CN109904953B - 大功率超高速永磁电机的转子结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大功率超高速永磁电机的转子结构，包括转轴,设在转轴表面的两个或两个的倍数个对称布置的磁钢,所述磁钢之间设有隔磁桥；在所述磁钢的内侧或者外侧设有非导磁材料填充件,所述非导磁材料填充件沿磁钢环向由磁钢的两端向中间位置连续成对、对称设置，且从两端向中间区域设置的非导磁材料填充件的厚度呈递减，至磁钢中心区域不设置，使磁钢与定子之间的磁隙由两端至中部越来越小。本发明能够使输出波形更接近正弦波，从而降低损耗提高输出效率。

Description

大功率超高速永磁电机的转子结构

技术领域

本发明涉及大功率超高速永磁电机，特别涉及大功率超高速永磁电机的转子轴结构。

背景技术

如图1所示，是现有大功率超高速永磁电机的结构原理图，转子轴1 通过推力轴承2、磁悬浮轴承3以及辅助轴承4与机座5可转动地连接，转子轴1外周侧位置的机座5上还固定有定子6，定子6上的绕组通电，可驱动转子轴1旋转而输出转矩。

如图2、图3所示，所述转子轴1外套有若干个磁钢11，磁钢11之间用隔磁桥12隔开，磁钢11外侧用碳纤维套或非磁性金属套13固定。

随着永磁电机的功率加大，所述转子轴1的半径也随之增大，因而磁钢11受到的离心力也呈几何级数地增大，发生碳纤维套或非磁性金属套 13破裂的几率也越来越大，严重的会导致永磁电机的损毁。

同时,对于大功率超高速永磁电机而言,减小输出损耗、改善波形也是本领域技术人员追求的目标。

发明内容

本发明的目的是，改善大功率超高速永磁电机的输出波形，降低损耗。

本发明的另一目的是，提供一种大功率超高速永磁电机的转子轴的磁钢固定结构，加固磁钢，避免磁钢被甩飞。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种大功率超高速永磁电机的转子结构，包括转轴,设在转轴表面的两个或两个的倍数个对称布置的磁钢,所述磁钢之间设有隔磁桥；其特征在于：在所述磁钢的内侧或者外侧设有非导磁材料填充件,所述非导磁材料填充件沿磁钢环向由磁钢的两端向中间位置连续成对、对称设置，且从两端向中间区域设置的非导磁材料填充件的厚度递减，至磁钢中心区域不设置，使磁钢与定子之间的磁隙由两端至中部越来越小；

在所述磁钢的外表面沿环向由两端向中间各形成有深度递减的成对且对称的凹槽，所述凹槽用于容纳所述非导磁材料填充件；或者，在所述转子轴的外表面对应所述磁钢的两端向中间各形成有深度递减的成对且对称的凹槽，所述凹槽用于容纳所述非导磁材料填充件。

作为优选，所述每一个磁钢上设置一对所述非导磁材料填充件，所述非导磁材料填充件的形状为：在所述磁钢的内侧的所述非导磁材料填充件的外周具有相同的直径,该非导磁材料填充件的内表面为自磁钢的两端向中间位置呈螺旋线状，且所述非导磁材料填充件在磁钢中间位置的厚度为 0；在所述磁钢外侧的所述非导磁材料填充件的内周具有相同的直径,该非导磁材料填充件的外表面为自磁钢的两端向中间位置呈螺旋线状，且所述非导磁材料填充件在磁钢中间位置的厚度为0。

作为优选，所述每一个磁钢上至少设置两对所述非导磁材料填充件，该非导磁材料填充件呈扇环形状，自磁钢的两端向中间位置所述非导磁材料填充件的厚度呈阶梯递减，至磁钢中心区域不设置；所述磁钢的外表面的凹槽沿环向由两端向中间与非导磁材料填充件的形状相吻合。

作为优选，所述每一个磁钢上至少设置两对所述非导磁材料填充件，该非导磁材料填充件呈扇环形状，所述非导磁材料填充件的厚度呈阶梯递减，至磁钢中心区域不设置；所述转子轴的外表面的凹槽沿环向由两端向中间与非导磁材料填充件的形状相吻合。

