CN114189074A - 内置式永磁转子盘及盘式电机 - Google Patents

内置式永磁转子盘及盘式电机 Download PDF

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葛士荣
王晶
张雨晴
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Abstract

本发明公开一种内置式永磁转子盘及包括内置式永磁转子盘的盘式电机，涉及永磁电机转子领域，转子盘包括：环状转子铁心、非导磁保护套以及多个第一永磁体组，多个第一永磁体组沿环状转子铁心的周向均匀设置，且任意相邻两第一永磁体组之间均具有间隔，各第一永磁体组均嵌设于环状转子铁心内部，环状转子铁心套设于电机的非导磁支座上，非导磁保护套设于环状转子铁心的外侧壁上，任意相邻两个第一永磁体组均充磁方向相反，第一永磁体组与环状转子铁心以及电机的定子盘能够形成第一闭合磁路。该转子盘永磁体内嵌使转子稳定性好，同时内置式结构增强转子聚磁能力，提高转子的凸极效应，提高磁阻转矩，同功率水平下，减少转子的永磁体用量。

Description

内置式永磁转子盘及盘式电机
技术领域
本发明涉及永磁电机转子领域，特别是涉及一种内置式永磁转子盘及其盘式电机。
背景技术
轴向永磁电机(axial flux permanent magnet machine,AFPMM)也称为盘式永磁电机。轴向永磁电机气隙呈平面型，气隙磁场沿轴向分布。近年来，轴向电机因其结构紧凑、效率高、功率密度大等优点获得国内外研究人员越来越多的关注，同时其在电动汽车、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也得到了越来越广泛的应用。常用的轴向永磁电机转子为表贴式结构，表贴式结构结构简单、安装方便、尺寸小、重量轻，但其永磁体固定较为困难，在转子转动的过程中，表贴式结构的永磁体会受离心力和磁拉力的作用，导致转子在长时间的工作时结构不稳定，且表贴式转子由于交直轴电感几乎相同，导致磁阻转矩很小，弱磁能力较差，在额定转矩固定的情况下，磁阻转矩很小，就需要永磁转矩大，这就要求永磁体用量大。
因此，如何提供一种稳定性好，且永磁体用量小的转子结构成为本领域技术人员目前所亟待解决的问题。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种稳定性好，且永磁体用量小的内置式永磁转子盘及盘式电机。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种内置式永磁转子盘，包括：环状转子铁心、非导磁保护套以及多个第一永磁体组，多个所述第一永磁体组沿所述环状转子铁心的周向均匀设置，且任意相邻两所述第一永磁体组之间均具有间隔，各所述第一永磁体组均嵌设于所述环状转子铁心内部，所述环状转子铁心套设于电机的非导磁支座上，所述非导磁保护套设于所述环状转子铁心的外侧壁上，任意相邻两个所述第一永磁体组均充磁方向相反，所述第一永磁体组与所述环状转子铁心以及所述电机的定子盘能够形成第一闭合磁路。
优选地，所述环状转子铁心采用硅钢片沿周向卷绕而成。
优选地，所述环状转子铁心的两侧各设置一个定子盘，各所述定子盘与所述第一永磁体组和所述环状转子铁心均能够形成所述第一闭合磁路。
优选地，所述第一永磁体组包括沿所述环状转子铁心的轴向依次设置的第一切向磁组、第一轴向永磁体以及第二切向磁组，所述第一切向磁组包括两个对称设置于所述第一轴向永磁体两侧的第一切向永磁体，所述第二切向磁组包括两个对称设置于所述第一轴向永磁体两侧的第二切向永磁体。
