CN117154978A - 高速内置式永磁电机转子结构 - Google Patents
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Abstract
高速内置式永磁电机转子结构，属于高速永磁电机领域。本发明为解决内置式永磁电机高速运行时由于通过绑扎碳纤维护套提高转子机械强度时，导致电机的等效气隙随之增大、使主磁路磁阻增大，从而使电磁性能降低的问题。本发明将外部隔磁桥进行分段式结构设计，由嵌入在转子铁心外侧壁内的多个非导磁填充块构成，且多个非导磁填充块沿转子铁心轴向方向上依次均匀分布，相邻的两个非导磁填充块非接触。有效阻断了漏磁路径，主磁通利用率得到提升，还能通过减小磁通沿轴向的闭合路径长度来减小涡流损耗，降低转子温升。本发明主要应用在电机领域。
Description
技术领域
本发明属于高速永磁电机领域。
背景技术
高速永磁电机具有体积小、功率密度和效率高、可直接与高速负载或原动机相连、低振噪和高可靠性等优点，在电动汽车、航空航天、分布式发电系统、离心式压缩机以及飞轮储能等诸多高速驱动装备领域具有广泛的应用前景。但是电机高速运行时转子部件会承受巨大的离心力，有可能导致转子结构损坏，影响电机的正常运行。随着工业自动化和电气化的不断深入，对电机功率和转速的需求不断增大，转子结构的机械强度成为了制约电机性能和可靠性的重要因素。
对于内置式永磁同步电机，电机不仅要满足电磁性能，还要满足转子机械强度要求。在一些高速应用场景，仅靠内置式永磁转子本身的结构强度可能无法满足要求，可借鉴表贴式永磁转子绑扎碳纤维护套的保护措施，即在转子铁心外面绑扎碳纤维护套来保证电机高速下的安全运行。绑扎碳纤维护套可以降低转子的最大应力值，满足转子的机械强度要求，但电机的等效气隙随之增大，导致主磁路磁阻增大，从而使电磁性能降低。因此，研究采用碳纤维护套来满足转子机械强度的同时，如何保持电机电磁性能具有普遍的意义。
发明内容
本发明目的是为解决内置式永磁电机高速运行时由于通过绑扎碳纤维护套提高转子机械强度时，导致电机的等效气隙随之增大、使主磁路磁阻增大，从而使电磁性能降低的问题。本发明提供了一种高速内置式永磁电机转子结构。
高速内置式永磁电机转子结构，包括转子铁心、永磁体、加强筋、碳纤维保护套；
转子铁心为圆环形结构，转子铁心沿圆周方向上均匀分布多个V字形磁极槽对，每个V字形磁极槽对包括两个非接触的磁钢槽，两个磁钢槽结构相同且对称排列呈V字形，每个V字形磁极槽的磁钢槽内嵌一个永磁体，形成内置式V型磁极结构；
每个V字形磁极槽对中磁钢槽的两端位置均开设有与其相通的空气隔磁槽；
V字形磁极槽对中靠近V字形顶部的空气隔磁槽与转子铁心的外边缘之间区域形成分段式结构的外部隔磁桥；
V字形磁极槽对中靠近V字形底部的两个空气隔磁槽之间形成中间隔磁桥；
分段式结构的外部隔磁桥由嵌入在转子铁心外侧壁内的多个非导磁填充块构成，且多个非导磁填充块沿转子铁心轴向方向上依次均匀分布，相邻的两个非导磁填充块非接触；
非导磁填充块采用非导磁合金钢实现；
加强筋采用非导磁材料制成，将永磁体固定在转子铁心上，分担外部隔磁桥和中间隔磁桥处应力；
碳纤维保护套套设在转子铁心外部。
优选的是，非导磁填充块采用型号为GH4169的镍基合金材料制成。
优选的是，加强筋榫卯在转子铁心上。
优选的是，加强筋采用GH4169型合金钢实现。
优选的是，非导磁填充块为矩形块体。
