CN106411006B - 一种轴向磁通永磁体的爪极结构转子 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电机转子领域，并公开了一种轴向磁通永磁体的爪极结构转子。该转子包括外磁极、内磁极、永磁体和转轴，内磁极套装在外磁极内部，内磁极和外磁极呈爪极形状，二者的爪极齿部交错配合，永磁体设置在内磁极和外磁极之间，将径向磁通转化为轴向磁通，转轴设置在内磁极内部。通过本发明，永磁体内嵌式的结构实现了该转子在高速下工作，且永磁体不易损坏，同时永磁体远离绕组，高温不直接作用于永磁体，解决了永磁体在高温下失磁的问题。
Description
技术领域
本发明属于电机转子领域，更具体地，涉及一种轴向磁通永磁体的爪极结构转子。
背景技术
近年来稀土永磁材料飞速发展，永磁体的剩磁密度和磁能积等得到了大大提高，越来越多地应用到电机当中。采用永磁体励磁可以带来许多好处：节省掉了电励磁支路，无励磁损耗；可以去掉电刷结构，使得电机故障率和维修成本降低；往往也能缩小电机的体积使其结构更加紧凑。
应用在电机中的永磁体分为表贴式和内嵌式两种。对于传统鼓形电机表贴式和内嵌式结构都有，但对于轴向磁通的电机结构而言，由于其磁路复杂随三个维度都有变化，永磁体通常为表贴式。这就限制了永磁盘式电机在高速电机领域的应用，没有保护的表贴式永磁体极易在高速状态下损坏。另一方面，永磁盘式电机采用表贴式永磁体，由于永磁材料与电枢绕组只间隔有气隙，距离很近。在电机工作过程中电枢绕组放电电流带来的交变电磁场会在永磁体内产生涡流，带来损耗，同时电枢绕组电流的热量会最先传递到永磁体上。在温度发生变化的情况下永磁体的工作点是不稳定的，而且当温度超过永磁体的居里温度时永磁体会发生永久性的失磁。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种轴向磁通永磁体的爪极结构转子，通过爪极结构和永磁体内嵌的方式，由此解决该转子在高速下旋转以及永磁体在高温下失磁的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种轴向磁通永磁体的爪极结构转子，其包括外磁极、内磁极、永磁体、和转轴，其特征在于：
所述外磁极包括空心圆柱状的外磁极底座和多个第一爪极，该第一爪极包括第一根部和第一齿部，所述第一根部与所述外磁极底座相连，所述第一齿部平行于所述外磁极底座且指向该外磁极底座的中心轴；
所述内磁极包括内磁极底座和多个第二爪极，所述内磁极底座套装在所述外磁极底座中，该第二爪极包括第二根部和第二齿部，所述第二根部与所述内磁极底座相连，所述第二齿部与所述第一齿部设置的方向相反，其平行且向外凸出于所述内磁极底座，所述第二爪极与所述第一爪极个数相同，且交错配合；
所述永磁体产生径向磁通，且设置在所述外磁极和所述内磁极之间，该永磁体与所述内磁极和外磁极配合将所述径向磁通转化为轴向磁通；
所述转轴设置在所述内磁极的内部，与所述外磁极和所述内磁极同轴心。
优选地，所述第一根部和第二根部优选采用相同的结构，所述第一根部呈不规则的四面体状，该四面体的侧面投影呈梯形，该四面体的底面面积大于顶面面积，且该底面是所述外磁极底座上表面的一部分。
优选地，所述第一齿部和第二齿部优选采用相同的结构，所述第一齿部的剖面呈直角梯形，该梯形的斜边是所述第一齿部的下表面。
优选地，所述永磁体优选采用多块径向或平行充磁的瓦片形永磁体中的一种或者组合拼接而成。
优选地，所述内磁极和外磁极优选采用导磁材料整体加工成型，例如钢；第一齿部和第二齿部优选采用抑制涡流的导磁材料，例如软磁复合材料。
优选地，所述外磁极表面还设置有绑扎材料，例如碳纤维复合材料，用于增加磁极抗拉强度。
优选地，所述轴向磁通永磁体的爪极结构转子为一个模块，由此，通过多模块的轴向组合构成共轴级联转子。
优选地，所述轴向磁通永磁体的爪极结构转子在无刷电机方面的用途。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过将机械强度较差的永磁体安置于内、外磁极中间，其工作环境安全，不易损坏，同时电机转子内磁极由钢加工而成，十分坚固，不存在电刷、滑环等易损坏结构，使得电机可以在高速下工作，从而实现了永磁轴向磁通电机在高速电机领域的应用；
2、本发明通过采用永磁体励磁，与绕组电励磁相比整个励磁结构不需要外界提供电流，从而实现电机的无刷结构，这样降低了电机的故障率减小了平时的维护成本，也不会产生励磁损耗，提高电机工作效率；
3、本发明的转子在装配到电机结构中时，与绕组与转子间的气隙相距最近的是转子内、外磁极，而永磁体距其较远，有效减小电枢电流产生的磁场对永磁体带来的涡流作用，同时电枢绕组产生的热量不会直接作用在永磁体上，使得永磁体的工作环境更加安全；
