CN109713819B - 一种高强度Halbach永磁阵列转子结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高强度Halbach永磁阵列转子结构，涉及轴向磁通永磁电机的技术领域，包括：永磁体固定销支撑内固定环、沿圆周分布的分段式Halbach永磁阵列、套设在转轴上的转子导磁背轭、U型支撑外固定环，Halbach永磁阵列的各永磁体的两个侧面都开有用于装配时穿入销钉的半圆形凹槽，磁体固定销支撑内固定环、转子导磁背轭、U型支撑外固定环通过各自轴向开有的螺纹孔紧固连接形成转子盘，两相邻扇形永磁块通过其半圆形凹槽构成的径向销钉孔径向固定在转子盘上。本发明公开的Halbach永磁阵列转子具有永磁体励磁效率高、结构强度高、安装工艺性好等特点，适合于高速轴向磁场永磁电机驱动和推进等应用场合。
Description
技术领域
本发明公开了一种高强度Halbach永磁阵列转子结构，涉及轴向磁通永磁电机的技术领域，特别涉及一种轴向磁通电机的高强度Halbach永磁阵列转子。
背景技术
轴向磁通永磁电机又称为盘式电机，具有转矩密度高、轴向结构紧凑、效率高等显著优势，在电动汽车、风力发电、航空器推进系统等场合具有很好的应用前景。区别于径向电机的是轴向磁场电机转子外径一般和定子外径一样且永磁体一般为表贴式结构，因此，轴向磁场电机的转动惯量大。另外，正在向高速化、高功率密度方向发展的轴向磁场永磁电机对大惯量盘式转子的结构强度提出了更高的要求。
由于转子永磁体和定子通过磁场相互作用不仅产生电磁转矩，而且定子和转子永磁体之间还存在非常大的轴向吸引力，同时，高速轴向磁场永磁电机高速运行过程中由于高速旋转引起的离心力也增加了永磁体受力的复杂程度，而轴向磁场永磁电机转子诸多采用表贴式结构，永磁体的固定安装及保护成为其设计开发的关键技术。表贴式轴向磁场永磁电机转子盘的永磁体主要通过结构胶粘贴和螺钉紧固等方式固定安装，结构胶粘接永磁体的方式在低速轴向磁场永磁电机中较为常见，然而，其粘接胶的可靠性一直备受诟病。公开号为CN101860098A的专利涉及一种盘式永磁电机转子，采用压块和螺丝把永磁体固定到电机导磁背板上，使永磁体与电机导磁背板紧固连接，然而，该方法破坏了永磁体结构的整体性，在高速旋转时会在紧固连接部位产生集中应力，大幅降低转子永磁体强度。公开号为CN108233656A的专利涉及一种超高速盘式永磁同步电机，转子采用U型保护套固定安装永磁体，增加了轴向气隙，其材料的选取尤为关键，一般需要具有不导磁不导电特性，同时，机械强度要好，这给工程设计带来了很多技术难题。
为了进一步提高轴向磁场永磁电机的气隙磁密和气隙磁场波形的正弦度，一般采用Halbach永磁阵列，公开号为CN1773817A的专利涉及一种基于Halbach阵列的交流盘式无铁心永磁同步电动机，转子采用Halbach阵列结构，转子永磁体只是简单地安装在转子盘上，不涉及永磁体的增强结构以及安装固定方法。公开号为CN 105141057 A的专利涉及一种Halbach阵列盘式电机，该申请也未提及Halbach阵列结构的固定和安装及其增强措施。
大功率轴向磁场永磁电机采用Halbach永磁阵列转子可以有效提高功率密度和效率，然而，Halbach阵列每极下的永磁体分段且充磁方向不同，相互之间电磁力变化复杂，永磁体的固定和安装工艺复杂，安装过程永磁体的破损率高；特别是高速运行下盘式转子永磁体的离心力对永磁体的强度乃至整个转子盘的强度提出了严格考验。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种高强度Halbach永磁阵列转子结构，分段式Halbach永磁阵列通过永磁体块安装后形成的径向销钉孔与转子盘紧固连接，降低了Halbach永磁阵列在轴向上的应力，提高了转子的机械强度，解决了现有Halbach阵列盘式电机的转子结构强度差且安装过程破损率高的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
