CN112564346A - 一种高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构及其电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机设计领域，具体的是一种高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构及其电机，转子结构包括转子铁心、永磁体组、转子支撑盘和固定环，所述转子铁心为分段模块化扇形体，转子铁心一侧开有安装槽。永磁体组包括第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体表贴在转子铁心非开槽一面，第二永磁体内嵌于相邻转子铁心之间，转子支撑盘内侧沿周向分布有多个突起的安装齿，安装齿和转子铁心上的安装槽相互嵌套。本发明的转子结构组合了表贴式永磁和内嵌式永磁两种永磁体结构，使得d、q轴磁路磁阻发生变化，引入磁阻转矩，使得电机的输出转矩进一步提升。转子铁心分段模块化，易于加工和安装。采用非导磁转子支撑盘，减小永磁体漏磁，增大主磁通。

Description

一种高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构及其电机
技术领域
本发明涉及电机设计领域，具体的是一种高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构及其电机。
背景技术
大量工业应用如工业机器人、电动汽车、伺服驱动等均对驱动电机的转矩密度提出了较高的要求。永磁同步电机具有体积小，质量轻，输出转矩大，效率高等特点。越来越多的应用于各种驱动场合。
轴向磁场电机是一种气隙为平面，气隙磁通方向为轴向的电机，也称为“盘式”电机。相比于径向电机，轴向磁场永磁电机具有更高的功率密度、更高的转矩密度以及较短的轴向长度。
永磁同步电机的转矩T可以表述为：
Figure BDA0002810437510000011
其转矩包含永磁转矩和磁阻转矩部分。通常，表贴式轴向磁场永磁电机的Ld＝Lq，其输出转矩中只包含永磁分量。为了进一步提高表贴式轴向磁场永磁同步电机的输出转矩，需合理的建立磁阻分量，引入凸极转矩，进一步增大电机的转矩密度。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构及其电机，合理的建立磁阻分量，引入凸极转矩，进一步增大电机的转矩密度。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构，包括转子铁心、永磁体组、转子支撑盘和固定环，所述转子铁心为分段模块化扇形体，转子铁心一侧开有安装槽；
所述永磁体组包括第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体表贴在转子铁心非开槽一面，第二永磁体内嵌于相邻转子铁心之间，转子支撑盘内侧沿周向分布有多个突起的安装齿，安装齿和转子铁心上的安装槽相互嵌套；
所述转子支撑盘包括转子外径处的外环形固定套和转子一侧圆环状的支撑板，转子支撑盘与固定环相连，固定环设置在转子铁心的端部，在转子内径处设置内环形固定套，用于转子铁心和永磁体组的限位。
进一步地，所述第一永磁体为相邻交替轴向充磁，第二永磁体为相邻交替切向充磁。
进一步地，所述第一永磁体和第二永磁体均为扇形体，第一永磁体与转子铁心的轴向长度之和等于第二永磁体的轴向长度。
进一步地，所述第一永磁体的极弧系数α1与第二永磁体的极弧系数α2满足关系：α1+α2＝1。
进一步地，所述第一永磁体、第二永磁体(均为稀土永磁材料或者均为铁氧体永磁材料，或者所述第一永磁体为稀土永磁材料、第二永磁体为铁氧体永磁材料。
进一步地，所述转子铁心为叠压的硅钢片或者为由铁粉芯颗粒压制而成的复合软磁材料，叠压方向为径向方向。
进一步地，所述转子支撑盘设置为非导磁材料。
一种高转矩密度轴向磁场永磁电机，包括定子，所述电机还包括高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构。
本发明的有益效果：
本发明的高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构，组合了表贴式永磁和内嵌式永磁两种永磁体结构，使得d、q轴磁路磁阻发生变化，引入磁阻转矩，使得电机的输出转矩进一步提升。转子铁心分段模块化，易于加工和安装。采用非导磁转子支撑盘，减小永磁体漏磁，增大主磁通。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构示意图；
图2是本发明高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构中一对极永磁体充磁方向示意图；
图3是本发明实施例提供的单定子双转子轴向磁场永磁电机结构示意图；
图4是本发明实施例提供的单定子单转子轴向磁场永磁电机结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构，如图1和2所示，包括转子铁心2、永磁体组、转子支撑盘3和固定环4，转子铁心2为分段模块化扇形体，转子铁心2一侧开有安装槽31。
永磁体组包括第一永磁体11和第二永磁体12，第一永磁体11表贴在转子铁心2非开槽一面，第二永磁体12内嵌于相邻转子铁心2之间，转子支撑盘3内侧沿周向分布有多个突起的安装齿，安装齿和转子铁心2上的安装槽31相互嵌套。
转子支撑盘3包括转子外径处的外环形固定套和转子一侧圆环状的支撑板，转子支撑盘3与固定环4相连，固定环4设置在转子铁心2的端部，在转子内径处设置内环形固定套，用于转子铁心2和永磁体组的限位。
第一永磁体11为相邻交替轴向充磁，第二永磁体12为相邻交替切向充磁。第一永磁体11和第二永磁体12均为扇形体，第一永磁体11与转子铁心2的轴向长度之和等于第二永磁体12的轴向长度。第一永磁体11的极弧系数α1与第二永磁体12的极弧系数α2满足关系：α1+α2＝1，因此面向气隙一侧全为永磁体组。
如图2所示为一对极永磁体组充磁方向示意图，面向气隙方向轴向充磁的表贴式第一永磁体11，配合两个对向充磁的第二永磁体12，磁通并联后再与第一永磁体11的磁势串联，使得气隙磁密增大，电机输出转矩增大。同时，并联的磁势可以减小去磁风险，使得电机在过载运行时拥有更好的抗去磁能力。
其中，所述第一永磁体11和第二永磁体12均为稀土永磁材料或者均为铁氧体永磁材料，或者第一永磁体11为稀土永磁材料、第二永磁体12为铁氧体永磁材料。当第一永磁体11采用稀土永磁材料、第二永磁体12采用铁氧体永磁材料时，需满足以下关系：
Figure BDA0002810437510000041
其中，φ1、R1分别是第一永磁体11的磁通、磁阻，φ2、R2分别是第二永磁体12的磁通、磁阻，Rg、Rs、Rr分别是气隙、定子铁心、转子铁心的磁阻。
转子铁心2为叠压的硅钢片，且叠压方向为径向方向，或者述转子铁心2为由铁粉芯颗粒压制而成的复合软磁材料。当电机频率较高时，优先采用复合软磁材料，当电机频率较低时，优先采用硅钢片。同时，为了减小第二永磁体12的端部漏磁，转子支撑盘3设置为具有一定机械强度的非导磁材料。
本发明还公开了一种单定子双转子盘式电机，如图3所示。包括通过转子连接在一起的内定子和两个外转子，转子为上述的轴向磁场永磁电机转子，定子包括定子分段铁心和缠绕在定子分段铁心上的分段电枢。定子铁心采用沿半径方向叠压的硅钢片或者由铁粉芯颗粒压制而成的复合软磁材料，取决于电机频率。槽形为矩形平行槽，留有一定高度的槽肩和槽口高。定子铁心由非导磁直接固定并用环氧树脂灌封。两个外转子镜像对称的放置在定子两侧，永磁体组一面朝向气隙。
本发明还公开了一种单定子单转子盘式电机，如图4所示。包括通过转子连接在一起的定子和转子，转子为上述的轴向磁场永磁电机转子，定子包括定子集中绕组和定子铁心，定子铁心为卷绕的硅钢材料。槽形为矩形平行槽，留有一定高度的槽肩和槽口高。
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本发明范围内。

