CN113241866B - 具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元，它包括上转子盘、下转子盘和定子线圈盘，上、下转子盘结构相同，定子线圈盘位于上、下转子盘之间。所述上转子盘和下转子盘均为三层结构，由外导磁环、转子中间体和内导磁环构成；转子中间体为一圆环，内导磁环内置在转子中间体的内环中，外导磁环套在转子中间体的外面，组合成一个大的圆环；所述转子中间体包括若干块转子铁芯和若干块永磁体；每块转子铁芯的各个面均包裹有永磁体。本发明的定转子单元具有气隙磁场强、转矩密度大的优点。

Description

具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元

技术领域

本发明涉及盘式无铁芯永磁同步电机定转子单元，具体地说，涉及一种具有聚磁结构的盘式无铁芯永磁同步电机定转子单元。本发明属于盘式永磁电机技术领域。

背景技术

盘式无铁芯永磁同步电机又称轴向盘式永磁电机，其特点是电机气隙呈平面型，气隙磁场沿轴向分布，在相同体积和重量的情况下，其电机输出转矩大、效率高。又由于盘式永磁电机其定子线圈内无铁芯，使得电机结构紧凑，体积小，特别适合于电动汽车、可再生能源系统、飞轮储能系统和工业设备等要求高转矩密度和空间紧凑的场合。

如图1、图2所示，传统的盘式永磁电机定转子单元包括上转子盘1、下转子盘2和定子线圈盘(图中未画出)。上转子磁盘1包括上转子盘磁轭11和粘贴在其内表面等间隔设置的若干组扇形N、S永磁体12；下转子磁盘2包括下转子盘磁轭21和粘贴在其内表面等间隔设置的若干组扇形N、S永磁体22，定子线圈盘位于上、下转子盘之间。上、下转子盘上相邻的永磁体极性相反，上、下转子盘对应的永磁体极性相同，在上、下转子盘间形成气隙磁场3。传统的盘式永磁电机的缺点是：上、下转子盘形成的磁路结构产生的气隙磁场较弱，无法满足特定场合高转矩密度的要求。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元，该定转子单元气隙磁场强、转矩密度大。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元，它包括上转子盘、下转子盘和定子线圈盘，所述上、下转子盘结构相同，所述定子线圈盘位于所述上、下转子盘之间；

所述上转子盘和下转子盘均为三层结构，由外导磁环、转子中间体和内导磁环构成；所述转子中间体为一圆环，所述内导磁环内置在所述转子中间体的内环中，所述外导磁环套在所述转子中间体的外面，组合成一个大的圆环；

所述外导磁环内壁上间隔地设置有若干块第一永磁体；所述转子中间体由若干块转子铁芯和若干块永磁体交替排列而成；所述内导磁环外壁上间隔地设置有若干块第四永磁体；

所述转子铁芯的各个面被所述第一永磁体、所述转子中间体上的永磁体和所述第四永磁体包裹住。

优选地，所述第一永磁体为扇形，其等间隔地粘贴在所述外导磁环内壁上，且相邻的所述第一永磁体的极性相反；所述转子铁芯为扇形，构成所述转子中间体的永磁体包括若干块扇形的第二永磁体和若干块扇形的第三永磁体；所述第二永磁体和所述转子铁芯交替排列构成一圆环，所述转子铁芯的上面和下面各粘贴有一块所述第三永磁体；左右相邻的所述第二永磁体的极性相反；粘贴在所述转子铁芯上、下面的所述第三永磁体极性相同，左右相邻的所述第三永磁体的极性相反；所述第四永磁体为扇形，其等间隔地粘贴在所述内导磁环的外壁上，且相邻的所述第四永磁体的极性相反；所述外导磁环、转子中间体和内导磁环组装后，构成所述转子中间体的重叠在一起的所述第三永磁体和所述转子铁芯位于所述外导磁环内壁上的所述第一永磁体和所述内导磁环外壁上的所述第四永磁体之间；构成所述转子中间体的所述第二永磁体位于所述外导磁环内壁上相邻的两所述第一永磁体和所述内导磁环外壁上相邻的两所述第四永磁体围成的扇形空间内；所述转子铁芯的各个面被所述第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体和第四永磁体紧紧地包裹。

