CN109861422A - 一种应用于高速永磁电机的新型转子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于高速永磁电机的新型转子。本发明是将部分圆形转轴变为多边形转轴，利用多边形的顶角嵌入主永磁体中而将永磁体进行周向固定，一方面增加永磁体与转轴之间的吸附力，可以增强永磁体的径向固定以抵抗高转速下的离心力；另一方面改善气隙磁场波形，降低损耗。此外还可将隔磁铜环修改为一个近似的杯型结构，在实现隔磁和动平衡功能的同时，同时实现永磁体轴向和径向固定。同时可以去掉常用的转子护套固定装置，从而简化系统结构。而护套的取消也减小了等效气隙长度，在同样的电机尺寸参数下，可以获得更大的电磁转矩，从而增大了电机的功率密度。本发明解决了转子永磁体固定问题，提高了永磁体的利用效率，提升了电机的运行可靠性，有利于高速永磁电机的轻量化，也有助于电机运行速度的提高改善电机性能。

Description

一种应用于高速永磁电机的新型转子

技术领域

本发明涉及电机领域，特别是涉及一种应用于高速永磁电机的新型转子。

背景技术

随着机器人行业的蓬勃发展，其在工业生产、家庭服务等领域的应用也越来越广泛。而作为机器人动力来源装置的伺服电机，是影响机器人工作性能的关键因素。因此高速永磁电机是未来电机的一个重要发展方向。

对高速永磁电机设计上的优化，其目的在于提高电机功率重量比密度、提高电机动静态性能，转子结构的优化设计是其中的重要组成部分。高速永磁电机转子往往运行在每分钟几万甚至几十万转以上，在转轴外固定的磁钢片承受巨大的向心力，长时间高负荷的运作，会使磁钢片向外剥离，甚至脱落。

对于内置式永磁电机而言，永磁体嵌入在转子铁芯中，能够很好的被保护，一般不用再采取额外的措施。而对于表贴式永磁同步电机而言，永磁体粘结在转子铁芯表面，需要附加固定结构保证永磁体能够承受较大的拉应力，通常采取的措施是外加高强度保护套，同时护套与转轴之间采用过盈配合，以便护套对永磁体施加的静态预压力来抵消高速旋转离心力产生的拉应力，从而让永磁体能够在高速旋转情况下仍能承受一定的拉应力。目前，表贴式转子结构固定磁钢普遍采用碳纤维套或不锈钢套，但二者受当今工艺影响，加工困难，成本较高。而且在电机运行时不锈钢外套上也存在涡流损耗，碳纤维的导热性能不好，不利于永磁体的散热。同时二者的成型外径和高度也会受到约束。基于以上几种原因，有必要发明一种全新的永磁电机转子结构，以解决现有永磁电机运行可靠性较低、气隙磁密较低、功率密度较低、结构强度较低、损耗大的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种应用于高速永磁电机的新型转子，以解决现有永磁电机运行可靠性较低、气隙磁密较低、功率密度较低、结构强度较低、损耗大的问题。

本发明所采用的技术方案是：将部分圆形转轴变为多边形转轴，利用多边形的各个顶角嵌入永磁体中而将永磁体进行周向固定。一方面增加永磁体与转轴之间的吸附力，可以增强永磁体的径向固定以抵抗高转速下的离心力。另一方面改善气隙磁场波形，降低损耗。此外还可将隔磁铜环修改为一个近似的杯型结构，隔磁固定壁紧扣在永磁体轴向的两端，在实现隔磁和动平衡功能的同时，同时实现永磁体轴向和径向固定。同时可以去掉常用的转子护套固定装置，从而简化系统结构。

所述的结构采用横向聚磁结构和表贴式转子的组合，通过两个主永磁体之间的横向聚磁永磁体进行聚磁，可以大幅度削弱转子铁芯的厚度乃至完全取消转子铁芯部分，从而缩小了转子的尺寸，最终实现电机尺寸的缩小。

所述的装配永磁体的那部分轴或轴套的形状为多边形，根据旋转变压器和轴承等其他零件的位置和尺寸的不同，将轴分为多段不同尺寸圆柱或多边形的组合形状。

作为对本发明的进一步限定，对于磁极偏心的永磁体结构，永磁体的外圆弧圆心偏离转轴的中心，而内圆弧的圆心通常保持不动，则外圆弧和内圆弧不再同心。即经过磁极优化后，瓦形永磁体形状变成了向外凸起的不规则扇形。利用不规则扇形的高度差以及相邻两个永磁体之间的空隙部分用以放置改良后带有卡扣结构的隔磁铜环，从而实现永磁体的轴向固定。这也是本发明所公开的永磁体固定结构的最佳使用场景。

