CN113381540A - 一种轴向磁通电机内置式永磁转子结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轴向磁通电机内置式永磁转子结构，包括两个转子盘，转子盘包括截面为圆环状的转子铁心，转子铁心由薄硅钢片周向卷绕而成，其周向上均匀嵌设有三层永磁体组，永磁体组包括自转子铁心外侧向转子铁心圆心方向依次设置的第一层U型聚磁结构永磁体组合、第二层U型聚磁结构永磁体组合、第三层一字型结构永磁体；两个转子盘以永磁体面相对的方式安装在转轴上，且两个转子盘之间为定子盘。本发明能够使永磁转子盘聚磁能力更强，且可以实现高度正弦的气隙磁密；采用U型和一字型永磁体组合形式可以提高电机的凸极效应，充分利用磁阻转矩，提高电机转矩或功率密度；通过在硅钢片开槽并卷绕形成转子铁心，加工方便，结构强度高。

Description

一种轴向磁通电机内置式永磁转子结构

技术领域

本发明涉及永磁电机转子相关技术领域，特别是涉及一种轴向磁通电机内置式永磁转子结构。

背景技术

永磁电机具有高功率密度、高效率、高可靠性等特点，在工业生产及家居生活领域中得到了广泛的应用。目前，在永磁电机的成本中，永磁材料占据很大的比例，这造成永磁电机在中低端应用中竞争力下降。为提高永磁利用率和永磁电机价格竞争力，对永磁电机的结构进行优化设计，提高其功率和转矩密度成为国内外专家和学者们重要的研究课题。

内置式永磁电机是一种转子内嵌永磁体的永磁电机结构。电机产生的转矩为永磁转矩和磁阻转矩的合成，由于永磁磁钢被嵌入转子，电机d轴和q轴磁路不对称，从而提高磁阻转矩。因此，对转子磁路结构及内嵌永磁体槽的优化设计，实现永磁转矩和磁阻转矩的合理配置，提高永磁电机功率密度、转矩密度及效率具有重要的理论意义和经济价值。然而，目前传统轴向磁场永磁电机单层聚磁转子内置式结构，电机聚磁能力不强，凸极效应不明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴向磁通电机内置式永磁转子结构，以解决上述现有技术存在的问题，使电机聚磁能力更强，凸极效应明显，产生磁阻转矩大。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种轴向磁通电机内置式永磁转子结构，包括两个结构相同且同轴设置的转子盘，所述转子盘包括截面为圆环状的转子铁心，圆环状的所述转子铁心采用硅钢片周向卷绕而成，硅钢片为一体成型的条状薄硅钢片，从而便于卷绕成型，也便于开槽，仅需在硅钢片上等间距的依次开槽，卷绕成型后，多个相对应的槽形成一个安装槽，即可成为侧面具有安装槽的转子铁心，转子铁心为一个整体，结构强度高。所述转子铁心周向上均匀嵌设有至少三层永磁体组，永磁体组的具体层数并不做具体限制，可以是四层或五层等，可以预见的是，仅仅是在永磁体组层数上做出的改变也属于本发明所保护的范围，本发明以三层为例进行说明，所述永磁体组包括自所述转子铁心外侧向所述转子铁心圆心方向依次设置的第一层U型聚磁结构永磁体组合、第二层U型聚磁结构永磁体组合、第三层一字型结构永磁体；两个所述转子盘以永磁体面相对的方式安装在转轴上，且两个所述转子盘之间为定子盘。通过多层聚磁式永磁体组合排列方式，配合特殊的转子铁心结构，实现永磁体内置结构，相比表贴式永磁电机和传统轴向磁场永磁电机单层聚磁转子内置式结构，电机聚磁能力更强，凸极效应明显，具有产生磁阻转矩大的优点。

