分段式永磁同步电机转子结构

技术领域

本发明涉及一种径向式永磁同步电机的转子结 构， 尤其涉及一种用于高速铁路列车永磁 牵引电机的永磁体内置分段式永磁同步电机转 子。

背景技术

电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转 换的电磁装置。 为了在电机内部建立进行 机电能量转换所必需的气隙磁场， 可以有两种方法。 一种是在电机绕组内通以电流来产生磁 场， 例如普通的直流电机和电机。 这种电励磁的电机既需要有专门的绕组和相应 的装置， 又 需要不断提供给能量以维持电流流动； 另一种是由永磁体产生磁场。 由于永磁材料的固有特 性， 它经过预先磁化 （充磁） 以后， 不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场 ， 即所谓 的永磁电机。

永磁电机与传统励磁电机相比具有结构简单、 损耗小、 功率因数高、 效率高、 功率密度 高、 起动力矩大、 温升低、 轻量化等显著特点。 随着稀土永磁材料（特别是钕铁硼永磁材料) 磁性能的不断提高和完善以及价格的逐步降低 ， 永磁电机研究开发逐步成熟， 使永磁电机在 国防、 工农业生产和日常生活等方面获得了越来越广 泛的应用。

永磁电机是依靠安装在转子上的永久磁铁产生 磁场的电机， 其定子结构与普通同 /异步电 机基本相同， 即由硅钢片叠压构成的定子铁心和嵌在定子铁 心槽内的定子线圈组成， 并通以 三相交流电从而在定子线圈内产生旋转磁场。 永磁电机转子主要由转子铁心和永磁体构成， 这是永磁电机与其他类型电机的主要区别， 转子磁路结构是永磁电机的关键技术所在。 转子 采用的磁路结构不同， 则电动机的运行性能、 控制策略、 制造工艺和使用场合也不同。

按照永磁体在永磁电机转子上安装位置的不同 ，永磁电机的转子磁路一般可分为表面式、 内置式和爪极式等三种。 表面式转子磁路结构简单、 制造成本低， 但转子表面无法安装启动 绕组， 因而此类永磁电机无异步启动能力， 且转子的机械强度较差， 永磁体在高转速下容易 发生碎断故障。 内置式永磁电机转子的永磁体位于转子内部， 按永磁体磁化方向与转子旋转 方向的相互关系， 内置式转子磁路结构又可分为径向式、 切向式和混合式三种。 与表面式转 子相比， 内置式永磁电机转子可对力学性能相对较低的 永磁体进行保护， 并可根据永磁电机 性能的需要显著增大永磁体的尺寸， 因而在是永磁电机转子目前广泛采用的一种结 构。

目前， 常用的分段式永磁电机转子多采用转子导条来 加固转子， 但仍存在机械强度低、 可靠性差、 转子表面涡流损耗严重和内部漏磁显著等问题 ， 因而阻碍了大功率、 高转速、 大 回转直径永磁电机的开发， 进而限制了将永磁电机作为牵引电机在高速列 车上的应用。

中国专利申请 201010513307.3号披露了一种大功率永磁电机转子� �� 采用永磁体内嵌式结 构， 转子由沿轴向的至少两个转子单元构成， 每个转子单元相邻两极永磁体之间的铁心上开 设有沿转子轴向的隔磁凹槽， 相邻的转子单元之间设有不导磁材料制成的隔 板， 转子单元两 端设有端板， 至少两个转子单元通过轴向定位拉紧螺栓进行 固定。 这种永磁电机转子存在以下缺点： 1、 转子极靴受到的离心力由端板、 隔板和定位拉紧螺 栓共同承担， 也就是说固定转子单元的定位拉紧螺栓需要承 受弯矩， 当转子高速旋转时， 离 心力很大， 容易造成定位拉紧螺栓被离心力折弯， 也就是说， 该转子不适用于高速旋转的电 机。 2、 虽然在铁心开设有隔磁凹槽， 但是相邻的永磁体之间的铁心仍然存在连接部 分， 相邻 两极的永磁体磁场容易通过永磁体之间的铁心 部分直接连通造成漏磁， 也就是说， 该结构无 法避免漏磁且漏磁严重。 3、 隔板设置于相邻的两个转子单元之间， 隔板的厚度占用了转子沿 轴向的有效长度； 当转子采用的转子单元的数目较多且转子隔板 较厚时， 转子的有效长度将 急剧减小， 从而影响转子的电磁性能。