优选地，任意相邻两个所述第一永磁体组二者均共用一个所述第一切向永磁体和一个所述第二切向永磁体。
优选地，所述第一永磁体组包括对称设置的第一U形永磁体和第二U形永磁体，所述第一U形永磁体包括第二轴向永磁体以及对称设置于所述第二轴向永磁体两侧的两个第三切向永磁体，所述第二U形永磁体包括第三轴向永磁体以及对称设置于所述第三轴向永磁体两侧的两个第四切向永磁体。
优选地，任意相邻两个所述第一永磁体组之间均设置有第二永磁体组，所述第二永磁体组包括两个沿轴线方向设置的第五切向永磁体，所述第二永磁体组能够与与其相邻的两个第一永磁体组、所述环状转子铁心以及所述定子盘形成第二闭合磁路。
本发明还提供一种盘式电机，包括：所述非导磁支座、两个所述定子盘以及所述的内置式永磁转子盘，所述环状转子铁心套设于所述非导磁支座上，两个所述定子盘对称设置于所述环状转子铁心的两侧，且各所述定子盘与所述转子盘之间均形成有轴向间隙。
优选地，盘式电机还包括前端盖、后端盖、转轴、旋转变压器以及两个轴承，所述前端盖与所述后端盖可拆卸连接，所述前端盖和所述后端盖形成有安装腔，所述内置式永磁转子盘、所述非导磁支座、所述转轴、所述旋转变压器、两个所述定子盘以及两个所述轴承均设置于所述安装腔内，所述非导磁支座设置于所述转轴上，两个所述定子盘各通过一个所述轴承可转动地设置于所述转轴上，所述旋转变压器包括定子和转子，所述定子设置于所述后端盖上，所述转子设置于所述转轴上。
优选地，所述定子盘包括环状定子铁心和电枢绕组，所述环状定子铁心的一侧设置有多个电枢绕组槽，所述电枢绕组槽的槽深小于所述环状定子铁心的轴向厚度，各所述电枢绕组槽内均嵌绕有所述电枢绕组。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的内置式永磁转子盘包括：环状转子铁心、非导磁保护套以及多个第一永磁体组，多个第一永磁体组沿环状转子铁心的周向均匀设置，且任意相邻两第一永磁体组之间均具有间隔，各第一永磁体组均嵌设于环状转子铁心内部，环状转子铁心套设于电机的非导磁支座上，非导磁保护套设于环状转子铁心的外侧壁上，任意相邻两个第一永磁体组均充磁方向相反，第一永磁体组与环状转子铁心以及电机的定子盘能够形成第一闭合磁路。内置式永磁转子盘永磁体内嵌使转子稳定性好，同时内置式结构具有弱磁性能好，凸极效应明显和磁阻转矩大的优势，同永磁体用量的情况下，电机的磁阻转矩以及总转矩更高，相同功率水平下，永磁体用量更少。
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为本发明实施例一中提供的内置式永磁转子盘的爆炸图；
图2本发明实施例一中提供的内置式永磁转子盘环状转子铁心结构示意图；
图3为为本发明实施例一中提供的内置式永磁转子盘第一闭合磁路设置方式图；
图4为本发明实施例二中提供的内置式永磁转子盘的结构示意图；
图5为本发明实施例三中提供的内置式永磁转子盘的结构示意图；
图6为本发明实施例四中提供的内置式永磁转子盘的结构示意图；
图7为本发明实施例五中提供的内置式永磁转子盘的结构示意图；
图8为本发明实施例一中提供的盘式电机的爆炸图。
附图标记说明：100、内置式永磁转子盘；1、环状转子铁心；101、第一安装槽体；2、非导磁保护套；3、第一闭合磁路；4、第一轴向永磁体；5、第一切向永磁体；6、第二切向永磁体；7、第二轴向永磁体；8、第三切向永磁体；9、第三轴向永磁体；10、第四切向永磁体；11、第五切向永磁体；12、非导磁支座；13、前端盖；14、后端盖；15、转轴；16、轴承；17、定子盘；1701、环状定子铁心；17011、电枢绕组槽；1702、电枢绕组；18、轴向间隙。
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稳定性好，且永磁体用量小的内置式永磁转子盘及盘式电机。