高强度Halbach永磁阵列转子盘主要包括：沿着圆周分布的分段式Halbach永磁阵列、永磁体固定销、永磁体固定销支撑内固定环、转子导磁背轭、U形支撑外固定环、转子外环不锈钢护套、碳纤维保护套。
分段式Halbach永磁阵列由若干扇形永磁块组成，每个扇形永磁块的侧面开有半圆形凹槽，在圆周方向安装各扇形永磁块后，相邻扇形永磁块形成分段式Halbach永磁阵列内外圆周上的径向销钉孔便于插入永磁体固定销。
永磁体固定销为两端分别设置有螺纹的圆棒，选用屈服强度高的不导磁材料制成，从而实现永磁体固定销支撑内固定环和U形支撑外固定环的紧固连接。
永磁体固定销支撑内固定环在外圆周侧径向开有用于永磁体固定销在内圈定位和固定的销钉孔，数量与圆周方向永磁体阵列的分段数一致；同时，永磁体固定销支撑内固定环轴向设置有螺纹孔，以便用螺丝将永磁体固定销支撑内固定环安装固定于转子导磁背轭上。永磁体固定销支撑内固定环可以采用铝合金、不锈钢、环氧等高强度非导磁材料。
过盈安装在转轴上的转子导磁背轭，其轴向开有螺纹孔，数量和永磁体固定销支撑内固定环轴向螺纹孔一致，用于安装分段式Halbach永磁阵列和永磁体固定销支撑内固定环。
U型支撑外固定环轴向开有螺纹孔，数量和永磁体固定销支撑内固定环轴向螺纹孔一致，便于通过螺钉将转子导磁背轭安装在U形支撑外固定环上；在U形支撑外固定环的外侧环箍上径向开有用于永磁体固定销在外圈定位和固定的销钉孔，数量与圆周方向永磁体阵列的分段数一致，U形支撑外固定环采用铝合金、钛合金等高强度低密度非导磁材料。
转子外环不锈钢护套呈U形槽状结构，安装在U形支撑外固定环的外圈，在U形槽内缠绕碳纤维从而形成高强度的碳纤维保护套。
本发明的高强度Halbach永磁阵列转子的安装工序如下：
首先，螺钉穿过U形支撑外固定环的轴向螺纹孔、转子导磁背轭的轴向螺纹孔、永磁体固定销支撑内固定环轴向螺纹孔拧紧，将永磁体固定销支撑内固定环安装于转子导磁背轭上，将转子导磁背轭固定安装在U形支撑外固定环上，对齐U形支撑外固定环和永磁体固定销支撑内固定环径向开设的销钉孔，此时，永磁体固定销支撑内固定环、转子导磁背轭和U形支撑外固定环形成了U形槽的转子盘，将未充磁但充磁方向确定的扇形永磁块预装配在转子盘上的U形槽内，为每个扇形永磁块编号并且记录各扇形永磁块的预装配位置，同时，修正分段式Halbach永磁阵列内外圆周上径向销钉孔的尺寸，从而便于安装和固定充磁后的扇形永磁块，消除由于加工误差带来的安装尺寸偏差。
接着，在完成预装配后，将充磁后的扇形永磁体块按照预装配时的标号和记录的预装配位置安装在转子盘的U形槽内，将第一扇形永磁块安装到对应位置后，一个永磁体固定销经过U形支撑外固定环外侧环箍上的销钉孔贯穿第一扇形永磁体块一侧面的半圆形凹槽后，插入永磁体固定销支撑内固定环外圆周上的径向销钉孔，第一扇形永磁块通过两个永磁体固定销固定在转子盘U形槽内，至此，第一扇形永磁块完全固定在转子盘上，紧接着，通过永磁体固定销将第二个永磁块安装锁紧在预装配位置，以此类推，沿圆周方向安装到最后一个扇形永磁块时，需要将第一扇形永磁体块靠最后一个扇形永磁体块一侧的固定销拆除后，才可以将最后一个扇形永磁块放置到转子盘U形槽内，然后插入永磁体固定销锁紧。在此需要注意的是，在装配过程中，需要在扇形永磁块与转子导磁背轭的接触面以及半圆形凹槽内涂抹结构胶，一方面能够增强扇形永磁块与转子导磁背轭的粘结前度以及扇形永磁块与永磁体固定销粘接强度，另一方面能够填充转子盘内各部零部件之间的装配间隙。