作为对本发明的进一步限定，若是采用磁极偏心的永磁体结构，隔磁铜环的外圆直径不能超过永磁体向外鼓起最高的部分，即在保证固定永磁体的情况之下，减少固定结构的重量，同时也不会由于固定装置而造成电机气隙长度发生变化，进而保证电机气隙磁场和电磁转矩不会被削弱。

作为对本发明的进一步限定，隔磁铜环的安装也需采用过盈配合，即其固定原理和传统护套结构是一致的，利用静态预压力来来抵消高速旋转离心力产生的拉应力，从而在转轴高速旋转的情况下将永磁体固定。

与现有技术相比，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本发明取消了原本电机所需要的护套，减小了等效气隙长度，转子涡流损耗能够被大幅度削弱。在同样的电机尺寸参数下，可以获得更大的电磁转矩，从而增大了电机的功率密度。缩小了转子的尺寸，最终实现电机尺寸的缩小，实现电机的高功率密度化。同时由于护套结构的取消，使得永磁体直接和气隙接触，损耗所产生的热量可直接通过气隙-定子-机壳-空气的路径向外传递，提高了转子结构的散热能力。从而降低转子的温升，同时有利于永磁体的散热。保证了永磁体的工作温度不会过高而导致永磁体的剩磁降低乃至永磁体产生退磁。整体上提高了永磁体的利用效率，提升了电机的运行可靠性，有利于高速永磁电机的轻量化，也有助于电机运行速度的提高改善电机性能。

附图说明

图1为本发明的电机转子立体示意图。

图2为本发明的电机转子结构示意图。

图3为本发明的电机转子中部横剖面图。

图4为本发明的电机转子的隔磁铜环结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明。

实施例一：

参见图1～图4，本应用于高速永磁电机的新型转子，包括转轴1、主永磁体2、横向聚磁永磁体3和隔磁铜环4，其特征在于：所述转轴1为多边形转轴，利用多边形的顶角嵌入主永磁体2而将主永磁体2进行周向固定，一方面增加主永磁体2与转轴之间的吸附力，可以增强永磁体的径向固定以抵抗高转速下的离心力；另一方面改善气隙磁场波形，降低损耗；所述隔磁铜环4为一个近似的杯型结构，其上的隔磁固定壁5紧扣在主永磁体2轴向的两端，在实现隔磁和动平衡功能的同时，同时实现主永磁体2轴向和径向固定，同时可去掉传统的护套固定装置，从而简化整体结构。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述采用横向聚磁结构和表贴式转子的组合，通过两个主永磁体2之间有一个横向聚磁永磁体3进行聚磁，利用聚磁结构的磁单极特性，即横向聚磁结构两侧的磁场分布极不均匀，靠近气隙一侧的磁场强度明显高于靠近转轴一侧的磁场强度；故磁力线是通过相邻永磁体的接触面从横向聚磁永磁体3进入主磁极中；这就意味着在主磁极和转轴的接触面的中心部分磁场强度很小，可大幅度削弱转子铁芯的厚度乃至完全取消转子铁芯部分，从而缩小了转子的尺寸，最终实现电机尺寸的缩小。

所述的装配永磁体的那部分转轴的截面形状为多边形，根据旋转变压器和轴承等其他零件的位置和尺寸的不同，将轴分为多段不同尺寸圆柱或多边形柱的组合形状。

所述转子为永磁体表贴式固定结构，主永磁体2的形状并不仅仅局限于常用的圆环形，对于磁极偏心的永磁体结构，可利用主磁极外径最大值和外径最小值之间的空间作为杯型隔磁固定壁5放置的位置，可降低气隙的长度，提高电机的输出转矩。

所述转子为永磁体表贴式固定结构，两个隔磁铜环4位于永磁体两端部，隔磁铜环4中产生的涡流损耗十分有限，因此采用这种永磁体固定结构可去掉护套结构，从而简化装配工艺，同时可大幅度削减高速电机中的转子涡流损耗和提高散热能力，从而降低电机内部温度。

实施例三：

如图1所示，将传统的圆形转轴变为图中多边形转轴1，利用多边形转轴的顶角嵌入相反充磁方向的永磁体2，将永磁体2进行固定，以免高转速下的巨大离心力导致其损坏。通过在永磁体2之间加入横向聚磁永磁体3组成横向磁场结构进行聚磁，可以大幅度削弱转子铁芯的厚度乃至完全取消转子铁芯部分，从而缩小了转子的尺寸，最终实现电机尺寸的缩小。