作为优选，在所述磁钢外表面设有非导磁金属护套，且所述非导磁金属护套的内环面上凹陷形成有与所述磁钢对应的凹槽，所述磁钢嵌入在所述对应的凹槽中。

作为优选，嵌入磁钢后的所述非导磁金属护套通过紧配合箍套在转子轴的外表面上，并使所述磁钢的内表面与转子轴的外表面紧密贴合；或者，嵌入磁钢后的所述非导磁金属护套以及磁钢通过热涨法箍套在所述转子轴上。

作为优选，在所述非导磁金属护套的外表面上还套或缠绕有碳纤维护环。

作为优选，所述非导磁金属护套由铜、铝或不锈钢制成。

作为优选，所述非导磁材料填充件由铝、不锈钢或环氧树脂制成。

与现有技术相比较采用上述技术方案的本发明具有的优点在于：本技术方案通过在磁钢内表面或者外表面从两端向中间位置填充由厚到薄最后至无的阶梯状的非导磁材料填充件，从而使得转子和定子之间的气隙两边大中间小，导致输出的波形为两边小中间大的阶梯状的多个矩形波，该阶梯状的矩形波更接近于正弦波，通过该波形的改善从而减小了转子的损耗，提高了输出效率。

本发明通过将磁钢嵌入到非导磁金属护套内，并与转轴之间采用紧配合，既可使磁钢被牢固定位，能够避免磁钢发生晃动，而且由于非导磁金属护套是金属材质，其结构强度较高，不易损坏，具有很高的使用寿命。进一步，在非导磁金属护套外增加碳纤维护环，进一步增加了固定的强度，使得其可靠性、安全性更高。

附图说明

图1是现有大功率超高速永磁电机的结构原理图；

图2、图3分别是现有大功率超高速永磁电机的转轴平面示意图及其横向剖视图；

图4是本发明提供的大功率超高速永磁电机的转子结构的横截面示意图；

图5是本发明提供的另一实施例的横截面示意图；

图6是本发明提供的另一实施例的横截面示意图；

图7是本发明提供的另一实施例的横截面示意图。

附图标记说明：转子轴1、1’；磁钢11、11’；隔磁桥12、12’；碳纤维套或非磁性金属套13；推力轴承2；磁悬浮轴承3；辅助轴承4；机座5；定子6；非导磁金属护套7；碳纤维护环8；非导磁材料填充件9；第一非导磁材料填充件91；第二非导磁材料填充件92；凹槽111；凹槽112；凹槽14’；凹槽15’。

具体实施方式

如图4所示，本发明提供一种大功率超高速永磁电机的转子结构，其中：

主要是包括转轴1’，设在转轴表面的两个对称布置的磁钢11’,磁钢 11’之间设有隔磁桥，在磁钢11’的内侧或者外侧设有非导磁材料填充件 9,本实施例中,非导磁材料填充件9设在磁钢11’外面,非导磁材料填充件 9沿磁钢11’环向由磁钢11’的两端向中间位置连续成对、对称设置，且从两端向中间区域设置的非导磁材料填充件的厚度呈阶梯递减。即本实施例中:每个磁钢11’外面设置两对、对称布置的非导磁材料填充件9，一对第一非导磁材料填充件91和一对第二非导磁材料填充件92连续设置，且第一对、第二对厚度阶梯递减，至磁钢11’的中心区域不设置，从而使磁钢与定子之间的磁隙由两端至中部越来越小。

参见图4，本实施例中，该非导磁材料填充件9的设置方式为：在所述磁钢11’的外表面沿环向由两端向中间形成有深度递减的成对且对称的阶梯状凹槽，即本实施例中，有两对凹槽111、凹槽112，深度递减，该凹槽111、凹槽112的深度刚好用于容纳第一、第二非导磁材料填充件91、 92。磁钢11靠近隔磁桥12’的两端为较深的一对凹槽111，并填充较厚的第一非导磁材料填充件91，与之相邻具有较浅的一对凹槽112，并填充有较薄的第二非导磁材料填充件92，磁钢11的中间位置没有凹槽，如此使得磁钢11’与定子之间的磁隙由两端至中部越来越小，如此，在转子轴 1’旋转过程中，磁钢11’形成的5个矩形波接近于正弦波形状，非导磁材料填充件9在磁钢应呈对称设置为佳，不限于图示给出的数量，也可以增加阶梯的数量。