可选的，所述第一层U型聚磁结构永磁体组合包括间隔设置的第一层轴向充磁永磁体，多个所述第一层轴向充磁永磁体沿周向均匀嵌设于所述转子铁心侧面的第一安装槽内；所述第二层U型聚磁结构永磁体组合包括间隔设置的第二层轴向充磁永磁体，多个所述第二层轴向充磁永磁体沿周向均匀嵌设于所述转子铁心侧面的第二安装槽内；所述第三层一字型结构永磁体包括间隔设置的第三层轴向充磁永磁体，多个所述第三层轴向充磁永磁体沿周向均匀嵌设于所述转子铁心侧面的第三安装槽内，且所述第二安装槽位于所述第一安装槽和第三安装槽之间，安装槽可以为U字形槽，也可以为一字型槽，或者也可以采用一个水平槽和两个对称的竖直槽组合而成一个完整的安装槽，水平槽和竖直槽之间可以连通也可以不连通，且每个相对应的第一安装槽、第二安装槽和第三安装槽之间均具有间隙，相邻两个第一安装槽之间也具有间隙，便于安装永磁体，使其彼此固定不会干涉，第一安装槽的尺寸大于第二安装槽的尺寸，第二安装槽的尺寸大于第三安装槽的尺寸，从而硅钢片卷绕成型后，相对应的三个安装槽形成类似于第一安装槽包含第二安装槽，第二安装槽包含第三安装槽的结构形式。磁阻转矩与交轴电感和直轴电感有关，交轴电感和直轴电感的差异越大，电机的凸极效应越明显，磁阻转矩越大。如果没有安装槽，位于同一层的相邻的两个轴向永磁体之间会是空气或者其他充磁方向的永磁体，其他充磁方向的永磁体为磁性材料，空气和磁性材料的磁阻都比较大，导致交轴电感小，交轴电感和直轴电感的差异小，磁阻转矩就会较小，不利于提高电机的转矩输出能力。本申请通过将同一层相邻的轴向永磁体分别设置于各自的安装槽内，彼此之间被安装槽的侧壁分隔开，可以增大交轴电感，也即增大了交轴电感和直轴电感的差异，可以有效增大磁阻转矩，提高电机的转矩输出能力，同时，安装槽结构使得轴向永磁体完全被包裹住，整体稳定性更高，该内置式结构，电机凸极效应明显、弱磁性能好、磁阻转矩大；可优化变量多，优化空间大，且q轴磁路增加，磁阻转矩利用率更高。

可选的，所述第一层U型聚磁结构永磁体组合还包括第一层切向充磁永磁体，相邻两个所述第一层轴向充磁永磁体之间均对称插设有所述第一层切向充磁永磁体；所述第二层U型聚磁结构永磁体组合还包括第二层切向充磁永磁体，相邻两个所述第二层轴向充磁永磁体之间均对称插设有所述第二层切向充磁永磁体；转子中的永磁体被安装在转子铁心开设的槽中，以固定永磁体在切向与轴向上的位置；转子铁心通过开槽形为一个整体，嵌放永磁体，提高转子结构强度，所述第一层U型聚磁结构永磁体组合、第二层U型聚磁结构永磁体组合、第三层一字型结构永磁体的中心与转子铁心所在虚拟圆的圆心之间的连线长度逐渐减小。

本发明三层永磁铁结构并不仅仅限于上述一种结构形式，于不同实施例中还可以将其进行不同的组合优化，从而产生多种布置形式。于其中一种设置形式中，第二层U型聚磁结构永磁体组合和第三层一字型结构永磁体结构不变，第一层U型聚磁结构永磁体组合包括第一层轴向充磁永磁体，多个第一层轴向充磁永磁体沿周向均匀嵌设于转子铁心侧面的第一安装槽内，每个第一层轴向充磁永磁体两端均设置有气隙，其并不在设置第一层切向永磁体，或者仅仅在一边设置第一层切向永磁体均可，且相邻两个气隙之间被分隔开，彼此不连通。

