一种高速永磁电机表插式转子结构制造技术

本发明专利技术公开一种高速永磁电机的表插式转子结构，包括：转子凸极铁心、永磁体、永磁体护套、转轴。永磁电机转子为表插式结构，永磁体嵌入转子面对气隙的凹槽表面。永磁体护套可以选择轴向扎带碳纤维护套，沿圆周径向相对的一对永磁体利用同一个的碳纤维扎带固定；或者，永磁体护套也可以选择基于非导磁合金材料的笼型护套，每一块永磁体均被笼型金属合金的轴向金属条固定。本发明专利技术所述转子护套结构在保证高速永磁电机的转子机械强度的前提下，可以降低电机等效电磁气隙长度、提高转子凸极率、增大磁阻转矩分量、提高电机容错性能，同时降低永磁体用量、降低电机成本。降低电机成本。降低电机成本。

【技术实现步骤摘要】
一种高速永磁电机表插式转子结构


[0001]本专利技术涉及电机设备领域，具体地，涉及一种永磁同步交流电机，尤其是涉及一种高速永磁电机表插式转子结构。

技术介绍

[0002]随着国家工业化水平不断提高、能源消耗不断增大，我国制造业亟需进行低资源消耗、低污染排放、高经济效益的绿色转型发展。高档数控机床、机器人、航空航天装备、先进轨道交通装备、新能源汽车等都对驱动电机系统提出更高的性能要求，包括更小体积/重量、更大功率密度、更高传动效率、更简机械装置等。在这样的性能需求下，高速永磁电机展现巨大发展潜力和广阔应用前景，典型应用场合包括涡轮增压器、气体压缩机、高速机床、飞轮储能系统、航空发电系统、飞行推进系统等。
[0003]高速永磁电机转子转速高，转子表面线速度大，转子承受较大的机械应力，需要满足更高的机械强度要求，一般采用外加高强度材料保护套的方式为转子预加应力，从而提高转子的机械强度。但是，额外转子护套结构会使电机等效电磁气隙增大，气隙磁密被削弱，导致电机输出转矩下降。
[0004]常见的转子保护套材料有：碳纤维、非导磁合金材料等，不同材料的护套各有其优缺点。例如，碳纤维护套具有高机械强度，但是导热性能差、绑扎工艺复杂；相反，非导磁合金材料导热性能良好、制作工艺简单，但是会带来额外的涡流损耗。针对合金护套机械强度偏低、涡流损耗过大的问题，科研与工程技术开展了大量创新。2022年发表的论文《表贴式高速永磁电机分层护套设计方法的研究》提出一种多层护套结构，在相同护套总厚度下，利用同材料的多层护套结构降低了护套内外表面作用力跨度，从而提高护套强度；此外，护套轴向分段、表面开槽等技术可以削弱非导磁合金护套的涡流损耗；2022年公开的专利技术专利《一种具有转子冷却结构的电机及其应用》(申请公布号CN114337116A)提出一种带有导热管的表贴式转子结构，在永磁体表面嵌入一个笼型导热管用以转子冷却。但是，上述转子护套结构都不可避免地使等效电磁气隙增大、电磁性能被削弱。
[0005]常规高速表插式永磁同步电机的转子包括：带有凸极齿的转子铁心、表贴于转子铁心凹槽的永磁体；由于转子高速旋转，离心力易造成转子永磁体被甩出，导致电机失效，因此传统方案需要在永磁体表面(将转子铁心和永磁体视为整体)绕制一层沿圆周方向完整的护套(合金材料或者碳纤维)材料，以保证转子机械强度。但是，该护套会导致电机气隙长度增大，牺牲电机转矩能力。

