明实施例中第一支架的结构示意图。

图6是本发明实施例中第二支架的结构示意图。

图7是本发明实施例中永磁电机内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3和图4所示，本实施例提供一种具有聚磁效应的无铁芯永磁电机内转子，用于与外部的定子绕组(未图示)组装成永磁电机。该永磁电机的内转子包括旋转轴10、固定于旋转轴10并以旋转轴10为轴心的支架20，以及固定于支架20上并均匀排列成圆形的多个永磁体30。每个永磁体30的大小和形状相同，均呈圆柱体状，且磁化方向平行于圆柱体底面圆的直径方向。假设该内转子有N对磁极，每对磁极包含n个永磁体30，则总共有2N*n个永磁体30。为便于描述和参照理解，本实施例将该2N*n个永磁体30组成的圆放在XY轴坐标系中，圆心位于原点，并且各永磁体30按照图1中所示的方式进行排列，此时，上述2N*n个永磁体30依次按以下方式逆时针布置：

其中，为第m个永磁体30的磁极方向与X轴正方向所成的角度。

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，可以计算出第一个永磁体30的磁极方向与X轴正方向所成的角度(以下称为磁化角)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的磁化方向指向X轴的正方向。

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，在本实施例的内转子的外部，形成增强的近似于正弦磁力曲线，而在内转子的内部基本上没有磁力线，从而有效地利用了永磁体30的磁场，并增加了内转子的功率密度。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，则内转子外部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2，上述支架20上设置有2N*n个排列成圆形的安装孔，每一个安装孔内插设有一个永磁体30。即，本实施例采用安装孔来固定永磁体30，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，采用安装孔固定永磁体30的方式，永磁体30可以在安装孔内转动，从而可以先安装永磁体30，再对永磁体30的磁化角度进行调节后固定，这种方式调节方便，准确度高。

具体地，请再参照图2和图4所示，本实施例的永磁体30设置有一中心轴31，该中心轴31由金属材料制成，其一端设置有一销轴32。在对永磁体30的磁化角进行调节后，可以通过该销轴32插入上述安装孔，以限制永磁体30绕中心轴31旋转，从而保持永磁体30的磁化角不变。

在调节好了各永磁体30的磁化角后，为避免其磁化角受外力发生改变，本实施例的支架20的包括第一支架21和第二支架22，第一支架21上的安装孔为销轴孔211，第二支架22上的安装孔为圆孔221，永磁体30通过其上的销轴32插入上述销轴孔211来实现周向定位。同时，永磁体30与销轴32相对的中心轴的另一端插入到第二个支架22上的上述圆孔221中。

考虑到制造精度的问题，本实施例在永磁体30的中心轴31上套设有弹性垫23，该弹性垫23可以仅设置于第二支架22与永磁体30之间，以固定永磁体30，使永磁体30不会发生轴向窜动。

本实施例的第一支架21可以设置成如图5所示的结构，第一支架21上开设有2N*n个销轴孔211，这些销轴孔211为恰好能让永磁体30的销轴32插入且插入后永磁体30不会发生转动。而且，这些销轴孔211的方向与永磁体30上的销轴32相对，以使销轴32插入到销轴孔211后，永磁体30恰好可以满足以下公式：

可见，在组装内转子时，第一支架21及销轴孔211起到同时调节永磁体30的磁化角和固定永磁体30的作用，使得内转子的组装变得非常方便快捷。

在将第一支架21和第二支架22将永磁体30固定后，再利用一锁紧装置24将第一支架21和第二支架22锁紧固定在旋转轴10上，完成内转子的组装。

在确定永磁体30的大小时，可以根据内转子的外径大小来设计，设内转子的外轮廓由永磁体30构成(不考虑第一支架21和第二支架22对内转子外轮廓的影响)，且内转子的外径为D，永磁体30的直径为d，则永磁体30的直径根据下式确定为：