当最后一个扇形永磁块安装到位后，采用热套的方式将转子外环不锈钢护套过盈套在U形支撑外固定环外圈。最后，先把碳纤维丝束在树脂中彻底浸润后，通过张力的控制连续不断地在转子外环不锈钢护套上进行缠绕，直至碳纤维护套填充满转子外环不锈钢护套与U形支撑外固定环之间的空隙。
进一步的，本申请提出的高强度Halbach永磁阵列转子所组成的左右相对应的双转子盘，与同轴安装的无铁心定子能够实现高速轴向磁场定子无铁心永磁电机。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本申请通过在扇形永磁块的两相对侧面开半圆形凹槽，在圆周方向安装各扇形永磁块后，相邻扇形永磁块形成分段式Halbach永磁阵列内外圆周上的径向销钉孔，分段式Halbach永磁阵列通过永磁体固定销在轴向上对永磁块形成轴向的约束，永磁块受到的轴向作用力通过销孔位置作用到永磁体固定销上，大幅降低了永磁块在轴向上的应力；另外，转子上安装的很多永磁体固定销呈辐条状，大幅提高整个转子的机械强度。
(2)通过永磁固定销提高Halbach永磁阵列各永磁体的安装效率和成功率，减小永磁体安装过程中的破损率和成功率，同时保证了永磁体保护环的尺寸，有利于减少转子在装配过程中的失效风险点。
(3)通过不锈钢保护套过盈配合转子盘的方式给永磁体预应力，再利用碳纤维护套减小不锈钢保护套在高速运行时的变形，从而达到保护永磁体的目的，进一步提高了Halbach永磁阵列转子结构的可靠性。
附图说明
图1是本发明的一种轴向磁通电机高强度Halbach永磁阵列转子的爆炸图。
图2是本发明实施例中对极下分段数为8的Halbach永磁阵列充磁的方向示意图。
图3是本发明实施例中扇形永磁块的结构图。
图4是本发明实施例中永磁体固定销的结构图。
图5是本发明实施例中转子导磁背轭的结构图。
图6是本发明实施例中永磁体固定销支撑内固定环的结构图。
图7是本发明实施例中U形支撑外固定环的结构图。
图8是本发明实施例中转子外环不锈钢护套的结构图。
图9(a)是本发明实施例中轴向磁通电机Halbach永磁阵列5对极转子的三维效果图，图9(b)是本发明实施例中轴向磁通电机Halbach永磁阵列5对极转子U形支撑外固定环一侧的视图，图9(c)是本发明实施例中轴向磁通电机高强度Halbach永磁阵列转子的剖面图。
图10(a)是本发明实施例中高强度Halbach永磁阵列双转子的示意图，图10(b)是本发明实施例中高强度Halbach永磁阵列双转子的剖面图。
图中符号说明：1、永磁体固定销支撑内固定环，2、永磁体固定销，3、分段式Halbach永磁阵列，4、转子导磁背轭，5、锁紧螺钉，6、U形支撑外固定环，7、转子外环不锈钢护套，8、碳纤维保护套，9、转轴，10、前轴承，11、中间轴承。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本申请涉及的一种用于轴向磁通电机的高强度Halbach永磁阵列转子如图1所示，包括：永磁体固定销支撑内固定环1、永磁体固定销2、沿着圆周分布的分段式Halbach永磁阵列3、套设在转轴上的转子导磁背轭4、锁紧螺钉5、U形支撑外固定环6、转子外环不锈钢护套7、碳纤维保护套8与一些紧固件。图1所示Halbach永磁阵列转子的磁极为10极拓扑结构，每对极下永磁体体的分段数为8，分段永磁体的充磁反向如图2所示，其分为轴向正反充磁、切向正反充磁和45°正反充磁6种不同的充磁方向。图1所示转子盘上的永磁体阵列在圆周上总共分为40段，每8块永磁体按照图2所示永磁体充磁方向充磁，圆周方向循环5次形成10极永磁转子盘。