于另一种设置形式中，第一层U型聚磁结构永磁体组合和第三层一字型结构永磁体结构不变；第二层U型聚磁结构永磁体组合包括第二层轴向充磁永磁体，多个第二层轴向充磁永磁体沿周向均匀嵌设于转子铁心侧面的第二安装槽内，每个第二层轴向充磁永磁体两端均为对称设置的气隙，或者仅在一边设置第二层切向永磁体。

本发明还可以将第一层U型聚磁结构永磁体组合和第二层U型聚磁结构永磁体组合均去掉两端的切向充磁永磁体，只保留第一轴向充磁永磁体和第二轴向充磁永磁体，第三层一字型结构永磁体的结构不变，依然只设置第三层轴向充磁永磁体。

本发明还可以将第一层U型聚磁结构永磁体组合包括第一层轴向充磁永磁体和第一层切向充磁永磁体，第二层U型聚磁结构永磁体组合包括第二层轴向充磁永磁体和第二层切向充磁永磁体结构不变，第三层一字型结构永磁体包括第三层轴向充磁永磁体，第三层轴向充磁永磁体两端的隔磁槽内设置第三层切向充磁永磁体，从而使得第三层轴向充磁永磁体结构更稳固，不能在轴向方向移动，增加电机整体的稳定性。

可选的，所述第一层切向充磁永磁体、第二层切向永磁体和第三层切向充磁永磁体结构相同，其结构也可以不同，并根据各自所在位置具体设置其相应的结构，从而整体灵活性更高，适配性更好；所述第一层切向充磁永磁体包括两个对称设置的切向充磁永磁体块，通过采用分别单独设置的切向充磁永磁体块，安装时更加灵活，彼此之间不会干涉，与各自相邻的轴向充磁永磁体接触端更加牢固可靠。

可选的，每个永磁体组的周向上相邻两个永磁体充磁方向相反，所述第一层切向充磁永磁体和第二层切向充磁永磁体均切向充磁，且相邻两个所述第一层切向充磁永磁体和第二层切向充磁永磁体之间通过转子铁心分隔不接触。

可选的，所述第三层轴向充磁永磁体两端开有对称设置的隔磁槽，能够减少永磁体的漏磁，提高聚磁能力，于不同的设置形式中，第三层轴向充磁永磁体两端也可以设置第三层切向充磁永磁体。

可选的，所述第一层轴向充磁永磁体、第二层轴向充磁永磁体和第三层轴向充磁永磁体均为扇形环状结构，且所述第一层轴向充磁永磁体、第二层轴向充磁永磁体和第三层轴向充磁永磁体两端延长线与各自所在虚拟圆圆心连接后所形成的角度依次减小。需要说明的是，第一层轴向充磁永磁体、第二层轴向充磁永磁体和第三层轴向充磁永磁体并不仅仅限制于一种结构形式，其还可以设置为矩形片状结构或块状结构等，相应的，其结构改变后安装槽的结构也应做出相对应的改变，从而确保轴向永磁体内置后的稳固性。