优选的是，加强筋设置在永磁体的中间。
本发明的优点：
1、对转子外部隔磁桥进行断桥结构设计，分段式结构的外部隔磁桥由嵌入在转子铁心外侧壁内的多个非导磁填充块构成，在不影响转子机械强度的前提下有效阻断了永磁体极间漏磁路径，提升了永磁体的利用率，从而解决了绑扎碳纤维护套后导致的等效气隙增大，从而使电磁性能下降的问题；
2、非导磁填充块沿轴向分段，通过减小涡流沿轴向的流通路径来减小涡流损耗，从而使转子温升降低；
3、在永磁体段间增设非导磁高强度加强筋，可以明显改善转子应力分布，从而进一步减小护套厚度，并且非导磁加强筋不会在永磁体段间产生漏磁；
4、在转子铁心外表面设有轻质高强的碳纤维保护套，保证高速下转子的安全运行。
附图说明
图1为本发明的高速内置式永磁电机转子结构的径向截面示意图；
图2为本发明的高速内置式永磁电机转子结构的三维结构示意图；
图3为对外部隔磁桥进行分段式结构设计情况下的转子铁心的应力云图；
图4为对外部隔磁桥进行分段式结构设计情况下时，套设在转子铁心上的碳纤维保护套的切向应力云图；
图5为未对外部隔磁桥进行分段式断桥结构设计时的高速内置式永磁电机转子结构的径向截面示意图；
图6为未对外部隔磁桥进行分段式结构设计情况下的转子铁心应力云图；
图7为未对外部隔磁桥进行分段式结构设计情况下时，套设在转子铁心上的碳纤维保护套的切向应力云图；
图8为对外部隔磁桥进行分段式结构设计前后高速内置式永磁电机磁力线分布云图；其中，图8a为外部隔磁桥分段分段式结构设计前所对应的高速内置式永磁电机磁力线分布云图，图8b为外部隔磁桥分段分段式结构设计后所对应的高速内置式永磁电机磁力线分布云图。
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的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的高速内置式永磁电机转子结构，包括转子铁心1、永磁体2、加强筋3、碳纤维保护套4；
转子铁心1为圆环形结构，转子铁心1沿圆周方向上均匀分布多个V字形磁极槽对，每个V字形磁极槽对包括两个非接触的磁钢槽，两个磁钢槽结构相同且对称排列呈V字形，每个V字形磁极槽的磁钢槽内嵌一个永磁体2，形成内置式V型磁极结构；
每个V字形磁极槽对中磁钢槽的两端位置均开设有与其相通的空气隔磁槽；
V字形磁极槽对中靠近V字形顶部的空气隔磁槽与转子铁心1的外边缘之间区域形成分段式结构的外部隔磁桥5；
V字形磁极槽对中靠近V字形底部的两个空气隔磁槽之间形成中间隔磁桥6；
分段式结构的外部隔磁桥5由嵌入在转子铁心1外侧壁内的多个非导磁填充块5-1构成，且多个非导磁填充块5-1沿转子铁心1轴向方向上依次均匀分布，相邻的两个非导磁填充块5-1非接触；
非导磁填充块5-1采用非导磁合金钢实现；
加强筋3采用非导磁材料制成，将永磁体2固定在转子铁心1上，分担外部隔磁桥5和中间隔磁桥6处应力，从而提升转子结构的机械强度；
碳纤维保护套4套设在转子铁心1外部。
本发明对转子外部隔磁桥进行断桥结构设计，V字形磁极槽对中靠近V字形顶部的空气隔磁槽与转子铁心1的外边缘之间区域形成分段式结构的外部隔磁桥5；分段式结构的外部隔磁桥5由嵌入在转子铁心1外侧壁内的多个非导磁填充块5-1构成。应用时，转子铁心1采用硅钢实现，永磁体2平行充磁。
