CN110661352A - 转子及永磁发电机 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种转子及永磁发电机，涉及发电机设计技术领域。该转子包括柱体、多个磁钢、转轴和挡板，其中：柱体，具有多个沿柱体轴向延伸的容置空间，且各容置空间至少一端为开放端；多个磁钢，各磁钢一一对应的卡设于各容置空间内，且各磁钢中相邻两个磁钢的极性相反，并与各容置空间的尺寸相匹配；转轴，同轴套设于柱体内，用于带动柱体转动，各容置空间两两相对的设于转轴两侧；挡板，覆盖于开放端，并与柱体可拆卸连接，用于遮蔽或打开开放端。本公开的转子和永磁发电机可降低维修成本，增大发电机的输出功率。

Description

转子及永磁发电机

技术领域

本公开涉及发电机设计技术领域，具体而言，涉及一种转子及永磁发电机。

背景技术

发电机是指将其他形式的能源转换成电能的机械设备，随着对电能需求的增多，其应用越来越广泛，其中，永磁发电机因具有体积小，损耗低，效率高等优点，在家用电器、医疗器械、汽车、航空和国防等各个领域获得了广泛的应用。

现有永磁发电机常用稀土材料作为永磁的磁钢，但由于稀土永磁的磁钢较脆，在安装及旋转过程中易碎，且磁钢外露，并需要跟随转子进行高速旋转，进而在设计时磁钢尺寸不宜过大，发电机输出功率较小；此外，在转子高速旋转过程中，一旦磁钢破损，定转子会卡在发电机中而损坏，维修成本较高。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种转子及永磁发电机，可降低维修成本，增大发电机的输出功率。

根据本公开的一个方面，提供一种转子，包括：

柱体，具有多个沿所述柱体轴向延伸的容置空间，且各所述容置空间至少一端为开放端；

多个磁钢，各所述磁钢一一对应的卡设于各所述容置空间内，且各所述磁钢中相邻两个磁钢的极性相反，并与各所述容置空间的尺寸相匹配；

转轴，同轴套设于所述柱体内，用于带动所述柱体转动，各所述容置空间两两相对的设于所述转轴两侧；

挡板，覆盖于所述开放端，并与所述柱体可拆卸连接，用于遮蔽或打开所述开放端。

在本公开的一种示例性实施例中，各所述磁钢远离所述转轴的一侧设有隔磁桥。

在本公开的一种示例性实施例中，各所述容置空间中相邻两个容置空间之间设有沿所述柱体径向向内凹陷的凹槽，且所述凹槽沿所述柱体的轴向方向延伸并与所述柱体的两端平齐。

在本公开的一种示例性实施例中，各所述容置空间均呈矩形，且各所述容置空间两两相对的平行设置于所述转轴两侧。

在本公开的一种示例性实施例中，所述磁钢的材料为钕铁硼。

在本公开的一种示例性实施例中，所述转子还包括：

多个紧定件，均匀分布于所述转轴的外周，并穿设于所述挡板和所述柱体，且与所述挡板和所述柱体螺纹连接。

在本公开的一种示例性实施例中，所述容置空间两端均为开放端，所述挡板的数量为两个，且两个所述挡板分别覆盖于两个所述开放端。

根据本公开的一个方面，提供一种永磁发电机，包括：

上述任意一项所述的转子；以及

定子，同轴套设于所述转子外周，所述定子内周面设有多个沿径向向内凹陷的定子槽，所述定子槽用于镶嵌双层三相定子绕组。

在本公开的一种示例性实施例中，各所述定子槽为斜槽，且各所述定子槽与所述定子内周面的两端平齐。

在本公开的一种示例性实施例中，各所述定子槽沿所述定子内周面等间距均匀分布。

本公开的转子和永磁发电机，可通过容置空间的开放端将磁钢装入容置空间内，且可将多个磁钢一一对应的卡设于多个容置空间内，可防止磁钢在转子转动过程中晃动，磁钢不易破碎；还可通过挡板遮蔽开放端，防止在转轴带动柱体转动过程中磁钢受离心力影响被甩出至转子外，因而，可将磁钢的尺寸做大，进而可增强磁场强度，从而可增大发电机的输出功率。同时，即使磁钢破碎也能将其卡于容置空间内，对磁通量影响不大，保证发电机正常工作，且可降低维修成本。此外，相邻两个磁钢极性相反，且磁钢可随容置空间两两相对的设置于转轴两侧，形成经向磁路结构，磁钢磁能利用率高，可进一步增大发电机的输出功率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施方式永磁发电机的结构示意图。

