CN112134381A - 一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子 - Google Patents

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Abstract

一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子，该转子包括转子盘、复合铁磁极、磁极架、复合永磁体、外压环和内压环；1)采用本发明的内置磁钢复合极转子的电机，提高电机运行性能和可靠性。2)本发明的内置磁钢复合极转子相比传统表贴式轴向磁通电机转子的永磁体用量节省10%~20%。3）本发明的内置磁钢复合极转子，用多块标准的矩形永磁体模拟传统轴向磁通电机扇形永磁体，降低永磁体成本。4）本发明的铁磁极可以采用由硅钢片冲矩形槽卷绕而成，极大降低扇形槽转子的加工难度和加工工时，降低电机制造成本。5）本发明的内置磁钢复合极转子各零件无异形，加工量少，装配简单，制造成本低，造价接近于表贴式转子（用于轴向磁通电机）结构，甚至更低。

Description

一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子
技术领域
本发明属于轴向磁通永磁电机技术领域，尤其涉及内置磁钢轴向磁通永磁电机的转子结构和固定方法。
背景技术：
在轴向磁通永磁电机中，永磁体表贴式转子结构最为常见，结构上比较容易实现，但其存在一些问题：1)异形永磁体(扇形且带装配止口，如专利[申请号CN201920168805.5]和专利[申请号CN 201822097957.9]等)成本高；2)异形转子铁心或转子支架(如专利[申请号CN 201822097957.9和专利[申请号CN 201710985414.8]]等)加工难度大；3)较大的电磁气隙，降低电机的交、直轴电感和增加电机的漏感，磁场利用率低、抑制谐波电流能力差。内置磁钢轴向磁通电机转子能够极大降低电机的电磁气隙，提高电机的交、直轴电感和抑制电流谐波的能力。但是，在轴向磁通永磁电机中，很难在卷绕的转子铁心内部加工出内置磁极的槽，更别说扇形槽，因此在轴向磁通电机中较少有采用内置磁钢的转子结构。
查新得到两个内嵌磁极的轴向磁通电机转子专利，如专利(申请号CN201611161975.8)提出了一种内嵌磁极的轴向磁通电机转子，电磁结构方面居多，但没有提及机械结构及安装固定方法。专利(申请号CN201810319634.1)提到一种聚磁式轴向磁通电机转子的电磁机理，主要阐述了转子的电磁结构，其转子外层采用切向充磁磁钢，两块磁钢间夹有铁心，但没有提到工程设施方法。
因此，设计一种应用于工程上易于实现、造价较低的内置磁钢轴向磁通电机用转子，进而提高轴向磁通永磁电机的电感和弱磁能力是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：本发明提供一种内置磁钢轴向磁通电机转子的结构，其目的是解决以往所存在的问题，其可以降低轴向磁通永磁电机的造价，提高轴向磁通永磁电机的电感、改善电机的弱磁能力和提高电机运行性能。
技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：
一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子，其特征在于:该转子包括转子盘(1)、复合铁磁极(2)、磁极架(3)、复合永磁体(4)、外压环(5)和内压环(6)；
所述的复合铁磁极(2)由多种铁磁极子单元拼接而成，磁极架(3)穿入复合铁磁极(2)的“T”型槽(204)中，复合永磁体(4)也为多个子单元组合拼接而成，组成复合铁磁极(2)和复合永磁体(4)的子单元的数量相同；复合永磁体(4)内置于相邻复合铁磁极(2)间的永磁体槽(8)中，永磁体槽(8)为由多个宽度不等但高度相等的矩形槽组成阶梯状的槽；复合永磁体(4)为与该永磁体槽(8)形状相适应的结构。
磁极架(3)包含架体(301)和架爪(302)，架爪(302)沿环形的架体(301)的外圆周均匀布置，架爪(302)的长度方向与环形的架体(301)的径向方向一致，架爪(302)的数量与所设计的电机的极数一致，也与复合铁磁极(2)和复合永磁体(4)的数量相同；磁极架(3)由两片不导磁不锈钢板冲裁成磁极上架(304)和磁极下架(305)，再连接为一体；磁极上架(304)设置在磁极下架(305)上形成与“T”型槽(204)相适应的“T”形结构。
磁极架(3)的厚度小于等于5mm，磁极上架(304)和磁极下架(305)的厚度之和小于等于5mm，其各自的厚度根据设计需要选择。
