一种高速永磁同步电机的转子结构.pdf

本发明公开了一种高速永磁同步电机的转子结构，包括转轴、端压板、护套和磁体，所述的转轴采用导磁材料，转轴中间段的外表面开设有槽，槽内安装定位键以固定磁体，所述的端压板采用不导磁材料，固定在转轴中间段两侧，所述的磁体由两种不同材料的永磁体组成，所述的护套为以碳纤维为基体的复合材料，绑扎在磁体的外表面，同传统的采用表面式转子磁路结构的高速永磁同步电机相比，本发明在转子磁路结构、气隙磁密波形、制造工艺等方面有较大程度的优化，同时可降低电机成本，适合对电机性能要求较高，又具有极对数较少和转子外径较大等特点的高速永磁同步电机。

权利要求书1.  一种高速永磁同步电机的转子结构，包括转轴（1）、端压板（2）、护套（3）和磁体（4），其特征在于：所述的转轴（1）采用导磁材料，转轴（1）中间段的外表面开设有槽，槽内安装定位键（5）以固定磁体（4），所述的端压板（2）采用不导磁材料，固定在转轴（1）中间段两侧，所述的护套（3）为以碳纤维为基体的复合材料，绑扎在磁体（4）的外表面。 2.  根据权利要求1所述的一种高速永磁同步电机的转子结构，其特征在于，所述的磁体（4）为瓦片形结构，沿转轴（1）圆周方向按照N极和S极交替排布，相邻的N极和S极构成一对极，总的极对数                                               。 3.  根据权利要求2所述的一种高速永磁同步电机的转子结构，其特征在于，所述的组成每极的磁体（4）由两种不同材料的永磁体构成，位于磁极中心的为主励磁磁体（4.1，4.4），位于磁极两侧的为副励磁磁体（4.2，4.3）。 4.  根据权利要求3所述的一种高速永磁同步电机的转子结构，其特征在于，所述主励磁磁体（4.1，4.4）的剩磁密度在工作温度时高于副励磁磁体（4.2，4.3）。 5.  根据权利要求4所述的一种高速永磁同步电机的转子结构，其特征在于，所述主励磁磁体（4.1，4.4）的机械跨角，副励磁磁体（4.2，4.3）的机械跨角满足。 6.  根据权利要求5所述的一种高速永磁同步电机的转子结构，其特征在于：所述的主励磁磁体（4.1，4.4）采用整块结构或由数块拼接而成。 7.  根据权利要求5所述的一种高速永磁同步电机的转子结构，其特征在于：所述的副励磁磁体（4.2，4.3）采用整块结构或由数块拼接而成。 8.  根据权利要求5或6或7所述的一种高速永磁同步电机的转子结构，其特征在于，所述的主励磁磁体（4.1，4.4）和副励磁磁体（4.2，4.3）沿轴向分为若干段。