图2为本公开实施方式转子冲片的结构示意图。

图3为本公开实施方式挡板的结构示意图。

图4为本公开实施方式直槽的空载感应电势傅里叶分析图。

图5为本公开实施方式直槽的谐波傅里叶分析图。

图6为本公开实施方式斜槽的空载感应电势傅里叶分析图。

图7为本公开实施方式斜槽的谐波傅里叶分析图。

图8为本公开实施方式双层三相绕组分布示意图。

图9为本公开实施方式自定位转矩测试图。

图中：1、柱体；11、转子冲片；111、压孔；2、磁钢；3、挡板；31、转轴孔；4、隔磁桥；5、凹槽；6、定子；61、定子槽；7、固定孔。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“至少一端”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

本公开实施方式提供了一种转子，如图1-图3所示，该转子可以包括柱体1、多个磁钢2、转轴及挡板3，其中：

柱体1可具有多个沿柱体1轴向延伸的容置空间，且各容置空间可至少一端为开放端；

多个磁钢2，各磁钢2可一一对应的卡设于各容置空间内，且各磁钢2中相邻两个磁钢2的极性相反，并可与各容置空间的尺寸相匹配；

转轴可同轴套设于柱体1内，可用于带动柱体1转动，各容置空间可两两相对的设于转轴两侧；

挡板3可覆盖于开放端，并可与柱体1可拆卸连接，可用于遮蔽或打开开放端。

本公开的转子，可通过容置空间的开放端将磁钢2装入容置空间内，且可将多个磁钢2一一对应的卡设于多个容置空间内，可防止磁钢2在转子转动过程中晃动，磁钢2不易破碎；还可通过挡板3遮蔽开放端，防止在转轴带动柱体1转动过程中磁钢2受离心力影响被甩出至转子外，因而，可将磁钢2的尺寸做大，进而可增强磁场强度，从而可增大发电机的输出功率。同时，即使磁钢2破碎也能将其卡于容置空间内，对磁通量影响不大，保证发电机正常工作，且可降低维修成本。此外，相邻两个磁钢2极性相反，且磁钢2可随容置空间两两相对的设置于转轴两侧，形成经向磁路结构，磁钢2磁能利用率高，可进一步增大发电机的输出功率。

下面对本公开实施方式转子的各部分进行详细说明：

柱体1可为圆柱，也可为棱柱，当然，还可为其他类型的柱体1，在此不做特殊限定；其材料可以是硅钢材料，例如，其型号可以是B50A470或B50A600，当然，柱体1也可采用其他具有较高导磁率的材料，在此不做特殊限定。

在一实施方式中，如图2所示，柱体1可以由多个尺寸相等、形状形同的转子冲片11叠压而成，该转子冲片11可为硅钢片；也可以通过一体成型工艺得到，在此不做特殊限定。本公开实施方式所示的转子还可以包括压孔111，压孔111可设于转子冲片11上，并可位于容置空间远离转轴的一侧，压孔111的数量可以是多个，且多个压孔111可呈环形均匀分布于转子冲片11上。举例而言，其数量可以是2个、4个、6个、8个或10个，当然，还可以是其他数量，在此不再一一列举。叠压转子冲片11时，可通过各压孔111将各转子冲片11对准。

柱体1可具有与其同轴设置且贯穿于柱体1两端的通孔，该通孔可用于安装轴承，该轴承可同轴套设于柱体1的通孔内，可用于带动柱体1按照预设转速转动，该预设转速可以是1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min或3000r/min，当然，还可以是其他转速，在此不再一一列举。

在一实施方式中，柱体1可具有多个沿其轴向延伸的容置空间，且各容置空间可成对设置，且每对容置空间可两两相对的设置于转轴两侧。容置空间可用于放置磁钢2，避免磁钢2外露，使得在转轴带动柱体1转动过程中磁钢2不易破碎，保证发电机正常工作。容置空间至少一端可为开放端，以便从开放端将磁钢2装入至容置空间内，以便保护磁钢2。

容置空间可以是一体成型于柱体1内的空间，也可以是在多个转子冲片11叠压的同时，由各转子冲片11上预设位置上对应的大小相等、尺寸相同的开口叠加形成的空间，容置空间横截面的形状可以是圆形、椭圆形、矩形或多边形，当然，也可以是其他形状，在此不再一一列举。

