CN112398249A - 一种具备径轴向聚磁特性的永磁电机转子 - Google Patents

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张钧
王瑞智
汪望勤
王帅
张志刚
张玉彬
王亚辉
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Zhengzhou Foguang Power Generation Equipment Co Ltd
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Zhengzhou Foguang Power Generation Equipment Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种具备径轴向聚磁特性的永磁电机转子，包括：电机轴、径向永磁体阵列、径向磁轭阵列、轴向永磁体阵列以及轴向背轭。径向永磁体阵列含有多个第一永磁体，第一永磁体呈圆周阵列分布环绕在电机轴外圆柱面上，每个第一永磁体都切向充磁，相邻两个第一永磁体充磁方向相反；径向磁轭阵列包括多个柱体磁轭，第一永磁体嵌入到相邻的两个柱体磁轭之间；轴向永磁体阵列包括多个沿轴向充磁的第二永磁体，相邻的两个第二永磁体充磁方向相反。切向和轴向充磁的第一永磁体、第二永磁体充磁方向各自相反，抑制了轴向端部漏磁并形成径轴向混合聚磁磁路，增大了气隙磁密。

Description

一种具备径轴向聚磁特性的永磁电机转子
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体是一种具备径轴向聚磁特性的永磁电机转子。
背景技术
永磁电机具有高转矩密度、高效率，被广泛应用于电动汽车、风力发电和航空航天等场合。由于内置式永磁电机的永磁体置于转子铁心内部，当转子高速运行时，仍能保证转子的安全性。并且内置式永磁电机的转子铁心中插入永磁体，可以根据不同性能要求设计永磁体形状，有效利用转子铁心空间。但是，现有技术中的内置式永磁电机，其铁心结构存在漏磁通，造成磁性能的部分浪费，比如一种切向充磁的轮辐状永磁体阵列，阵列中相邻磁体充磁相反，两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，从而提高了气隙磁密，但是该结构内外圆侧存在严重的漏磁。
针对内置式存在漏磁的现象，很多工程技术人员进行了研究，提出了多种方法。比如专利CN 110676961 A公开了一种抑制隔磁桥漏磁的永磁电机转子，转子本体上分布有若干极的永磁体，每极的永磁体内径端设有隔磁桥，其上缠绕一定匝数的线圈，线圈中通入恒定直流电流在隔磁桥处感应恒定磁场，磁场方向与永磁体经过该隔磁桥的漏磁场方向相反，磁场抵消，从而减小隔磁桥处漏磁场的强度。这种方式增加了铜损，降低了电机运行效率；专利CN 106357027 A公开了一种电机转子结构，对转子铁心进行加工使其具有多个外缘，外缘第一端距离转子铁心中心距离小于第二端离铁心中心的距离，使得一端气隙小另一端气隙大，降低了永磁体端部位置的磁路饱和度，电机铁损减小且抑制了漏磁。这种方式对转子铁心加工有要求，增加了工艺难度；内置式结构由于存在磁桥，相邻永磁体之间有间隔增加了漏磁，但减小磁桥宽度又会增加铁心加工难度，针对这种矛盾的情况，专利CN109546775 A公开了一种内嵌式无磁桥转子及永磁电机结构，内嵌式无磁桥转子通过将固定磁轭和转子主轭分体间隔布置，两者之间不连通无磁桥，没有磁路存在。因此大大降低了漏磁。该方式对转子铁心的加工提出了更高要求，也增加了转子铁心装配难度。还有专利也提出了其他方案，虽有一定抑制漏磁的效果，但会带来其他方面诸如加工工艺变难或损耗加大、效率变低等问题，内置式永磁电机存在的漏磁抑制问题，仍然需要进一步深入研究。
另为了实现高转矩密度，径、轴向磁通叠加形成混合磁通的方法也被多项专利提及。比如专利CN 105790470 A公开了一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机及方法，电机包含径向、轴向定子，存在两套槽和绕组。专利CN 110120716 A公开了一种组合阵列式外转子轴径向混合磁通永磁电机，定子齿包括轴向和径向齿，其上分别对应缠绕轴向、径向线圈。两个专利的方案，虽都形成了混合磁路改善了转矩品质，但都使电机结构复杂，且两套绕组增加了铜损降低了效率。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种径轴向聚磁特性的永磁电机转子结构，无需开槽、整个装配工艺简单，具备径轴向聚磁特性，有效抑制了端部漏磁。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种具备径轴向聚磁特性的永磁电机转子，包括：
电机轴，作为结构支撑和动力输出的基础；
径向永磁体阵列，含有多个第一永磁体，所述第一永磁体呈圆周阵列分布环绕在所述电机轴外圆柱面上，所述第一永磁体呈长方体形，每个所述第一永磁体都切向充磁，相邻两个第一永磁体充磁方向相反；