可选的，所述第一层切向充磁永磁体和第二层切向充磁永磁体的切向充磁永磁体块均为条形块状结构，其也可以为一体式的结构，例如U型结构或H型结构等，第一层切向充磁永磁体两侧与相邻的第一层轴向充磁永磁体的外侧边接触连接，第二层切向充磁永磁体两侧与相邻的第二层轴向充磁永磁体的外侧边接触连接，从而第一层切向充磁永磁体和第二层切向充磁永磁体的切向充磁永磁体块均为条形块状结构时，切向充磁永磁体与其位于同一层相对应的轴向充磁永磁体均设置于相对应位置处的安装槽内，切向充磁永磁体的两个切向充磁永磁体块为一体式结构时，其设置于安装槽外，或部分设置于安装槽内，两个切向充磁永磁体块的连接端位于安装槽外；结构设置形式灵活多变，可选择样式广，便于根据需要择优选择。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过多层聚磁式永磁体组合排列方式，配合特殊的转子铁心结构，实现永磁体内置结构，相比表贴式永磁电机和传统轴向磁场永磁电机单层聚磁转子内置式结构，电机聚磁能力更强，凸极效应明显，具有产生磁阻转矩大的优点；电机转矩包括磁阻转矩和永磁体转矩，在所需的电机转矩固定的情况下，增大磁阻转矩，可以相应的减小永磁体转矩，这样可以减少永磁体的用量，有利于节约制造成本。本发明通过将永磁体设置在相对应的安装槽内使其呈现为内置式结构，内置式结构的电机转子电机凸极效应明显，具有产生磁阻转矩大的优点。此外，让永磁体内置，还可以充分利用电机转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，在保持永磁体用量不增加的情况下，可以提高电机的转矩输出能力。本发明的轴向磁场永磁电机三层聚磁型永磁体组合充磁内置式转子结构，和传统轴向磁场永磁电机单层U型聚磁转子内置式结构相比，采用三层聚磁结构，q轴磁路增加，聚磁能力增强，可实现高正弦度气隙磁密，气隙磁密谐波更小，对应反电势的谐波畸变率更小，永磁电机产生的振动和噪声减小；凸极比高于传统单层U型聚磁结构，磁阻转矩利用率更大；且可优化变量多，优化空间大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明转子铁心和永磁体分解结构示意图；

图2为本发明永磁体组排列结构示意图；

图3为本发明磁路原理示意图；

图4为本发明转子铁心卷绕示意图；

图5为本发明永磁体组第二种排列结构示意图；

图6为本发明永磁体组第三种排列结构示意图；

图7为本发明永磁体组第四种排列结构示意图；

图8为本发明永磁体组第五种排列结构示意图；

图9为本发明与传统聚磁结构的气隙磁密谐波对比示意图；

图10为本发明与传统U型聚磁结构的气隙磁密对比示意图；

图11为本发明与传统U型聚磁结构的交直轴电感对比示意图；

其中，1为转子铁心，2为第一层U型聚磁结构永磁体组合，2a为第一层轴向充磁永磁体，2b为第一层切向充磁永磁体，3为第二层U型聚磁结构永磁体组合，3a为第二层轴向充磁永磁体，3b为第二层切向充磁永磁体，4为第三层轴向充磁永磁体，5为隔磁槽，5b为第三层切向充磁永磁体，6为q轴磁路，7为硅钢片。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种轴向磁通电机内置式永磁转子结构，以解决上述现有技术存在的问题，使电机聚磁能力更强，凸极效应明显，产生磁阻转矩大。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考附图1-附图3所示，本发明提供一种轴向磁通电机内置式永磁转子结构，具体为轴向磁场永磁电机三层聚磁型永磁体组合充磁内置式转子结构，具有较大的磁阻转矩，可以有效提高电机的转矩输出能力，且本发明结构简单、安装难度低、装配精度高，永磁体内置，可以增加交轴磁路，提高电机的凸极效应，电机可获得较好的弱磁性能和较宽的恒功率范围，减小永磁体的涡流损耗，并对永磁体起到保护作用，使得永磁体不易退磁。本发明主要包括转子铁心1、第一层U型聚磁结构永磁体组合2、第二层U型聚磁结构永磁体组合3、第三层一字型结构永磁体、转子背轭；本发明与单层聚磁型永磁体组合充磁内置式转子结构相比，q轴磁路增加，磁阻转矩利用率更高。