在一实施方式中，各容置空间的横截面均可呈矩形，且各容置空间可两两相对的平行设置于转轴两侧。各容置空间中相邻两个容置空间可等间距设置。举例而言，容置空间可以是2个、4个、6个或8个，当然，还可以是其他数量，在此不再一一列举。在一实施方式中，各容置空间的横截面均可呈矩形，且各容置空间的尺寸均可相等，其数量可以是4个，且4个容置空间可围绕转轴两两相对且两两平行设置，此外，相邻两个容置空间的间距均可相等。

可将磁钢2卡设于容置空间内，避免在旋转过程中磁钢2外露，降低了磁钢2的损坏几率，进而可将磁钢2的尺寸做大，从而可增强磁场强度，增大发电机输出功率。磁钢2的数量可以是多个，例如，其可以是2个、4个、6个或8个，当然，还可以是其他数量，在此不再一一列举。需要说明的是，磁钢2的数量可与容置空间的数量相匹配，以便于将多个磁钢2一一对应的卡设于各容置空间内，又由于各容置空间可围绕转轴两两相对且平行设置，且各磁钢2中相邻两个磁钢2的极性可相反，从而可形成经向磁路结构，磁钢2磁能利用率高，有助于进一步增大发电机的输出功率。

举例而言，当容置空间的数量为2个时，磁钢2的数量也可为2个；当容置空间的数量为4个时，磁钢2的数量也可为4个；当容置空间的数量为6个时，磁钢2的数量也可为6个；当容置空间的数量为8个时，磁钢2的数量也可为8个；当然，容置空间的数量也可为其他，相应的，磁钢2的数量也可为其他，在此不再一一列举。

此外，各容置空间中相邻两个容置空间之间可设有沿柱体1径向向内凹陷的凹槽5，且各凹槽5可沿柱体1的轴向方向延伸并可与柱体1的两端平齐。该凹槽5可以一体成型于柱体1表面，也可以是转子冲片11表面的过渡圆弧在叠压过程中形成的凹槽5，在此不做特殊限定，该凹槽5可用于消除磁损。

本公开实施方式的转子还可以包括送风装置，该送风装置可设于柱体1的一端面，且可将出风口朝向柱体1的延伸方向，在转子旋转过程中，送风装置可向柱体1送风，以便带走柱体1旋转过程中产生的热量，在一实施方式中，凹槽5可作为风的流通通道，使得送风装置产生的风可通过凹槽5流通，进而可将柱体1产生的热量排出。

磁钢2可呈块状结构，其横截面可呈圆形、椭圆形、矩形或多边形，当然，也可以是其他形状，在此不再一一列举。需要说明的是，磁钢2的形状和尺寸可与容置空间的形状和尺寸相匹配。举例而言，磁钢2和容置空间的横截面均可为矩形，且为了便于安装，其长度可略小于容置空间的长度，其宽度也可略小于容置空间的宽度，以便于将其夹持于容置空间内，举例而言，磁钢2可与容置空间具有预设的装配间隙，该装配间隙可以是微米级的间隙，举例而言，其可以是3微米、4微米、5微米、6微米、7微米或8微米，当然，还可以是其他尺寸，在此不再一一列举。同时，还可通过硅胶填充磁钢2与容置空间的空隙，以防磁钢2在容置空间内晃动而破损。

磁钢2可为永磁材料，举例而言，其可以是钕铁硼，当然，还可以是其他永磁材料，在此不再一一列举。在一实施方式中，磁钢2远离转轴的一侧可设有隔磁桥4，可用于将转子冲片11连成一个具有足够机械强度的整体，可通过隔磁桥4部位漏磁通的饱和限制磁钢2的漏磁，且隔磁桥4的宽度越小，隔磁桥4部位磁通越饱和，限制漏磁效果越好。在一实施方式中，隔磁桥4宽度可以是1.6mm，也可以是1.7mm，还可以是1.8mm，当然，还可以是其他宽度，可以根据实际需要适当调整隔磁桥4宽度，在此不做特殊限定。

如图3所示，挡板3可呈片状结构，其可与柱体1可拆卸连接，为了便于在连接时将挡板3与柱体1对准，挡板3上可设有压孔111，且该压孔111的数量及尺寸可与柱体1上压孔111的数量及尺寸相匹配，可将挡板3覆盖于开放端远离柱体1的一侧，可用于遮蔽或打开开放端，同时，挡板3还具有供转轴穿过的转轴孔31，可通过该转轴孔31将挡板3与柱体同轴连接，并可使挡板3随柱体1同轴转动。举例而言，当在装配磁钢2时可打开开放端，将磁钢2装入与之对应的容置空间中，随后可通过挡板3遮蔽开放端，防止在转轴带动柱体1转动过程中磁钢2受离心力影响被甩出至转子外，同时，即使磁钢2破碎也能将其卡于容置空间内，对磁通量影响不大，保证发电机正常工作，且可降低维修成本。