该非导磁材料填充件9可以由铝、不锈钢或环氧树脂制成。

参见图4，在磁钢11’的外表面设有用于固定磁钢11’的非导磁金属护套7，如铜、铝或不锈钢制成，在非导磁金属护套7的内环面上凹陷形成有两个对称不连续的护套凹槽，该护套凹槽用于容纳磁钢11’，即在各护套凹槽中嵌入并且粘结有磁钢11’，如此，环向上相邻的磁钢11’之间自然形成有隔磁桥12’；

如图4所示，在所述非导磁金属护套7的外表面上还可以再套或缠绕一层碳纤维护环8，以进一步增强整体的结构强度。

所述非导磁金属护套7安装磁钢以及磁钢外表面的非导磁材料填充件 9后，再通过紧配合箍套在转子轴1’的外表面上，并使所述磁钢11’的内表面与转子轴1’的外表面紧密贴合，既可使磁钢11’被牢固定位，能够避免磁钢11’发生晃动，而且由于非导磁金属护套7是金属材质，其结构强度较高，不易损坏，具有很高的使用寿命。另外，一体化结构的非导磁金属护套7能够屏蔽定子产生的谐波磁场透入磁钢11’，并利于磁钢 11’中的热量导出。

在较佳的实施例中，是将非导磁金属护套7以及磁钢11’经过预加热再箍套在转子轴1’上(即热涨法连接)，如此，可使非导磁金属护套7 以及磁钢11’冷却后能够更加与转子轴1’的外表面贴合。

再如图5所示的进一步实施例中，与上一实施例不同之处是：在所述磁钢11’的内表面上沿环向由两端向中间各添加有阶梯状的非导磁材料填充件9(铝、不锈钢或环氧树脂等)，本实施例中：非导磁材料填充件 9为两对，一对第一非导磁材料填充件91、一对第二非导磁材料填充件92 沿磁钢11’环向由磁钢11’的两端向中间位置连续对称设置，且从两端向中间区域设置的非导磁材料填充件的厚度呈阶梯递减，即第一非导磁材料填充件91的厚度大于第二非导磁材料填充件92的厚度，位于磁钢11’中央位置区域不设置；该非导磁材料填充件9是设在转子轴的表面形成的凹槽中，即在所述转子轴1’的外表面对应所述磁钢11’的两端向中间各形成有深度递减的成对的阶梯状凹槽14’、凹槽15’，该两对凹槽14’和凹槽15’用于容纳所述非导磁材料填充件9。如此，同样能够使得磁钢 11’与定子之间的磁隙由两端至中部越来越小，如此，在转子轴1’旋转过程中，磁钢11’形成的矩形波接近于正弦波形状。

上述实施例中的非导磁材料填充件9均为阶梯状、两对且对称设置，也可以增加设置的数量例如：4对、6对等，都将有利于其输出波形更为接近正弦波状。显然在加工可以达成的情况下，更加优化的方式是：设在磁钢11’外表面或转子轴1’外表面的用于容纳非导磁材料填充件9的凹槽可以为从磁钢两端至中央对称设置、深度连续由深变浅直至为零的弧线状凹槽，例如：渐开线状，非导磁材料填充件9与之形状对应，这样形成的输出波形更为接近正弦波状。

参见图6，本实施例展示一种大功率超高速永磁电机的转子结构，其中,磁钢11’为两个,每个磁钢11’上对称设置两个非导磁材料填充件9, 该非导磁材料填充件9是设在磁钢的内表面上，此时，非导磁材料填充件 9的内周具有相同的直径,该非导磁材料填充件9的外表面为自磁钢11’的两端向中间位置呈螺旋线状，且非导磁材料填充件9在磁钢11’中间位置的厚度为0。从而，形成在磁钢的两边磁阻大、中央位置磁阻最小，因此，这样形成的输出波形为正弦波状。此时，在磁钢11’的内表面设有与该非导磁材料填充件9形状匹配的凹槽111。

参见图7,本实施例展示一种大功率超高速永磁电机的转子结构，其中, 磁钢11’为两个,每个磁钢上对称设置两个非导磁材料填充件9,与上一实施例不同之处是：该非导磁材料填充件9是设在磁钢的外表面上，所述非导磁材料填充件9的形状为：在所述磁钢11’的内侧的所述非导磁材料填充件9的其外表面具有相同的直径,该非导磁材料填充件9的其内表面为自磁钢11’的两端向中间位置呈螺旋线状，且所述非导磁材料填充件9在磁钢11’中间位置的厚度为0；即两个非导磁材料填充件9位于磁钢11’两端位置处的厚度大,至磁钢中间位置时其厚度逐渐减为0,从而与磁钢形成一个其外表面具有相同的直径结构,共同设在非导磁金属护套7内。从而，形成在磁钢的两边磁阻大、中央位置磁阻最小，因此，这样形成的输出波形为正弦波状。此时，在磁钢的外表面设有与该非导磁材料填充件9 形状匹配的凹槽111。此时不仅仅能够最优化输出波形，同时相对上一实施例，其漏磁小，损耗也少；是优选实施方式。

