CN216390628U - 一种外转子电机及其转子结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种外转子电机及其转子结构，包括：转子轭部，以及与转子轭部固定连接的磁钢组件；所述磁钢组件包括多个沿转子轭部径向方向充磁的径向磁钢和多个沿转子轭部切向方向充磁的切向磁钢，所述径向磁钢和切向磁钢沿转子轭部内壁的周向方向相互间隔设置；所述相邻的径向磁钢和切向磁钢相抵接。本实用新型可以有效提高磁钢组件的利用率，可达到以更小的磁钢用量，产生更大旋转磁场的目的，同时可以节约电机的生产成本和稀土资源。另外，本实用新型可以使磁钢组件布满转子轭部内圆周，进而更有效的提高了转子轭部的空间利用率，最终提高了电机的功率密度。

Description

一种外转子电机及其转子结构

技术领域

本实用新型一般地涉及电机领域。更具体地，本实用新型涉及一种外转子电机及其转子结构。

背景技术

电机是依靠电磁感应原理而运行的旋转电磁机械，用于实现机械能和电能的相互转换。电机进行能量转换时，应具备能做相对运动的两大部件：建立励磁磁场的部件，以及感生电动势并流过工作电流的被感应部件。这两个部件中，静止的称为定子，做旋转运动的称为转子。

传统的滚筒直驱电机大多将机壳作为外转子轭部，同时将磁钢表贴在外转子轭部上，其中磁钢的充磁方向为径向。此类型电机的优点是结构简单，而且将磁钢表贴在外转子轭部的工艺容易实现。但该类型电机只利用到磁钢单侧的磁力线，只有磁钢的内侧磁力线与绕组(即被感应部件)交链，产生磁场，而相邻的磁钢的外侧磁力线经转子轭部自成回路，并未与绕组交链，从而导致磁钢没有被充分利用。

另外，为了保证磁钢与绕组之间产生的磁场的正弦度，在将磁钢表贴在转子轭部上时，需要设计合适的磁钢极弧系数(磁钢所跨弧长与转子轭部内圆周的周长的比例)。但是，在保证磁钢与绕组之间产生的磁场的正弦度的条件下，该极弧系数小于1，即磁钢无法布满转子轭部内圆周，因此限制了转子轭部上可排布的磁钢的磁通面积，进一步限制了电机产生的磁动势，最终限制了电机的功率密度。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种电机的转子结构，该转子的转子轭部内壁上布置有相互间隔设置的径向充磁磁钢和切向充磁磁钢，以形成halbach磁钢阵列，使磁钢的靠近绕组的一侧磁场显著增强，从而有效增强了电机产生的磁动势。因此，相比传统的电机，该电机的转子结构有效提高了磁钢的利用率，同时显著提高了电机的功率密度。

在一个方面中，本实用新型提供一种电机的转子结构，包括：转子轭部和与转子轭部固定连接的磁钢组件；所述磁钢组件包括多个沿转子轭部径向方向充磁的径向磁钢和多个沿转子轭部切向方向充磁的切向磁钢，所述径向磁钢和切向磁钢沿转子轭部内壁的周向方向相互间隔设置；所述相邻的径向磁钢和切向磁钢相抵接。

在一个实施例中，所述径向磁钢为瓦片形磁钢，所述瓦片形磁钢的凸起方向朝向转子轭部外侧，凹陷方向朝向转子轭部内侧。

在一个实施例中，所述切向磁钢为方形磁钢。

在一个实施例中，所述转子轭部内壁间隔开设有用于容纳瓦片形磁钢的磁钢槽，所述瓦片形磁钢卡设在磁钢槽内。

在一个实施例中，所述相邻的磁钢槽之间形成用于固定方形磁钢的磁钢固定部，所述方形磁钢贴设在所述磁钢固定部上。

在一个实施例中，所述磁钢槽为燕尾形；所述瓦片形磁钢的弧度与磁钢槽的槽底的弧度相适应。

在一个实施例中，所述磁钢固定部的第一侧面为平面，用于与所述方形磁钢贴合。

在一个实施例中，所述转子结构还包括紧固螺栓；所述方形磁钢内部设置有第一螺栓孔，所述磁钢固定部开设有与第一螺栓孔匹配的第二螺栓孔，所述紧固螺栓贯穿第一螺栓孔进入第二螺栓孔，以将方型磁钢与磁钢固定部固定连接。

