一种单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘及发电方法

1.本发明涉及轴向磁通永磁电机领域，尤其是涉及一种单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘及发电方法。


背景技术：

2.轴向磁通永磁电机又称为盘式电机，也叫圆盘电机，具有结构紧凑、转矩密度高、效率高等显著优点，其在电动汽车、风力发电、航空器推进系统等场合具有很好的应用前景。
3.但轴向磁场电机转子外径一般和定子外径一样，因此其转子外径较大，导致转动惯量大。目前轴向磁场永磁电机正在向高速化、高功率密度方向发展，因此对大惯量的盘式转子的结构强度提出了更高要求。对于大功率轴向磁场而言，特别是在高速运行下转子强度和永磁体的保护成为了一个重要的技术难点。此外，现有的轴向磁场电机转子大都结构复杂，成本较高。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘及发电方法，用于解决上述问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘及发电方法。
6.第一方面，本发明提供了一种单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘。所述单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘包括：碳纤维结构框架、夹持结构和永磁体，所述碳纤维结构框架包括外圈和内侧辐条，在所述外圈中，碳纤维沿所述外圈的切线方向铺设，在所述内侧辐条中，碳纤维呈u形等形状铺设，所述外圈与所述内侧辐条贴合；所述夹持结构与所述内侧辐条连接形成安装孔，所述碳纤维结构框架与所述夹持结构通过高分子粘接材料连接；所述永磁体部分或全部安装在所述安装孔中，所述永磁体与所述碳纤维结构框架通过高分子粘接材料连接。
7.可选地，所述外圈至少有一个截面的形状为圆环，在所述外圈中，碳纤维沿所述外圈的切线方向铺设。其优点在于结构强度大。
8.可选地，所述内侧辐条至少有一个截面的形状为第一形状，在所述内侧辐条中，碳纤维的铺设方向与所述第一形状相同。其优点在于结构简单、易于实现和强度大。
9.可选地，所述第一形状包括但不限于u形、v形和扇形的一种或多种。其优点在于可以满足不同的发电需求。
10.可选地，所述内侧辐条设有开口，所述开口位于所述内侧辐条远离所述外圈的一侧。其优点在于能为永磁体提供足够的安装空间。
11.可选地，所述内侧辐条在远离所述外圈的方向上的宽度逐渐变窄。其优点在于便于与夹持结构相连接。
12.可选地，所述夹持结构包括主体和夹持部件，所述主体至少有一个截面的形状为圆环，所述主体包括第一表面和第二表面，所述第二表面的面积大于所述第一表面的面积，所述第一表面和所述第二表面同轴设置，所述夹持部件按圆周方向均匀地分布在所述第二表面上。其优点在于提高了夹持面积，进而提升了整体结构的强度。
13.可选地，所述永磁体部分或全部填充在所述安装孔中。其优点在于解决了承力结构占用气隙的问题，提升了转子能够承受的转速上限。
14.第二方面，本发明还提供了一种发电方法。其中，提供一种轴向磁通发电机，所述轴向磁通发电机包括定子、结构主轴和上述任何一项的单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘，以提高发电机的发电效率。
15.可选的，所述结构主轴带动所述单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘旋转，所述定子中的定子绕组切割磁场产生电流。
附图说明
16.图1为本发明的一种单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘组装后的示意图；图2为本发明的一种单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘部件拆分示意图；图3为本发明的一种单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘用到的永磁体示意图；图4为本发明的一种发电方法流程图。
17.图中：1-夹持部件，2-永磁体，3-外圈，4-主体，5-内侧辐条。
具体实施方式
18.下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。
19.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。