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。
实施例一
参考图1-图8所示，本实施例提供的内置式永磁转子盘100包括：环状转子铁心1、非导磁保护套2以及多个第一永磁体组，多个第一永磁体组沿环状转子铁心1的周向均匀设置，且任意相邻两第一永磁体组之间均具有间隔，各第一永磁体组均嵌设于环状转子铁心1内部，环状转子铁心1套设于电机的非导磁支座12上，非导磁保护套2设于环状转子铁心1的外侧壁上，非导磁保护套2在环状转子铁心1转动时限制第一永磁体组径向方向上的运动，任意相邻两个第一永磁体组均充磁方向相反，第一永磁体组与环状转子铁心1以及电机的定子盘17能够形成第一闭合磁路3。内置式永磁转子盘100永磁体内嵌使转子稳定性好，同时内置式结构具有弱磁性能好，凸极效应明显和磁阻转矩大的优势，同永磁体用量的情况下，电机的磁阻转矩以及总转矩更高，相同功率水平下，永磁体用量更少。
本实施例中具体地，非导磁保护套2采用碳纤维制成。
于本实施例中，环状转子铁心1采用硅钢片沿周向卷绕而成。进一步地，硅钢片卷绕前预先开设用于安装第一永磁体组的第一开孔组，硅钢片卷绕过程中第一开孔组重叠形成用于安装第一永磁磁组的第一安装槽体101。第一安装槽体101的形状与第一永磁体组的形状相匹配。
于本实施例中，环状转子铁心1的两侧各设置一个定子盘17，各定子盘17与第一永磁体组和环状转子铁心1均能够形成第一闭合磁路3。
于本实施例中，如图3所示，第一永磁体组包括沿环状转子铁心1的轴向依次设置的第一切向磁组、第一轴向永磁体4以及第二切向磁组，第一切向磁组包括两个对称设置于第一轴向永磁体4两侧的第一切向永磁体5，第二切向磁组包括两个对称设置于第一轴向永磁体4两侧的第二切向永磁体6。需要说明的是切向指的是沿环状转子铁心1的切线方向，轴向指的是沿环状转子铁心1的轴线方向。
进一步地，如图3所示，本实施例中，任意相邻的两个第一轴向永磁体4充磁方向轴向方向上均相反；两个第一切向永磁体5充磁方向切向方向上相反；两个第二切向永磁体6充磁方向切向方向上相反；两个第一切向永磁体5与两个第二切向永磁体6的充磁方向相反(两个第一切向永磁体5充磁方向相对、两个第二切向永磁体6充磁方向相向，或者两个第一切向永磁体5充磁方向相向、两个第二切向永磁体6充磁方向相对)。进一步地，第一切向永磁体5和第二切向永磁体6具体均选用辐条形永磁体，第一轴向永磁体4具体选用扇形永磁体，且扇形永磁体的内圆弧和外圆弧与环状转子铁心1为同圆心结构，扇形永磁体的两条直线边可与环状转子铁心1的径向方向平行，也可与环状转子铁心1的径向方向存在夹角，且采用该永磁体组合的结构，交轴磁路增加，磁阻转矩利用率更高；同时，也可以通过增加第一轴向永磁体4两条直线边与环状转子铁心1径向方向上的夹角来减少电转矩波动，降低电机产生的振动和噪声。
本实施例提供的内置式永磁转子盘100相邻的所述第一永磁体组之间预留出交轴磁路，且交轴磁路上为硅钢片卷绕而成的环状转子铁心1，磁阻较小，可以起到较小交轴磁阻，增大交轴电感的作用，从而增大交轴电感与直轴电感的差值。磁阻转矩与交轴电感和直轴电感有关，交轴电感与直轴电感差异越大，电机的凸极效应越明显，磁阻转矩越大。可以理解的是，在所需的电机转矩固定的情况下，增大磁阻转矩，可以相应的减少永磁体转矩，这样可以减少永磁体的用量，有利于节约电机的制造成本。本实施例提供的内置式永磁转子盘100结构简单，设计灵活，能满足不同应用场景对电机多样化的性能需求。