发明内容

为克服现有技术的上述缺点， 本发明提供了一种机械强度高， 适用于高速旋转电机的分 段式永磁同步电机转子结构。

分段式永磁同步电机转子结构， 包括转轴， 固定于转轴的转子铁心， 套置于转子铁心外 的永磁体， 位于永磁体外用于合理分布磁场并对永磁体起 到保护作用的转子极靴， 和分别位 于转子铁心两端的前端板和后端板；

其特征在于： 两个端板之间设有多个由非导磁材料制成的转 子隔板， 转子极靴之间相互 独立， 转子极靴与转子隔板在轴向间隔分布， 转子隔板将转子沿轴向分隔为多个转子单元， 每个转子单元中转子极靴的两个端面分别与相 邻的转子隔板的端面贴紧， 每个转子单元中转 子极靴对应于永磁体； 转子隔板上设有允许永磁体贯穿的通孔， 前端板、 转子极靴、 转子隔 板和后端板贯穿有极靴拉紧螺栓， 极靴拉紧螺栓沿轴向锁紧左后端板和左后端板 之间的转子 极靴与转子隔板；

转子隔板的通孔的拐角处采用弧线过渡以降低 拐角处的应力集中， 永磁体和转子隔板上 的永磁体通孔之间有间隙。

每个转子极靴和转子铁心之间的永磁体可以是 一整块， 也可以是多块永磁体沿转子轴向 拼接而成。 转子极靴与转子铁心之间有多块永磁体时， 转子隔板上分别设有每个通孔对应一 个永磁体， 相邻通孔之间有隔条， 每个永磁体通孔的拐角处均采用弧线过渡以降 低应力集中。

进一步， 转子隔板上设有减轻隔板重量、 降低应力集中的减重孔， 每一个永磁体通孔周 围均分布有多个减重孔， 同一个永磁体周围的多个减重孔形成一个减重 孔组， 减重孔组之间 对称分布。 减重孔为圆形孔或者腰形孔或者拐角为弧线过 渡的多边形孔， 减重孔主要集中在 永磁体通孔的拐角处。

进一步， 转子极靴为叠片式极靴， 转子铁心为叠片式铁心， 转子隔板和转子铁心上设有 轴向锁紧转子铁心和转子隔板的铁心拉紧螺栓 ， 转子铁心的两个端面分别紧贴相邻的两个转 子隔板；

转子极靴的两个端面分别紧贴相邻的两个转子 隔板， 转子极靴的靠近转子铁心的下缘两 端分别设有向下延伸的第一凸缘组， 转子铁心的靠近转子极靴的上缘两端分别设有 向上延伸 的第二凸缘组， 第一凸缘组和第二凸缘组将永磁体限制在转子 极靴和转子铁心之间。

进一步， 每个转子隔板均由多片隔板叠片叠合而成。

进一步， 极靴拉紧螺栓的两端分别设有极靴拉紧螺母， 极靴拉紧螺母紧贴两端的转子极 靴； 极靴拉紧螺栓的两端分别设有固定螺孔， 前端板和后端板分别通过螺钉与极靴拉紧螺栓 连接， 螺钉与固定螺孔啮合。

本发明的技术构思是： 沿转子结构的轴向用转子隔板将转子结构分隔 为多个转子单元， 相邻的转子单元的转子极靴通过转子隔板隔磁 ， 同一个转子单元内， 转子极靴相互独立而不 会相互连通， 从而避免了漏磁现象的发生。转子结构依靠极 靴拉紧螺栓和铁心拉紧螺栓锁紧， 转子极靴的两个端面分别贴紧于两个转子隔板 ， 依靠转子极靴与转子隔板之间的摩擦力还克 服转子结构高速旋转时转子极靴和永磁体受到 的离心力； 转子铁心的两个端面分别紧贴与两 个转子隔板， 依靠转子铁心与转子隔板之间的摩擦力还克服 转子结构高速旋转时转子极靴和 永磁体受到的离心力； 同时， 转子铁心的叠片之间、 转子极靴的叠片之间以及转子隔板的隔 板叠片之间也是依靠相互的摩擦力来克服离心 力。 依靠调节极靴拉紧螺栓的锁紧力来调节转 子极靴与转子隔板之间的摩擦力， 极靴拉紧螺栓只需要承受轴向的拉力而无需承 受由于离心 力而产生的弯矩， 极靴拉紧螺栓不容易被折断， 转子结构的使用寿命长。