挡板3的数量可视开放端的数量而定，即：当开放端为一端时，挡板3可为一个，且挡板3可覆盖于该开放端；当开放端为两端时，挡板3的数量也可以是两个，且两个挡板3可分别覆盖于两个开放端远离柱体1的一侧。需要说明的是，挡板3的形状和尺寸可与转子冲片11的外周形状和尺寸相同，其材料可以是不锈钢，以便于隔绝磁场。

在一实施方式中，各容置空间的两端可均为开放端，相应的，挡板3的数量也可为两个，可通过任一开放端将磁钢2装入容置空间内，并可将两个挡板3分别覆盖于两个开放端远离柱体1的一侧，以防止磁钢2从任一开放端外露。

本公开实施方式的转子还可包括紧定件，可通过紧定件将挡板3和柱体1可拆卸连接。举例而言，转子冲片11和挡板3均可设有固定孔7，固定孔7的数量可为多个，且多个固定孔7可呈环形均匀分布于转子冲片11上，并可位于磁钢2远离压孔111的一侧，举例而言，固定孔7的数量可以是2个、4个、6个或8个，当然，还可以是其他数量，在此不再一一列举。

紧定件可穿设于固定孔7与转子冲片11和挡板3连接，并可通过紧定件将转子冲片11和挡板3固定，避免在转子转动过程中，挡板3松弛、磁钢2被甩出转子外。紧定件可呈条状，其上可设有螺纹，并可与挡板3和柱体1通过螺纹连接，其材料可以是金属、合金或其他材料，只要是硬质结构即可。举例而言，紧定件可以是螺栓，当然，也可以是其他部件。紧定件的数量可与固定孔7的数量相匹配，且各紧定件可一一对应的穿设于各固定孔7。

本公开实施方式还提供一种永磁发电机，如图1所示，可以包括上述任一实施方式的转子以及定子6，其中：定子6可同轴套设于转子外周，定子6内周面可设有多个沿径向向内凹陷的定子槽61，定子槽61可用于镶嵌双层三相定子绕组。转子的结构以及有益效果可参考上述实施方式中的转子，在此不再详述。

本公开的永磁发电机，一方面，可将磁钢2装入容置空间内，避免磁钢2外露，同时，采用挡板3对容置空间开放端进行隔挡，使得转子在高速旋转时磁钢2不易飞出；另一方面，定子绕线可采用定子槽61镶嵌双层三相定子绕组的形式，在转子带动磁钢2转动时，绕线线圈可切割磁感线产生电动势，此外，双层三相定子绕组可改善输出电压波形，降低谐波畸变率。

由于磁钢2为隐藏式设计，不易破碎，因而可将磁钢2的尺寸扩大，其可以为常规磁钢尺寸的2～5倍，相应的，磁钢2产生的磁场强度也比常规的磁钢的磁场强度大，进而使得发电机的输出功率增大，其输出功率可以达到30KW以上，而现有永磁发电机的功率一般为12KW以下。

定子6可呈筒状，其可以是圆筒，也可以是其他类型的筒状结构，在此不做特殊限定。在一实施方式中，定子6可以由多个尺寸相等、形状形同硅钢片叠压而成，也可以通过一体成型工艺得到，在此不做特殊限定。定子6内周面的两端可相互贯通，其长度可与转子的长度相等，并可同轴套设于转子外周，且其内周面可与转子的外周面具有微小间隙，以便于转子旋转。定子6的材料可以是硅钢片或其他材料，在此不做特殊限定，其侧壁厚度可根据实际需要设定，举例而言，其可以是100mm、102mm、104mm、106mm、108mm或110mm，当然，还可以是其他厚度，在此不再一一列举。

定子6的内周面可设有多个沿径向向内凹陷的定子槽61，各定子槽61可用于镶嵌双层三相定子绕组。在一实施方式中，各定子槽61均可为斜槽，且各斜槽均可沿定子6内周面的延伸方向延伸，并可与定子6内周面的两端平齐。如图4-图7所示，在同等条件下，对直槽与斜槽分别进行傅里叶分析，可知直槽的正弦畸变率为3.1％，斜槽的正弦畸变率为0.9％，显然，将定子槽61设置为斜槽可降低谐波正弦畸变率，改善电压输出波形。