说明书一种高速永磁同步电机的转子结构
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种特别适用于极对数较少或转子外径较大的高速永磁同步电机的转子结构。
背景技术
高速永磁同步电机通常采用表面式转子磁路结构，具有工艺简单、制造成本低的优点。
高速永磁同步电机一般要求气隙磁场趋于正弦波，当极对数较小或尺寸较大时，受磁体加工制造尺寸的限制，使得转子每极下的永磁体需进行分块，并分别充磁后拼接，导致每极下的气隙磁密呈现出方波的特性，产生的反电势也趋近于方波。在正弦波的供电方式下，由于反电势与电源不匹配产生大量高次谐波，导致电流发生畸变，电机的效率变低。
如果通过削极来优化气隙磁密波形，则需要在磁体中的间隙填充结构材料，工艺较为复杂，也影响了电机转子的散热。
发明内容
本发明专利的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提出一种具有工艺简单，效率高的特别适用于极对数较少或转子外径较大的高速永磁同步电机。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高速永磁同步电机的转子结构，包括转轴、端压板、护套和磁体，所述的转轴采用导磁材料，转轴中间段的外表面开设有槽，槽内安装定位键以固定磁体，所述的端压板采用不导磁材料，固定在转轴中间段两侧，所述的护套为以碳纤维为基体的复合材料，绑扎在磁体的外表面。
所述的一种高速永磁同步电机的转子结构，其磁体为瓦片形结构，沿转轴圆周方向按照N极和S极交替排布，相邻的N极和S极构成一对极，总的极对数                                               。
所述的一种高速永磁同步电机的转子结构，其组成每极的磁体由两种不同材料的永磁体构成，位于磁极中心的为主励磁磁体，位于磁极两侧的为副励磁磁体。
所述的一种高速永磁同步电机的转子结构，其主励磁磁体的剩磁密度在工作温度时高于副励磁磁体。
所述的一种高速永磁同步电机的转子结构，其主励磁磁体的机械跨角，副励磁磁体的机械跨角满足。
所述的一种高速永磁同步电机的转子结构，其主励磁磁体采用整块结构或由数块拼接而成。
所述的一种高速永磁同步电机的转子结构，其副励磁磁体采用整块结构或由数块拼接而成。
所述的一种高速永磁同步电机的转子结构，其主励磁磁体和副励磁磁体沿轴向分为若干段。
本发明的有益效果是：通过优化表面式转子结构，采用不同材料的永磁磁体，并沿圆周方向按照一定规律排布组合，优化永磁同步电机的气隙磁场，有效削弱气隙磁密中的高次谐波，从而抑制引起电流畸变、性能下降的高次谐波电流，提高电机运行性能，同时简化转子制造工艺，降低成本，为高速永磁同步电机转子结构的优化设计提供一种解决方法，更适合于极对数较少或转子外径较大的表面式高速永磁同步电机。同传统的采用表面式转子磁路结构的高速永磁同步电机相比，本发明在转子磁路结构、气隙磁密波形、制造工艺等方面有较大程度的优化，同时可降低电机成本，适合对电机性能要求较高，又具有极对数较少和转子外径较大等特点的高速永磁同步电机。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的转子截面示意图；
图3是本发明一具体实施例的结构示意图；
图4是本发明具体施例在单一励磁和混合励磁两种情况下外加相同正弦波电压时的负载电流对比。
各附图标记为：1—转轴，2—端压板，3—护套，4—磁体，4.1—N极下的主励磁磁体，4.2—N极下的副励磁磁体，4.3—S极下的副励磁磁体，4.4—S极下的主励磁磁体，5—定位键，5.1—平键，5.2—螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1、图2所示，发明公开了一种高速永磁同步电机的转子结构，包括转轴1、端压板2、护套3和磁体4，所述的转轴1采用导磁材料，为转子提供磁路，转轴1中间段的外表面开设有槽，槽内安装定位键5以固定磁体4，定位键5由平键5.1和螺钉5.2组成，用于磁体4定位和传递扭矩，所述的端压板2采用不导磁材料，通过过盈配合固定在转轴1中间段两侧，用于磁体4的轴向固定，磁体4安装完毕后在外表面绑扎护套3，所述的护套3为以碳纤维为基体的复合材料，护套3的强度应满足电机旋转时的结构强度要求，所述的磁体4为瓦片形结构，沿转轴1圆周方向按照N极和S极交替排布，相邻的N极和S极构成一对极，假设电机极对数为，总的极对数，每极下的磁体4由两种不同材料的主励磁磁体和副励磁磁体组成，其中位于磁极中心的为N极下的主励磁磁体4.1和S极下的主励磁磁体4.4，对称分布于磁极两侧的为N极下的副励磁磁体4.2和S极下的副励磁磁体4.3，并沿圆周方向布满，二者均可分成多块，并分别平行充磁，所述主励磁磁体4.1和4.4的机械跨角，副励磁磁体4.2和4.3的机械跨角满足，所述的主励磁磁体的剩磁密度在工作温度时高于副励磁磁体。因采用了不同材料的主励磁磁体和副励磁磁体，并按一定规律分布，使得气隙磁密趋近于正弦波，而不同于常规表面式转子的磁体所产生的方波磁场，从而有效削弱了反电势中的高次谐波，抑制了高次谐波电流的产生，提高了电机的性能。由于主励磁磁体和副励磁磁体均可采用分块结构，避免了磁体尺寸较大带来的加工制造问题，提高了工艺可实施性；此外，由于副励磁磁体采用磁性能相对较弱的磁体，其价格一般相对低廉，而且可以避免削极永磁同步电机中的灌胶工艺，因此可以大幅降低电机的成本。
本发明是通过采用不同磁性能的永磁材料，并沿圆周方向按照一定规律排布组合，优化永磁同步电机的气隙磁场，有效削弱气隙磁密中的高次谐波，提高电机运行性能，同时简化转子制造工艺，降低成本，为高速永磁同步电机转子结构的优化设计提供一种解决方法，更适合于极对数较少或转子外径较大的表面式高速永磁同步电机。同传统的采用表面式转子磁路结构的高速永磁同步电机相比，本发明在转子磁路结构、气隙磁密波形、制造工艺等方面有较大程度的优化，同时可降低电机成本，适合对电机性能要求较高，又具有极对数较少和转子外径较大等特点的高速永磁同步电机。
由于本发明的转子结构取消了转子铁芯，磁体4直接固定在转轴1上，由转轴1提供转子磁路，而且转轴1由导磁材料制造而成，外侧采用碳纤维绑扎，提高了结构强度，同时可有效减少电气气隙厚度。本发明对极对数较少或转子外径较大的表面式高速永磁同步电机的谐波电流抑制明显，可显著提高电机的运行性能，并降低电机的成本，提高了工艺可实施性。
此外，所述主励磁磁体的剩磁密度在工作温度时高于副励磁磁体，所述的主励磁磁体采用整块结构或由数块拼接而成，所述的副励磁磁体也是采用整块结构或由数块拼接而成，所述的主励磁磁体和副励磁磁体沿轴向分为若干段。
作为本发明的具体实施例，，，，主励磁磁体采用钐钴永磁体，副励磁磁体采用铁氧体永磁体，主励磁磁体和副励磁磁体各分两块，并分别平行充磁，各磁体直接粘接在转轴上，取消转子铁芯，转轴由导磁的合金材料加工而成，其结构示意图如图3所示。
图4给出了保持相同外加正弦波电压和尺寸时，采用单一钐钴永磁体励磁和本实例所提出的励磁方式时的负载电流对比，可见电流中的高次谐波得到有效抑制和削弱。
本发明的原理为：通过采用不同材料的主励磁磁体和副励磁磁体，以及一定规律的空间位置排布，使每极下的气隙磁场分布呈现出梯形波的特点，并使其中基波与谐波的含量得到优化，使得气隙磁场中的高次谐波含量较之方波大大减少，相应的反电势和电流都呈现出近似的正弦波，从而减少谐波电流和谐波损耗，提高了电机的效率。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。