4、本发明通过采用轴向磁通的结构，当其被应用在电机中时电机整体外形扁平，适合于某些对电机外形有限制的特殊场合，此外，轴向磁通的结构使得电机可以通过共轴级联的方式来扩大整机容量。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的轴向磁通永磁体的爪极结构转子；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的转子外磁极；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的转子内磁极；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的双转子单定子电机；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的单转子双定子电机；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的单转子单定子电机；
图7是按照本发明的优选实施例所构建的共轴级联构成的电机。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-外磁极 11-外磁极底座12-第一根部 13-第一齿部2-内磁极 21内磁极底座22—第二根部 23-第二齿部 3-永磁体 4-转轴5-定子 6-机壳 7-端盖
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图2是按照本发明的优选实施例所构建的转子外磁极；图3是按照本发明的优选实施例所构建的转子内磁极；如图1、图2和图3所示，图中分别为转子外磁极1和转子内磁极2，同一磁极下所延伸出的爪极极性相同。可以看出，爪极磁极将永磁体3径向的磁通转化为气隙轴向的磁通，承担了磁路的功能。同时其也具有特殊的形状，在第一和第二爪极根部，侧面投影呈梯形，该根部的下表面的面积大于上表面的面积，这是因为爪极根部通过了一个极下的全部磁通，其截面积过小会使得爪极根部饱和，限制气隙磁密，浪费永磁材料，所以增大了其截面积；另一方面，第一和第二爪极齿部，即从根部上延伸出作为磁极的部分，齿部的剖视图呈直角梯形，其直角梯形的斜边是齿部的下表面，因为这样的结构增大了爪极齿部下表面与另一转子磁极的正对距离，减小了漏磁，增大了气隙磁密，节省了永磁体3用量，转子内外磁极12由钢整体加工而成，结构坚固，将永磁体3内嵌于两者中间，在高速旋转时起到保护永磁体3的作用。两者延伸出的爪极相互交错180电角度，形成N、S极交替的气隙磁场。
本发明提出了一种轴向磁通永磁体的爪极结构转子，由单个转子盘可衍生构成双转子单定子、单转子双定子、单转子单定子或多转子级联等形式的电机。所述结构由转子外磁极、转子内磁极、永磁体以及转轴构成。其中转子内磁极与转子外磁极采用钢等导磁材料整体加工成型，以做成爪极结构的磁极，内外磁极呈相互交错的爪极形状通过一体的环状结构分别与永磁体内外侧相接；永磁体为多块径向充磁的瓦片形永磁体嵌入转子内、外磁极中构成；转子内外磁极、永磁体、转轴相接为一个整体，工作状态安全，适合高速旋转。
图4是按照本发明的优选实施例所构建的双转子单定子电机，如图3所示为由高速永磁爪极轴向磁通转子结构构成的双转子单定子电机。其结构包括转子外磁极1、转子内磁极2、永磁体3、转轴4、定子5、机壳6、端盖7。机壳6内部，上下两侧为两个转子盘，中间为单个定子5，其中，两个转子盘磁极极性相同的位置相互对应，构成轴向磁通穿过定子5，两者共同与转轴4相连，随转轴4共同转动。定子5可以采用非导磁的环氧树脂浇筑或导磁材料的开槽铁心，绕组以一定规律安放其中与转子气隙磁场相互作用，实现电机功能。机壳6与端盖7由非导磁材料制成。双转子单定子的结构克服了轴向磁通电机转子盘单边磁拉力的问题，同时也使得气隙磁密更大，增大了转子的转动惯量。
图5是按照本发明的优选实施例所构建的单转子双定子电机，如图4所示为高速永磁爪极轴向磁通转子结构构成的单转子双定子电机。其结构包括转子外磁极1、转子内磁极2、永磁体3、转轴4、定子5、机壳6、端盖7。机壳6内部中间部分为转子，上下两侧为定子5。其中，转子内外磁极12向端盖7两端反向延伸出两组爪极，两组磁极通过同一环形结构共用同一永磁体3，呈沿轴向镜像对称分布，与转轴4相连共同转动。转子内外磁极12仍采用钢等导磁材料整体加工而成。定子5分为上下两部分，分别连接在电机两侧端部，采用硅钢片等导磁材料制成，与转子内外磁极12共同构成磁回路。绕组以一定规律安放在定子5上，与爪极磁极形成的气隙磁场相互作用，实现电机功能。机壳6与端盖7由非导磁材料制成。单转子双定子结构两端爪极共用同一永磁体3，节约了永磁体3用量。