图5为未对外部隔磁桥5进行分段式断桥结构设计时的高速内置式永磁电机转子结构的径向截面示意图；图5中转子铁心是由导磁材料硅钢制成，之所以在转子铁心上形成中间隔磁桥6和外部隔磁桥5，是由于V字形磁极槽对中磁极槽两端的空气隔磁槽存在所形成的，其中，磁极槽对中靠近V字形底部的两个空气隔磁槽之间形成中间隔磁桥6，V字形磁极槽对中靠近V字形顶部的空气隔磁槽与转子铁心1的外边缘之间形成外部隔磁桥5。图5中电机转子高速旋转产生的离心力主要由中间隔磁桥6、外部隔磁桥5和加强筋3承担。
本发明非导磁填充块5-1沿轴向均匀分段，两个非导磁填充块5-1存在间隔，也即非接触，分段式设计有效阻断了漏磁路径，从而使该处磁力线经过定子齿与电枢绕组交链，主磁通利用率得到提升，并且还能通过减小磁通沿轴向的闭合路径长度来减小涡流损耗，降低转子温升。更进一步，非导磁填充块5-1采用非导磁合金钢实现，进一步的抑制了导磁能力，减小磁力线经过非导磁填充块5-1，主磁通利用率得到提升。
由于非导磁填充块5-1非导磁的特性，且任意相邻的两个非导磁填充块5-1非接触，使其利用“磁力线走磁阻最小路径”的原则，可以有效阻断永磁体极间漏磁路径，从而使该处磁力线经过定子齿与电枢绕组交链，主磁通利用率得到提升，降低转子损耗，提升了电机性能。进一步的非导磁填充块5-1采用型号为GH4169的镍基合金材料制成。由于GH4169材料良好的导电性，有利于降低转子损耗，提升电机性能。
具体应用时，非导磁填充块5-1可为矩形块体，具体参见图2。
具体应用时，加强筋3榫卯在转子铁心1上，采用GH4169型合金钢实现，其为高强度合金材料，通过过盈配合嵌入转子铁心1，可适当的使用胶水或粘结剂，确保加强筋与转子铁心1连接牢固。并且加强筋3设置在永磁体2的中间，对永磁体2进行定位，将其一分为二，形成两段，左右两侧的两段永磁体长度相同，以分担该永磁体2两端的外部隔磁桥5和中间隔磁桥6间的应力，进一步提升转子结构的机械强度。
碳纤维保护套4主要是将浸胶的碳纤维丝束按规律缠绕到芯模表面，固化脱模后通过过盈装配到转子铁心1外表面，保证高速下转子的安全运行。
验证试验：
通过以下附图来说明改进后的本发明高速内置式永磁电机转子结构，在不影响转子机械强度的前提，下依然能提高电磁性能。
参见图1和图5，分别为本发明分别对电机转子结构外部的外部隔磁桥5进行分段式断桥结构设计前后的对比图；
图1中将外部隔磁桥5设计成分段式结构设计，嵌入了多个非导磁填充块5-1，离心力由中间隔磁桥6、加强筋3和非导磁填充块5-1承担，从应力的角度，分段式结构的外部隔磁桥5所形成的转子铁心应力云图，参见图3，其所承受应力区间为358MPa至0.054094MPa之间。图4为对外部隔磁桥5进行分段式结构设计情况下时，套设在转子铁心1上的碳纤维保护套的切向应力云图。
图5为外部隔磁桥5为未设计成分段式结构时的电机转子结构的径向截面示意图，该图5中未分段时的外部隔磁桥5会导致永磁转子高速旋转产生的离心力主要由中间隔磁桥6、外部隔磁桥5和加强筋3承担。
未对外部隔磁桥5进行分段式结构设计情况下的转子铁心应力云图，参见图6；其所承受应力区间为357.42MPa至0.064697MPa之间。图7为未对外部隔磁桥5进行分段式结构设计情况下，套设在转子铁心1上的碳纤维保护套的切向应力云图。
在相同条件下进行试验通过图3和图6间对比，对外部隔磁桥5进行分段式结构设计前后转子铁心应力相差不大，几乎相同。通过图4和图7间对比，对外部隔磁桥5进行分段式结构设计前后套设在转子铁心1上的碳纤维保护套的切向应力相差不大，几乎相同。也即：分段前后转子机械强度几乎相同。
