一种应用于高速永磁电机的磁钢内置式转子

本实用新型涉及一种应用于小型燃机或者大型离心鼓风机或者大型离心机领域的高功率(p>100kw)、高电流(i>100a)、高速(n>10000rpm)、高效率(η>94％)永磁电机，具体涉及一种应用于高速永磁电机的磁钢内置式转子。

背景技术：

在高速电机领域多采用表贴式永磁电机或者异步电机，对于表贴式高速永磁电机，因交直轴电感近似相等，电机弱磁能力有限；而异步电机需要励磁电流建立磁场，导致效率较低，在高功率、高电流、高速、高效率永磁电机领域应用受限。

宝马i3主驱电机授权的一项“electricaldrivemotorsforvehicle(us20120267977a1)”专利，提出的一种二层磁钢+多层空气磁障的拓扑，适应于中高速运行(0～11400rpm)，具有较显著的弱磁调速能力。但是随着速度的升高，因磁钢在圆周方向未分块，导致磁钢外侧的转子铁芯承受很大的离心力，隔磁桥筋板的屈服强度甚至接近于许应屈服强度。

青岛海立美达电机有限公司授权的专利“一种永磁变频电机转子冲片(cn204928399u)”，通过在“一”字磁钢外侧设计多层气隙来规划磁路方向，以得到均匀分布的气隙磁密和低电磁噪声。缺点，每极磁钢外侧的转子铁芯产生的离心力由两侧的薄薄地隔磁桥承担，不适合高速运行的场合。上海大学提出了“一种应用于高速永磁电机的内置式永磁电机转子及其磁钢结构参数确定方法(cn201110073137)”专利，每极多段磁钢的优点实现了气隙磁密和空载反电势的近正弦分布，且多个隔磁加强筋增强了转子的抗变形能力。但是该类型转子仍旧属于“一”字型拓扑范畴，弱磁能力有限。

广东威灵电机制造有限公司授权的专利“用于内置式电机的转子铁芯和具有其的内置式电机(cn207603319u)”亦提出一种切向磁钢，通过修型转子铁芯外圆周，达到降低电机齿槽转矩和转矩脉动的效果。因在每个磁钢的内圆轴部分设计了隔磁槽，极靴转子铁芯与轮毂转子铁芯只有很窄的铁芯相连，难以承受巨大的离心力，导致该拓扑结构的电机无法运行于高速工况。安徽明腾永磁机电设备有限公司申请的专利“采用玻璃钢隔磁的稀土永磁电机(cn104518584a)”，提出一种切向磁钢、内外双层的转子铁芯，通过楔型挡块连接内外转子铁芯，通过环绕楔型挡块的玻璃钢隔磁层降低磁钢漏磁，节省了磁钢用量，缺点带来工艺和装配的复杂性。

专利(cn206353732u)提出一种切向磁钢转子结构，轮毂采用一体成型的非导磁注塑件。非导磁注塑件主要承担传递扭矩和固定转子铁芯作用。优点是降低了磁钢漏磁，缺点是降低了转子的机械强度，在高速、且转子温升较高的工况，非导磁注塑件难以承受转子铁芯产生的离心力，严重削弱了转子的整体刚性。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提出一种应用于24槽4极分布绕组的高速永磁电机的磁钢内置式转子。

本实用新型采用的技术方案为：一种应用于24槽4极分布绕组的高速永磁电机的磁钢内置式转子，采用切向磁钢拓扑，每极磁钢进行径向分段，在最上层磁钢外侧设计有槽楔，且每极磁钢的上下层磁钢设计成正梯形和倒梯形交替结构。主轴圆周面设计有四个凸台，每个凸台采用多段梯形截面。磁钢沿轴向方向嵌入到转子铁芯中，转子铁芯加工有四个凹台，与主轴的四个凸台装配。转子铁芯的两个端面设计有挡板与主轴过盈装配，用于限制转子铁芯、磁钢的轴向运动。

进一步地，为了减少漏磁，主轴材料设计成不导磁性的1cr18ni9ti奥氏体不锈钢或者钛合金材料或者在主轴的圆周面镶嵌一层铝合金、玻璃纤维或者碳纤维等非导磁性材料。

进一步地，每极磁钢经过转子铁芯、气隙、定子铁芯，形成闭合的永磁磁场，电枢磁场经过转子铁芯、气隙、定子铁芯，形成闭合的电枢磁场。

进一步地，设计了双层“一”字型磁钢结合多层空气隔磁桥和多层铁芯隔磁桥，以提高高速永磁电机的弱磁扩速能力。

进一步地，设计了每极“一”字型多段磁钢结合多层空气槽磁障的转子，应用于径向磁通的双定子/单转子高速永磁电机中，以提高电机的输出功率能力。

本实用新型产生的有益效果：通过主轴和四个凸台与转子铁芯的四个凹台的配合，提高了转子铁芯在高速运行状态的抗变形能力。每极的径向分段磁钢设计成正梯形和倒梯形，增大了磁钢的受力面积，有利于约束磁钢的径向、轴向、周向方向的运动，同时降低了磁钢的涡流损耗。每极磁通由沿圆周方向相邻的两极磁钢提供，增大了每极磁通。因采用了切向磁钢拓扑，磁阻转矩在总的输出转矩占的比重增加，永磁电机的弱磁能力得到了显著提升。

附图说明

图1为本实用新型的高速永磁电机的磁钢内置式转子剖面图，其中，1为第一磁钢，每极磁钢径向分三段，分别记为1a，1b，1c，2为转子铁芯，2a为隔磁桥，3为主轴，3a为第一梯形凸台，3b为第二梯形凸台，4为非磁性槽楔。