本发明的有益效果是： 1、依靠转子极靴与隔板之间的摩擦力来克服� �子结构旋转时的离 心力， 拉紧螺栓不受弯矩、 不易折断， 转子结构的使用寿命长。 2、 永磁体和转子铁心分别贯 穿转子隔板， 即转子隔板的厚度不占用转子结构的轴向长度 。 3、 转子极靴之间相互独立， 避 免发生漏磁现象。

附图说明

图 1是分段式永磁电机转子零部件分解示意图。

图 2是分段式永磁电机转子和定子磁场分析示意� �。

图 3是第一种分段式永磁电机转子隔板的示意图� �

图 4是第一种分段式永磁电机转子隔板和永磁体� �装配示意图。

图 5是第二种分段式永磁电机转子隔板的示意图� �

图 6是第三种分段式永磁电机转子隔板的示意图� �

图 7是第四种分段式永磁电机转子隔板示意图。

图 8是分段式永磁电机转子极靴和转子铁心分离� �态示意图。

图 9是使用第四种隔板时的分段式永磁电机转子� �部件分解示意图。

图 10是使用第四种隔板时的分段式永磁电机转子� ��磁体、转子极靴和转子隔板分解示意 图。

图 11是使用第四种隔板时的分段式永磁电机转子� ��与转子铁心和转子隔板的相互配合示 意图。

图 12是使用第四种隔板时的分段式永磁电机转子� ��于分离状态的转子极靴和转子铁心与 转子隔板的组装示意图。

图 13分段式永磁电机转子装配示意图。

具体实施方式

实施例一

参照图 1-5

如图 1所示， 分段式永磁同步电机转子结构， 包括转轴 10， 固定于转轴 10的转子铁心 15， 套置于转子铁心 15外的永磁体 13， 位于永磁体 13外用于合理分布磁场并对永磁体 13 起到保护作用的转子极靴 14， 和分别位于转子铁心 15两端的前端板 11和后端板 12;

两个端板 11、 12之间设有多个由非导磁材料制成的转子隔板 16， 转子极靴 14之间相互 独立， 转子极靴 14与转子隔板 16在轴向间隔分布， 转子隔板 16将转子沿轴向分隔为多个转 子单元， 每个转子单元中转子极靴 14的两个端面分别与相邻的转子隔板 16的端面贴紧， 每 个转子单元中转子极靴 14对应于永磁体 13; 转子隔板 16上设有允许永磁体 13贯穿的通孔， 前端板 11、 转子极靴 14、 转子隔板 16和后端板 12贯穿有极靴拉紧螺栓 23， 极靴拉紧螺栓 23在轴向锁紧左后端板 11、 12和左后端板 11、 12之间的转子极靴 14与转子隔板 16;

转子隔板 16的通孔的拐角处采用弧线过渡以降低拐角处� ��应力集中， 永磁体 13和转子 隔板 16上的永磁体通孔之间有间隙。

永磁电机转子的二维磁路分析如图 3所示， 电机磁场磁通 （磁力线） 按以下路径流通。 磁力线从当前永磁体 13A的 N极出发， 经过转子极靴 14A进入气隙 28， 然后通过定子齿部 262进入定子。 在定子中沿定子轭部 261到相邻极对应的区域， 再从定子齿部进入气隙。 接 着从相邻的转子极靴 14B进入相邻的永磁体 13B的 S极， 再从 N极进入转子铁心 15。 最后 回到当前永磁体 13A的 N极形成磁力线回路。

