一种海尔贝克阵列的无框力矩电机转子及其装配方法与流程

本发明属于无框力矩电机，具体为一种海尔贝克阵列的无框力矩电机转子及其装配方法。

背景技术：

1、无框力矩电机是一种将传统电机的电机外壳、轴承和输出轴剥离，保留定子（环形线圈）和转子（带永磁体的环形旋转体）的精密驱动装置。其基本设计理念是将电机直接嵌入设备自身的机械结构中，由设备自身的轴承和壳体提供支撑与定位，从而实现高扭矩密度、零背隙、紧凑轻量化的核心目标。无框力矩电机的转子通常由永磁体和支撑结构组成，转子直接与负载刚性连接，省去齿轮、皮带等中间传动件，避免传动损耗与精度衰减。

2、目前，无框力矩电机转子的磁钢布置方式多采用传统的表贴式（spm）结构，即永磁体贴附在转子铁芯或支撑骨架的外表面。如公开号为cn120979051a的中国专利申请文件公开了一种无框力矩电机用定转子冲片及磁钢，其转子冲片设置为表贴式转子，磁钢设置为瓦形并嵌在转子冲片外圆的凸台中间。又如公开号为202511376341.3的中国专利申请文件公开了一种集中绕组式无框力矩电机用定转子冲片及磁钢，同样采用表贴式转子结构，磁钢嵌在转子外缘的两个凸台中间。此外，授权公告号为cn100568668c的中国发明专利公开了一种无刷直流电机的转子，包括框架、多个转子齿以及固定在转子齿之间的多个磁铁，磁铁在径向上布置成面对面的侧面具有相同的极性，并通过凸钩与钩状槽的配合以及止动突起实现磁铁的固定。

3、然而，现有技术在以下几个方面还可以进一步挖掘与改进：（1）传统表贴式磁钢布置方式中，磁通在气隙侧的分布不够集中，背铁侧存在较大的漏磁，限制了气隙磁密的进一步提升。（2）现有转子的磁钢固定结构较为复杂，如cn100568668c需要设置多个转子齿、凸钩、钩状槽和止动突起等多个零件，增加了转子的转动惯量和轴向尺寸，不利于无框力矩电机的薄型化、轻量化需求。（3）现有表贴式转子在高速旋转时磁钢承受较大的离心力，存在磁钢脱落的风险，而传统的护套方案（如不锈钢护套）会增加转子的重量和惯量。因此，开发一种能够在无框力矩电机转子中实现磁场定向增强、结构简化且磁钢固定可靠的新型转子结构及其装配方法是有意义与挑战性的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种海尔贝克阵列的无框力矩电机转子及其装配方法，旨在通过将海尔贝克阵列磁钢与无框力矩电机的无框架、无转子齿结构相结合，以铝制内圈作为支撑骨架，通过定位槽定位、缝隙填胶和碳纤维缠绕实现磁钢的可靠固定，从而在降低转子转动惯量、简化结构的同时显著提高气隙磁密和转矩密度。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种海尔贝克阵列的无框力矩电机转子，包括：一个环形的铝制内圈；4n颗磁钢，沿所述铝制内圈的周向布置，所述多个磁钢按照海尔贝克阵列排列，所述海尔贝克阵列中，各磁钢的充磁方向为沿环形圆周分布的45°斜向充磁方向，依次构成向右上↗、右下↘、左上↖、右上↗的连续渐变充磁；其中，相邻的向右上↗方向充磁磁钢与向右下↘方向充磁磁钢等效为一个n极，相邻的向左上↖方向充磁磁钢与向右上↗方向充磁磁钢等效为一个s极；等效n极和等效s极在气隙侧的磁场分量相互叠加、在背铁侧的磁场分量相互抵消，所述磁钢的内端面与所述铝制内圈的外周面贴合，相邻磁钢之间形成周向间隙；填充于相邻磁钢之间的所述周向间隙中的胶粘剂，所述胶粘剂同时粘接相邻磁钢的侧面以及磁钢内端面与铝制内圈外周面之间的界面；以及缠绕于所述多个磁钢径向外侧的碳纤维缠绕层，所述碳纤维缠绕层对所述多个磁钢施加径向向内的预紧力，使磁钢内端面与铝制内圈外周面之间以及相邻磁钢之间保持紧密贴合。

3、优选地，所述n为正整数，极对数为n；所述海尔贝克阵列中，沿周向依次布置上述具有不同斜向充磁方向的磁钢，且每两个相邻的斜向充磁磁钢等效为一个磁极；具体地，相邻的向右上↗方向充磁磁钢与向右下↘方向充磁磁钢构成一个n极，相邻的向左上↖方向充磁磁钢与向右上↗方向充磁磁钢构成一个s极；每两个等效n极与每两个等效s极的两对相邻磁钢共四颗磁钢构成一个完整的极对，故所述磁钢数量为4n颗，形成n个极对。 更优选地，所述磁钢的数量为52颗，形成13个极对（即26个磁极）。

4、优选地，所述铝制内圈的外周面上设置有多个定位槽，所述定位槽的数量与磁钢数量一致，每个定位槽用于容纳一颗磁钢的内端部，以实现磁钢的周向定位并防止磁钢在周向方向上发生滑移。

5、优选地，所述磁钢在垂直于轴向的截面中呈瓦形，所述瓦形磁钢的外弧面与内弧面同心布置，相邻瓦形磁钢之间的周向间隙在径向上保持等宽。

6、优选地，所述碳纤维缠绕层为波氏碳纤维缠绕层，所述波氏碳纤维缠绕层由碳纤维丝束沿周向环向缠绕形成，缠绕层数为2层至8层，相邻纤维层之间的纤维走向呈交叉布置，所述碳纤维缠绕层的径向厚度为0.5mm至3.0mm。