由于Halbach永磁阵列的分段永磁体安装在转子导磁背轭上，永磁体与转子导磁背轭之间的作用力为相互吸引作用，且不同充磁方向的永磁体受到的转子导磁背轭的吸引力大小和方向也不一样；另外，分段永磁体之间也存在复杂的电磁作用力。并且，高速轴向磁场永磁电机永磁体受到的离心力大，其方向为半径方向向外。因此，永磁体阵列需要在轴向方向上加以约束而在半径方向给予保护。
本发明公开的分段式Halbach永磁阵列由图3所示的扇形永磁块组成，该扇形永磁块的两侧面开有半圆形凹槽，当两块扇形永磁块沿圆周方向拼接一体后，在两块扇形永磁块之间会形成一个圆孔，插入图4所示的两端分别设置有螺纹的圆棒型永磁体固定销，即可实现对扇形永磁块在两侧轴向的约束，阻止扇形永磁块因为电磁吸引力或离心力而产生位移。
如图5、图6、图7所示，转子导磁背轭过盈装配在转轴上，并且靠近转子导磁背轭内侧圆周方向开有若干螺丝孔以便于永磁体固定销支撑内固定环1通过锁紧螺钉5固定，U形支撑外固定环6通过螺钉与转子导磁背轭在背部实现连接锁紧，转子导磁背轭4的外径与U形支撑外固定环6的内径相同，保证转子导磁背轭可以镶套进U形支撑外固定环6内，永磁体固定销支撑内固定环1、转子导磁背轭4、和U形支撑外固定环6通过螺钉锁紧后形成在圆周上具有U型凹槽的转子盘。永磁体固定销支撑内固定环1和U形支撑外固定环6在圆周方向分别开有40个半径与永磁体固定销支撑内固定环1相同的带螺纹的圆孔，永磁体固定销2从U形支撑外固定环6的销钉孔插入分段式Halbach永磁阵列径向销钉孔后拧紧到永磁体固定销支撑内固定环1的径向销钉孔上，永磁体固定销2的两头分别固定在永磁体固定销支撑内固定环1和U形支撑外固定环6上，防止永磁体在轴向断裂，起到保护永磁体的作用。40块扇形永磁块和40个永磁体固定销全部安装到位后，将转子外环不锈钢护套7热套装在U形支撑外固定环6外环上、转子外环不锈钢护套7如图8所示，其外环呈U形槽状结构，方便在U形槽内缠绕碳纤维从而形成高强度的碳纤维保护套8。本申请提出的转子结构在轴向和圆周方向上给每块永磁体定位和固定，从而促使转子盘上的磁钢在结构上形成一个牢固的盘，将转子背铁拆分成轴向互插式的转子导磁背轭和永磁体固定销支撑内固定环，既方便了永磁体的装配又增加了结构的可靠性。转子外径过盈压入固定套能够克服磁钢在高速旋转时的离心力并减小磁钢径向应力。
图9(a)、图9(b)、图9(c)所示轴向磁通电机的Halbach永磁阵列为5对极转子盘，转子导磁背轭采取了减重的形状优化设计从而减小转子在高速运行时的变形。
如图10(a)、图10(b)所示，将本发明公开的两个Halbach永磁阵列转子结构同轴安装在转轴9上构成双转子盘，转轴9上还装有前轴承10和中间轴承11，双转子盘中间可以安装有铁心定子或无铁心定子。
下面对5对极高强度Halbach永磁阵列转子盘的安装工序作如下描述：
首先，将永磁体固定销支撑内固定环1通过螺钉安装于转子导磁背轭4上，将转子导磁背轭4与U形支撑外固定环6在内圈通过螺钉固定，此时，U形支撑外固定环6和永磁体固定销支撑内固定环1外圆周方向的销钉孔在径向上一一对应，共40个；并且永磁体固定销支撑内固定环1、转子导磁背轭4和U形支撑外固定环6形成了一个U形槽的转子盘，将未充磁但充磁方向确定的分段Halbach永磁阵列在转子盘的U形槽内预装配，为每个扇形永磁块编号并且记录相应的安装位置，同时，修正分段式Halbach永磁阵列内外圆周上径向销钉孔的尺寸，从而便于安装和固定充磁后的扇形永磁块，消除由于加工误差带来的安装尺寸偏差。