参见图2，所述非导磁填充块5-1沿轴向均匀分段，可以降低加工难度，方便制造和装配。分段前，涡流路径沿着轴向连续。分段后，磁通沿轴向的闭合路径长度减小，涡流损耗的总体效应减小，从而降低转子温升。在每段填充块之间留有一定宽度的间隔，填充块与转子铁心1之间缝隙可填充绝缘漆，提升电机的绝缘性能和可靠性，同时增加电机的散热效果和防护能力。
参见图8中，图8a为本发明的外部隔磁桥5进行分段式结构设计前高速内置式永磁电机转子结构磁力线分布云图，可以看出，在外部隔磁桥5生了较为严重的极间漏磁，该处磁力线未进入定子齿与电枢绕组有效耦合，而是在转子内部形成了闭合曲线，从而使主磁通的利用率降低。图8b为外部隔磁桥5进行分段式结构设计后的高速内置式永磁电机转子结构磁力线分布云图，对外部隔磁桥5处进行断桥结构设计并嵌入非导磁填充块5-1后，利用“磁力线走磁阻最小路径”的原则，有效阻断了漏磁路径，从而使该处磁力线经过定子齿与电枢绕组交链，主磁通利用率得到提升。
因此，结合以上附图说明本发明分别对电机转子结构外部的外部隔磁桥5进行分段式断桥结构设计前后，转子铁心应力几乎相同的情况下，分段式结构设计的外部隔磁桥5主磁通利用率得到提升，使得电机电磁性能得到提升。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (6)
1.高速内置式永磁电机转子结构，其特征在于，包括转子铁心(1)、永磁体(2)、加强筋(3)、碳纤维保护套(4)；
转子铁心(1)为圆环形结构，转子铁心(1)沿圆周方向上均匀分布多个V字形磁极槽对，每个V字形磁极槽对包括两个非接触的磁钢槽，两个磁钢槽结构相同且对称排列呈V字形，每个V字形磁极槽的磁钢槽内嵌一个永磁体(2)，形成内置式V型磁极结构；
每个V字形磁极槽对中磁钢槽的两端位置均开设有与其相通的空气隔磁槽；
V字形磁极槽对中靠近V字形顶部的空气隔磁槽与转子铁心(1)的外边缘之间区域形成分段式结构的外部隔磁桥(5)；
V字形磁极槽对中靠近V字形底部的两个空气隔磁槽之间形成中间隔磁桥(6)；
分段式结构的外部隔磁桥(5)由嵌入在转子铁心(1)外侧壁内的多个非导磁填充块(5-1)构成，且多个非导磁填充块(5-1)沿转子铁心(1)轴向方向上依次均匀分布，相邻的两个非导磁填充块(5-1)非接触；
非导磁填充块(5-1)采用非导磁合金钢实现；
加强筋(3)采用非导磁材料制成，将永磁体(2)固定在转子铁心(1)上，分担外部隔磁桥(5)和中间隔磁桥(6)处应力；
碳纤维保护套(4)套设在转子铁心(1)外部。
2.根据权利要求1所述的高速内置式永磁电机转子结构，其特征在于，非导磁填充块(5-1)采用型号为GH4169的镍基合金材料制成。
3.根据权利要求1所述的高速内置式永磁电机转子结构，其特征在于，加强筋(3)榫卯在转子铁心(1)上。
4.根据权利要求1所述的高速内置式永磁电机转子结构，其特征在于，加强筋(3)采用GH4169型合金钢实现。
5.根据权利要求1所述的高速内置式永磁电机转子结构，其特征在于，非导磁填充块(5-1)为矩形块体。
6.根据权利要求1所述的高速内置式永磁电机转子结构，其特征在于，加强筋(3)设置在永磁体(2)的中间。
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