在一个实施例中，所述磁钢固定部的第一侧面与方形磁钢之间通过粘接固定；所述磁钢槽的槽底与瓦片形磁钢之间通过粘接固定。

在另一个方面中，本实用新型还提供一种外转子电机，包括第一方面和上述实施例中任意一项所述的电机的转子结构。

相比传统的外转子电机的转子结构，本实用新型通过将Halbach磁钢阵列应用到外转子上，使磁钢组件靠近绕组的一侧的磁场显著增强，从而增加了旋转磁场的强度，因此有效地提高了磁钢利用率。同时，本实用新型可以通过调整径向磁钢和切向磁钢的尺寸，使磁动势波形更加接近正弦，可达到以更小的磁钢用量，产生更大旋转磁场的目的。由于磁钢大多由稀土永磁材料制成，而稀土永磁材料价格昂贵，导致磁钢的成本约占电机生产成本的一半，所以对于生成型企业来说，本实用新型可以节约电机的生产成本，对于社会来说，同时也节约了稀土资源。另外，本实用新型可以通过对径向磁钢和切向磁钢的尺寸的调整，使反电动势波形为完美正弦波，从而无需调整极弧系数(极弧系数为1)，因此可以使磁钢布满转子轭部内圆周，进而更有效的提高了转子轭部的空间利用率，最终提高了电机的功率密度。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本实用新型示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本实用新型的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是示出根据本实用新型实施例的电机的转子结构的径向切面图；

图2是示出根据一种Halbach永磁阵列的结构示意图；

图3是示出根据本实用新型实施例的电机的径向切面图；

图4是示出根据本实用新型实施例的电机的磁力线图；

图5是示出根据本实用新型实施例的径向磁钢和切向磁钢的示意图；

图6是示出图1中A部分的放大示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域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，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合附图对本实用新型具体实施例中的技术方案进行描述。

图1是示出的根据本实用新型实施例的电机的转子结构的径向切面图。图2是示出的根据一种Halbach永磁阵列的结构示意图；图3是示出的根据本实用新型实施例的电机的径向切面图；图4是示出的根据本实用新型实施例的电机的磁力线图。

如图1所示，本实用新型提供一种外转子电机的转子结构，包括：转子轭部1和磁钢组件。在一个实施方式中，转子轭部1同时也是电机的机壳，磁钢组件固定在转子轭部1内侧。其中磁钢组件包括多个径向充磁的径向磁钢2和多个切向充磁的切向磁钢3，径向磁钢2和切向磁钢3沿转子轭部1内壁的周向方向相互间隔设置，并且相邻的径向磁钢2和切向磁钢3相抵接。基于此，可以看出，前述径向磁钢2和切向磁钢3组成了一种Halbach永磁阵列。

如图2所示，Halbach永磁阵列的原理是将径向式磁钢41与平行式磁钢42相互间隔组合在一起(图中箭头指向N极)，磁钢产生的径向磁场与平行磁场相互迭加，使得磁力线在磁钢一侧得以汇聚，在相对的另一侧得以削弱，从而获得比较理想的单边磁场效应。Halbach永磁阵列应用于电机中可以更大程度的利用磁钢的磁力线与绕组8交链，由此产生更大的旋转磁场。如图3所示，前述实施例中的电机的外转子与轴6、内定子、绕组8等共同构成电机。内定子固定在所述轴6的外表面，并且内定子包括定子齿71和定子轭72，其中定子齿71沿所述定子轭72的周向方向分布，且定子齿71之间形成有用于承载所述绕组8的定子槽。外转子与内定子之间有气隙，以便于外转子绕内定子旋转。如图4所示，外转子的磁钢下侧部分磁力线经气隙依次穿过定子齿71、定子轭，然后与绕组8交链，最终返回相邻的相反磁极形成闭合回路。可以理解的是，前述实施例中的磁钢的排布方式可以使磁力线多数穿过于磁钢下侧，少数穿过磁钢上侧，可以有效增加磁钢的材料利用率。

另外，因为Halbach永磁阵列的极弧系数为1，所以在一个实施方式中，外转子的相邻两块磁钢紧密贴合，以形成无间隙Halbach永磁阵列，该Halbach永磁阵列具有自屏蔽效应，可以有效减小漏磁，产生比剩余磁场强度更大的静磁场，实现用更少的磁钢产生更大的磁势。从而提高了磁钢的利用率。而且，由于外转子的相邻两块磁钢紧密贴合，因此转子轭部上可排布的磁钢的磁通面积达到最大，可以充分利用转子轭部的内部空间，进一步提高了电机产生的磁动势，最终提高了电机的功率密度。同时，通过将该Halbach永磁阵列每极磁钢分块数设置得较多，可以使得电机空载气隙谐波畸变率很小，气隙磁密的径向分量接近于正弦曲线。换言之，通过优化算法以及有限元仿真计算优化径向磁钢2和切向磁钢3的尺寸，即可以实现使磁动势波形接近正弦曲线。在不同的实施方式中，优化算法可以是遗传算法、田口设计、响应面法或粒子群算法等现有技术种常用的算法。

