一种双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘及发电方法

1.本发明涉及轴向磁通永磁电机领域，尤其是涉及一种双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘及发电方法。


背景技术：

2.轴向磁通永磁电机又称为盘式电机，也叫圆盘电机，具有结构紧凑、转矩密度高、效率高等显著优点，其在电动汽车、风利发电、航空器推进系统等场合具有很好的应用前景。
3.但轴向磁场电机转子外径一般和定子外径一样，因此其转子外径较大，导致转动惯量大。目前轴向磁场永磁电机正在向高速化、高功率密度方向发展，因此对大惯量的盘式转子的结构强度提出了更高要求。对于大功率轴向磁场而言，特别是在高速运行下转子强度和永磁体的保护成为了一个重要的技术难点。此外，现有的轴向磁场电机转子大都结构复杂，成本较高。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘及发电方法,用于解决上述问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供的一种双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘及发电方法。
6.第一方面，本发明提供了一种双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘，所述双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘包括：碳纤维约束环和永磁体环，所述碳纤维约束环包括内层碳纤维约束环和外层碳纤维约束环；所述永磁体环包括内层永磁体环和外层永磁体环，所述外层永磁体环和所述内层永磁体环都由弧形短棒状永磁体组成，所述外层永磁体环安装在所述内层碳纤维约束环和外层碳纤维约束环之间，所述内层永磁体环安装在所述内层碳纤维约束环靠近所述碳纤维约束环中心的一面上；所述碳纤维约束环与所述永磁体环通过高分子粘接材料连接。
7.可选地，所述外层碳纤维约束环至少有一个截面的形状为圆环形，在所述外层碳纤维约束环中，碳纤维沿切线方向铺设。其优点在于结构强度大。
8.可选地，所述内层碳纤维约束环至少有一个截面的形状为圆环形，在所述内层碳纤维约束环中，碳纤维沿切线方向铺设。其优点在于结构强度大。
9.可选地，所述外层永磁体环由若干弧形短棒状的第一组成单元构成，所述第一组成单元的中点与所述外层永磁体环轴心在同一直线上。其优点在于提升了转子的转速上限。
10.可选地，所述内层永磁体环由若干弧形短棒状的第二组成单元构成，所述第二组成单元的中点与所述内层永磁体环轴心在同一直线上。其优点在于提高了转子的转速上限，增加磁场强度。
11.可选地，所述外层永磁体环置于所述外层碳纤维约束环与内层碳纤维约束环之间。其优点在于增加了转子结构强度，简单易于实现。
12.可选地，所述内层碳纤维约束环置于所述外层永磁体环与所述内层永磁体环之间。其优点在于结构紧凑，增加了转子结构强度。
13.可选地，所述第一组成单元和第二组成单元的排列方式为海尔贝克阵列式排列。其优点在于能提高转子转速上限和发电效率。
14.第二方面，本发明还提供了一种发电方法。其中，提供一种轴向磁通发电机，所述轴向磁通发电机包括定子和上述任意一项的双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘，以提高发电机的发电效率。
15.可选地，利用所述定子中的定子绕组切割所述永磁体环产生的轴向磁场产生电流。
附图说明
16.图1为本发明的一种双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘组装后的示意图；图2为本发明的一种双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘部件拆分示意图；图3为本发明的一种双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘用到的两种永磁体示意图；图4为本发明的一种发电方法流程图。