第一层U型聚磁结构永磁体组合2包括第一层轴向充磁永磁体2a和第一层切向充磁永磁体2b，多个第一层轴向充磁永磁体2a沿周向均匀嵌设于转子铁心1侧面的第一安装槽内，每个第一层轴向充磁永磁体2a两端均对称插设有两个第一层切向充磁永磁体2b；第二层U型聚磁结构永磁体组合3包括第二层轴向充磁永磁体3a和第二层切向充磁永磁体3b，多个第二层轴向充磁永磁体3a沿周向均匀嵌设于转子铁心1侧面的第二安装槽内，每个第二层轴向充磁永磁体3a两端均对称插设有两个第二层切向充磁永磁体3b；第三层一字型结构永磁体包括第三层轴向充磁永磁体4，多个第三层轴向充磁永磁体4沿周向均匀嵌设于转子铁心1侧面的第三安装槽内，且第二安装槽位于第一安装槽和第三安装槽之间，从而安装槽可以对其内的永磁体进行限位和分隔，可以增加交轴磁路，提高电机的凸极效应，电机可获得较好的弱磁性能和较宽的恒功率范围，减小永磁体的涡流损耗，并对永磁体起到保护作用，使得永磁体不易退磁，永磁体内置，还可以充分利用电机转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，在保持永磁体用量不增加的情况下，可以提高电机的转矩输出能力。第一层U型聚磁结构永磁体组合2、第二层U型聚磁结构永磁体组合3、第三层一字型结构永磁体的中心与转子铁心1所在虚拟圆的圆心之间的连线长度逐渐减小。本实施方式中通过设置三层安装槽，可以提高三层轴向充磁永磁体的安装精度，实现轴向充磁永磁体的安装定位，简化了装配工序。安装时只需要将永磁体装入与其相对应且尺寸匹配的安装槽即可，提高了安装精度和安装效率，且装配固定简单。安装槽侧壁会产生交轴电感，能够增大交轴电感和直轴电感的差异，可以有效增大磁阻转矩。

本发明三层永磁铁结构并不仅仅限于上述一种结构形式，于不同实施例中还可以将其进行不同的组合优化，从而产生多种布置形式。如图5所示，于其中一种设置形式中，第一层U型聚磁结构永磁体组合2包括第一层轴向充磁永磁体2a，多个第一层轴向充磁永磁体2a沿周向均匀嵌设于转子铁心1侧面的第一安装槽内，每个第一层轴向充磁永磁体2a两端均设置有气隙，且相邻两个气隙之间被分隔开，彼此不连通；第二层U型聚磁结构永磁体组合3包括第二层轴向充磁永磁体3a和第二层切向充磁永磁体3b，多个第二层轴向充磁永磁体3a沿周向均匀嵌设于转子铁心1侧面的第二安装槽内，每个第二层轴向充磁永磁体3a两端均对称插设有两个第二层切向充磁永磁体3b；第三层一字型结构永磁体包括第三层轴向充磁永磁体4，多个第三层轴向充磁永磁体4沿周向均匀嵌设于转子铁心1侧面的第三安装槽内。

如图6所示，于另一种设置形式中，第三层一字型结构永磁体结构不变，第一层U型聚磁结构永磁体组合2包括第一层轴向充磁永磁体2a和第一层切向充磁永磁体2b，多个第一层轴向充磁永磁体2a沿周向均匀嵌设于转子铁心1侧面的第一安装槽内，每个第一层轴向充磁永磁体2a两端均对称插设有两个第一层切向充磁永磁体2b；第二层U型聚磁结构永磁体组合3包括第二层轴向充磁永磁体3a，多个第二层轴向充磁永磁体3a沿周向均匀嵌设于转子铁心1侧面的第二安装槽内，每个第二层轴向充磁永磁体3a两端均为对称设置的气隙。

如图7所示，本发明还可以将第一层U型聚磁结构永磁体组合2和第二层U型聚磁结构永磁体组合3均去掉两端的切向充磁永磁体，只保留第一轴向充磁永磁体2a和第二轴向充磁永磁体3a，第三层一字型结构永磁体的结构不变，依然只设置第三层轴向充磁永磁体4。

除了上述几种设置形式外，本发明还可以如图8所示，第一层U型聚磁结构永磁体组合2包括第一层轴向充磁永磁体2a和第一层切向充磁永磁体2b，第二层U型聚磁结构永磁体组合3包括第二层轴向充磁永磁体3a和第二层切向充磁永磁体3b结构不变，第三层一字型结构永磁体包括第三层轴向充磁永磁体4，第三层轴向充磁永磁体4两端的隔磁槽内设置第三层切向充磁永磁体5b，从而使得第三层轴向充磁永磁体结构更稳固，不能在轴向方向移动，增加电机整体的稳定性。