如图8所示，本实施例还提供一种盘式电机，其包括：非导磁支座12、两个定子盘17以及本实施例提供的内置式永磁转子盘100，环状转子铁心1套设于非导磁支座12上，两个定子盘17对称设置于环状转子铁心1的两侧，且各定子盘17与转子盘之间均形成有轴向间隙18(轴向气隙)。另外，第一永磁体组与轴向间隙18间留有一定的间隙，即第一永磁体组与轴向间隙18通过环状转子铁心1分隔不接触。
于本实施例中，如图8所示，盘式电机还包括前端盖13、后端盖14、转轴15、旋转变压器以及两个轴承16，前端盖13与后端盖14可拆卸连接，前端盖13和后端盖14形成有安装腔，内置式永磁转子盘100、非导磁支座12、转轴15、旋转变压器、两个定子盘17以及两个轴承16均设置于安装腔内，非导磁支座12设置于转轴15上，环状转子铁心1套设于非导磁支座12上，通过非导磁支座12实现环状转子铁心1和转轴15的同步旋转，两个定子盘17各通过一个轴承16可转动地设置于转轴15上，旋转变压器包括定子和转子，定子设置于后端盖14上，转子设置于转轴15上，旋转变压器用于识别转子位置信息。
于本实施例中，如图8所示，定子盘17包括环状定子铁心1701和电枢绕组1702，环状定子铁心1701的一侧设置有多个电枢绕组槽17011，电枢绕组槽17011的槽深小于环状定子铁心1701的轴向厚度，各电枢绕组槽17011内均嵌绕有电枢绕组1702，两个环状定子铁心1701开槽侧相对安装。本实施例中具体地，环状定子铁心1701由硅钢片卷绕而成或由软磁合金材料压制而成。
实施例二
参考图4所示，本实施例包括实施例一的部分或者全部特征，不同之处在于，本实施例提供的内置式永磁转子盘100任意相邻两个第一永磁体组二者均共用一个第一切向永磁体5和一个第二切向永磁体6。
实施例三
参考图5所示，本实施例包括实施例一的部分或者全部特征，不同之处在于，本实施例提供的内置式永磁转子盘100第一永磁体组包括对称设置的第一U形永磁体和第二U形永磁体，第一U形永磁体包括第二轴向永磁体7以及对称设置于第二轴向永磁体7两侧的两个第三切向永磁体8，第二U形永磁体包括第三轴向永磁体9以及对称设置于第三轴向永磁体9两侧的两个第四切向永磁体10。
进一步地，如图5所示，本实施例中，第二轴向永磁体7和第三轴向永磁体9充磁方向轴向方向上相同；两个第三切向永磁体8充磁方向切向方向上相反；两个第四切向永磁体10充磁方向切向方向上相反；两个第三切向永磁体8与两个第四切向永磁体10的充磁方向相反。
本实施例中，具体地，第三切向永磁体8和第四切向永磁体10同样具体均选用辐条形永磁体，第一轴向永磁体4同样具体选用扇形永磁体。
实施例四
参考图6所示，本实施例包括实施例一的部分或者全部特征，不同之处在于，本实施例提供的内置式永磁转子盘100任意相邻两个第一永磁体组之间均设置有第二永磁体组，第二永磁体组与相邻的两个第一永磁体组之间均具有间隔，第二永磁体组包括两个沿轴线方向设置的第五切向永磁体11，第二永磁体组能够与与其相邻的两个第一永磁体组、环状转子铁心1以及定子盘17形成第二闭合磁路。第二永磁体组与轴向气隙通过环状转子铁心分隔不接触。
本实施例中，具体地，第五切向永磁体11同样具体选用辐条形永磁体，且本实施例中，两个五切向永磁体轴向设置位置分别与第一切向磁组和第二切向磁组轴向位置相对。
进一步地，硅钢片卷绕前预先开设用于安装第二永磁体组的第二开孔组，硅钢片卷绕过程中第二开孔组重叠形成用于安装第二永磁磁组的第二安装槽体。第二安装槽体的形状与第一永磁体组的形状相匹配。
实施例五
参考图7所示，本实施例包括实施例三的部分或者全部特征，不同之处在于，本实施例提供的内置式永磁转子盘100任意相邻两个第一永磁体组之间均设置有第二永磁体组，第二永磁体组与相邻的两个第一永磁体组之间均具有间隔，第二永磁体组包括两个沿轴线方向设置的第五切向永磁体11，第二永磁体组能够与与其相邻的两个第一永磁体组、环状转子铁心1以及定子盘17形成第二闭合磁路。第二永磁体组与轴向气隙通过环状转子铁心分隔不接触。