20.请参见图1-图3，本发明所示出的实施例提供了一种单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘，所述单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘包括碳纤维结构框架、夹持结构和永磁体。
21.其中，碳纤维结构框架请参见图2，所述碳纤维结构框架包括外圈3和内侧辐条5，所述内侧辐条5与所述外圈3贴合，所述碳纤维结构框架使用高强度碳纤维以承受超高转速带来的巨大惯性力，同时降低了转子在超高速转动中产生的弹性变形，使永磁体2仅承受压应力。
22.具体的，碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，
碳纤维质量轻，但强度却很高，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，能在提高结构强度的同时减轻结构质量，减小转子高速旋转时的惯性力，提高转子转速上限；本实施例中使用的碳纤维为m60高模量碳纤维，在其它可选的实施例中还可以根据实际情况选择其它类型的碳纤维。
23.其中，夹持结构请参见图2，所述夹持结构与所述碳纤维结构框架同轴设置，所述夹持结构用于与所述内侧辐条5连接形成安装孔,所述安装孔用于安装所述永磁体2，所述夹持结构包括主体4和夹持部件1。具体的，所述夹持结构的材料为7068铝合金，质量轻，抗拉强度大，能够承受转子高转速时的离心力，在其它可选的实施例中还可以选择其它材料制作的夹持结构。
24.其中，永磁体2请参见图2，所述永磁体2全部安装在所述安装孔中，所述永磁体2用于产生固定磁场，并采用轴向磁通布局来避免传统布局中承力结构占用气隙的问题。具体的，本实施例中使用的永磁体2为12块n56磁铁，在其它可选的实施例中还可以根据实际情况选择其它数量和类型的永磁体,但要注意永磁体对碳纤维结构框架施加的压应力最好不要超过100mpa，以保持转子整体结构的稳定性。
25.在一个可选的实施例中，给出的所述“厚度”、“半径”、“宽度”和“轴向长度”等的数据都是非限制性的数据。
26.本实施例中，所述外圈3至少有一个截面的形状为圆环，碳纤维沿所述外圈3的切线方向铺设。
27.具体的，所述外圈3的碳纤维的厚度为18mm。
28.其优点在于碳纤维沿切向铺设形成的外圈结构强度更大，使外圈能够承受更大的离心力。
29.本实施例中，所述内侧辐条5至少有一个截面的形状为第一形状，在所述内侧辐条5中，碳纤维的铺设方向与所述第一形状相同,所述内侧辐条按圆周方向均匀分布在所述外圈3靠近圆心的一面上。
30.具体的，所述内侧辐条5的碳纤维的厚度为2mm。
31.其优点在于结构简单、易于实现和强度大，对永磁体能够起到很好的约束作用，使永磁体在高速旋转时仅承受压应力，能够有效的保护永磁体。
32.本实施例中，所述第一形状为半圆弧形，与纸扇的扇面形状相似，所述第一形状靠近所述外圈3的一端较宽，所述第一形状远离所述外圈3的一端较窄；其中，在其它可选的实施例中，所述第一形状也可以选择但不限于u形、v形和扇形的一种或多种。其优点在于可以选择不同的形状和组合构成不同的磁场以满足不同的发电需求，且在一定程度上能满足人们的审美需求。
33.本实施例中，所述内侧辐条5设有开口，所述开口位于所述内侧辐条5远离所述外圈3的一侧，所述内侧辐条5靠近所述外圈3的一端到所述开口的中心的距离为所述内侧辐条5的开口深度，所述开口深度小于所述外圈3的最小半径。
34.具体的，所述外圈3的最小半径为130mm，最大半径为150mm。
35.其优点在于能为夹持结构和永磁体提供足够的安装空间，提高整体结构的合理性和强度。
36.本实施例中，所述内侧辐条5在远离所述外圈3的方向上的宽度逐渐变窄。其优点
在于便于与夹持结构相连接。
37.本实施例中，所述夹持结构包括所述主体4和夹持部件1，所述夹持结构的材料为铝合金，在其它实施例中还可以根据实际情况选择其它材料制作的夹持结构；所述主体4至少有一个截面的形状为圆环，所述圆环的最大半径为70mm，最小半径为5mm，所述主体包括第一表面和第二表面，所述第二表面的面积大于所述第一表面的面积，所述第一表面和所述第二表面同轴设置，所述夹持部件1按圆周方向均匀地分布在所述第二表面上，所述夹持部件1的长度为20mm。
38.在一个可选的实施例中，所述主体4的第一表面围成一个圆孔，所述圆孔用于插入所述轴向磁通发电机的结构主轴并通过所述结构主轴与所述轴向磁通发电机连接。所述夹持部件1为两根扁平的、长度相等的长条组成的夹子型结构，所述的夹子型结构的所述两根扁平的、长度相等的长条之间的宽度与所述内侧辐条的厚度相同，即2mm，所述夹持结构与所述碳纤维结构框架之间通过高分子粘接材料连接。