优选地，所述上转子盘的第三永磁体与所述下转子磁盘的第三永磁体的极性相同；所述上转子盘的第二永磁体与所述下转子盘的第二永磁体的极性相反。

优选地，所述第一永磁体、第三永磁体、转子铁芯和第四永磁体均为扇形，且弧度相同；

所述第二永磁体、所述外导磁环内壁上相邻的两块第一永磁体之间形成的间隔空间、所述内导磁环外壁上相邻的两块第四永磁体之间形成的间隔空间均为扇形，且弧度相同。

优选地，所述第一永磁体、第四永磁体的轴向尺寸大于等于所述转子铁芯的轴向尺寸；所述第二永磁体的轴向尺寸大于所述转子铁芯的轴向尺寸；所述第一永磁体、转子铁芯和第四永磁体的径向尺寸之和等于所述外导磁环的内径与所述内导磁环外径之差；所述第一永磁体、第三永磁体和第四永磁体的径向尺寸之和等于外导磁环内径与内导磁环外径之差；所述第二永磁体的径向尺寸等于所述外导磁环内径与所述内导磁环外径之差。

优选地，所述外导磁环由外圈和若干块扇形的所述第一永磁体构成；所述第一永磁体等间隔地粘贴在所述外圈内壁上；所述内导磁环由内圈和若干块扇形的所述第四永磁体构成，所述第四永磁体等间隔地粘贴在所述内圈的外壁上。

本发明位于所述转子铁芯上、下面的所述第三永磁体为轴向充磁；位于所述转子铁芯两侧的所述第二永磁体为切向充磁；所述外导磁环上的所述第一永磁体和所述内导磁环上的所述第四永磁体为径向充磁。

优选地，位于所述转子铁芯两侧、相邻的两块所述第二永磁体充磁方向相反；位于同一所述转子铁芯上、下面的所述第三永磁体充磁方向相同，当该所述转子铁芯左右两侧的所述第二永磁体的充磁方向为指向该所述转子铁芯时，该所述转子铁芯上、下面的所述第三永磁体的充磁方向为指向气隙；当该所述转子铁芯左右两侧的所述第二永磁体充磁方向为背向该所述转子铁芯时，该所述转子铁芯上、下面的所述第三永磁体的充磁方向为背向气隙。

优选地，当所述转子铁芯左右两侧的第二永磁体充磁方向为朝向该转子铁芯时，该转子铁芯外侧的所述第一永磁体和内侧的所述第四永磁体充磁方向也朝向该转子铁芯；反之，当所述转子铁芯左右两侧的所述第二永磁体充磁方向为背向该转子铁芯时，该转子铁芯外侧的所述第一永磁体和内侧的所述第四永磁体充磁方向也背向该转子铁芯。

优选地，所述第一、第二、第三和第四永磁体材料均为钕铁硼；所述转子铁芯采用高饱和磁密软磁合金。

附图说明

图1为传统盘式永磁电机转子结构示意图；

图2为传统盘式永磁电机气隙磁场结构示意图；

图3为本发明具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元立体结构示意图；

图4为本发明具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元分解结构示意图；

图5为本发明转子中间体充磁方向示意图；

图6为本发明外导磁环和内导磁环充磁方向示意图；

图7为本发明定转子单元气隙磁场磁路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。

如图3、图4所示，本发明提供的具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元包括上转子盘4、下转子盘5和定子线圈盘6，上、下转子盘结构相同，定子线圈盘6位于上、下转子盘之间。

所述上转子盘4和下转子盘5均为三层结构，由外导磁环、转子中间体和内导磁环构成。外导磁环由外圈411和若干块扇形第一永磁体412构成。第一永磁体412等间隔地粘贴在外圈411内壁上，且左右相邻的第一永磁体412的极性相反。

转子中间体由若干块扇形的第二永磁体421、若干块扇形的转子铁芯422和若干块扇形的第三永磁体423构成。第二永磁体421和转子铁芯422交替排列构成一圆环，转子铁芯422的上面和下面各粘贴有一块第三永磁体423。左右相邻的第二永磁体421的极性相反，转子铁芯422上、下面的第三永磁体423极性相同，左右相邻的第三永磁体423极性相反。

