一种分段式磁钢布置的转子结构及盘式电机

技术领域

本发明涉及盘式电机技术领域，尤其涉及一种分段式磁钢布置的转子结构及盘式电机。

背景技术

盘式电机转子永磁体主要采用整块磁钢表贴转子背铁进行安装，该种结构的永磁体在电机高速运转时其内部会产生相当大的涡流损耗，从而导致永磁体温度过高出现退磁现象，甚至出现永磁体脱落现象。该种结构的永磁体的涡流损耗较大，高矫顽力钕铁硼永磁体的大量使用，使电机的整体制造成本高。

现有的永磁体分段技术只是将一块同一充磁方向的永磁体等分或不等分成若干块永磁体，虽然能有效减小永磁体涡流损耗，但该种充磁方式漏磁较严重，磁场增强效果不好。

目前双转子单定子盘式电机散热效果差，可能导致定子绕组过热，绕组绝缘层损坏，定子绕组过热产生的热发散困难，也可能导致转子上的永磁体过热，永磁体发生不可逆退磁，严重影响电机的输出性能。

发明内容

本发明的技术方案是：一种分段式磁钢布置的转子结构及盘式电机，用以解决：

1、盘式永磁电机转子永磁体采用整块磁钢安装时，当电机高速运转，其内部会产生相当大的涡流损耗，从而导致永磁体温度过高出现退磁现象，甚至出现永磁体脱落的问题。

2、盘式永磁电机散热效果不佳，为了防止永磁体退磁，需要对盘式电机定子进行冷却的问题。

本方案中涉及的一种分段式磁钢布置的转子结构，包括：由硅钢片叠压而成的转子盘，转子盘上分布磁钢槽，磁钢槽内嵌入磁钢；磁钢包括：沿转子盘径向分割而成的单元部，且单元部之间通过拼接面接触对接。

单元部具体包括：第一单元部、第二单元部和第三单元部。其中：

第一单元部，拼接于第二单元部与第三单元部之间，第一单元部沿电机轴向进行磁力线闭合以形成沿电机轴向发生的第一磁场，即形成一个基础磁场；

第二单元部，沿电机径向进行磁力线闭合以形成垂直指向第一单元部上拼接面的第二磁场，即形成一个增强磁场；

第三单元部，沿电机径向进行磁力线闭合以形成垂直指向第一单元部上拼接面的第三磁场，即也形成一个增强磁场；

根据磁力线的发生方向，增强磁场会产生一个与基础磁场方向相同的磁力线的分量，这个分量可以对基础磁场产生增幅。

转子盘上相邻两个磁钢的：第一单元部的磁力线闭合方向相反、第二单元部的磁力线闭合方向相同、第三单元部的磁力线闭合方向相同。

优选的是，磁钢在横向截面上呈条状的扇形结构，在该横向截面上磁钢呈三段式结构，即：第二单元部、第一单元部、第三单元部依次顺序拼接而成，且第三单元部与第二单元部的形状相似且径向长度相同。

优选的是，磁钢为永磁体，其中：

第一单元部沿电机轴向进行充磁形成第一磁场；

第二单元部沿电机径向进行充磁以形成第二磁场；

第三单元部沿电机径向进行充磁以形成第三磁场。

基于上述的分段式磁钢结构，根据参数化建模仿真，将一个普通盘式电机与本方案设计的盘式电机进行比较，得到了两条电机的转矩曲线，经过对比可以发现本方案设计的盘式电机的转矩明显增强，即采用分段式磁钢进行磁场增幅的盘式电机转矩增强，且转矩脉动处于合理范围内，实测较普通盘式电机的转矩提升5%-18%。

第二单元部、第一单元部、第三单元部通过拼接面进行对接。具体的，单元部之间通过相邻的拼接面上涂覆结构胶进行接触粘结。

基于磁场的增幅，磁力线的密度就较普通磁钢密集，因此，更容易产生热量。为此，增设了一个风冷结构，即在转子盘上布置有扇叶区。扇叶区位于转子盘径向上磁钢的侧方，扇叶区内布置有沿圆轴方向等距分布的螺旋状叶片。当转子盘发生转动时，因为在扇叶区内的螺旋状叶片，根据风扇原理，螺旋状叶片产生气流的流动，可以将转子盘后侧的空气吸入定、转子间的气隙，进行定子绕组和转子磁钢的冷却；同时，从转子外侧进入定转子间的空气也被带出，这样就可以形成一个冷却循环。