39.具体的，所述圆孔的半径为5mm,所述高分子粘接材料为乐泰402瞬干胶，在其它可选的实施例中还可以选择其它类型的高分子粘接材料。
40.其优点在于使用特殊结构的夹持部件增大了夹持结构与碳纤维结构框架的接触面积，保证夹持结构有足够的对碳纤维框架的夹持强度，解决了由于高分子粘接材料本身的剪切强度相对于碳纤维的强度极低导致的单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘整体结构强度变弱的问题，降低了其结构质量，大大提高了单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘的整体结构强度。
41.本实施例中，所述永磁体2的形状与所述第一形状相似，所述永磁体2部分或全部填充在所述安装孔中，所述永磁体2远离夹持结构的一面与所述永磁体2靠近所述夹持结构的一面的距离为所述永磁体2的轴向长度，所述永磁体2的轴向长度小于所述开口深度，所述永磁体2与所述碳纤维结构框架之间使用高分子粘接材料连接。
42.具体的，所述永磁体2的轴向长度为40mm，所述高分子粘接材料为乐泰402瞬干胶，在其它可选的实施例中还可以使用其它类型的高分子粘接材料。
43.其优点在于通过合理设计的磁场结构取消了传统转子中的转子铁芯，在充分利用永磁体磁通量的同时降低了结构质量，提升了结构强度；通过高分子粘接材料替代了传统螺栓连接结构，使得结构之间连接更加牢固，能够承受更高的应力，同时进一步减轻了结构质量，降低了转子高速转动时产生的离心力，进而提升了转子能够承受的转速上限。
44.综上所述，本发明结构简单，成本低，产生的磁场强度高，能够承受极高的转速，转子的工作效率大大提升。
45.请参见图4，本发明所示出的实施例还提供一种发电方法，用于使用单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘提高发电效率。
46.s1：提供一种轴向磁通发电机，所述轴向磁通发电机包括定子、结构主轴和所述单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘，所述单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘包括；s2：利用所述碳纤维结构框架约束永磁体2，同时降低了转子在超高速转动中产生的弹性形变，使永磁体2仅承受压应力。
47.具体的，所述碳纤维结构框架包括外圈3和内侧辐条5，所述内侧辐条5与所述外圈3贴合，所述外圈碳纤维的厚度为18mm，所述内侧辐条的碳纤维的厚度为2mm。
48.进一步的，本实施例中使用的碳纤维为m60高模量碳纤维，在其它可选的实施例中还可以选择其它类型的碳纤维。
49.s3：利用所述夹持结构增大与所述碳纤维结构框架的接触面积,提升整体结构强度。
50.具体的，所述夹持结构与所述碳纤维结构框架同轴设置，所述夹持结构与所述碳纤维结构框架通过高分子连接材料连接，所述夹持结构与所述内侧辐条5连接形成安装孔,所述安装孔用于安装所述永磁体2，所述夹持结构包括主体4和夹持部件1，所述主体4至少有一个截面的形状为圆环，所述圆环的最大半径为70mm，最小半径为5mm，所述夹持部件1的长度为20mm。
51.进一步的，所述夹持结构的材料为7068铝合金，所述高分子粘接材料为乐泰402瞬干胶，在其它可选的实施例中还可以选择其它材料和结构的夹持结构以及其它类型的高分子粘接材料。
52.s4：利用所述永磁体2产生固定磁场，所述永磁体2全部安装在所述安装孔中，所述永磁体2与所述碳纤维结构框架通过高分子粘接材料连接，解决了传统布局中承力结构占用气隙的问题。
53.具体的，所述高分子粘接材料为乐泰402瞬干胶但不限于乐泰402瞬干胶，所述永磁体2为12个n56磁铁，所述永磁体2的轴向长度为40mm，但要注意磁铁对碳纤维结构框架施加的压应力最好不要超过100mpa，以保持整体结构的稳定性；在其它可选的实施例中，永磁体的数量和类型不做限定。
54.本实施例中，所述结构主轴带动所述单层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘旋转，所述定子中的定子绕组切割磁场产生电流。
55.具体的，所述结构主轴插入所述圆孔中，所述结构主轴的材料为铝合金，所述定子可以采用多种类型的定子，其具体结构和设计可以参照现有技术，此处为了行文简洁就不再赘述。
56.其优点在于结构主轴在维持自身强度的同时能够更好的和碳纤维承力主结构连接，进一步增加了结构强度；转子结构简单、转速快、产生的磁场强度高，不但降低了成本，而且大大提升了发电机的发电效率。
57.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。