技术实现思路

[0006]针对于传统全圆周等高护套带来等效电磁气隙增大的问题，本专利技术提出一种不增加等效电磁气隙长度的新型高速永磁电机表插式转子结构。在保证转矩输出能力的条件下，针对高速转子护套增大等效气隙的问题，利用表插式永磁转子铁心凸极齿和永磁体的高度差异，采用独立的轴向护套结构，在不额外增加等效气隙的前提下固定永磁体、保证机
械强度，同时提高转子凸极率，实现电机转矩提升，同时改善电机容错性能。
[0007]本专利技术的技术解决方案如下：
[0008]一种高速永磁电机表插式转子结构，包括转子铁心(1)、永磁体(2)、永磁体轴向护套(3)和转轴(4)，其特点在于，所述转子铁心(1)被固定于转轴(4)上，转子铁心(1)由轭部和凸极齿构成，所述永磁体(2)置于相邻两个凸极齿之间的转子铁心(1)表面凹槽内，且所述永磁体(2)的径向厚度小于所述转子铁心(1)的凸极齿的径向厚度，使所述永磁体(2)表面的气隙厚度高于所述转子铁心(1)的凸极齿表面的气隙厚度。
[0009]进一步，还包括永磁体轴向护套(3)，所述永磁体轴向护套(3)沿转子轴向方向闭合，并沿轴向方向缠绕在所述永磁体(3)外表面，且位于相邻转子铁心(1)两个凸极齿之间的表面凹槽内，该护套只作用于永磁体(2)而不作用于转子铁心(1)的凸极齿。
[0010]所述永磁体轴向护套(3)沿电机轴向连续、且形成完成闭合回路，但其沿电机周向非连续，只出现于永磁体(2)表面而不出现于转子铁心(1)凸极齿表面。
[0011]本专利技术所提出的高速永磁电机表插式护套结构，采用圆周方向非连续的轴向固定护套方式。相比于传统全圆周等高护套，所提轴向护套结构不干涉转子铁心凸极齿，延长了转子凸极齿的径向厚度，提高了表插式电机的凸极率，使得磁阻转矩得到提高；同时，该轴向护套结构降低了电机等效气隙厚度，有利于降低永磁体用量，提高转矩密度，也可以提高电机容错性能。
[0012]本专利技术所提出的高速永磁电机表插式转子周向非连续护套结构，包括两种轴向护套型式，即基于碳纤维材料的多扎带型和基于非导磁合金材料的笼型。基于碳纤维材料的多扎带型保护套型式中，一对径向相对的永磁体通过同一个轴向放置的闭合碳纤维扎带固定，而非径向相对的永磁体使用相互独立的固定碳纤维扎带，碳纤维扎带与电机转子永磁体个数成正比关系。基于非导磁合金材料的笼型保护套型式中，笼型保护套利用轴向连接条和端环形成整体结构，以固定永磁体，轴向连接条放置于永磁体表面，每一块转子永磁体利用独立的轴向连接条固定，端环用于固定轴向连接条，。
[0013]优选地，本专利技术所述的高速永磁电机表插式转子周向非连续护套结构中，可以根据电机重量需求、护套加工成本、转子散热需求等，选择基于碳纤维材料的扎带型保护套或者基于非导磁金属合金的笼型保护套。特别地，如果采用基于碳纤维材料的扎带型保护套，高速转子的机械强度会比较高；如果采用基于非导磁金属合金的笼型保护套，高速转子的散热性能会比较好，同时加工工艺难度也比较低。
[0014]优选地，本专利技术所述的高速永磁电机表插式转子结构中，可以根据转矩输出需求或者调速需求合理调整转子凸极齿的径向厚度。
[0015]优选地，本专利技术所述的高速永磁电机表插式转子结构中，可以根据转子机械强度需求调整所提轴向护套的周向宽度和径向厚度。
[0016]优选地，本专利技术所述的高速永磁电机表插式转子结构中，放置于转子铁心凹槽表面的永磁体可以在周向上完全占据铁心凹槽，也可以只占据部分铁心凹槽，剩余空间设置填充材料。
[0017]优选地，本专利技术所述的高速永磁电机表插式转子结构中，放置于转子铁心凹槽表面的永磁体的轴线可以与铁心凹槽轴线对齐，也可以设置一定偏移角度。
[0018]与现有的高速永磁电机表插式转子结构相比，本专利技术所述的高速永磁电机表插式
结构具有如下有益效果：
[0019]1、本专利技术所述永磁转子的周向非连续护套结构，不牺牲转子铁心凸极齿的径向厚度，有利于降低电机等效气隙、增大凸极率，提高电机转矩，同时有利于降低永磁体使用量。
[0020]2、略微增大转子铁心凸极齿的高度，将护套沿轴向绕制，只绕制于永磁体表面而不在铁心凸极齿表面，既满足了机械强度要求(防止永磁体被甩出)，也缩小了电机气隙长度，提升转矩能力。有利于降低电机等效气隙，增大电机电感，进而改善电机容错能力。
[0021]3、本专利技术所述永磁转子的周向非连续护套结构，转子护套使用量较少，护套总体重量小，有利于降低转子重量和转动惯量。
[0022]4、本专利技术所述的高速永磁电机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速永磁电机表插式转子结构，包括转子铁心(1)、永磁体(2)、永磁体轴向护套(3)和转轴(4)，其特征在于，所述转子铁心(1)被固定于转轴(4)上，转子铁心(1)由轭部和凸极齿构成，所述永磁体(2)置于相邻两个凸极齿之间的转子铁心(1)表面凹槽内，且所述永磁体(2)的径向厚度小于所述转子铁心(1)的凸极齿的径向厚度，使所述永磁体(2)表面的气隙厚度高于所述转子铁心(1)的凸极齿表面的气隙厚度。2.根据权利要求1所述的高速永磁电机表插式转子结构，其特征在于，还包括永磁体轴向护套(3)，所述永磁体轴向护套(3)沿转子轴向方向闭合，并沿轴向方向缠绕在所述永磁体(2)外表面，且位于相邻转子铁心(1)两个凸极齿之间的表面凹槽内，该护套只作用于永磁体(2)而不...

【专利技术属性】
技术研发人员：华浩，栗大林，王勇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：