一種高功率密度轉子結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型提出一種高功率密度轉子結構，包括轉子軸、轉子磁軛、扇形大磁鋼和填充小磁鋼；扇形大磁鋼膠粘固定在轉子磁軛上，填充小磁鋼插入在相鄰扇形大磁鋼的空余氣隙中，并且填充小磁鋼的充磁方向采用平行充磁；高功率密度轉子結構所在電機磁回路為扇形大磁鋼N極→空氣隙→定子齒→定子軛→定子齒→空氣隙→扇形大磁鋼S極→填充小磁鋼→扇形大磁鋼N極。本實用新型利用磁鋼之間的空隙并改變插入磁鋼的充磁方向，一方面提高電機的磁動勢，在電機的結構及電負荷不變的情況下，電機的功率密度就會增加；另一方面，相較于通用的方案(圖1及圖2中的a方案)，該方案還可以消弱電機轉子軛部的磁密，從而降低了轉子軛上的鐵損，提高電機的效率。
【專利說明】
一種高功率密度轉子結構
技術領域
[0001]本實用新型涉及電機技術領域，具體為一種高功率密度轉子結構。
【背景技術】
[0002]航空航天領域是微特電機應用的一個重要領域之一。由于航空航天領域的特殊性，除了一般性問題外，航空航天領域還需考慮電機的小型化、輕質化(重量輕)問題，因為從航空使用的角度來說，如果飛行器件重量每減小一公斤、那么系統每小時就會少消耗100公斤的燃料，這個數字是相當可觀的。在滿足電機性能指標的要求下，諸如輸出一定的功率，盡量地減小電機的尺寸和重量，即希望電機有較高的功率密度，是當前業界普遍面臨的困難問題之一。所謂的功率密度是指指單位體積上電動機軸上所輸出的額定功率，其已成為衡量電機性能的重要指標之一。提高電機的功率密度，可以從以下兩個方面加以考慮:一方面，選用剩磁越高、磁能積越大的永磁材料。永磁材料的發展經歷了招鎳鈷永磁材料、鐵氧體永磁材料、稀土永磁材料的發展過程，每一次永磁材料的發展都對電機的小型輕質化起到了推動作用。特別是我國的稀土資源豐富、所研制的釹鐵硼(Nd-Fe-B)永磁體的最大磁能積以達到318.4kJ/m3，為我國永磁電機的發展提供了良好的條件。然而永磁材料受限于材料學的發展，近年來沒有明顯的性能進步，材料學科不能提供性能更佳的磁材料。另一方面可考慮通過優化設計電機的磁路結構，在不增加其體積的情況下盡量提高電機的功率密度，本專利主要從第二方面加以考慮。
【發明內容】
[0003]為實現在不增加體積的情況下盡量提高電機的功率密度的目的，本實用新型提出一種高功率密度轉子結構，優化電機的磁路，從而提高電機的磁負荷，達到提高電機的功率密度、減小電機的體積及降低電機重量的目的。
[0004]本實用新型的技術方案為:
[0005]所述一種高功率密度轉子結構，包括轉子軸、轉子磁軛、扇形大磁鋼，其特征在于:還包括填充小磁鋼;扇形大磁鋼膠粘固定在轉子磁軛上，填充小磁鋼插入在相鄰扇形大磁鋼的空余氣隙中，并且填充小磁鋼的充磁方向采用平行充磁;高功率密度轉子結構所在電機磁回路為扇形大磁鋼N極—空氣隙—定子齒—定子軛—定子齒—空氣隙—扇形大磁鋼S極—填充小磁鋼—扇形大磁鋼N極。
[0006]有益效果
[0007]本實用新型利用磁鋼之間的空隙并改變插入磁鋼的充磁方向，一方面會提高電機的磁動勢，進而所激發出的磁通量Φ會增加，磁負荷Bm會增大，在電機的結構及電負荷不變的情況下，電機的功率密度(或轉矩密度)就會增加，進而減小電機的體積、降低電機的重量;另一方面，相較于通用的方案(圖1及圖2中的a方案)，該方案還可以消弱電機轉子軛部的磁密，從而降低了轉子軛上的鐵損，提高電機的效率。這是因為，通過對轉子結構的優化，使得一對極所產生的磁力線一部分通過了所插入的磁鋼，還有一部分通過了轉子的軛部(而通用的方案一對極所產生的磁力線幾乎全部通過了轉子的軛部)，從而降低了軛部的磁密，而電機軛部的鐵損與其磁密是密切相關的。本實用新型帶來的優點還可通過實施例中仿真結果加以說明。
【附圖說明】
[0008]本實用新型的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0009]圖1轉子軸組件結構圖；(a)空余氣隙無磁鋼方案，(b)本文提出的空余氣隙填磁鋼方案；
[0010]I一一扇形大磁鋼2—一轉子磁軛3—一轉子軸4一一空氣隙5—一填充小磁鋼；
[0011]圖2(a)、(b)為兩種結構下的充磁方向示意圖(箭頭代表充磁方向)；
[0012]圖3通用方案的磁力線圖；
[0013]圖4間隙插磁鋼方案的磁力線圖；