实施例四：

结合图2和图3所示，隔磁铜环4结构主要分为两个部分，即实现永磁体固定功能的隔磁固定壁5和实现隔磁功能的隔磁铜环4底座。隔磁固定壁5是嵌装配在相邻两个表贴式永磁体之间的，因此隔磁固定壁的数量是与多边形边数直接相关的。同时为了保证永磁体被可靠的固定，隔磁固定壁5的轴向长度和径向厚度需要保证一定的尺寸，以免隔磁固定壁5结构较薄、长度较短而无法可靠固定永磁体，具体数值根据实际情况进行设置。

本发明的工作原理：

将部分圆形转轴变为多边形转轴，利用多边形的顶角嵌入主永磁体中而将主永磁体进行周向固定，一方面增加永磁体与转轴之间的吸附力，可以增强永磁体的径向固定以抵抗高转速下的离心力。另一方面改善气隙磁场波形，降低损耗。将隔磁铜环修改为一个近似的杯型结构，在实现隔磁和动平衡功能的同时，同时实现永磁体轴向和径向固定。同时可以去掉传统的护套固定装置，从而简化系统结构。永磁体采用横向聚磁结构和表贴式转子的组合，通过两个主永磁体之间的方形永磁体进行聚磁，可以大幅度削弱转子铁芯的厚度乃至完全取消转子铁芯部分，从而缩小了转子的尺寸，最终实现电机尺寸的缩小，有利于高速永磁电机的轻量化，也有助于电机运行速度的提高改善电机性能。

以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (5)

1.一种应用于高速永磁电机的新型转子，包括转轴（1）、主永磁体（2）、横向聚磁永磁体（3）和隔磁铜环（4），其特征在于：所述转轴（1）为多边形转轴，利用多边形的顶角嵌入主永磁体（2）而将主永磁体（2）进行周向固定，一方面增加主永磁体（2）与转轴之间的吸附力，可以增强永磁体的径向固定以抵抗高转速下的离心力；另一方面改善气隙磁场波形，降低损耗；所述隔磁铜环（4）为一个近似的杯型结构，其上的隔磁固定壁（5）紧扣在主永磁体（2）轴向的两端，在实现隔磁和动平衡功能的同时，同时实现主永磁体（2）轴向和径向固定，同时可去掉传统的护套固定装置，从而简化整体结构。

2.根据权利要求1所述的一种应用于高速永磁电机的新型转子，其特征在于：采用横向聚磁结构和表贴式转子的组合，通过两个主永磁体（2）之间有一个横向聚磁永磁体（3）进行聚磁，利用聚磁结构的磁单极特性，即横向聚磁结构两侧的磁场分布极不均匀，靠近气隙一侧的磁场强度明显高于靠近转轴一侧的磁场强度；故磁力线是通过相邻永磁体的接触面从横向聚磁永磁体（3）进入主磁极中；这就意味着在主磁极和转轴的接触面的中心部分磁场强度很小，可大幅度削弱转子铁芯的厚度乃至完全取消转子铁芯部分，从而缩小了转子的尺寸，最终实现电机尺寸的缩小。

3.根据权利要求2所述的一种应用于高速永磁电机的新型转子，其特征在于：所述的装配永磁体的那部分转轴的截面形状为多边形，根据旋转变压器和轴承等其他零件的位置和尺寸的不同，将轴分为多段不同尺寸圆柱或多边形柱的组合形状。

4.根据权利要求1所述的一种应用于高速永磁电机的新型转子，其特征在于：转子为永磁体表贴式固定结构，主永磁体（2）的形状并不仅仅局限于常用的圆环形，对于磁极偏心的永磁体结构，可利用主磁极外径最大值和外径最小值之间的空间作为杯型隔磁固定壁（5）放置的位置，可降低气隙的长度，提高电机的输出转矩。

5.根据权利要求1所述的一种应用于高速永磁电机的新型转子，其特征在于：转子为永磁体表贴式固定结构，两个隔磁铜环（4）位于永磁体两端部，隔磁铜环（4）中产生的涡流损耗十分有限，因此采用这种永磁体固定结构可去掉护套结构，从而简化装配工艺，同时可大幅度削减高速电机中的转子涡流损耗和提高散热能力，从而降低电机内部温度。