内导磁环由内圈431和若干块扇形的第四永磁体432构成，第四永磁体432等间隔地粘贴在内圈431的外壁上，且左右相邻的第四永磁体432的极性相反。

转子中间体为一圆环，内导磁环内置在转子中间体的内环中，外导磁环套在转子中间体的外面，组合成一个大的圆环。组装后，构成转子中间体的重叠在一起的第三永磁体423和转子铁芯422位于外导磁环内壁上的第一永磁体412和内导磁环外壁上的第四永磁体432之间；构成转子中间体的第二永磁421位于外导磁环内壁上相邻的两第一永磁体412和内导磁环外壁上相邻的两第四永磁体432围成的扇形空间内。转子铁芯422的各个面被第一永磁体412、第二永磁体421、第三永磁体423和第四永磁体432紧紧地包裹。

图5为本发明转子中间体充磁方向示意图，如图所示，第二永磁体421为切向充磁，由于相邻的两个第二永磁体421极性相反，故，相邻的两个第二永磁体421的充磁方向相反。

位于转子铁芯422上、下面的第三永磁体423为轴向充磁。由于位于同一转子铁芯422上、下面的两块第三永磁体423极性相同，所以，位于同一转子铁芯422上、下面的第三永磁体423充磁方向相同，其充磁方向与相邻的两块第二永磁体421的充磁方向有关，当该转子铁芯左右两侧的第二永磁体421充磁方向为指向中间的转子铁芯422时，该转子铁芯422上、下面的第三永磁体423的充磁方向为指向气隙；当该转子铁芯左右两侧第二永磁体421的充磁方向为背向中间的转子铁芯422时，该转子铁芯422上、下面的第三永磁体423的充磁方向为背向气隙，即相邻的第三永磁体423充磁方向相反。

图6为本发明外导磁环和内导磁环充磁方向示意图，如图所示，外导磁环上的第一永磁体412和内导磁环上的第四永磁体432均为径向充磁。当转子铁芯422两侧的第二永磁体421充磁方向为朝向转子铁芯422时，该转子铁芯422外侧的第一永磁体412和内侧的第四永磁体432充磁方向也朝向转子铁芯422；反之亦然，当转子铁芯422两侧的第二永磁体421充磁方向为背向转子铁芯422时，该转子铁芯422外侧的第一永磁体412和内侧的第四永磁体432充磁方向也背向转子铁芯422。即相邻的第一永磁体412充磁方向相反，相邻的第四永磁体432充磁方向相反。

如图7所示，上转子盘4和下转子盘5相对定子线圈盘6对称设置，上转子盘4的第三永磁体423与下转子磁盘5的第三永磁体423的极性相同；而，上转子盘4的第二永磁体421与下转子盘5的第二永磁体421的极性相反。本发明定转子单元的气隙磁场磁路为：磁路先从上转子盘4某一转子铁芯422左侧的第二永磁体421至转子铁芯422，经转子铁芯422、下第三永磁体423到上转子盘4与定子线圈盘6之间的气隙，穿过气隙、定子线圈盘6，到达下转子盘5对应位置转子铁芯422的上第三永磁体423、转子铁芯422、右侧第二永磁体421、相邻的另一转子铁芯422、其上第三永磁体423到下转子盘5与定子线圈盘6之间的气隙，穿过气隙、定子线圈盘6，回到上转子盘4，再经过上转子盘4的下第三永磁体423、转子铁芯422、第二永磁体421，回到起始的上转子盘4的转子铁芯422，形成一闭合的完整磁环3。

由于上、下转子盘上设有若干组N极、S极间隔设置的扇形第二永磁体421以及若干组重叠设置的转子铁芯422和扇形第三永磁体423，故，如图7所示，本发明定转子单元内形成有N个闭合的完整气隙磁环3。