[0014]圖5間隙插磁鋼方案及通用方案A相磁鏈隨時間變化曲線；
[0015]圖6間隙插磁鋼方案及通用方案的輸出轉矩隨時間變化曲線；
[0016]圖7間隙插磁鋼方案及通用方案的A相電流隨時間變化曲線。
【具體實施方式】
[0017]下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。
[0018]本實用新型的目的是在不增加體積的情況下盡量提高電機的功率密度，為此提出了一種高功率密度轉子結構，在磁鋼的包覆系數不大的情況下，有效地將磁鋼間的空隙(磁鋼N與磁鋼S之間的空余氣隙)利用起來，即用磁鋼填充剩余空隙(未填充及填充后的轉子結構如圖1所示)并改變這些填充磁鋼的充磁方向(磁鋼的充磁方向如圖2所示)，以達到優化磁路設計的目的。
[0019]如圖1和圖2所示，該高功率密度轉子結構包括轉子軸、轉子磁軛、扇形大磁鋼、和填充小磁鋼。
[0020]在該結構中，關鍵要確定填充小磁鋼的充磁方向以及如何組成實物的轉子結構。對于填充小磁鋼的充磁方向，采用平行充磁，如圖2(b)所示;而高功率密度轉子結構所在電機磁回路為扇形大磁鋼N極—空氣隙—定子齒—定子軛—定子齒—空氣隙—扇形大磁鋼S極—填充小磁鋼(一部分進入轉子軛)—扇形大磁鋼N極。
[0021]由圖2(b)可以看出，相鄰的扇形大磁鋼及所插入的小磁鋼具有一定的排斥作用，因此直接把填充小磁鋼放到定位凸臺上是不起作用的。所以本實用新型是先把大磁鋼通過膠液固定住，待膠固化后，再把小磁鋼按圖2的充磁方向分別插入到間隙中，最終構成轉子軸組件。
[0022]本實用新型的仿真結果分別如圖3-圖7所示。圖3及圖4分別顯示的是通用方案及間隙插磁鋼方案的磁力線圖。由圖3及圖4可以看出，間隙插磁鋼方案中，一對極所產生的磁力線一部分通過了間隙所插入的磁鋼，另一部分則通過了轉子磁軛，而通用的方案中則一對極所產生的磁力線幾乎全部通過了轉子磁軛，這說明了間隙插磁鋼方案中轉子軛部的磁密是降低的，這對于提高電機的效率、減輕電機的重量是大有裨益的。
[0023]而最能直接體現間隙插磁鋼方案中電機的功率密度提高的則是電機的磁鏈隨時間變化曲線，如圖5所示，圖中實線表示的是間隙插磁鋼方案磁鏈隨時間變化曲線，虛線表示的是通用方案磁鏈隨時間變化曲線。眾所周知，電機的特性與電機的三大常數是密切相關的，即轉矩常數、反電勢常數及電機的彈性阻尼系數，而這三個常數又是與電機的磁鏈息息相關的。由圖5可以看出，在電機的整體結構及匝數不變的情況下，間隙插磁鋼方案所激發出的磁通量是增加的，這直接表明電機的機械特性在變硬，電機的性能會有所提高。另一方面，電機的功率密度是與電機的電負荷及磁負荷是成正比的，在電負荷一定的情況下，間隙插磁鋼方案其磁負荷是有所增加的，這也充分說明了間隙插磁鋼方案是對電機的功率密度的提高是有裨益的。
[0024]圖6-圖7分別是電機的輸出轉矩隨時間變化曲線及A相電流隨時間變化曲線，由圖6-圖7可以間接看出間隙插磁鋼方案能有效地提高電機的功率密度。
[0025]本專利設計了一種新型的轉子結構并對這種結構的轉子加以說明，該類結構的轉子對于提高電機的功率密度、減小電機的體積及降低電機重量有著重要意義。
[0026]盡管上面已經示出和描述了本實用新型的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本實用新型的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本實用新型的原理和宗旨的情況下在本實用新型的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【主權項】
1.一種高功率密度轉子結構，包括轉子軸、轉子磁軛、扇形大磁鋼，其特征在于:還包括填充小磁鋼;扇形大磁鋼膠粘固定在轉子磁軛上，填充小磁鋼插入在相鄰扇形大磁鋼的空余氣隙中，并且填充小磁鋼的充磁方向采用平行充磁;高功率密度轉子結構所在電機磁回路為扇形大磁鋼N極4空氣隙4定子齒4定子軛4定子齒4空氣隙4扇形大磁鋼S極—填充小磁鋼—扇形大磁鋼N極。
【文檔編號】H02K1/28GK205429907SQ201520910289
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年11月16日
【發明人】郗珂慶, 胡昊, 成俊康, 高俊麗, 胡博, 李敏哲, 尹海韜
【申請人】西安航天動力測控技術研究所