复合铁磁极(2)由铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)子单元组成，三类子单元的内外径不同，复合铁磁极(2)轴向侧底部开有“T”型槽(204)，复合铁磁极(2)轴向侧顶部有向永磁体槽(8)延伸的极肩(205)，“T”型槽(204)为容纳磁极架(3)的架爪(302)的结构，极肩(205)为在轴向上限位包容永磁体槽(8)中的复合永磁体(4)的结构；
铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)的侧壁形成与复合永磁体(4)的侧壁相适应的阶梯状结构，铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)顶部之间拼接在一起之后形成扇形结构。
复合永磁体(4)由矩形的永磁体A(401)、矩形的永磁体B(402)和矩形的永磁体C(403)子单元组成，永磁体子单元的高度相同，永磁体子单元的宽度由外向内依次递减，使得永磁体A(401)、永磁体B(402)和永磁体C(403)组合在一起后构成了阶梯状的准扇形复合永磁体。
外压环(5)上开设有压爪槽(501)，压爪槽(501)为能刚好能容纳并压住架爪(302)的端部的结构，外压环(5)为不导磁轻质材料。
铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)均为由无取向硅钢片冲槽卷绕而成卷绕铁心(2010)并通过以下方法制备而成的结构：卷绕铁心(2010)上开有闭口槽(20101)和“T”型槽(204)，闭口槽(20101)靠近上下底面侧有极面筋(20102)和极底筋(20103)；卷绕铁心(2010)硅钢片间涂有粘合剂；将不同直径的卷绕铁心(2010)去除部分极面筋(20102)，去除全部极底筋(20103)后分别得到铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)。
穿过相邻复合永磁体(4)发出的磁力线(F)穿入复合铁磁极(2)，最终磁力线沿相邻的复合铁磁极(2)表面穿出，形成交替分布的N、S极。
转子盘(1)、磁极架(3)、外压环(5)和内压环(6)均由不导磁板材制成。
优点效果：
本发明具体优点如下：
1)采用本发明的内置磁钢复合极转子的电机，相对于传统表贴磁钢轴向磁通电机而言，交、直轴电感提高约1.5倍，吸收变流器输出的部分高次电流谐波，提高电机运行性能和可靠性。
2)本发明的内置磁钢复合极转子相比传统表贴式轴向磁通电机转子的永磁体用量节省10％～20％。
3)本发明的内置磁钢复合极转子，用多块标准的矩形永磁体模拟传统轴向磁通电机扇形永磁体，降低永磁体成本。
4)本发明的铁磁极可以采用由硅钢片冲矩形槽卷绕而成，极大降低扇形槽转子的加工难度和加工工时，降低电机制造成本。
5)本发明的内置磁钢复合极转子各零件无异形，加工量少，装配简单，制造成本低，造价接近于表贴式转子(用于轴向磁通电机)结构，甚至更低。
附图说明：
图1是本发明的内置磁钢复合极转子结构图；
图2是本发明的内置磁钢复合极转子***图；
图3是本发明的转转盘图；
图4是本发明的复合铁磁极图；
图5是本发明的磁极架图；
图6是本发明的复合永磁体图；
图7是本发明的外压环图；
图8是本发明的卷绕铁心图；
图9是本发明的去除部分极面筋和全部极底筋后的铁磁极图；
图10是本发明的磁极架、复合铁磁极与复合永磁体装配图；
附图标记说明：
1.转子盘；2.复合铁磁极；3.磁极架；4.复合永磁体；5.外压环；6.内压环；7.固定钉；8.永磁体槽；101.盘固定孔；201.铁磁极A；202.铁磁极B；203.铁磁极C；204.“T”型槽；205.极肩；301.架体；302.架爪；303.架固定孔；304.磁极上架；305.磁极下架；401.永磁体A；402.永磁体B；403.永磁体C；501.压爪槽；502.外环锁紧孔；2010.卷绕铁心；20101.闭口槽；20102.极面筋；20103.极底筋。
图中箭头A表示充磁方向；箭头B表示轴向方向；箭头C表示径向；E表示矩形槽的侧面；F表示磁力线。
具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：
一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子，该转子包括转子盘(1)、复合铁磁极(2)、磁极架(3)、复合永磁体(4)、外压环(5)和内压环(6)；
所述的复合铁磁极(2)由多种铁磁极子单元拼接而成，磁极架(3)穿入复合铁磁极(2)的“T”型槽(204)中，复合永磁体(4)也为多个子单元组合拼接而成，组成复合铁磁极(2)和复合永磁体(4)的子单元的数量相同；复合永磁体(4)内置于相邻复合铁磁极(2)间的永磁体槽(8)中，永磁体槽(8)为由多个宽度不等但高度相等的矩形槽组成阶梯状的槽；复合永磁体(4)为与该永磁体槽(8)形状相适应的结构。