于不同的实施方式中，轴向充磁永磁体可以为扇形结构，扇形结构的轴向充磁永磁体的外圆弧和内圆弧与铁心为同心结构。扇形结构的轴向充磁永磁体的两侧边可以分别与铁心的径向方向平行，或者与铁心的径向方向之间设有夹角，这样有利于减小转矩脉动，改善电机的振动噪音。轴向充磁永磁体均匀嵌入铁心中开设的安装槽内。永磁体的结构不限于扇形，永磁体也可以为其他形状，具体可以根据需要设置。切向充磁永磁体可以是扇形的，也可以是矩形的。切向充磁永磁体均匀嵌入同一层的相邻两个轴向充磁永磁体之间。轴向充磁永磁体可以采用胶粘或者注塑的方式或者注塑的方式固定至安装槽内，切向充磁永磁体也可以采用胶粘或者注塑的方式或者注塑的方式固定至同一层相邻两个轴向充磁永磁体之间，以增强轴向充磁永磁体和切向充磁永磁体与铁心的结合强度，提高电机转子的结构强度，增强电机的结构稳定性。

具体的，于本实施方式中，第一层轴向充磁永磁体2a、第二层轴向充磁永磁体3a和第三层轴向充磁永磁体4均为扇形环状结构，且第一层轴向充磁永磁体2a、第二层轴向充磁永磁体3a和第三层轴向充磁永磁体4两端延长线与各自所在虚拟圆圆心连接后所形成的角度依次减小。第一层切向充磁永磁体2b和第二层切向充磁永磁体3b均为条形块状结构。

电机包括定子、转轴和电机转子，定子与电机转子共轴连接。电机转子的数量可以为两个，定子位于两个电机转子之间而形成单定子双转子的电机。电机转子安装至转轴上，且定子安装至转轴上，也即定子和两个电机转子通过转轴共轴连接，定子和两个电机转子之间形成气隙；本发明优化参数众多，通过优化可提高气隙磁密幅值以及正弦度。第一层轴向充磁永磁体2a极弧系数、厚度与第一层切向充磁永磁体2b极弧系数、厚度，以及第二层轴向充磁永磁体3a厚度、极弧系数以及第二层切向充磁永磁体3b的厚度、极弧系数；第三层轴向充磁永磁体4极弧系数以及厚度等，均不作具体数值的限定，从而可以根据不同需要灵活选择其具体参数，采用不同形状、尺寸和充磁方式的永磁体组合的方法，采用内置式转子结构，且设置了较大的凸极率，磁路通过转子铁心、永磁体和定子铁心形成完整磁回路，增大主磁通，减小漏磁，达到聚磁的目的，提高气隙磁密。

两个转子盘以永磁体面相对的方式安装在转轴上，两个转子盘之间为定子盘，两个转子盘同轴安装在转轴上，每个转子盘由转子铁心1、永磁体和转子背轭组成；第一层轴向充磁永磁体2a、第二层轴向充磁永磁体3a、第三层轴向充磁永磁体4轴向充磁，采用内置式，内嵌于转子内、外铁心之间，周向上相邻两个永磁体充磁方向相反，第一层切向充磁永磁体2b、第二层切向充磁永磁体3b切向充磁，两个切向充磁的永磁体之间留有一定厚度的转子铁心；第三层轴向充磁永磁体4两侧开有隔磁槽5，隔磁槽5的高端和宽度在此并不做具体限制，可以根据需要具体设置，从而设置方式灵活多变，适用性广，且能够减少第三层轴向充磁永磁体4的漏磁，提高聚磁能力。本发明通过多层聚磁式永磁体组合排列方式，配合特殊的转子铁心结构，实现永磁体内置结构，相比表贴式永磁电机和传统轴向磁场永磁电机单层聚磁转子内置式结构，电机聚磁能力更强，凸极效应明显，具有产生磁阻转矩大的优点。