在本发明的较佳实施例中，所述第一永磁体412、第二永磁体422、第三永磁体423、第四永磁体432和转子铁芯422，以及外圈411上相邻的两个第一永磁体412之间形成的间隔空间、内圈431上相邻的两个第四永磁体432之间形成的间隔空间均为扇形。且，第一永磁体412、第三永磁体423、转子铁芯422和第四永磁体432弧度相同；第二永磁体、外圈411内壁上相邻的两个第一永磁体412之间形成的间隔空间、内圈431外壁上相邻的两个第四永磁体432之间形成的间隔空间均为扇形，且弧度相同。所述第一永磁体412、第四永磁体432的轴向尺寸大于等于转子铁芯422的轴向尺寸；第二永磁体421的轴向尺寸大于转子铁芯422的轴向尺寸。第一永磁体412、转子铁芯422和第四永磁体432的径向尺寸之和等于外导磁环的内径与内导磁环外径之差；第一永磁体412、第三永磁体423和第四永磁体432的径向尺寸之和等于外导磁环内径与内导磁环外径之差；第二永磁体422的径向尺寸等于外导磁环内径与内导磁环外径之差。这种设计的目的是使转子铁芯422的各个面均完全被永磁体包裹住。

在本发明的较佳实例中，所述第一、第二、第三和第四永磁体材料均为钕铁硼，型号为N48UH。所述转子铁芯采用高饱和磁密软磁合金，其型号为1J22，以保证盘式永磁电机在高磁负荷的情况下磁路不会饱和，提升了电机的峰值输出性能。

对于永磁体极数的选取，不仅与电机的尺寸相关，同时也需兼顾磁路饱和、漏磁以及工艺实现的问题。电机尺寸越大，可选取的极数就越多，但太小的极数会导致磁路饱和，电机的峰值特性变差；而太大的极数又会导致漏磁增多，削弱了电机的输出性能，同时工艺实现会更加困难。因此对于一定尺寸的电机都有相对最为合适的极数相匹配，最优极数需经过不同极数电磁方案的优化设计及对比来选取。本发明较佳实施例中，选取永磁体极数为16极，转子铁芯为16个，对应的定子线圈数为12个。

由于本发明转子铁芯的各个面均被永磁体包裹，形成聚磁结构，故，本发明定转子单元气隙磁场强、转矩密度大，解决了传统盘式永磁电机转子磁路结构气隙磁场较弱的问题，进而有效提高电机的转矩密度。

常规的无铁芯盘式永磁电机空载气隙磁密基波幅值为0.6T，相电流5A时，输出转矩0.92Nm，相电流10A时，输出转矩1.5Nm，磁路饱和明显；而采用本发明设计的转子结构，定子绕组盘不变，空载气隙磁密基波幅值可达到0.8T，是常规结构的1.33倍；从输出特性来看，相电流5A时，电机输出转矩1.2Nm，是常规结构的1.3倍；相电流10A时，输出转矩2.1Nm，超过常规结构40％，饱和特性优于常规结构。

另外，本发明还充分利用钕铁硼的高性能和软磁合金的高导磁特性，通过设置在内外圈上的第一永磁体、第四永磁体和设置在转子铁芯两侧的第二永磁体和转子铁芯形成双向SPOKE聚磁结构，以及设置在转子铁芯上、下面上的第三永磁体的辅助强化作用，进一步极大地提高了盘式永磁电机的气隙磁密，从而提高盘式永磁电机的转矩密度。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元，它包括上转子盘、下转子盘和定子线圈盘，所述上、下转子盘结构相同，所述定子线圈盘位于所述上、下转子盘之间，

所述上转子盘和下转子盘均为三层结构，由外导磁环、转子中间体和内导磁环构成；所述转子中间体为一圆环，所述内导磁环内置在所述转子中间体的内环中，所述外导磁环套在所述转子中间体的外面，组合成一个大的圆环；

所述外导磁环内壁上间隔地设置有若干块第一永磁体；所述转子中间体由若干块转子铁芯和若干块永磁体交替排列而成；所述内导磁环外壁上间隔地设置有若干块第四永磁体；

所述第一永磁体为扇形，其等间隔地粘贴在所述外导磁环内壁上，且相邻的所述第一永磁体的极性相反；

所述第四永磁体为扇形，其等间隔地粘贴在所述内导磁环的外壁上，且相邻的所述第四永磁体的极性相反；其特征在于：

所述转子铁芯为扇形，构成所述转子中间体的永磁体包括若干块扇形的第二永磁体和若干块扇形的第三永磁体；所述第二永磁体和所述转子铁芯交替排列构成一圆环，所述转子铁芯的上面和下面各粘贴有一块所述第三永磁体；左右相邻的所述第二永磁体的极性相反；粘贴在所述转子铁芯上、下面的所述第三永磁体极性相同，左右相邻的所述第三永磁体的极性相反；