具体的，转子盘上可以设置第一扇叶区和第二扇叶区，第一扇叶区、第二扇叶区分别位于转子盘径向上磁钢的两侧。

两侧的风扇可以采用同一螺旋方向的螺旋状叶片，这样的话螺旋状叶片为单一方向推动气流，即定、转子间的气隙同时进风或同时出风。此时，气流循环效果并不突出。若两侧的风扇采用不同螺旋方向的螺旋状叶片，这样一侧为进风则另一侧为出风，那么就可以形成较好的对流，气流的冷却循环效果也是最佳的。

每个扇叶区内的螺旋状叶片一般为奇数个，这样符合风扇扇叶设计原理，螺旋状叶片的螺旋角度没有具体要求，根据制备工艺及加工难度而定。目前，采用普通风扇的通用螺旋角度，即90度。

基于上述的结构，一种盘式电机，包括：定子及定子两侧的转子。

转子包括转子盘，转子盘上分布磁钢槽，磁钢槽内嵌入上述分段式的磁钢，转子盘的轴孔中通过键连接方式装配一转轴。

磁钢槽内的磁钢包括：

第一单元部沿电机轴向进行充磁形成第一磁场；

第二单元部沿电机径向进行充磁以形成第二磁场；

第三单元部沿电机径向进行充磁以形成第三磁场。

位于转子盘径向上磁钢的两侧分别设置一个扇叶区，扇叶区内布置螺旋状叶片。

优选的是，定子包括定子盘，定子盘上设置绕组，定子盘的轴孔通过轴承与转轴装配。

优选的是，定子盘为无铁芯定子结构。

具体的，定子及转子集成于壳体内，壳体包括两侧的端盖及两侧端盖之间的回转外壳。回转外壳包括左侧壳体、右侧壳体，左侧壳体与右侧壳体对接形成一个对接端。

定子通过定子盘固连至左侧壳体与右侧壳体的对接端上进行装配连接，转轴通过轴承来与端盖上的轴孔装配。

因此，这种双转子单定子的结构布置，可以形成双侧对称布置的增强结构，同时风冷也是从双侧进行的，风冷效果也更加突出。

本发明的优点是：

1、永磁体分块可以有效减少永磁体涡流损耗，降低永磁体由于过热发生脱落的风险。通过将内禀矫顽力大而剩余磁通密度小的永磁材料与内禀矫顽力小而剩余磁通密度大的永磁材料分段优化组合，可在保证电机的抗退磁能力的情况下,最少地使用成本不高的内禀矫顽力较大的钕铁硼，提高盘式电机的工作效率的同时，也能降低分段式磁钢结构电机转子的成本。

2、本发明的电机结构是双转子中间定子的盘式结构，中间定子上的绕组散热困难，左右两端转子盘上分别开设有风扇扇叶状的螺旋叶片，左端转子盘上的螺旋叶片将空气吸入，最终形成风冷冷却回路，对定子绕组进行冷却。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为分段式磁钢布置的转子结构的剖面图；

图2为双转子单定子盘式电机的剖面图；

图3为转子盘的正视图；

图4为转轴的正视图；

图5为分段式磁钢的第一种组合图；

图6为分段式磁钢的第二种组合图；

图7为分段式永磁体磁力线分布仿真图；

图8为分段磁钢转矩曲线图；

其中，1、第一螺栓；2、电机端盖；3、转轴；4、轴承端盖；5、螺钉；6、轴承；7、限位块；8、平键键槽；9、左侧壳体；10、定子盘；11、第二螺栓；12、右侧壳体；13、转子盘；14、第二单元部；15、第一单元部；16、第三单元部；17、绕组；18、螺旋叶片。