电机转子上永磁体的布置方式可以为表贴式或者内置式。表贴式的电机转子结构简单，安装方便、尺寸小、重量小。然而表贴式结构的永磁体固定较困难，在电机转子运行的过程中，表贴式结构的永磁体受离心力和磁拉力作用时会导致电机转子的结构不稳定，且表贴式结构的电机转子还具有无法利用磁阻转矩、永磁体用量大、永磁体表面涡流大等缺点。因此，在本实施方式中可以通过将轴向充磁永磁体设置在相对应的安装槽内，而形成内置式结构，内置式结构的电机转子电机凸极效应明显，具有产生磁阻转矩大的优点；永磁体实现内置式结构，电机凸极效应明显、弱磁性能好、磁阻转矩大；可优化变量多，优化空间大，永磁体和安装槽的具体数量不做具体限定，且采用三层聚磁结构，q轴磁路6增加，磁阻转矩利用率更高；采用至少三层聚磁结构，气隙磁密正弦度高，谐波小，减小电机产生的振动和噪声，聚磁结构的层数具体不做限制，本发明以三层结构为例做说明，还可以将其设置为四层、五层等。

本发明的轴向磁场永磁电机三层聚磁型永磁体组合充磁内置式转子结构，其永磁体与气隙间留有一定间隙，给转子铁心1留有空间，以便在转子铁心1加工时形成一个整体，以确保结构强度，如图4所示，转子铁心1采用硅钢片7周向卷绕而成，硅钢片7为一体成型的条状薄硅钢片，从而便于卷绕成型，仅需在硅钢片上等间距的依次开槽，然后将其卷绕即可，卷绕成型后，硅钢片7上等间距设置的槽依次对应设置形成相应的U型安装槽，即可成为侧面具有安装槽的转子铁心1，转子铁心1为一个整体，结构强度高，开槽仅于永磁体位置处，再将对应永磁体插入相应的安装槽中；转子中的永磁体被安装在转子铁心1开设的安装槽中，以固定永磁体在切向与轴向上的位置；转子铁心1通过开槽形为一个整体，嵌放永磁体，提高了转子结构强度。

本发明可优化参数众多，转子结构优化空间大，本发明在对各参数确定其取值范围时，可对永磁体用量、气隙磁密幅值、气隙磁密正弦度、交直轴电感等结果进行优化，得到最优设计方案，于不同的实施方式中，轴向充磁永磁体和切向充磁永磁体的具体数量并不作具体限制，可以根据需要依次对应设置，相邻两层U型聚磁结构永磁体组合之间的安装槽的槽壁厚度小于同一层U型聚磁结构永磁体组合的相邻两个轴向充磁永磁体之间的间隙尺寸，从而预留有交轴磁路，即安装槽的侧壁开设于交轴磁路位置处，其磁阻小于空气的磁阻或安装槽侧壁磁阻小于磁性材料的磁阻，设计更加灵活，可以起到减小交轴磁路的磁阻，增大交轴电感的作用，以增大磁阻转矩。