$d=\frac{D*sin\left(\frac{90}{N*n}\right)}{1+\sin \left(\frac{90}{N*n}\right)},$

式中，N为所述内转子的磁极对数；

n为每个磁极中包含的永磁体30的数目。

通过确定出合适的永磁体30的直径大小，可以使内转子的结构更为紧凑。

本实施例还提供一种永磁电机内转子的制造方法，其包括以下步骤：

a、配置一旋转轴和一第一支架，该第一支架上设置有2N*n个销轴孔，该2N*n个安装孔均匀排列成圆形；并把上述第一支架固定在旋转轴上；

b、配置2N*n个带有中心轴的圆柱形永磁体，对每个永磁体进行充磁，磁化方向平行于直径方向，并与中心轴上的轴销的方向保持对应一致；

c、将每个永磁体具有轴销的一端插入第一个支架的销轴孔中，以限制永磁体的周向转动，并使各永磁体固定后的磁化角依次满足以下要求；

其中：N为所述内转子的磁极对数；

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；

d、配置第二支架，所述第二支架上对应于所述销轴孔均匀设置有排列成圆形的2N*n个圆孔，该圆孔的大小与永磁体的中心轴的另一端的大小相适应；

e、将第二支架安装在旋转轴上，并将上述排列好的永磁体的中心轴的另一端插入到第二支架圆孔中；

f、将第二支架固定于旋转轴，并且使固定于第一支架和第二支架之间的每个永磁体保持同旋转轴对应的平行关系。

采用上述方法，可以内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永磁电机内转子和制造方法，首先，采用平行于直径方向充磁的圆柱形永磁体代替传统的斜向充磁的长方体状的永磁体，由于圆柱形永磁体在直径方向充磁时，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，电机转子不需要导磁用的铁芯。而且，每个磁极所包含的永磁体数目越多，所得到的磁场就越趁近于正弦分布，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 (7)

1.一种具有聚磁效应的无铁芯永磁电机内转子，其特征在于：包括一根旋转轴和安装在旋转轴上的支架，均匀排列成圆形的2N*n个永磁体安装在所述支架上，所述永磁体呈圆柱体，且磁化方向平行于直径方向，设每个永磁体的磁极方向与X轴所成的角度为则上述2N*n个永磁体依次按以下角度逆时针排列：

式中：

N为所述内转子的磁极对数；

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所述的永磁电机内转子，其特征在于：所述支架上设置有2N*n个排列成圆形的安装孔，每一个安装孔内插设有一个所述永磁体。

3.如权利要求2所述的永磁电机内转子，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轴销。

4.如权利要求3所述的永磁电机内转子，其特征在于：所述支架包括第一支架和第二支架，第一个支架上的安装孔为销轴孔，所述第二个支架上的安装孔为圆孔，永磁体中心轴一端的所述轴销插入到第一个支架上的所述销轴孔中，永磁体中心轴另一端插入到第二个支架上的所述圆孔中。

5.如权利要求4所述的永磁电机内转子，其特征在于：所述第一支架和第二支架分别通过一锁紧装置固定在所述旋转轴上。

6.如权利要求1所述的永磁电机内转子，其特征在于：设内转子的外轮廓由永磁体构成，且内转子的外径为D，永磁体的直径为d，则永磁体的直径设置为：

$d=\frac{D*sin\left(\frac{90}{N*n}\right)}{1+\sin \left(\frac{90}{N*n}\right)},$

式中：

N为所述内转子的磁极对数；

n为每个磁极中包含的永磁体数目。

7.一种具有聚磁效应的永磁电机内转子的制造方法，包括以下步骤：

a、配置一旋转轴和一固定于所述旋转轴上的第二支架，所述第一支架上设置有2N*n个销轴孔，所述2N*n个安装孔均匀排列成圆形；

b、配置2N*n个带有中心轴的圆柱形永磁体，对每个永磁体进行充磁，磁化方向平行于直径方向，并与中心轴上的轴销的方向保持对应一致；

c、将每个所述永磁体具有轴销的一端插入第一个支架的销轴孔中，并使各永磁体的磁极方向与X轴所成的角度依次满足以下要求；

其中：N为所述内转子的磁极对数；

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；

d、配置第二支架，所述第二支架上对应于所述销轴孔均匀设置有排列成圆形的2N*n个圆孔；

e、将第二支架安装在旋转轴上，并将上述排列好的永磁体的中心轴的另一端插入到第二支架圆孔中；

f、将第二支架固定于所述旋转轴，并且使固定于所述第一支架和第二支架之间的每个永磁体保持同旋转轴对应的平行关系。