径向磁轭阵列，包括多个端面呈扇形的柱体磁轭，所述柱体磁轭均匀环绕在所述电机轴的外侧，所述第一永磁体嵌入到相邻的两个柱体磁轭之间，所述第一永磁体两端延伸至所述柱体磁轭轴向两端面之外，相邻两个所述第一永磁体在突出所述柱体磁轭轴向端面的部分之间形成一容置空间；
轴向永磁体阵列，包括多个第二永磁体，所述第二永磁体呈扇形，其分别镶嵌在各个所述容置空间内，每块所述第二永磁体沿轴向充磁，相邻的两个所述第二永磁体充磁方向相反；以及
轴向背轭，呈圆环状，其覆盖在所述轴向永磁体阵列的轴向外侧。
每个所述第二永磁体都与所述柱体磁轭另一端的第二永磁体沿轴向相对应，且充磁方向相反。
所述第一永磁体由烧结钕铁硼材料制成。
所述柱体磁轭采用硅钢片材质制成。
所述轴向背轭采用硅钢片材质制成。
本发明的有益效果是：（1）转子结构部件都呈模块化结构，加工和装配便利，利于大批量生产，提升生产效率；
（2）每个永磁体槽都是由几个部件通过装配自然形成，无需开槽，永磁体直接镶嵌其内，省掉开槽工序，简化工艺，实现永磁体无损耗安装；
（3）预与之配套的电机定子仍然采用传统结构，无需增加一组电枢绕组，结构简单且减小了铜损、增加了效率；
（4）径向磁轭阵列中的每块柱体磁轭切向两端和轴向两端被第一永磁体、第二永磁体所环绕，切向两端面上的一对第一永磁体切向充磁，轴向两端面上的一对第二永磁体轴向充磁，切向和轴向充磁的两对永磁体充磁方向各自相反，抑制了轴向端部漏磁并形成径轴向混合聚磁磁路，增大了气隙磁密。
附图说明
图1是实施例的结构示意图；
图2是实施例省略电机轴后的装配图；
图3是实施例径轴向磁通聚磁示意图；
图4是现有技术中轮辐状永磁体转子结构空载时轴端部漏磁磁密矢量分布对比图；
图5是实施例转子结构空载时轴端部漏磁磁密矢量分布对比图；
图6是现有技术中轮辐状永磁体转子结构过载工况下轴端部漏磁磁密矢量分布对比图；
图7是实施例转子结构过载工况下轴端部漏磁磁密矢量分布对比图；
图8是本发明的转子结构与现有轮辐状永磁体转子结构在过载工况下转子铁心轴端部径向气隙中磁密幅值对比图。
图中：1-轴向背轭1，2-轴向端面永磁体阵列1，3-轮辐状永磁体阵列，4-径向磁轭阵列，5-轴向端面永磁体阵列2，6-轴向背轭2。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
如图1至图3所示，一种具备径轴向聚磁特性的永磁电机转子，包括：电机轴、径向永磁体阵列3、径向磁轭阵列4、轴向永磁体阵列2以及轴向背轭5。
电机轴作为结构支撑和动力输出的基础。
径向永磁体阵列3含有多个第一永磁体31，所述第一永磁体31呈圆周阵列分布环绕在所述电机轴外圆柱面上，所述第一永磁体31呈长方体形，每个所述第一永磁体31都切向充磁，相邻两个第一永磁体31充磁方向相反。所述第一永磁体31由烧结钕铁硼材料制成。
径向磁轭阵列4包括多个端面呈扇形的柱体磁轭41，所述柱体磁轭41均匀环绕在所述电机轴的外侧所述第一永磁体31嵌入到相邻的两个柱体磁轭41之间，所述第一永磁体31两端延伸至所述柱体磁轭41轴向两端面之外，相邻两个所述第一永磁体31在突出所述柱体磁轭41轴向端面的部分之间形成一容置空间。所述柱体磁轭41采用硅钢片材质制成。
轴向永磁体阵列2包括多个第二永磁体21，所述第二永磁体21呈扇形，其分别镶嵌在各个所述容置空间内，每块所述第二永磁体21沿轴向充磁，相邻的两个所述第二永磁体21充磁方向相反。每个所述第二永磁体21都与所述柱体磁轭41另一端的第二永磁体21沿轴向相对应，且充磁方向相反。
轴向背轭5呈圆环状，其覆盖在所述轴向永磁体阵列2的轴向外侧。所述轴向背轭5采用硅钢片材质制成。
如图3所示为径轴向聚磁特性的磁路示意图，径向磁轭阵列4中的每块磁轭切向两端面和轴向两端面都分别紧贴第一永磁体31和第二永磁体21，紧贴切向两端面的两块第一永磁体31都沿切向充磁且方向相反，紧贴轴向两端面的两块第二永磁体21都沿轴向充磁且方向相反，自然形成径轴向混合磁通同时汇聚穿入气隙进入定子。
如图4、图5所示为本发明转子结构与传统轮辐状内置转子结构，在空载工况下，轴向端面漏磁磁密矢量分布对比。图4为传统的轮辐状内置式转子结构轴向端面漏磁磁密矢量分布图，最大漏磁磁密达到0.2T左右，图5为本实施例转子结构情况，最大漏磁磁密不到0.13T，且几乎都在0.019T左右。
如图6、图7所示为本发明转子结构与传统轮辐状内置转子结构，在过载工况下，轴向端面漏磁磁密矢量分布对比。图6为传统轮辐状内置式转子结构轴向端面漏磁磁密矢量分布图，最大漏磁磁密达到0.7T左右，大部分漏磁磁密分布在0.5T左右，图7为本发明转子结构情况，最大漏磁磁密也不超过0.2T，大部分磁密为0.1T左右，漏磁得到有效抑制。
如图8所示为本发明转子结构与传统轮辐状内置转子结构，空载工况下，在转子径向磁轭轴向端部处径向气隙磁密幅值对比图。本发明转子结构气隙的有效磁密幅值要大于传统结构值，也说明本发明转子结构抑制了轴向端部漏磁，从而提升了径向气隙磁密。
本实施例转子结构组成部分皆为模块化结构，加工、装配简单；第一永磁体31、第二永磁体21无槽安装，避免安装受损；绕轴均匀分布的径向磁轭阵列4形成径、轴向混合磁通聚磁效应，同时轴向端部的漏磁得到有效抑制。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中心”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