图2为在图1的基础上，主轴的外圆周增加隔磁铝板10。

图3为实用新型的高速永磁电机剖面图，电机采用24槽4极配合，a为磁钢产生的永磁磁场，b为绕组产生的电枢磁场。

图4为本实用新型扩展的高速永磁电机的双“一”字磁钢内置式转子剖面图，其中，5为转子铁芯，包括隔磁空气槽5a～5j，转子铁芯隔磁桥5k～5n，键槽5o。6为第二磁钢，包括分段的磁钢6a～6f，7为主轴。

图5为本实用新型扩展的转子双“一”型的高速永磁电机剖面图，电机采用24槽4极配合，c为磁钢产生的永磁磁场，d为绕组产生的电枢磁场。

图6为本实用新型扩展的高速永磁电机的磁钢内置式转子剖面图，去掉转子铁芯轭部，应用于双定子/单转子径向磁通永磁电机。其中，8为无轭部转子铁芯，包括隔磁空气槽8a～8h，转子铁芯隔磁桥8i～8k。9为第三磁钢，包括分段的磁钢9a～9d。

图7为本实用新型扩展的双定子/单转子的高速永磁电机剖面图，电机采用24槽4极配合，e为磁钢产生的永磁磁场，f为绕组产生的电枢磁场。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细描述。

所述的一种应用于高速永磁电机的磁钢内置式转子，转子铁芯2安装到拥有四个凸台的主轴3上，主轴3设计成空心轴，通过主轴3上的第一梯形凸台3a和第二梯形凸台3b来抵消转子高速旋转产生的离心力。为了降低磁钢涡流损耗，每极第一磁钢1径向分成三段磁钢1a，1b，1c，磁钢1a，1b，1c沿径向方向呈正梯形-倒梯形交替排列，且每段磁钢表面涂覆环氧树脂。磁钢1c的外侧设计有正梯形的非磁性槽楔4，用于径向楔紧第一磁钢1。在非磁性槽楔4的外侧设计有窄隔磁桥2a，以连接第一磁钢1两侧的转子铁芯2，同时降低第一磁钢1的漏磁。高速永磁电机的磁钢内置式转子剖面，如图1所示。

所述的一种应用于高速永磁电机的磁钢内置式转子，不导磁主轴选用1cr18ni9ti奥氏体不锈钢或者钛合金材料，无法做到完全的不导磁，一般在不导磁主轴外圆周表面镶嵌一层隔磁铝板10、玻璃纤维或者碳纤维等非导磁性材料，以降低其漏磁效果，如图2所示。

所述的一种磁钢内置式的高速永磁电机采用24槽4极配合，第一磁钢1的磁力线经过转子铁芯、气隙、定子铁芯构成永磁磁场a，电枢绕组磁力线经过转子铁芯、气隙、定子铁芯为产生的电枢磁场b，如图3所示。

为了获得高速永磁电机的更大的弱磁调速范围，设计了一种四极双“一”字磁钢内置式转子结合多层隔磁空气槽5a～5j和转子铁芯多段隔磁桥5k～5n。其中多层隔磁空气槽5a～5j主要是为了降低第二磁钢6外侧的转子铁芯重量和规划磁路走向作用。转子铁芯隔磁桥5k～5n，主要是对第二磁钢6进行圆周分段成6a～6f，达到降低磁钢涡流损耗效果，同时提高第二磁钢6外圈的转子铁芯5的抵抗离心力变形的能力。直轴磁路沿着n极方向，交轴磁路沿着不同极磁钢的中线方向。在转子铁芯5设计了四个键槽5o，与主轴7相连接。双“一”字磁钢内置式转子剖面如图4所示。

所述的一种双“一”字磁钢内置式的高速永磁电机采用24槽4极配合，相邻不同极的第二磁钢6的磁力线从n极出发，经过转子铁芯5、气隙、定子铁芯、s极磁钢、转子铁芯5，构成永磁磁场c，电枢绕组磁力线经过一个极的转子铁芯5、气隙、定子铁芯为产生的电枢磁场d，如图5所示。

所述的高速永磁电机的磁钢内置式转子去掉转子铁芯轭部，应用于双定子/单转子径向磁通永磁电机。其中，为了降低第三磁钢9外侧的转子铁芯8的重量、提高气隙磁密正弦度，无轭部转子铁芯8设计了隔磁空气槽8a～8f，8g～8h。为了降低磁钢涡流损耗、提高转子强度，第三磁钢9设计了圆周分段的磁钢9a～9d，通过转子铁芯隔磁桥8i～8k隔开，如图6所示。

所述的一种磁钢内置式的高速永磁电机采用24槽4极配合，第三磁钢9的磁力线经过转子铁芯、外层气隙、外圈定子铁芯、内层气隙、内圈定子铁芯构成永磁磁场e，电枢绕组磁力线经过转子铁芯、外层气隙、外圈定子铁芯、内层气隙、内圈定子铁芯产生的电枢磁场f，双定子/单转子的径向磁通的高速永磁电机剖面图，如图7所示。

尽管本说明书已经图示和描述了具体的实施实例，但本领域技术人员应该理解，在不背离本实用新型的范围的情况下，各种替换或等同实现都可以替代所示和所描述的这些具体实施实例。本申请旨在覆盖任何改变和本实用新型所讨论的各种具体实施实例。因此本实用新型仅由权利要求及其等同物限定。