如图 1所示， 为了克服在高转速工况下大直径永磁电机转子 极靴 14和永磁体 13受到的 强大离心力， 故将转子极靴 14和转子铁心 15沿转子轴向分割为特定长度的若干子段。 如图 1所示，在轴向相邻转子极靴 14和转子铁心 15子段之间插入转子隔板 16，即使转子极靴 14、 转子铁心 15和转子隔板 16依次相间分布， 转子隔板 16与转子极靴 14之间的摩擦力平衡转 子极靴 14和永磁体 13在转子转动时受到的离心力。由于转子铁心 15固定在转子轴 10之上， 因而转子铁心 15受到的离心力由转子轴 10承受。 为了满足转子的机械强度、 刚度和寿命要 求， 并充分发挥转子隔板 16材料的力学性能， 可采用有限元计算方法得到转子极靴 14和转 子隔板 6的最佳厚度值。 由于转子隔板 16采用非导磁材料（如高强度铝合金、 碳素纤维、 陶 瓷等） 或低导磁率材料 （如高强度奥氏体不锈钢、 钛合金） 制成， 因而沿转子轴向插入转子 隔板 16不会造成磁漏问题， 也不会对转子的磁性能产生显著影响。

每个转子极靴 14和转子铁心 15之间的永磁体 13可以是一整块，也可以是多块永磁体 13 沿转子轴向拼接而成。 转子极靴 14与转子铁心 15之间有多块永磁体 13时， 转子隔板 16上 分别设有每个通孔对应一个永磁体 13， 相邻通孔之间有隔条， 每个永磁体通孔的拐角处均采 用弧线过渡以降低应力集中， 如图 5所示。

转子隔板 16a采用非导磁材料（如高强度铝合金、碳素纤 维、陶瓷等）或低导磁率材料（如 高强度奥氏体不锈钢、钛合金）板材制成， 用于承受转子在高速转动时转子极靴 14和永磁体 13受到的离心力。 转子隔板 16中包括用于实现永磁体 13相对转子轴 10的径向和轴向定位 的通孔 165， 用于容纳极靴拉紧螺栓 23的圆形孔 161， 用于容纳铁心拉紧螺栓 24的圆形孔 162， 与转子轴 10的外表面配合用于转子隔板 16相对转子轴 10的径向定位的中心圆孔 163， 键槽 164与转子轴 10之上的键 25配合， 用于转子隔板 16相对转子轴 10的周向定位。

第一种转子隔板 16a的结构如图 3所示； 转子隔板 16a用于容纳永磁体 13的通孔 165为 异型孔构成，转子极靴与转子铁心之间的永磁 体为单块磁体。转子隔板 16a的永磁体通孔 161 的内侧面 163a和 164a分别与永磁体 13a的表面 133a和 131a相互贴靠， 从而实现所述永磁 体 13a相对转子轴 10的径向定位，所述转子隔板 16a的内侧面 161a和 162a分别与永磁体 13a 的两侧面 132a相互贴靠， 从而实现永磁体 13a相对转子轴 10的周向定位， 如图 4所示。

第二种转子隔板 16b的结构如图 5所示， 转子极靴与转子铁心之间由两块永磁体沿转子 轴向拼接而成。 转子隔板 16b的内侧面 163b和 164b用于实现永磁体 13相对转子轴 10的径 向定位， 内侧面 162b和 165b用于实现永磁体 13相对转子轴 10的周向定位， 键槽 164和内 圆孔 163分别用于实现转子隔板 16b相对转子轴 10的周向和径向定位。 用于容纳永磁体 13 的通孔的一个侧边采用两个圆弧 161b、 另一个侧边采用直边 165b。

另外， 可在永磁电机转子极靴 14和转子隔板 16之间的空隙处填充玻璃钢或环氧树脂等 热固性高分子材料， 防止电机在高速运转时因转子表面不平顺而形 成空气涡流， 以减小所述 永磁电机转子在高速运转时的空气阻力，并可 防止由永磁体 13崩碎所产生的碎片落入永磁电 机转子与定子之间的气隙， 避免发生不必要的机械故障。