17.图中：1-内层永磁体环，2-外层永磁体环，3-内层碳纤维约束环，4-外层碳纤维约束环，5-第二组成单元，6-第一组成单元。
具体实施方式
18.下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。
19.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。
20.请参见图1-图3，本发明所示出的实施例提供了一种双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘，所述双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘包括碳纤维约束环和永磁体环。
21.其中，碳纤维约束环，请参见图2，所述碳纤维约束环包括外层碳纤维约束环4和内层碳纤维约束环3，所述外层碳纤维约束环4与所述内层碳纤维约束环3同轴设置，且所述外层碳纤维约束环4的直径大于所述内层碳纤维约束环3的直径。所述碳纤维约束环使用高强度碳纤维以承受超高转速带来的巨大惯性力，同时降低了转子在超高速转动中产生的弹性变形。
22.具体的，碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，碳纤维重量轻，但强度却很高，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，能在提高结构强度的同时减轻结构重量，减小转子高速旋转时的惯性力，提高转子转速上限；本实施例中使用的碳纤维为m60高模量碳纤维，在其它可选的实施例中还可以根据实际情况选择其它类型的碳纤维。
23.其中，永磁体环，请参见图2，所述永磁体环至少一个截面的形状为圆环形，所述永磁体环包括外层永磁体环2和内层永磁体环1，所述外层永磁体环2与所述内层永磁体环1同轴设置，且所述外层永磁体环2的直径大于所述内层永磁体环1的直径，所述永磁体环与所述碳纤维约束环同轴设置，所述永磁体环和所述碳纤维约束环间隔设置。所述永磁体环用于产生轴向磁场，所述永磁体环和所述碳纤维约束环间隔设置可以使永磁体环仅承受压应力，起到保护永磁体的作用。
24.具体的，本实施例中使用的永磁体为24块n56磁铁，在其它可选的实施例中还可以根据实际情况选择其它数量和类型的永磁体。
25.在一个可选的实施例中，给出的所述“厚度”和“半径”等的具体数据都是非限制性的数据。
26.本实施例中，所述外层碳纤维约束环4至少有一个截面的形状为圆环，在所述外层碳纤维约束环4中，碳纤维沿切线方向铺设。
27.具体的，所述外层碳纤维约束环4的碳纤维厚度为15mm，所述外层碳纤维约束环4的最大半径100mm。
28.其优点在于碳纤维沿切向铺设的结构强度更大，同时较大的碳纤维厚度使外层碳纤维约束环能够承受更大的离心力，保证转子盘整体结构的稳定性。
29.本实施例中，所述内层碳纤维约束环3至少有一个截面的形状为圆环，在所述内层碳纤维约束环3中，碳纤维沿切线方向铺设。
30.具体的，所述内层碳纤维约束环3的碳纤维厚度为10mm。
31.其优点在于碳纤维沿切向铺设的结构强度更大，使内层碳纤维约束环能够承受更大的离心力，同时内层碳纤维约束环厚度略小于外层碳纤维约束环，既保证了整体结构的强度，又降低了转子盘整体的重量，同时还可以与外层碳纤维约束环配合约束和保护永磁体环，提升转子盘转速的上限。
32.本实施例中，所述外层永磁体环2由大小相同的弧形短棒状的第一组成单元6构成，所述第一组成单元6的中点与所述外层永磁体环2的轴心在同一直线上。
33.具体的，所述外层永磁体环2由12个大小相同的第一组成单元6构成，所述外层永磁体环2的厚度为2mm。
34.其优点在于便于合理设计永磁体的排列布局，同时取消了传统转子盘中存在的铁芯和螺栓等结构，降低了转子盘重量，提高了转子的转速上限。
35.本实施例中，所述内层永磁体环1由大小相同的弧形短棒状的第二组成单元5构成，所述第二组成单元5的中点与所述内层永磁体环1的轴心在同一直线上。
36.具体的，所述内层永磁体环1由12个大小相同的第二组成单元5构成，所述内层永磁体环1的厚度为2mm。
37.其优点在于便于合理设计永磁体的排列布局，同时取消了传统转子盘中存在的铁
芯和螺栓等结构，降低了转子盘重量，提高了转子的转速上限；内层永磁体环产生的磁场与外层永磁体环产生的磁场叠加，能有效地增加磁场强度。