磁极架(3)包含架体(301)和架爪(302)，架爪(302)沿环形的架体(301)的外圆周均匀布置，架爪(302)的长度方向与环形的架体(301)的径向方向一致，架爪(302)的数量与所设计的电机的极数一致，也与复合铁磁极(2)和复合永磁体(4)的数量相同；磁极架(3)由两片不导磁不锈钢板冲裁成磁极上架(304)和磁极下架(305)，再连接为一体；磁极上架(304)设置在磁极下架(305)上形成与“T”型槽(204)相适应的“T”形结构。
磁极架(3)的厚度小于等于5mm，磁极上架(304)和磁极下架(305)的厚度之和小于等于5mm，其各自的厚度根据设计需要选择。
复合铁磁极(2)由铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)子单元组成，三类子单元的内外径不同，复合铁磁极(2)轴向侧底部开有“T”型槽(204)，复合铁磁极(2)轴向侧顶部有向永磁体槽(8)延伸的极肩(205)，“T”型槽(204)为容纳磁极架(3)的架爪(302)的结构，极肩(205)为在轴向上限位包容永磁体槽(8)中的复合永磁体(4)的结构；
铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)的侧壁形成与复合永磁体(4)的侧壁相适应的阶梯状结构，铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)顶部之间拼接在一起之后形成扇形结构。
复合永磁体(4)由矩形的永磁体A(401)、矩形的永磁体B(402)和矩形的永磁体C(403)子单元组成，永磁体子单元的高度相同，永磁体子单元的宽度由外向内依次递减，使得永磁体A(401)、永磁体B(402)和永磁体C(403)组合在一起后构成了阶梯状的准扇形复合永磁体。
外压环(5)上开设有压爪槽(501)，压爪槽(501)为能刚好能容纳并压住架爪(302)的端部的结构，外压环(5)为不导磁轻质材料。
铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)均为由无取向硅钢片冲槽卷绕而成卷绕铁心(2010)并通过以下方法制备而成的结构：卷绕铁心(2010)上开有闭口槽(20101)和“T”型槽(204)，闭口槽(20101)靠近上下底面侧有极面筋(20102)和极底筋(20103)；卷绕铁心(2010)硅钢片间涂有粘合剂；将不同直径的卷绕铁心(2010)去除部分极面筋(20102)，去除全部极底筋(20103)后分别得到铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)。
穿过相邻复合永磁体(4)发出的磁力线(F)穿入复合铁磁极(2)，最终磁力线沿相邻的复合铁磁极(2)表面穿出，形成交替分布的N、S极。
转子盘(1)、磁极架(3)、外压环(5)和内压环(6)均由不导磁板材制成。
下面，结合附图对本发明做进一步详细说明：
如图1、图2所示，一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子，该转子包括转子盘(1)、复合铁磁极(2)、磁极架(3)、复合永磁体(4)、外压环(5)、内压环(6)和固定钉(7)组成；
如图4所示，所述的复合铁磁极(2)由多种铁磁极子单元拼接而成(本申请实施例为三种)，磁极架(3)穿入复合铁磁极(2)的“T”型槽(204)中；如图6所示，复合永磁体(4)也为多个子单元组合拼接而成，组成复合铁磁极(2)和复合永磁体(4)的子单元的数量相同；复合永磁体(4)内置于相邻复合铁磁极(2)间的永磁体槽(8)中，永磁体槽(8)为由多个宽度(宽度就是如图6所示的复合永磁体(4)充磁方向即A方向的距离)不等、高度(高度就是如图6所示的复合永磁体(4)轴向方向即B方向的距离)相等的矩形槽(矩形槽的数量与复合永磁体(4)的子单元的数量相同，该矩形槽的侧面就是如图4所示的箭头E所指的方向)组成阶梯状的类扇形槽；复合永磁体(4)为与该永磁体槽(8)形状相适应的结构；组成复合铁磁极(2)和复合永磁体(4)的子单元数量不限于三个，可以是所有的自然数；
固定钉(7)将转子盘(1)、磁极架(3)、外压环(5)、内压环(6)紧固成一体；
图4中的复合铁磁极(2)中的每种铁磁极由铁心自动冲卷设备将硅钢片带材冲卷加工而成，同一种铁磁极沿圆周均布后，形成的盛放永磁体的槽为矩形，避免了采用扇形永磁体槽(8)和扇形永磁体的弊端，简化铁磁极制造工艺，降低永磁体和铁磁极造价。
磁极架(3)包含架体(301)和架爪(302)，架爪(302)沿环形的架体(301)的外圆周均匀布置，架爪(302)的长度方向与环形的架体(301)的径向方向一致(即如图5所示，架体(301)和架爪(302)呈车轮毂样的放射状)，架爪(302)的数量与所设计的电机的极数一致，也与复合铁磁极(2)和复合永磁体(4)的数量相同；磁极架(3)由两片不导磁不锈钢板冲裁成磁极上架(304)和磁极下架(305)，再(经多点焊机焊接)连接为一体，降低了磁极架(3)制造成本；磁极上架(304)设置在磁极下架(305)上形成与“T”型槽(204)相适应的“T”形结构(就是说磁极上架(304)比磁极下架(305)宽(径向方向)，该“T”形结构为能刚好伸进“T”型槽(204)内的结构，如图5所示)。