本发明的技术构思是： 沿转子结构的轴向用转子隔板 16 将转子结构分隔为多个转子单 元， 相邻的转子单元的转子极靴 14通过转子隔板 16隔磁， 同一个转子单元内， 转子极靴 14 相互独立而不会相互连通， 从而避免了漏磁现象的发生。转子结构依靠极 靴拉紧螺栓 23和铁 心拉紧螺栓 24锁紧， 转子极靴 14的两个端面分别贴紧于两个转子隔板 16， 依靠转子极靴 14 与转子隔板 16之间的摩擦力还克服转子结构高速旋转时转� ��极靴 14和永磁体 13受到的离心 力； 转子铁心 15的两个端面分别紧贴与两个转子隔板 16， 依靠转子铁心 15与转子隔板 16 之间的摩擦力还克服转子结构高速旋转时转子 极靴 14和永磁体 13受到的离心力； 同时， 转 子铁心 15的叠片之间、转子极靴 14的叠片之间以及转子隔板 16的隔板叠片之间也是依靠相 互的摩擦力来克服离心力。 依靠调节极靴拉紧螺栓的锁紧力来调节转子极 靴与转子隔板之间 的摩擦力， 极靴拉紧螺栓 23只需要承受轴向的拉力而无需承受由于离心� ��而产生的弯矩， 极 靴拉紧螺栓 23不容易被折断， 转子结构的使用寿命长。

本发明的有益效果是： 1、 依靠转子极靴与隔板之间的摩擦力来克服转子 结构旋转时的离 心力， 拉紧螺栓不受弯矩、 不易折断， 转子结构的使用寿命长。 2、 永磁体和转子铁心分别贯 穿转子隔板， 即转子隔板的厚度不占用转子结构的轴向长度 。 3、 转子极靴之间相互独立， 避 免发生漏磁现象。

实施例二

参照图 6-12

本实施例与实施例一的区别在于： 转子隔板 16上设有减重孔。 转子隔板 16上设有减轻 隔板重量、降低应力集中的减重孔 166，每一个永磁体通孔 165周围均分布有多个减重孔 166， 同一个永磁体 13周围的多个减重孔 166形成一个减重孔组， 减重孔组之间对称分布。减重孔 166为圆形孔或者腰形孔或者拐角为弧线过渡的 多边形孔， 减重孔 166主要集中在永磁体通 孔的拐角处。 一 一 一

第三种转子隔板 16c的结构如图 6所示，转子隔板 16c的永磁体通孔的内侧面 163c和 164c 用于实现永磁体 13相对转子轴 10的径向定位， 内侧面 165c用于实现永磁体 13相对转子轴 10的周向定位， 键槽 164和内圆孔 163分别用于实现转子隔板 16c相对转子轴 10的周向和 径向定位。这种转子隔板 16c的减重孔包括圆形孔和拐角为弧线过渡的多 边形孔，减重孔 166 分布在永磁体通孔的靠近转子铁心 15的一侧。

第四种转子隔板 16d的结构如图 7所示， 转子隔板 16d的永磁体通孔的内侧面 163d和

164d用于实现永磁体 13相对转子轴 10的径向定位， 内侧面 165d用于实现永磁体 13相对转 子轴 10的周向定位， 内圆弧 166d、 167d和 168d均是为降低应力集中而设置的过渡圆弧。� � 槽 164和内圆孔 163分别用于实现转子隔板 16d相对转子轴 10的周向和径向定位。这种转子 隔板 16d的减重孔包括圆形孔和拐角为弧线过渡的多 边形孔， 减重孔 166分布在永磁体通孔 的靠近转子铁心 15的一侧。

转子极靴 14为叠片式极靴， 转子铁心 15为叠片式铁心， 转子隔板 16和转子铁心 15上 设有轴向锁紧转子铁心 15和转子隔板 16的铁心拉紧螺栓 24， 转子铁心 15的两个端面分别 紧贴相邻的两个转子隔板 16。