所述外导磁环、转子中间体和内导磁环组装后，构成所述转子中间体的重叠在一起的所述第三永磁体和所述转子铁芯位于所述外导磁环内壁上的所述第一永磁体和所述内导磁环外壁上的所述第四永磁体之间；构成所述转子中间体的所述第二永磁体位于所述外导磁环内壁上相邻的两所述第一永磁体和所述内导磁环外壁上相邻的两所述第四永磁体围成的扇形空间内；

所述转子铁芯的各个面被所述第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体和第四永磁体紧紧地包裹；

位于所述转子铁芯上、下面的所述第三永磁体为轴向充磁；

位于所述转子铁芯两侧的所述第二永磁体为切向充磁；

所述外导磁环上的所述第一永磁体和所述内导磁环上的所述第四永磁体为径向充磁。

2.根据权利要求1所述的具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元，其特征在于：所述上转子盘的第三永磁体与所述下转子盘的第三永磁体的极性相同；所述上转子盘的第二永磁体与所述下转子盘的第二永磁体的极性相反。

3.根据权利要求2所述的具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元，其特征在于：所述第一永磁体、第三永磁体、转子铁芯和第四永磁体均为扇形，且弧度相同；

所述第二永磁体、所述外导磁环内壁上相邻的两块第一永磁体之间形成的间隔空间、所述内导磁环外壁上相邻的两块第四永磁体之间形成的间隔空间均为扇形，且弧度相同。

4.根据权利要求3所述的具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元，其特征在于：

所述第一永磁体、第四永磁体的轴向尺寸大于等于所述转子铁芯的轴向尺寸；

所述第二永磁体的轴向尺寸大于所述转子铁芯的轴向尺寸；

所述第一永磁体、转子铁芯和第四永磁体的径向尺寸之和等于所述外导磁环的内径与所述内导磁环外径之差；

所述第一永磁体、第三永磁体和第四永磁体的径向尺寸之和等于外导磁环内径与内导磁环外径之差；

所述第二永磁体的径向尺寸等于所述外导磁环内径与所述内导磁环外径之差。

5.根据权利要求4所述的具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元，其特征在于：

所述外导磁环由外圈和若干块扇形的所述第一永磁体构成；所述第一永磁体等间隔地粘贴在所述外圈内壁上；

所述内导磁环由内圈和若干块扇形的所述第四永磁体构成，所述第四永磁体等间隔地粘贴在所述内圈的外壁上。

6.根据权利要求5所述的具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元，其特征在于：

位于所述转子铁芯两侧、相邻的两块所述第二永磁体充磁方向相反；

位于同一所述转子铁芯上、下面的所述第三永磁体充磁方向相同，当该所述转子铁芯左右两侧的所述第二永磁体的充磁方向为指向该所述转子铁芯时，该所述转子铁芯上、下面的所述第三永磁体的充磁方向为指向气隙；当该所述转子铁芯左右两侧的所述第二永磁体充磁方向为背向该所述转子铁芯时，该所述转子铁芯上、下面的所述第三永磁体的充磁方向为背向气隙。

7.根据权利要求6所述的具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元，其特征在于：

当所述转子铁芯左右两侧的第二永磁体充磁方向为朝向该转子铁芯时，该转子铁芯外侧的所述第一永磁体和内侧的所述第四永磁体充磁方向也朝向该转子铁芯；反之，当所述转子铁芯左右两侧的所述第二永磁体充磁方向为背向该转子铁芯时，该转子铁芯外侧的所述第一永磁体和内侧的所述第四永磁体充磁方向也背向该转子铁芯。

8.根据权利要求7所述的具有聚磁结构的盘式永磁电机定转子单元，其特征在于：

所述第一、第二、第三和第四永磁体材料均为钕铁硼；

所述转子铁芯采用高饱和磁密软磁合金。

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