磁极架(3)的厚度(轴向方向)小于等于5mm，磁极上架(304)和磁极下架(305)，再(经多点焊机焊接)连接为一体。多点焊要求所焊接的厚度不能大于5mm；其次5mm的厚度基本满足强度要求；磁极上架(304)和磁极下架(305)的厚度比根据设计需求确定；转子盘(1)为圆环体，在内、中、外径处开有盘固定孔(101)，材质为轻质不导磁金属。
复合铁磁极(2)由铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)子单元组成，三类子单元的内外径不同，复合铁磁极(2)轴向侧底部开有“T”型槽(204)，复合铁磁极(2)轴向侧顶部有向永磁体槽(8)延伸的极肩(205)，“T”型槽(204)为容纳磁极架(3)的架爪(302)的结构，极肩(205)为在轴向上限位包容永磁体槽(8)中的复合永磁体(4)的结构；
铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)的侧壁(图4中箭头E指向的位置)形成与复合永磁体(4)的侧壁相适应的阶梯状结构，铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)顶部之间拼接在一起之后形成扇形结构(就是铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)的极肩(205)在同一斜线上，不像侧壁那样形成阶梯结构)。
复合永磁体(4)由矩形的(也叫四棱柱或长方体)永磁体A(401)、矩形的永磁体B(402)和矩形的永磁体C(403)子单元组成，永磁体子单元的高度(沿轴向B方向)相同，等于永磁体槽(8)的轴向高度，永磁体子单元的宽度(沿充磁方向A)由外向内依次递减(即如图6所示，永磁体A(401)的宽度大于永磁体B(402)的宽度，永磁体B(402)的宽度大于永磁体C(403)的宽度)，使得永磁体A(401)、永磁体B(402)和永磁体C(403)组合在一起后构成了阶梯状的准扇形复合永磁体(即刚好容纳进永磁体槽(8)的结构，如图6所示)，降低永磁体成本。
外压环(5)上开设有压爪槽(501)和外环锁紧孔(502)，压爪槽(501)为能刚好能容纳并压住架爪(302)的端部的结构(组装在一起时外压环(5)的外圆面与架爪(302)的外端面平齐，就是说保证架爪(302)不会伸出外压环(5)外)，外压环(5)为不导磁轻质材料。
铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)均为由无取向硅钢片冲槽卷绕而成卷绕铁心(2010)并通过以下方法制备而成的结构：卷绕铁心(2010)上开有闭口槽(20101)和“T”型槽(204)，闭口槽(20101)靠近上下底面侧有极面筋(20102)和极底筋(20103)；卷绕铁心(2010)硅钢片间涂有粘合剂；将不同直径的卷绕铁心(2010)去除部分极面筋(20102)(留下的极面筋(20102)构成极肩(205))，去除全部极底筋(20103)后分别得到铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)(就是说铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)分别都是用上述方法做的，做好之后再组合成图4的状态)。
装配过程为：首先在每个架爪(302)上依次穿上铁磁极C(203)、铁磁极B(202)和铁磁极A(201)；接着，将其非“T”型槽侧的面置于精密平台上压平；其次，由内径往径方向依次将三块矩形的永磁体C(403)、永磁体B(402)和永磁体A(401)装置于永磁体槽(8)中，充磁方向正向(或逆向)对着铁磁极的侧壁；然后，扣上转子盘(1)，翻转装配的转子(转子盘在下)；最后，压上外压环(5)和内压环(6)，用固定钉(7)固定紧。
组成复合铁磁极(2)和复合永磁体(4)的子单元数量不限于三个，可以是所有的自然数，组成复合铁磁极(2)和复合永磁体(4)的子单元的数量相同。
相邻复合永磁体(4)发出的磁力线(F)沿充磁方向(A)穿入(或穿出)复合铁磁极(2)的侧壁，最终磁力线(F)沿相邻的复合铁磁极(2)轴向表面穿出(或穿入)，形成交替分布的N、S极由该转子构成的单定子、双转子盘式电机的交、直轴电感相对于同类型的传统盘式电机而言，交、直轴电感值数值提高1.3～1.8倍左右(两者的数值均增加)。
采用本转子结构的盘式电机相比传统表贴式转子结构盘式电机的永磁体用量节省10％～20％；转子盘(1)、磁极架(3)、外压环(5)和内压环(6)均由不导磁板材制成，各零件形状简单，加工量少，装配简单，制造成本低。

Claims (9)