具体实施方式

实施例1：

如图1-8所示，一种双转子单定子盘式电机，包括转子及定子，转子包括转子盘13，定子包括定子盘10。两个转子盘分别位于定子盘的左右两侧，转子盘13呈圆形。转子盘及定子盘均套装在转轴3上，转轴3开设有平键键槽8，转子盘13上开设有同样大小的键槽。定子盘左右两侧的转子盘通过平键与转轴3相连。定子盘10的轴孔由轴承支撑在转轴3上，定子盘外侧通过第二螺栓11固定连接在由左侧壳体9与右侧壳体12对接而成的回转外壳上。

位于电机左右两侧的电机端盖2通过轴承6固定于电机转轴3上，轴承端盖4通过螺钉5固定于电机的电机端盖2上，轴承端盖4和限位块7用于轴承6的轴向定位，回转外壳通过第一螺栓1与电机端盖2相连。

如图1所示，双转子单定子盘式电机定子两侧转子盘13由硅钢片叠压而成，定子盘10是无铁芯定子结构，由绕组17和环氧树脂组成。

在转子盘上由线切割或者冲压形成永磁体磁钢槽，该永磁体磁钢槽与永磁体具有相同的外形大小尺寸。

如图5和6所示，每极永磁体沿电机的径向分布从内到外分为第三单元部16、第一单元部15、第二单元部14，第一单元部15沿盘式电机轴向进行充磁，第三单元部16和第二单元部14的充磁方向垂直于第一单元部15的径向端面，且充磁方向指向第一单元部15，利用该种充磁方式实现第一单元部15的轴向磁通增强效果。第三单元部16、第一单元部15、第二单元部14之间通过高强度的结构胶贴合，为了防止永磁体在永磁体磁钢槽内发生松动，各段永磁体与盘式电机转子盘13的接触面之间也使用高强度的结构胶进行粘合。

如图5和6所示，双转子单定子盘式电机上相邻两块永磁体的：第三单元部16与第二单元部14充磁方向相同，相邻两块永磁体的第一单元部15充磁方向相反。

如图5和6所示，磁钢分段结构的使用，增强了正对于绕组有效长度部分的中间磁钢磁感应强度，有利于提高电机转矩。

如图7所示，进行分段磁钢的参数化建模仿真，得到了两条电机转矩曲线，经过对比可以发现电机的转矩明显增强，且转矩脉动处于合理范围内。

在转子盘的径向方向上，磁钢槽的两侧均开设有沿圆周方向呈回转状布置的扇叶区，扇叶区与磁钢槽分布呈同心状，在两个扇叶区内均等距分布螺旋叶片18，螺旋叶片18成一定角度的螺旋扭曲角,可以把风扇后部以及周围的风吹向风扇前方。

根据风扇扇叶设计原理将风扇扇叶数设计为奇数，两个扇叶区内螺旋叶片18的螺旋角度相反。在盘式电机转子转动时，位于定子盘10左右两侧转子盘13上的螺旋叶片18将转子盘13外侧的空气吸入转子内侧，形成一个冷却冷却回路，对整个定子盘10结构进行强制风冷。

实施例2：

本方案永磁体三段磁钢呈“1”字形分布，每块磁钢呈梯形状,其采用径向分段式结构,由第三单元部16、第一单元部15、第二单元部14构成，其中第三单元部16、第二单元部14采用内禀矫顽力相对较大而剩余磁通密度相对较低的永磁材料制成,第一单元部15采用内禀矫顽力相对较小而剩余磁通密度相对较高的永磁材料制成。其中,第三单元部16与第二单元部14所采用的永磁材料为同一中永磁材料，且第三单元部与第二单元部的形状相似且径向长度相同。第三单元部16、第一单元部15、第二单元部14所采用的永磁材料为钕铁硼永磁体,第一单元部14沿盘式电机轴向进行充磁，第三单元部16和第二单元部14的充磁方向垂直于第一单元部15径向端面。

如图6所示，第三单元部16、第一单元部15、第二单元部14内的箭头代表了充磁方向，箭头长短代表了剩余磁通密度的大小。该款盘式电机通过分段磁钢的使用，降低电机永磁体涡流损耗，以及转子盘上冷却结构的设计，使该款电机的温升低，能有效保证电机绕组绝缘层和永磁体的良好使用，该结构电机能运用到多个领域，如运用于纯电动汽车、混合动力汽车、轨道交通、智能制造、船舶工业等多个领域。

本发明实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。