本实施例中同样第五切向永磁体11具体选用辐条形永磁体，且本实施例中，两个第五切向永磁体11轴向设置位置分别与第三切向永磁体8和第四切向永磁体10轴向位置相对。
本说明书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 (10)

1.一种内置式永磁转子盘，其特征在于，包括：环状转子铁心、非导磁保护套以及多个第一永磁体组，多个所述第一永磁体组沿所述环状转子铁心的周向均匀设置，且任意相邻两所述第一永磁体组之间均具有间隔，各所述第一永磁体组均嵌设于所述环状转子铁心内部，所述环状转子铁心套设于电机的非导磁支座上，所述非导磁保护套设于所述环状转子铁心的外侧壁上，任意相邻两个所述第一永磁体组均充磁方向相反，所述第一永磁体组与所述环状转子铁心以及所述电机的定子盘能够形成第一闭合磁路。
2.根据权利要求1所述的内置式永磁转子盘，其特征在于，所述环状转子铁心采用硅钢片沿周向卷绕而成。
3.根据权利要求1所述的内置式永磁转子盘，其特征在于，所述环状转子铁心的两侧各设置一个定子盘，各所述定子盘与所述第一永磁体组和所述环状转子铁心均能够形成所述第一闭合磁路。
4.根据权利要求3所述的内置式永磁转子盘，其特征在于，所述第一永磁体组包括沿所述环状转子铁心的轴向依次设置的第一切向磁组、第一轴向永磁体以及第二切向磁组，所述第一切向磁组包括两个对称设置于所述第一轴向永磁体两侧的第一切向永磁体，所述第二切向磁组包括两个对称设置于所述第一轴向永磁体两侧的第二切向永磁体。
5.根据权利要求4所述的内置式永磁转子盘，其特征在于，任意相邻两个所述第一永磁体组二者均共用一个所述第一切向永磁体和一个所述第二切向永磁体。
6.根据权利要求3所述的内置式永磁转子盘，其特征在于，所述第一永磁体组包括对称设置的第一U形永磁体和第二U形永磁体，所述第一U形永磁体包括第二轴向永磁体以及对称设置于所述第二轴向永磁体两侧的两个第三切向永磁体，所述第二U形永磁体包括第三轴向永磁体以及对称设置于所述第三轴向永磁体两侧的两个第四切向永磁体。
7.根据权利要求4或6所述的内置式永磁转子盘，其特征在于，任意相邻两个所述第一永磁体组之间均设置有第二永磁体组，所述第二永磁体组包括两个沿轴线方向设置的第五切向永磁体，所述第二永磁体组能够与与其相邻的两个第一永磁体组、所述环状转子铁心以及所述定子盘形成第二闭合磁路。
8.一种盘式电机，其特征在于，包括：
所述非导磁支座、两个所述定子盘以及如权利要求4-7任一项所述的内置式永磁转子盘，所述环状转子铁心套设于所述非导磁支座上，两个所述定子盘对称设置于所述环状转子铁心的两侧，且各所述定子盘与所述转子盘之间均形成有轴向间隙。
9.根据权利要求8所述的盘式电机，其特征在于，还包括前端盖、后端盖、转轴、旋转变压器以及两个轴承，所述前端盖与所述后端盖可拆卸连接，所述前端盖和所述后端盖形成有安装腔，所述内置式永磁转子盘、所述非导磁支座、所述转轴、所述旋转变压器、两个所述定子盘以及两个所述轴承均设置于所述安装腔内，所述非导磁支座设置于所述转轴上，两个所述定子盘各通过一个所述轴承可转动地设置于所述转轴上，所述旋转变压器包括定子和转子，所述定子设置于所述后端盖上，所述转子设置于所述转轴上。
10.根据权利要求9所述的盘式电机，其特征在于，所述定子盘包括环状定子铁心和电枢绕组，所述环状定子铁心的一侧设置有多个电枢绕组槽，所述电枢绕组槽的槽深小于所述环状定子铁心的轴向厚度，各所述电枢绕组槽内均嵌绕有所述电枢绕组。
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