如图9、图10和图11所示，图9中横轴为谐波次数，纵轴为气隙磁密，图10中，横轴为转子位置，纵轴为气隙磁密，图11中横轴为电角度，纵轴为电感，结合三幅对比图可知，本发明的轴向磁场永磁电机三层聚磁型永磁体组合充磁内置式转子结构，和传统轴向磁场永磁电机单层U型聚磁转子内置式结构相比，采用三层聚磁结构，q轴磁路6增加，聚磁能力增强，可实现高正弦度气隙磁密，气隙磁密谐波更小，对应反电势的谐波畸变率更小，永磁体均采用被安装槽包裹的内置式结构，从而永磁电机产生的振动和噪声减小；本发明凸极效应明显，采用U型和一字型永磁体组合形式可以提高电机的凸极效应，充分利用磁阻转矩，提高电机转矩或功率密度，凸极比高于传统单层U型聚磁结构，磁阻转矩利用率更大；且可优化变量多，优化空间大。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种轴向磁通电机内置式永磁转子结构，其特征在于：包括两个结构相同且同轴设置的转子盘，所述转子盘包括截面为圆环状的转子铁心，圆环状的所述转子铁心采用硅钢片周向卷绕而成，所述转子铁心周向上均匀嵌设有至少三层永磁体组，所述永磁体组包括自所述转子铁心外侧向所述转子铁心圆心方向依次设置的第一层U型聚磁结构永磁体组合、第二层U型聚磁结构永磁体组合、第三层一字型结构永磁体；两个所述转子盘以永磁体面相对的方式安装在转轴上，且两个所述转子盘之间为定子盘。

2.根据权利要求1所述的轴向磁通电机内置式永磁转子结构，其特征在于：所述第一层U型聚磁结构永磁体组合包括间隔设置的第一层轴向充磁永磁体，多个所述第一层轴向充磁永磁体沿周向均匀嵌设于所述转子铁心侧面的第一安装槽内；所述第二层U型聚磁结构永磁体组合包括间隔设置的第二层轴向充磁永磁体，多个所述第二层轴向充磁永磁体沿周向均匀嵌设于所述转子铁心侧面的第二安装槽内；所述第三层一字型结构永磁体包括间隔设置的第三层轴向充磁永磁体，多个所述第三层轴向充磁永磁体沿周向均匀嵌设于所述转子铁心侧面的第三安装槽内，且所述第二安装槽位于所述第一安装槽和第三安装槽之间。

3.根据权利要求2所述的轴向磁通电机内置式永磁转子结构，其特征在于：所述第一层U型聚磁结构永磁体组合还包括第一层切向充磁永磁体，相邻两个所述第一层轴向充磁永磁体之间均对称插设有所述第一层切向充磁永磁体；所述第二层U型聚磁结构永磁体组合还包括第二层切向充磁永磁体，相邻两个所述第二层轴向充磁永磁体之间均对称插设有所述第二层切向充磁永磁体；所述第一层U型聚磁结构永磁体组合、第二层U型聚磁结构永磁体组合、第三层一字型结构永磁体的中心与转子铁心所在虚拟圆的圆心之间的连线长度逐渐减小。

4.根据权利要求3所述的轴向磁通电机内置式永磁转子结构，其特征在于：所述第一层切向充磁永磁体和第二层切向充磁永磁体结构相同；所述第一层切向充磁永磁体包括两个对称设置的切向充磁永磁体块。

5.根据权利要求3所述的轴向磁通电机内置式永磁转子结构，其特征在于：每个永磁体组的周向上相邻两个永磁体充磁方向相反，所述第一层切向充磁永磁体和第二层切向充磁永磁体均切向充磁，且相邻两个所述第一层切向充磁永磁体和第二层切向充磁永磁体之间通过转子铁心分隔不接触。

6.根据权利要求5所述的轴向磁通电机内置式永磁转子结构，其特征在于：所述第三层轴向充磁永磁体两端开有对称设置的隔磁槽。

7.根据权利要求6所述的轴向磁通电机内置式永磁转子结构，其特征在于：所述第一层轴向充磁永磁体、第二层轴向充磁永磁体和第三层轴向充磁永磁体均为扇形环状结构，且所述第一层轴向充磁永磁体、第二层轴向充磁永磁体和第三层轴向充磁永磁体两端延长线与各自所在虚拟圆圆心连接后所形成的角度依次减小。

8.根据权利要求4所述的轴向磁通电机内置式永磁转子结构，其特征在于：所述第一层切向充磁永磁体和第二层切向充磁永磁体的切向充磁永磁体块均为条形块状结构。

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