预装配完成后，将充磁后的扇形永磁块按照预装配时的标号和记录的预装配位置安装，将第一扇形永磁块安装到对应位置后，一个永磁体固定销2经过U形支撑外固定环6外侧环箍上是的销钉孔贯穿第一扇形永磁块一侧的半圆形凹槽后，插入永磁体固定销支撑内固定环1外圆周上的径向销钉孔，至此，第一扇形永磁块通过两个永磁体固定销固定在转子盘U形槽内，紧接着，通过永磁体固定销2将第二个永磁体块安装锁紧在预装配位置，以此类推，沿圆周方向安装到最后一个扇形永磁块时，需要将第一永磁块靠最后一个永磁块一侧的永磁体固定销拆除后，才可以将最后一个扇形永磁块放置到U形槽内，然后插入永磁体固定销锁紧。在此需要注意的是，在装配永磁体的过程中，需要在扇形永磁块与转子导磁背轭的接触面以及半圆形凹槽内涂抹结构胶，一方面为了增强扇形永磁块与转子导磁背轭的粘结强度以及扇形永磁块与永磁体固定销的粘接强度，另一方面为了填充转子盘内部各零部件之间的装配间隙。
当最后一个永磁块安装到位后，采用热套的方式将转子外环不锈钢护套7过盈套在U形支撑外固定环外圈。最后，先把碳纤维丝束在树脂中彻底浸润后，通过张力的控制连续不断地在转子外环不锈钢护套上进行缠绕，直至碳纤维护套填充满转子外环不锈钢护套与U形支撑外固定环之间的空隙。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想实施的技术方案以及在本申请公开技术方案基础上所做的任何改动均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高强度Halbach永磁阵列转子结构，其特征在于，包括：永磁体固定销支撑内固定环、沿圆周分布的分段式Halbach永磁阵列、套设在转轴上的转子导磁背轭、U型支撑外固定环，所述分段式Halbach永磁阵列包含多个扇形永磁块，每一个扇形永磁块都开有两个半圆形凹槽，沿圆周分布的两相邻扇形永磁块的半圆形凹槽构成分段式Halbach永磁阵列的一个径向销钉孔，永磁体固定销支撑内固定环的外圆周侧径向开有销钉孔，永磁体固定销支撑内固定环轴向开有螺纹孔，转子导磁背轭轴向开有螺纹孔，U型支撑外固定环的外侧环箍上径向开有销钉孔，U型支撑外固定环轴向开有螺纹孔，永磁体固定销支撑内固定环、转子导磁背轭、U型支撑外固定环通过各自轴向开有的螺纹孔紧固连接形成具有U形槽的转子盘，沿圆周分布的分段式Halbach永磁阵列排布在转子盘的U形槽内后通过永磁体固定销与永磁体固定销支撑内固定环及U型支撑外固定环紧固连接。
2.根据权利要求1所述一种高强度Halbach永磁阵列转子结构，其特征在于，所述高强度Halbach永磁阵列转子结构还包括呈U形槽状结构的转子外环不锈钢护套，所述转子外环不锈钢护套通过热套方式过盈套设在U形支撑外固定环的外圈。
3.根据权利要求1所述一种高强度Halbach永磁阵列转子结构，其特征在于，所述永磁体固定销支撑内固定环采用铝合金或不锈钢制成。
4.根据权利要求1所述一种高强度Halbach永磁阵列转子结构，其特征在于，所述U型支撑外固定环采用铝合金或钛合金制成。
5.根据权利要求1所述一种高强度Halbach永磁阵列转子结构，其特征在于，每一个扇形永磁块的半圆形凹槽以及与转子导磁背轭的接触面都涂有结构胶。
6.根据权利要求2所述一种高强度Halbach永磁阵列转子结构，其特征在于，所述转子外环不锈钢护套的U形槽状结构内缠绕有碳纤维保护套。
7.权利要求1所述高强度Halbach永磁阵列转子结构的装配方法，其特征在于，永磁体固定销支撑内固定环、转子导磁背轭、U型支撑外固定环通过穿过各自轴向开有的螺纹孔的螺钉紧固连接后形成具有U形槽的转子盘，在转子盘的U形槽内预装配未充磁的扇形永磁块，为每个扇形永磁块编号并且记录相应的预装配位置，修正分段式Halbach永磁阵列各径向销钉孔的尺寸，按照Halbach永磁阵列充磁顺序给各扇形永磁块充磁，按照编号顺序并通过U形支撑外固定环外侧环箍上的销钉孔、扇形永磁块开有的半圆形凹槽、永磁体固定销支撑内固定环外圆周侧径向开有的销钉孔将扇形永磁体块安装固定在转子盘U形槽内。
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