7、优选地，所述胶粘剂为环氧树脂结构胶，所述环氧树脂结构胶在固化后于相邻磁钢之间以及磁钢与铝制内圈之间形成粘接层，所述粘接层的剪切强度不低于25mpa。

8、优选地，所述铝制内圈的中心设置有沿轴向贯穿的中空通孔，所述中空通孔的直径为铝制内圈外径的60%至80%。

9、优选地，所述海尔贝克阵列使得所述转子外表面处的气隙磁密沿周向呈正弦分布，n极和s极的磁感应强度平均值之差不超过5%。

10、本发明还提供了一种海尔贝克阵列的无框力矩电机转子的装配方法，包括以下步骤：

11、s1：提供一环形的铝制内圈，所述铝制内圈的外周面上设置有多个定位槽，所述定位槽的数量与待布置的磁钢数量一致；

12、s2：将多个磁钢按照海尔贝克阵列一一对应地嵌入所述定位槽中，使每颗磁钢的内端面与定位槽的底面贴合，相邻磁钢之间形成周向间隙，所述海尔贝克阵列中，各磁钢的充磁方向为沿环形圆周分布的45°斜向充磁方向，即一个向右上↗方向充磁，下一个向右下↘方向充磁，再下一个向左上↖方向充磁，再下一个向右上↗方向充磁，形成连续渐变充磁；且相邻的向右上↗方向与向右下↘方向充磁磁钢等效为一个n极，相邻的向左上↖方向与向右上↗方向充磁磁钢等效为一个s极；

13、s3：在相邻磁钢之间的周向间隙中填充胶粘剂，所述胶粘剂同时浸润磁钢的侧面以及磁钢内端面与定位槽底面之间的界面；

14、s4：在所述多个磁钢的径向外侧缠绕碳纤维丝束，缠绕时施加50n至200n的环向张力，形成碳纤维缠绕层，所述碳纤维缠绕层对磁钢施加径向向内预紧力，使磁钢内端面与定位槽底面紧密贴合；

15、s5：在60℃至100℃的温度下固化所述胶粘剂和碳纤维缠绕层中的树脂基体，固化时间为2小时至6小时，使磁钢、铝制内圈和碳纤维缠绕层固化为一体结构。

16、本发明的有益技术效果：

17、本发明通过将海尔贝克阵列磁钢与无框力矩电机的无框架、无转子齿结构相结合，通过铝制内圈、定位槽定位、缝隙填胶、碳纤维缠绕的四重固定，取得了以下有益技术效果：

18、（1）本发明采用海尔贝克阵列布置磁钢，利用海尔贝克阵列的磁场自屏蔽效应，使相邻磁钢的水平分量磁场相互叠加、气隙侧磁通密度显著提升，而竖直分量则相互抵消、背铁侧磁场大幅衰减。实测数据表明，采用52颗磁钢、13个极对（即26个磁极）的海尔贝克阵列转子，在360度圆周方向上的气隙磁场波形呈现出13个完整的正弦周期，波形平滑且连续，表明磁路设计合理、气隙磁场具有极佳的正弦分布特性，这对于降低电机的齿槽转矩和转矩脉动至关重要。磁感应强度n极平均值达到606.45mt，s极平均值达到595.67mt，两者综合平均值约601.06mt，n极和s极的误差仅约为1.15%和1.02%，表明海尔贝克阵列下的磁钢充磁和装配一致性极佳，磁场强度均匀。n极和s极的零交叉点间隔平均值分别为13.77度和13.92度，极好地吻合了26个磁极（即13个极对）的理论间隔（360°÷26≈13.846°），误差仅约1.4%，证明了多磁钢排列的极高定位精度。

19、（2）本发明采用铝制内圈作为磁钢的支撑骨架，取代了传统方案中复杂的转子齿、框架、凸钩、钩状槽和止动突起等多零件结构。铝制内圈具有密度小（约2.7g/cm3）、加工性好的优点，其环形结构不仅为磁钢提供了精确的定位基准，还通过大尺寸中空设计（中空直径可达外径的60%至80%）为线缆、光路、气路等提供了贯穿通道，显著提高了机械设计的集成度。

20、（3）本发明采用定位槽定位、缝隙填胶与碳纤维缠绕相结合的磁钢多重固定方式。定位槽实现磁钢的初始精确定位并防止周向滑移，环氧树脂胶在磁钢与铝制内圈之间以及相邻磁钢之间形成高强度的粘接层（剪切强度不低于25mpa），碳纤维缠绕层则在径向上对磁钢施加均匀的预紧力（缠绕张力50n至200n），使磁钢内端面与定位槽底面紧密贴合。这种三重固定方式有效防止了磁钢在高速旋转时因离心力作用而产生的脱落或移位，同时波氏碳纤维缠绕层密度低（约1.8g/cm3）、比强度高，在不显著增加转动惯量的前提下提供了可靠的径向约束。

21、（4）本发明提供的装配方法工艺简单、操作性强，通过定位槽确保海尔贝克阵列的排列精度，通过大张力环向缠绕实现碳纤维缠绕层的一体成型与预紧力施加，通过加热固化实现整体结构的一体化定型，适用于批量化生产。实测数据表明，n极面积和s极面积分别达到70216.5和69861.0mt·deg，总磁通面积达140077.4mt·deg，说明本发明技术方案在提升无框力矩电机转子转矩密度与运行平稳性方面的实质性突出效果。