转子极靴 14采用导磁性能良好的铁磁材料板材（如厚度� �� 0.2~0.5mm的硅钢片）叠合而 成， 用于合理分布转子磁场， 并可对永磁体 13起到保护作用， 防止永磁体 13在离心力作用 下发生碎断。 转子铁心 15采用与转子极靴 14相同的导磁性能良好的片状铁磁材料板材 （如 厚度为 0.2~0.5mm的硅钢片）叠合而成。转子极靴 14和转子铁心 15的截面结构如图 8所示。 在转子极靴 14之上， 8个圆形孔 146用于容纳极靴拉紧螺栓 23， 平面 141和 142分别用于实 现永磁体 13相对转子轴 10的周向和径向定位。 在转子铁心 15之上， 4个圆形孔 155用于容 纳铁心拉紧螺栓 24， 中心圆孔 153与转子轴 10的外表面配合， 用于转子铁心 15相对转子轴 10的径向定位， 键槽 154与转子轴 10之上的键 25 (如图 11所示） 配合， 用于转子铁心 15 相对转子轴 10的周向定位。

如图 8所示， 转子极靴 14的两个端面分别紧贴相邻的两个转子隔板 16， 转子极靴 14的 靠近转子铁心 15的下缘两端分别设有向下延伸的第一凸缘组 141， 转子铁心 15的靠近转子 极靴 14的上缘两端分别设有向上延伸的第二凸缘组 151， 第一凸缘组 141和第二凸缘组 151 将永磁体 13限制在转子极靴 14和转子铁心 15之间。第一凸缘组 141和第二凸缘组 151之间 有间隙 145， 因此转子极靴 14与转子铁心 15相互独立， 不会发生漏磁。 每个转子隔板 16均 由多片隔板叠片叠合而成。

通过在转子隔板上设置减重孔， 不但可以减轻转子结构的重量， 还能够降低旋转时永磁 体挤压转子隔板造成的应力集中。

实施例三

参照图 13

本实施例与实施例二的区别之处在于： 极靴拉紧螺栓 23 的两端分别设有极靴拉紧螺母 20， 极靴拉紧螺母 20紧贴两端的转子极靴 14; 极靴拉紧螺栓 20的两端分别设有固定螺孔， 前端板 11和后端板 12分别通过螺钉 18与极靴拉紧螺栓 23连接， 螺钉 18与固定螺孔啮合。 其余结构都相同。

转子前端板 11和后端板 12采用较厚的非导磁材料 （如高强度铝合金） 板材或低导磁率 材料 （如高强度奥氏体不锈钢） 板材制成， 不但对转子极靴 14、 转子隔板 16和永磁体 13具 有稳固作用， 还可作为对永磁电机转子进行动平衡校正时的 去重结构。前端板紧固螺栓 17通 过外螺纹与位于极靴拉紧螺栓 23前端的内螺纹孔 233相联接， 使转子前端板 11与极靴拉紧 螺栓 23相联接，从而使转子前端板 11的内侧面 112贴靠在位于转子前端的转子极靴 14的前 侧面 147之上。 极靴拉紧螺栓 23的后端外表面带有外螺纹 232， 外螺纹 232与极靴拉紧螺栓 螺母 20相联接则可实现转子极靴 14和转子隔板 16的紧固。 极靴拉紧螺栓螺母 20与位于转 子后端的转子极靴 14的后侧表面 148之间放置有防松垫圈 22， 防止所述极靴拉紧螺栓螺母 20发生松动， 也可在极靴拉紧螺栓 23的外螺纹 232与极靴拉紧螺栓螺母 20的螺纹配合内涂 以金属胶从而实现二者的牢固联接。 后端板紧固螺栓 18通过外螺纹与位于极靴拉紧螺栓 23 后端的内螺纹孔 231相联接， 使转子后端板 12与极靴拉紧螺栓 23相联接， 从而使转子后端 板 12的内侧面 121则贴靠在位于转子后端的转子极靴 14的后侧表面 148之上。 如图 1和 6 所示， 所述转子前端板 11的内孔 111与转子轴 10的轴环 102之间保留有较小的间隙， 防止 所述前端板 11和所述转子轴 10在转子装配时发生干涉。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思 的实现形式的列举， 本发明的保护范围不 应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式， 本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据 本发明构思所能够想到的等同技术手段。