38.本实施例中，所述外层永磁体环2置于所述外层碳纤维约束环4与内层碳纤维约束环3之间，所述外层永磁体环2与所述碳纤维约束环之间通过高分子粘接材料连接。
39.具体的，所述高分子粘接材料为乐泰402瞬干胶，在一些可选的实施例当中也可以选择其它类型的高分子粘接材料。
40.其优点在于使用高分子粘接材料避免了螺栓和孔结构等在碳纤维材料中造成的结构强度弱点，同时降低了转子盘结构的复杂度，易于实现。
41.本实施例中，所述内层碳纤维约束环置于所述外层永磁体环2与所述内层永磁体环1之间，所述内层碳纤维约束环3与所述永磁体环之间通过高分子粘接材料连接。
42.具体的，所述高分子粘接材料为乐泰402瞬干胶，在其它可选的实施例当中也可以选择其它类型的高分子粘接材料。
43.其优点在于使用高分子粘接材料取代了传统转子盘中的螺栓结构，使转子盘结构之间更加紧凑，稳定性更强；降低了转子盘的重量，提高了转子盘的转速上限。
44.本实施例中，所述第一组成单元6和第二组成单元5的排列方式为海尔贝克阵列式排列。
45.具体的，所述第一组成单元6和第二组成单元5均为n56磁铁，在其它可选的实施例当中也可以选择其它类型的永磁体，具体的类型在此不做限定。
46.其优点在于能使用径向充磁的永磁体产生轴向磁场，永磁体只需要很小的厚度就可以产生较强的磁场，大大减轻了碳纤维约束环受到的永磁体带来的压应力，提高了转子盘转速的上限；同时海尔贝克型永磁体阵列能够提高气隙磁密，进而提高发电效率。
47.综上所述，本发明提供的一种双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘的结构不仅简单紧凑，稳定性强，而且强度大，在降低转子盘制作成本的同时大大提高了转子盘的工作效率。
48.请参见图4，本发明所示出的实施例还提供一种发电方法，用于使用双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘提高发电效率。
49.s1：提供一种轴向磁通发电机，所述轴向磁通发电机包括定子和所述双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘，所述双层永磁体轴向磁通发电机永磁转子盘包括碳纤维约束环和所述永磁体环。
50.s2：利用所述碳纤维约束环来承受转子在超高转速中的巨大惯性力，约束和保护所述永磁体环，降低转子在超高速转动中产生的弹性变形，提高转子整体结构的强度。
51.具体的，所述碳纤维约束环包括外层碳纤维约束环4和内层碳纤维约束环3，所述外层碳纤维约束环4与所述内层碳纤维约束环3同轴设置。所述永磁体环包括外层永磁体环2和内层永磁体环1，所述永磁体环与所述碳纤约束环同轴设置，所述外层永磁体环2置于所述外层碳纤维约束环4与内层碳纤维约束环3之间，所述内层碳纤维约束环3置于所述外层永磁体环2与所述内层永磁体环1之间，所述碳纤维约束环和所述永磁体环之间通过高分子粘接材料连接。
52.进一步的，所述碳纤维约束环使用的碳纤维为m60高模量碳纤维，所述高分子粘接材料为乐泰402瞬干胶，在一些可选的实施例中也可以选择其它类型的碳纤维和高分子粘
接材料。
53.s3：利用所述永磁体环产生轴向磁场用于发电。
54.具体的，所述第一组成单元6和第二组成单元5的排列方式为海尔贝克阵列式排列。
55.进一步的，所述外层永磁体环2由12个大小相同的第一组成单元6构成，所述内层永磁体环1由12个大小相同的第一组成单元5构成，所述第一组成单元6和所述第二组成单元5均为n56磁铁，所述外层永磁体环2和所述内层永磁体环1的厚度均为2mm。
56.本实施例中，利用所述定子中的定子绕组切割所述永磁体环产生的轴向磁场产生电流。
57.具体的，所述定子可以采用多种类型的定子，其具体结构和设计可以参照现有技术，此处为了行文简洁就不再赘述。
58.其优点在于转子结构简单、强度大、转速快和产生的磁场强度高，不但降低了成本，而且大大提升了发电机的发电效率，由于第一组成单元和第二组成单元采用的海尔贝克阵列式排列，能够减弱转子轭部磁通，因此可以相应的少用或者不用轭部，有助于减小发电机的重量和体积。
59.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。