上面结合图1、图2、图3和图4对电机的转子结构进行了示例性说明。本领域技术人员应该理解的是，该结构是示例性的而非限制性的，本领域技术人员可以根据需要对该结构进行调整。下面结合图5对径向磁钢 2和切向磁钢3的形状、两者之间的位置关系和两者的作用进行示例性描述，图5是示出根据本实用新型实施例的径向磁钢2和切向磁钢3的示意图。

在不同的实施方式中，径向磁钢2可以是方形或瓦片形等形状。为了与转子轭部1内壁紧密贴合，在一个实施例中，前述径向磁钢2为瓦片形磁钢，而且瓦片形磁钢的凸起方向朝向转子轭部1外侧，凹陷方向朝向转子轭部1内侧，即瓦片形磁钢的弧度与转子轭部内壁的弧度完全一致。可以理解的是，将径向磁钢2与转子轭部1内壁贴合，可以有效防止径向磁钢2 的振动，进而防止因振动对径向磁钢2造成的损伤，同时还可以防止径向磁钢2脱落。另外，径向磁钢2与切向磁钢3相邻的侧壁也需要紧密贴合，使二者之间不留缝隙，如此设计可以使极弧系数为1，形成最大激磁面积，同时还可以防止漏磁。因此切向磁钢3的形状要与径向磁钢2的形状相适配。所以，在一个实施例中，所述切向磁钢3也为瓦片形磁钢。

在另一个实施例中，前述瓦片形磁钢的充磁方向可以为径向，径向磁场可以经气隙依次穿过定子齿71、定子轭72，然后与绕组8交链，最终产生感应电动势，因此瓦片形磁钢是主磁钢。方形磁钢的充磁方向为切向，但是切向的磁力线并不能与绕组8交链进而产生旋转磁场，所以方形磁钢只用于引导瓦片形磁钢侧面的切向的磁力线进入方形磁钢，从而防止漏磁，对电机的运行起到了辅助作用。换言之，方形磁钢为辅助磁钢。

以上结合图5对径向磁钢2和切向磁钢3的形状、两者之间的位置关系和两者的作用进行了示例性说明。本领域技术人员应该理解的是，前述径向磁钢2和切向磁钢3的尺寸、两者之间的位置关系和两者的作用是示例性的而非限制性的，本领域技术人员可以根据需要进行调整。例如，如图6所示，径向磁钢2为瓦片形，而切向磁钢3为方形。下面结合图6对瓦片形的径向磁钢2以及方形切向磁钢3与转子轭部1之间的连接关系进行示例性描述，图6是示出的图1中A部分的放大示意图。

在一个实施例中，转子轭部1内壁可以间隔开设磁钢槽9，该磁钢槽9 用于容纳瓦片形磁钢。相邻的磁钢槽9之间形成有磁钢固定部10。在一个实施例中，为了使瓦片形磁钢与转子轭部1内壁紧密贴合，该磁钢槽9可以为燕尾形；而且瓦片形磁钢的弧度与磁钢槽9的槽底的弧度相同，可以通过调整瓦片形磁钢的倾斜角度来将其放入燕尾槽内，并且通过对瓦片形磁钢施压，使其卡在燕尾槽内。磁钢固定部10朝向定子的一面为第一侧面，而且该第一侧面为平面。因此切向磁钢3可以是方形磁钢，以便于切向磁钢3与磁钢固定部10的第一侧面紧密贴合。同时方形磁钢的侧面与瓦片形磁钢的侧面也紧密贴合，以便减少漏磁，而且可以使极弧系数为1，形成最大激磁面积，从而产生更大的静磁场，因此提高了磁钢的利用率。

可以理解的是，在电机的运行过程中，外转子处于高速旋转的状态，磁钢组件在随着外转子高速旋转的过程中存在脱落的风险，一旦磁钢组件在电机运行过程中脱落，将对电机产生较大的损害。因此，为了避免因磁钢组件脱落对电机造成损害，在一个实施例中，转子结构还包括紧固螺栓 5，而且方形磁钢内部设置有第一螺栓孔，同时磁钢固定部10开设有与第一螺栓孔匹配的第二螺栓孔，以便紧固螺栓5贯穿第一螺栓孔进入第二螺栓孔，从而将方型磁钢与磁钢固定部10固定连接，进而防止方形磁钢脱落。进一步地，考虑到瓦片形磁钢卡在磁钢槽9内，所以依然存在脱落的风险；而方形磁钢仅仅通过螺栓进行固定，其脱落的风险依然较高。在一个实施例中，磁钢固定部10的第一侧面与方形磁钢之间可以通过磁钢胶粘接固定；而磁钢槽9的槽底与瓦片形磁钢之间也可以通过磁钢胶粘接固定。以便防止磁钢组件脱落，同时还可以填充槽底与瓦片形磁钢之间的装配间隙。