1.一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子，其特征在于:该转子包括转子盘(1)、复合铁磁极(2)、磁极架(3)、复合永磁体(4)、外压环(5)和内压环(6)；
所述的复合铁磁极(2)由多种铁磁极子单元拼接而成，磁极架(3)穿入复合铁磁极(2)的“T”型槽(204)中，复合永磁体(4)也为多个子单元组合拼接而成，组成复合铁磁极(2)和复合永磁体(4)的子单元的数量相同；复合永磁体(4)内置于相邻复合铁磁极(2)间的永磁体槽(8)中，永磁体槽(8)为由多个宽度不等但高度相等的矩形槽组成阶梯状的槽；复合永磁体(4)为与该永磁体槽(8)形状相适应的结构。
2.根据权利要求1所述的一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子，其特征在于:磁极架(3)包含架体(301)和架爪(302)，架爪(302)沿环形的架体(301)的外圆周均匀布置，架爪(302)的长度方向与环形的架体(301)的径向方向一致，架爪(302)的数量与所设计的电机的极数一致，也与复合铁磁极(2)和复合永磁体(4)的数量相同；磁极架(3)由两片不导磁不锈钢板冲裁成磁极上架(304)和磁极下架(305)，再连接为一体；磁极上架(304)设置在磁极下架(305)上形成与“T”型槽(204)相适应的“T”形结构。
3.根据权利要求2所述的一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子，其特征在于:磁极架(3)的厚度小于等于5mm，磁极上架(304)和磁极下架(305)的厚度之和小于等于5mm。
4.根据权利要求2或3所述的一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子，其特征在于:复合铁磁极(2)由铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)子单元组成，三类子单元的内外径不同，复合铁磁极(2)轴向侧底部开有“T”型槽(204)，复合铁磁极(2)轴向侧顶部有向永磁体槽(8)延伸的极肩(205)，“T”型槽(204)为容纳磁极架(3)的架爪(302)的结构，极肩(205)为在轴向上限位包容永磁体槽(8)中的复合永磁体(4)的结构；
铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)的侧壁形成与复合永磁体(4)的侧壁相适应的阶梯状结构，铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)顶部之间拼接在一起之后形成扇形结构。
5.根据权利要求1所述的一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子，其特征在于:复合永磁体(4)由矩形的永磁体A(401)、矩形的永磁体B(402)和矩形的永磁体C(403)子单元组成，永磁体子单元的高度相同，永磁体子单元的宽度由外向内依次递减，使得永磁体A(401)、永磁体B(402)和永磁体C(403)组合在一起后构成了阶梯状的准扇形复合永磁体。
6.根据权利要求2所述的一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子，其特征在于:外压环(5)上开设有压爪槽(501)，压爪槽(501)为能刚好能容纳并压住架爪(302)的端部的结构，外压环(5)为不导磁轻质材料。
7.根据权利要求4所述的一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子，其特征在于:铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)均为由无取向硅钢片冲槽卷绕而成卷绕铁心(2010)并通过以下方法制备而成的结构：卷绕铁心(2010)上开有闭口槽(20101)和“T”型槽(204)，闭口槽(20101)靠近上下底面侧有极面筋(20102)和极底筋(20103)；卷绕铁心(2010)硅钢片间涂有粘合剂；将不同直径的卷绕铁心(2010)去除部分极面筋(20102)，去除全部极底筋(20103)后分别得到铁磁极A(201)、铁磁极B(202)和铁磁极C(203)。
8.根据权利要求1所述的一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子，其特征在于:穿过相邻复合永磁体(4)发出的磁力线(F)穿入复合铁磁极(2)，最终磁力线F沿相邻的复合铁磁极(2)表面穿出，形成交替分布的N、S极。
9.根据权利要求1所述的一种轴向磁通永磁电机用内置磁钢复合极转子，其特征在于:转子盘(1)、磁极架(3)、外压环(5)和内压环(6)均由不导磁板材制成。
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