Claims (5)

1.一种具备径轴向聚磁特性的永磁电机转子，其特征在于，包括：
电机轴，作为结构支撑和动力输出的基础；
径向永磁体阵列，含有多个第一永磁体，所述第一永磁体呈圆周阵列分布环绕在所述电机轴外圆柱面上，所述第一永磁体呈长方体形，每个所述第一永磁体都切向充磁，相邻两个第一永磁体充磁方向相反；
径向磁轭阵列，包括多个端面呈扇形的柱体磁轭，所述柱体磁轭均匀环绕在所述电机轴的外侧，所述第一永磁体嵌入到相邻的两个柱体磁轭之间，所述第一永磁体两端延伸至所述柱体磁轭轴向两端面之外，相邻两个所述第一永磁体在突出所述柱体磁轭轴向端面的部分之间形成一容置空间；
轴向永磁体阵列，包括多个第二永磁体，所述第二永磁体呈扇形，其分别镶嵌在各个所述容置空间内，每块所述第二永磁体沿轴向充磁，相邻的两个所述第二永磁体充磁方向相反；以及
轴向背轭，呈圆环状，其覆盖在所述轴向永磁体阵列的轴向外侧。
2.根据权利要求1所述具备径轴向聚磁特性的永磁电机转子，其特征在于：每个所述第二永磁体都与所述柱体磁轭另一端的第二永磁体沿轴向相对应，且充磁方向相反。
3.根据权利要求1所述具备径轴向聚磁特性的永磁电机转子，其特征在于：所述第一永磁体由烧结钕铁硼材料制成。
4.根据权利要求1所述具备径轴向聚磁特性的永磁电机转子，其特征在于：所述柱体磁轭采用硅钢片材质制成。
5.根据权利要求1所述具备径轴向聚磁特性的永磁电机转子，其特征在于：所述轴向背轭采用硅钢片材质制成。
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