图6按照本发明的优选实施例所构建的单转子单定子电机，如图5所示为由高速永磁爪极轴向磁通转子结构构成的单转子单定子电机。其结构包括转子外磁极1、转子内磁极2、永磁体3、转轴4、定子5、机壳6、端盖7。机壳6内部靠近上端盖7为转子，靠近下端盖7为定子5，转子上只有单个转子盘，转子盘与转轴4相连，共同转动。转子内外磁极12采用钢等导磁材料整体加工而成，永磁体3嵌放其中。定子5与电机外壳端盖7相连，采用硅钢片等导磁材料制成，与转子爪极共同构成磁回路，绕组以一定规律安放在定子5当中，与爪极形成的气隙磁场相互作用，实现电机功能，机壳6与端盖7由非导磁材料制成。
图7按照本发明的优选实施例所构建的共轴级联构成的电机，如图6所示为由高速永磁爪极轴向磁通转子结构共轴级联构成的电机，其结构包括转子外磁极1、转子内磁极2、永磁体3、转轴4、定子5、机壳6、端盖7。机壳6内，由上至下分别为，转子、定子、转子、定子、转子。该共轴级联为二级级联，单不限于二级，可为k级共轴级联，k为任一非零正整数。以二级共轴级联为例，转子内外磁极依次相互交错形成N、S磁极，将永磁体3径向磁通转换为轴向磁通，穿过定子5，与定子5上绕组相互作用实现电机功能，绕组以一定规律安放在定子5当中，共轴级联使得电机输出功率更大。
本发明所述转子结构适合于高速运行。为增加转子磁极抗拉强度，亦可在转子外绑扎碳纤维复合材料等高屈服强度材料，不会增加气隙长度，相对径向磁场高速永磁电机转子绑扎而言，气隙磁密更高。在高转速下永磁体3不直接与气隙相接壤，若转子极采用硅钢片等电阻率较高材料制成，可减小涡流损能够制成永磁的无刷高速电机，不易损坏，使用寿命长。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种轴向磁通永磁体的爪极结构转子，其包括外磁极(1)、内磁极(2)、永磁体(3)、和转轴(4)，其特征在于：
所述外磁极(1)包括空心圆柱状的外磁极底座(11)和多个第一爪极，该第一爪极包括第一根部(12)和第一齿部(13)，所述第一根部(12)与所述外磁极底座(11)相连，所述第一齿部(13)平行于所述外磁极底座(11)且指向该外磁极底座的中心轴；
所述内磁极(2)包括内磁极底座(21)和多个第二爪极，所述内磁极底座(21)套装在所述外磁极底座(11)中，该第二爪极包括第二根部(22)和第二齿部(23)，所述第二根部(22)与所述内磁极底座(21)相连，所述第二齿部(23)与所述第一齿部设置的方向相反，其平行且向外凸出于所述内磁极底座(21)，所述第二爪极与所述第一爪极个数相同，且交错配合；
所述永磁体(3)产生径向磁通，且设置在所述外磁极和所述内磁极之间，该永磁体与所述内磁极和外磁极配合将所述径向磁通转化为轴向磁通；
所述转轴(4)设置在所述内磁极的内部，与所述外磁极和所述内磁极同轴心。
2.如权利要求1所述的一种轴向磁通永磁体的爪极结构转子，其特征在于，所述第一根部(12)和第二根部(22)采用相同的结构，所述第一根部呈不规则的四面体状，该四面体的侧面投影呈梯形，该四面体的底面面积大于顶面面积，且该底面是所述外磁极底座上表面的一部分。
3.如权利要求1所述的一种轴向磁通永磁体的爪极结构转子，其特征在于，所述第一齿部(13)和第二齿部(23)采用相同的结构，所述第一齿部的剖面呈直角梯形，该梯形的斜边是所述第一齿部的下表面。
4.如权利要求1所述的一种轴向磁通永磁体的爪极结构转子，其特征在于，所述永磁体(3)采用多块径向或平行充磁的瓦片形永磁体中的一种或者组合拼接而成。
5.如权利要求1所述的一种轴向磁通永磁体的爪极结构转子，其特征在于，所述内磁极底座(11)、外磁极底座(21)、第一根部(12)和第二根部(22)采用导磁材料整体加工成型；第一齿部和第二齿部采用抑制涡流的导磁材料。
6.如权利要求1所述的一种轴向磁通永磁体的爪极结构转子，其特征在于，所述外磁极表面还设置有绑扎材料，用于增加磁极抗拉强度。
7.如权利要求1所述的一种轴向磁通永磁体的爪极结构转子，其特征在于，所述轴向磁通永磁体的爪极结构转子为一个模块，由此，通过多模块的轴向组合构成共轴级联转子。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种轴向磁通永磁体的爪极结构转子，其特征在于，所述转子应用于无刷电机。
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