以上实施例仅仅是对本发明进行示范说明，而非限制本申请的保护范围，本领域技术人员能够在上述实施例的基础上，进行常规的修改或替换，例如：改变非导磁材料填充件9的数量、厚度，但这些修改或替换仍然应当属于本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种大功率超高速永磁电机的转子结构，包括转轴,设在转轴表面的两个的倍数个对称布置的磁钢,所述磁钢之间设有隔磁桥；其特征在于：在所述磁钢的外表面设有非导磁材料填充件,所述非导磁材料填充件沿磁钢环向由磁钢的两端向中间区域连续成对、对称设置，且从磁钢的两端向中间区域设置的非导磁材料填充件的厚度递减，磁钢中间区域不设置非导磁材料填充件，使磁钢与定子之间的磁隙由两端至中间区域越来越小；

在所述磁钢的外表面沿环向由两端向中间区域各形成有深度递减的成对且对称的凹槽，所述凹槽用于容纳所述非导磁材料填充件；

所述每一个磁钢上设置一对所述非导磁材料填充件，所述非导磁材料填充件的形状为：

该非导磁材料填充件的外表面具有相同的直径, 该非导磁材料填充件的内表面为自磁钢的两端向中间区域呈螺旋线状，且所述非导磁材料填充件在磁钢中间区域的厚度为0;

在所述磁钢外表面设有非导磁金属护套，且所述非导磁金属护套的内环面上凹陷形成有与所述磁钢对应的凹槽，所述磁钢嵌入在所述对应的凹槽中；

非导磁金属护套安装磁钢以及磁钢外表面的非导磁材料填充件后，再通过紧配合箍套在转轴的外表面上，并使所述磁钢的内表面与转轴的外表面紧密贴合；或者，嵌入磁钢后的所述非导磁金属护套以及磁钢通过热涨法箍套在所述转轴上；

所述非导磁金属护套由铜或铝或不锈钢制成。

2.一种大功率超高速永磁电机的转子结构，包括转轴,设在转轴表面的两个的倍数个对称布置的磁钢,所述磁钢之间设有隔磁桥；其特征在于：在所述磁钢的外表面设有非导磁材料填充件,所述非导磁材料填充件沿磁钢环向由磁钢的两端向中间区域连续成对、对称设置，且从磁钢的两端向中间区域设置的非导磁材料填充件的厚度递减，磁钢中间区域不设置非导磁材料填充件，使磁钢与定子之间的磁隙由两端至中间区域越来越小；

在所述磁钢的外表面沿环向由两端向中间区域各形成有深度递减的成对且对称的凹槽，所述凹槽用于容纳所述非导磁材料填充件；

所述每一个磁钢上至少设置两对所述非导磁材料填充件，该非导磁材料填充件呈扇环形状，自磁钢的两端向中间区域所述非导磁材料填充件的厚度呈阶梯递减，磁钢中间区域不设置非导磁材料填充件；所述磁钢的外表面的凹槽沿环向由两端向中间区域与非导磁材料填充件的形状相吻合；

在所述磁钢外表面设有非导磁金属护套，且所述非导磁金属护套的内环面上凹陷形成有与所述磁钢对应的凹槽，所述磁钢嵌入在所述对应的凹槽中；

非导磁金属护套安装磁钢以及磁钢外表面的非导磁材料填充件后，再通过紧配合箍套在转轴的外表面上，并使所述磁钢的内表面与转轴的外表面紧密贴合；或者，嵌入磁钢后的所述非导磁金属护套以及磁钢通过热涨法箍套在所述转轴上；

所述非导磁金属护套由铜或铝或不锈钢制成。

3.根据权利要求1或2所述的大功率超高速永磁电机的转子结构，其特征在于：所述非导磁材料填充件由铝或不锈钢或环氧树脂制成。