一种高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构

本发明属于轴向磁通永磁电机，具体涉及一种高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构。

背景技术：

1、轴向磁通永磁电机具有长径比小、结构紧凑、效率高、功率密度和转矩密度高等优点，常被用于电动汽车驱动等空间限制严格且有较高转矩输出需求的场合。轴向磁通永磁电机转子结构主要包括表贴式和内置式。由于结构简单、成本低，表贴式是轴向磁通永磁电机最常采用的转子结构，但是传统轴向充磁表贴式转子结构存在气隙磁密不高、转矩密度低等缺点。表贴式轴向halbach阵列永磁体通过增加与主磁极充磁方向垂直的副磁极起到聚磁作用，这同时加强了气隙侧磁密，改善了气隙磁密波形畸变率，同时削弱了背铁侧磁密，减小了转子背铁厚度，提高了输出转矩。

2、随着halbach阵列分块数的增加和充磁角度的优化，对提高气隙磁密的效果越好，但是加工和安装难度也会大大增加。表贴式轴向halbach阵列永磁体也会加大永磁体用量。不过表贴式转子结构都存在相同的问题，即由于交直轴磁路对称无法利用磁阻转矩，这样就限制了轴向磁通永磁电机转矩密度的进一步提高。此外，表贴式转子结构还存在永磁体涡流损耗较大，电感较小，弱磁扩速范围小等问题。内置式转子结构采用切向充磁的永磁体，通过转子铁心块可以充分利用磁路不对称产生的磁阻转矩，提高轴向磁通永磁电机的转矩密度和扩展调速范围，但是此结构气隙磁密谐波较多，转矩波动较大，这会影响转矩输出特性。

3、综上所述，聚磁转子结构可以实现提高轴向磁通永磁电机转矩密度的效果，但是要同时克服表贴式转子结构无法利用磁阻转矩、永磁体涡流损耗大和内置式转子结构转矩波动大等缺点，以最大限度地提高轴向磁通永磁电机的输出转矩品质是一个设计难点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，具有聚磁效果好、气隙磁密高、磁阻转矩大、电感大、扩速范围大、永磁体用量少、转矩脉动低、转矩密度高的优点。

2、本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

3、一种高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，其特征在于：包括同轴布置的转子外层、转子中间层及转子内层，所述转子内层为转子铁心块和切向排列永磁体，所述转子铁心块和切向排列永磁体在圆周方向上交替均匀布置；所述转子中间层为径向halbach阵列永磁体，所述径向halbach阵列永磁体包括主磁极和副磁极，所述主磁极和副磁极在圆周方向上交替均匀布置，所述主磁极对应于转子铁心块径向外侧，副磁极对应于切向排列永磁体径向外侧，所述主磁极中心线与转子铁心块中心线有夹角α，副磁极中心线与切向排列永磁体中心线也有夹角α；所述转子外层为转子轭。

4、而且，所述切向排列永磁体的充磁方向为切向，所述主磁极的充磁方向为径向，所述副磁极的充磁方向为切向；所述转子铁心块两侧的切向排列永磁体充磁方向相反；所述主磁极两侧的副磁极充磁方向相反；所述副磁极两侧的主磁极充磁方向相反；所述副磁极与相邻切向排列永磁体充磁方向一致；所述主磁极与相邻转子铁心块两侧的切向排列永磁体充磁方向共同指向或背离转子铁心块。

5、而且，所述转子内层为转子轭，所述转子中间层为径向halbach阵列永磁体，所述转子外层为转子铁心块和切向排列永磁体。

6、而且，所述转子铁心块、切向排列永磁体、主磁极和副磁极为等腰梯形形状，上底边和下底边均为圆弧形。

7、而且，所述转子铁心块内、外弧边对应圆直径分别与切向排列永磁体内、外弧边对应圆直径相同；所述主磁极和副磁极的内、外弧边对应圆直径相同；所述切向排列永磁体外弧边对应圆直径与主磁极、副磁极的内弧边对应圆直径相同；所述主磁极、副磁极的外弧边对应圆直径与转子轭内直径相同。

8、而且，包括第一转子及第二转子，所述第二转子与第一转子相同结构，第一转子和第二转子以对应永磁体极性相反的方式轴向对称放置，所述第一转子包括同轴布置的转子外层、转子中间层及转子内层，所述转子内层为转子铁心块和切向排列永磁体，所述转子铁心块和切向排列永磁体在圆周方向上交替均匀布置；所述转子中间层为径向halbach阵列永磁体，所述径向halbach阵列永磁体包括主磁极和副磁极，所述主磁极和副磁极在圆周方向上交替均匀布置，所述主磁极对应于转子铁心块径向外侧，副磁极对应于切向排列永磁体径向外侧，所述主磁极中心线与转子铁心块中心线有夹角α，副磁极中心线与切向排列永磁体中心线也有夹角α；所述转子外层为转子轭。

9、本发明的优点和有益效果为：

10、1、本发明高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，采用切向排列永磁径向halbach阵列永磁体经过转子铁心块形成轴向主磁路，实现多向聚磁效果，加强气隙侧磁场，改善气隙磁密波形正弦性，由于不同充磁方向永磁体的排列还可以减少漏磁。