与此同时，各定子槽61还可沿定子6内周面呈环形分布，且相邻两个定子槽61可等间距均匀分布。举例而言，定子槽61的数量可以是42个、44个、46个、48个或50个，当然，还可以是其他数量，在此不再一一列举。在一实施方式中，如图8所示，定子槽61的数量为48个，并可对各定子槽61按顺时针顺序编号1～48，每个线圈匝数可为3匝，连续4个线圈可组成一个线圈组，每匝线圈可由15根1.0mm的铜线并绕而成，每个线圈的跨距可为10个槽，即1～11。每一相绕组可由4个线圈组组成，依次为正绕、反绕、再正绕、再反绕，相与相之间可隔8个槽。

需要说明的是，为了避免材料浪费，绕线方式可根据磁钢2的尺寸及相邻两个磁钢2间的角度设计。

需要说明的是，永磁电机不可避免的存在自定位转矩，而自定位转矩的峰值一般为最小启动转矩，其他负载运行时也会影响自定位转矩输出的平稳性，因此，自定位转矩一般越小越好。如图9所示，本公开的永磁发电机的自定位转矩最大值约6.7Nm，而本公开永磁发电机的额定转矩为191.5Nm，自定位转矩仅为额定转矩的3.5％。

本公开实施方式的永磁发电机的各项参数，如表1所示：

表1永磁发电机组性能参数

下面对本公开实施方式的转子和永磁发电机的装配步骤及工作原理进行说明：

可通过容置空间的开放端将多个磁钢2一一对应的卡设于多个容置空间内，防止磁钢2外露，并可通过硅胶将磁钢2粘附于容置空间内，防止磁钢2在容置空间内晃动，磁钢2不易破碎；同时，通过挡板3遮蔽开放端，防止在转轴带动柱体1转动过程中磁钢2被甩出至转子外，且即使磁钢2破碎也能将其卡于容置空间内，对磁通量影响不大，可保证发电机正常工作，且可降低维修成本。此外，磁钢2采用钕铁硼材料，具有较高的矫顽力和耐温性，工作过程中不易失磁；相邻两个磁钢2极性相反，且磁钢2可随容置空间两两相对的设置于转轴两侧，可形成经向磁路结构，磁钢2磁能利用率高，有助于增大发电机的输出功率。定子绕线可采用定子槽61镶嵌双层三相定子绕组的形式，在转子带动磁钢2转动时，绕线线圈可切割磁感线产生电动势，由于磁钢2产生的磁场较强，在切割磁感线时产生的电动势较大，因而，可使发电机的输出功率增大。此外，采用斜槽进行双层三相定子绕组可改善输出电压波形，降低谐波畸变率。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种转子，其特征在于，包括：

柱体，具有多个沿所述柱体轴向延伸的容置空间，且各所述容置空间至少一端为开放端；

多个磁钢，各所述磁钢一一对应的卡设于各所述容置空间内，且各所述磁钢中相邻两个磁钢的极性相反，并与各所述容置空间的尺寸相匹配；

转轴，同轴套设于所述柱体内，用于带动所述柱体转动，各所述容置空间两两相对的设于所述转轴两侧；

挡板，覆盖于所述开放端，并与所述柱体可拆卸连接，用于遮蔽或打开所述开放端。

2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，各所述磁钢远离所述转轴的一侧设有隔磁桥。

3.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，各所述容置空间中相邻两个容置空间之间设有沿所述柱体径向向内凹陷的凹槽，且所述凹槽沿所述柱体的轴向方向延伸并与所述柱体的两端平齐。

4.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，各所述容置空间均呈矩形，且各所述容置空间两两相对的平行设置于所述转轴两侧。

5.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述磁钢的材料为钕铁硼。

6.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子还包括：

多个紧定件，均匀分布于所述转轴的外周，并穿设于所述挡板和所述柱体，且与所述挡板和所述柱体螺纹连接。

7.根据权利要求4所述的转子，其特征在于，所述容置空间两端均为开放端，所述挡板的数量为两个，且两个所述挡板分别覆盖于两个所述开放端。

8.一种永磁发电机，其特征在于，包括：

权利要求1-7任一项所述的转子；以及

定子，同轴套设于所述转子外周，所述定子内周面设有多个沿径向向内凹陷的定子槽，所述定子槽用于镶嵌双层三相定子绕组。

9.根据权利要求8所述的永磁发电机，其特征在于，各所述定子槽为斜槽，且各所述定子槽与所述定子内周面的两端平齐。

10.根据权利要求9所述的永磁发电机，其特征在于，各所述定子槽沿所述定子内周面等间距均匀分布。

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