以上结合图6对瓦片形的径向磁钢2以及方形切向磁钢3与转子轭部 1之间的连接关系进行示例性描述。本领域技术人员应该理解的是，前述瓦片形的径向磁钢2以及方形切向磁钢3与转子轭部1之间的连接关系是示例性的而非限制性的，例如，切向磁钢3可以是横截面为梯形、侧面为长方形的磁钢；磁钢固定部10的第一侧面与方形磁钢之间可以不通过磁钢胶粘接固定，而通过螺栓固定或者通过绑扎的方式固定；同时磁钢槽9 的槽底与瓦片形磁钢之间也可以只通过螺栓固定或者通过绑扎的方式固定而不通过磁钢胶粘接固定。本领域技术人员可以根据需要进行灵活的调整。

在另一个方面中，本实用新型还提供一种外转子电机，包括轴6、内定子、绕组8，以及第一方面和上述实施例中任意一项所述的转子结构。内定子固定在所述轴6的外表面，并且内定子包括定子齿71和定子轭72，其中定子齿71沿所述定子轭72的周向方向分布，且定子齿71之间形成有用于承载所述绕组8的定子槽。当电机运行时，外转子的磁钢组件内侧部分磁力线经气隙依次穿过定子齿71、定子轭72，然后与绕组8交链，最终返回相邻的相反磁极形成闭合回路。磁力线多数穿过于磁钢下侧，少数穿过磁钢外侧，因此本实用新型可以有效增加磁钢的材料利用率，进而提升了电机的功率密度。另外由于磁钢价格昂贵，所以本实用新型可以节约电机的生产成本。再者，本实用新型可以使磁钢布满转子轭部1内圆周，减少了漏磁，同时更有效的提高了转子轭部1的空间利用率，从而提高了电机的功率密度。

在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“上”、“下”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“切向”等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本发明的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本发明方案的限制。

另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本发明的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。

Claims (9)

1.一种电机的转子结构，其特征在于，包括：

转子轭部，以及与转子轭部固定连接的磁钢组件；

所述磁钢组件包括多个沿转子轭部径向方向充磁的径向磁钢和多个沿转子轭部切向方向充磁的切向磁钢，所述径向磁钢和切向磁钢沿转子轭部内壁的周向方向相互间隔设置；

所述相邻的径向磁钢和切向磁钢相抵接；所述径向磁钢为瓦片形磁钢，所述转子轭部内壁间隔开设有用于容纳所述瓦片形磁钢的磁钢槽，所述瓦片形磁钢的弧度与磁钢槽的槽底的弧度相适应；所述切向磁钢为方形磁钢，所述相邻的磁钢槽之间形成用于固定方形磁钢的磁钢固定部，所述磁钢固定部朝向定子的一面为平面，以便于切向磁钢与所述朝向定子的一面紧密贴合，并且所述方形磁钢的侧面与瓦片形磁钢的侧面紧密贴合，以便减少漏磁。

2.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述瓦片形磁钢的凸起方向朝向转子轭部外侧，凹陷方向朝向转子轭部内侧。

3.根据权利要求2所述的转子结构，其特征在于，所述瓦片形磁钢卡设在磁钢槽内。

4.根据权利要求3所述的转子结构，其特征在于，所述方形磁钢贴设在所述磁钢固定部上。

5.根据权利要求3或4所述的转子结构，其特征在于，所述磁钢槽为燕尾形。

6.根据权利要求5所述的转子结构，其特征在于：所述磁钢固定部的第一侧面为平面，用于与所述方形磁钢贴合。

7.根据权利要求6所述的转子结构，其特征在于，还包括紧固螺栓；所述方形磁钢内部设置有第一螺栓孔，所述磁钢固定部开设有与第一螺栓孔匹配的第二螺栓孔，所述紧固螺栓贯穿第一螺栓孔进入第二螺栓孔，以将方型磁钢与磁钢固定部固定连接。

8.根据权利要求6或7所述的转子结构，其特征在于，所述磁钢固定部的第一侧面与方形磁钢之间通过粘接固定；所述磁钢槽的槽底与瓦片形磁钢之间通过粘接固定。

9.一种外转子电机，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述的电机的转子结构。

Images