Claims (8)

1.一种高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构，其特征在于，包括转子铁心(2)、永磁体组、转子支撑盘(3)和固定环(4)，所述转子铁心(2)为分段模块化扇形体，转子铁心(2)一侧开有安装槽(31)；
所述永磁体组包括第一永磁体(11)和第二永磁体(12)，第一永磁体(11)表贴在转子铁心(2)非开槽一面，第二永磁体(12)内嵌于相邻转子铁心(2)之间，转子支撑盘(3)内侧沿周向分布有多个突起的安装齿，安装齿和转子铁心(2)上的安装槽(31)相互嵌套；
所述转子支撑盘(3)包括转子外径处的外环形固定套和转子一侧圆环状的支撑板，转子支撑盘(3)与固定环(4)相连，固定环(4)设置在转子铁心(2)的端部，在转子内径处设置内环形固定套，用于转子铁心(2)和永磁体组的限位。
2.根据权利要求1所述的一种高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构，其特征在于，所述第一永磁体(11)为相邻交替轴向充磁，第二永磁体(12)为相邻交替切向充磁。
3.根据权利要求1所述的一种高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构，其特征在于，所述第一永磁体(11)和第二永磁体(12)均为扇形体，第一永磁体(11)与转子铁心(2)的轴向长度之和等于第二永磁体(12)的轴向长度。
4.根据权利要求1所述的一种高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构，其特征在于，所述第一永磁体(11)的极弧系数α1与第二永磁体(12)的极弧系数α2满足关系：α1+α2＝1。
5.根据权利要求1所述的一种高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构，其特征在于，所述第一永磁体(11)、第二永磁体(12)均为稀土永磁材料或者均为铁氧体永磁材料，或者所述第一永磁体(11)为稀土永磁材料、第二永磁体(12)为铁氧体永磁材料。
6.根据权利要求1所述的一种高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构，其特征在于，所述转子铁心(2)为叠压的硅钢片或者为由铁粉芯颗粒压制而成的复合软磁材料，叠压方向为径向方向。
7.根据权利要求1所述的一种高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构，其特征在于，所述转子支撑盘(3)设置为非导磁材料。
8.一种高转矩密度轴向磁场永磁电机，包括定子，其特征在于，所述电机还包括如权利要求1-7任一项所述的高转矩密度轴向磁场永磁电机转子结构。
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