11、2、本发明高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，充分利用内外径空间，增加出力，在相同电机尺寸下输出转矩更大。

12、3、本发明高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，径向halbach阵列永磁体与切向排列永磁体错极，有效削弱磁场谐波，降低转矩脉动。

13、4、本发明高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，直轴磁路铁磁材料增加，提高直轴电感，加强弱磁能力和扩展调速范围，同时由于不对称磁路，可以充分利用磁阻转矩，提高转矩密度。

14、5、本发明高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，由于铁磁材料的屏蔽作用和永磁体分块，减少永磁体涡流损耗。

15、6、本发明高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，永磁体用量更少，降低成本。

技术特征：

1.一种高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，其特征在于：包括同轴布置的转子外层、转子中间层及转子内层，所述转子内层为转子铁心块(1)和切向排列永磁体(2)，所述转子铁心块(1)和切向排列永磁体(2)在圆周方向上交替均匀布置；所述转子中间层为径向halbach阵列永磁体(3)，所述径向halbach阵列永磁体(3)包括主磁极(3a)和副磁极(3b)，所述主磁极(3a)和副磁极(3b)在圆周方向上交替均匀布置，所述主磁极(3a)对应于转子铁心块(1)径向外侧，副磁极(3b)对应于切向排列永磁体(2)径向外侧，所述主磁极(3a)中心线与转子铁心块(1)中心线有夹角α，副磁极(3b)中心线与切向排列永磁体(2)中心线也有夹角α；所述转子外层为转子轭(4)。

2.根据权利要求1所述的高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，其特征在于：所述切向排列永磁体(2)的充磁方向为切向，所述主磁极(3a)的充磁方向为径向，所述副磁极(3b)的充磁方向为切向；所述转子铁心块(1)两侧的切向排列永磁体(2)充磁方向相反；所述主磁极(3a)两侧的副磁极(3b)充磁方向相反；所述副磁极(3b)两侧的主磁极(3a)充磁方向相反；所述副磁极(3b)与相邻切向排列永磁体(2)充磁方向一致；所述主磁极(3a)与相邻转子铁心块(1)两侧的切向排列永磁体(2)充磁方向共同指向或背离转子铁心块(1)。

3.根据权利要求1所述的高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，其特征在于：所述转子内层为转子轭(4)，所述转子中间层为径向halbach阵列永磁体(3)，所述转子外层为转子铁心块(1)和切向排列永磁体(2)。

4.根据权利要求1所述的高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，其特征在于：所述转子铁心块(1)、切向排列永磁体(2)、主磁极(3a)和副磁极(3b)为等腰梯形形状，上底边和下底边均为圆弧形。

5.据权利要求1所述的高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，其特征在于：所述转子铁心块(1)内、外弧边对应圆直径分别与切向排列永磁体(2)内、外弧边对应圆直径相同；所述主磁极(3a)和副磁极(3b)的内、外弧边对应圆直径相同；所述切向排列永磁体(2)外弧边对应圆直径与主磁极(3a)、副磁极(3b)的内弧边对应圆直径相同；所述主磁极(3a)、副磁极(3b)的外弧边对应圆直径与转子轭(4)内直径相同。

6.根据权利要求1所述的高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，其特征在于：包括第一转子(5)及第二转子(6)，所述第二转子(6)与第一转子(5)相同结构，第一转子(5)和第二转子(6)以对应永磁体极性相反的方式轴向对称放置，所述第一转子(5)包括同轴布置的转子外层、转子中间层及转子内层，所述转子内层为转子铁心块(1)和切向排列永磁体(2)，所述转子铁心块(1)和切向排列永磁体(2)在圆周方向上交替均匀布置；所述转子中间层为径向halbach阵列永磁体(3)，所述径向halbach阵列永磁体(3)包括主磁极(3a)和副磁极(3b)，所述主磁极(3a)和副磁极(3b)在圆周方向上交替均匀布置，所述主磁极(3a)对应于转子铁心块(1)径向外侧，副磁极(3b)对应于切向排列永磁体(2)径向外侧，所述主磁极(3a)中心线与转子铁心块(1)中心线有夹角(α)，副磁极(3b)中心线与切向排列永磁体(2)中心线也有夹角(α)；所述转子外层为转子轭(4)。

技术总结
本发明涉及一种高转矩密度多向聚磁轴向磁通永磁电机的转子结构，包括同轴布置的转子外层、转子中间层及转子内层，所述转子内层为转子铁心块和切向排列永磁体，所述转子铁心块和切向排列永磁体在圆周方向上交替均匀布置；所述转子中间层为径向Halbach阵列永磁体，所述径向Halbach阵列永磁体包括主磁极和副磁极，所述主磁极和副磁极在圆周方向上交替均匀布置，所述主磁极对应于转子铁心块径向外侧，副磁极对应于切向排列永磁体径向外侧，所述主磁极中心线与转子铁心块中心线有夹角α，副磁极中心线与切向排列永磁体中心线也有夹角α；所述转子外层为转子轭。本发明的转子结构聚磁效果好，气隙磁密高，转矩脉动低，转矩密度高，转矩品质高。

技术研发人员：王晓远,赵晓晓,李天元
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19