CN100389533C - 一种双转子永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双转子永磁电机，采用铁氧体永磁因此具有很低的制造成本；采用特殊的内外转子磁体结构，双转子共用一个定子，定子铁心为圆柱形结构，能有效提高内、外转子铁氧体磁体所产生的内、外气隙永磁磁密，并使气隙磁密成正弦分布，同时大大降低内、外转子轭部导磁铁心厚度。本发明的双转子永磁电机，不但具有很低的成本而且具有很高的运行效率和转矩密度。2.2kW双转子铁氧体双转子永磁电机样机具有1Nm/kg的转矩密度、87%的运行效率，远高于价格昂贵的钕铁硼永磁电机0.5Nm/kg的转矩密度和86%的运行效率。

Description

一种双转子永磁电机

(一)技术领域

本发明属于永磁电机，特别是涉及铁氧体永磁电机技术。

(二)背景技术

高运行效率和高转矩密度是电机的基本性能要求，稀土永磁电机由于采用高性能的稀土磁体而很容易满足这一要求，但价格昂贵的稀土磁体的采用大大提高了电机的制造成本；铁氧体永磁电机因所用磁体材料廉价而具有很低的制造成本，但磁体磁性能低，而使电机具有较低的运行效率和很低的转矩密度。因此永磁电机由于价格和性能的矛盾难以广泛普及应用。

国外已公发的双转子径向磁场永磁电机是由一台外转子永磁电机和一台内转子永磁电机套在一起并共用一个定子的新型电机，它可以以价格低廉的铁氧体永磁代替稀土永磁，但仍具有较高的效率和转矩密度。该电机于2003年首次见诸文献并首先由美国人Thomas A Lipo等提出。这种电机的成本优势源于铁氧体永磁的采用，性能优势仅源于其结构的创新。但该电机内外转子磁体采用常规磁体结构，即电机内外转子磁体的块数都与电机的极数相等，每块磁体形成电机的一个磁极，因此该电机低气隙磁密的本质没有变化，限制了该种电机性能的进一步提高；同时，该电机采用常规磁体结构，所产生的气隙磁密波形为梯形波，因此相电势波形也是梯形波，并不适应于正弦交流电源供电。

(三)发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种新型双转子永磁电机。

本发明是在上述双转子永磁电机的基础上，通过采用新型磁体结构，有效提高内、外转子的气隙磁密，降低内外转子轭部磁密从而可以减小甚至省去内外转子导磁铁心轭，因而进一步提高双转子铁氧体永磁电机的运行效率和转矩密度；同时通过采用这一新型磁体结构，可以有效保证内、外转子气隙磁密波形的正弦性，从而保证电机相电势波形的正弦性。

本双转子永磁电机由内外永磁转子和双转子之间的定子组成，外转子与定子之间形成电机的外气隙，内转子与定子之间形成电机的内气隙，内外转子在端部固定在一起并同步旋转。

外转子由外转子导磁铁心轭及紧贴其内的永磁体组成，外转子每极磁体由两块或两块以上具有一定充磁规律的磁体块组成。该种磁体结构与常规外转子磁体结构相比，提高了电机气隙磁密，降低了外转子导磁铁心轭中的磁密。

内转子由内转子导磁铁心轭及紧贴其外的永磁体组成，内转子每极磁体同样由两块或两块以上的具有一定充磁规律的磁体块组成，该磁体结构可以提高电机内气隙的气隙磁密，降低内转子导磁铁心轭中的磁密。

电机的内外转子共用一个定子，这一定子沿轴向固定在一垂直静止的端盖上。定子由定子铁心和定子绕组组成。定子铁心为圆柱形结构，在其内外表面分别开有均匀分布的齿槽以放置定子绕组。定子绕组每一个线圈的两个有效边分别位于内外定子槽中，这两个槽的中心线一般位于同一半径方向上，也可以有所错位。电机的内外气隙磁场都以定子铁心轭作为其闭合磁路的一部分，并在定子铁心轭中具有相同的方向。因此在定子绕组每一个线圈中，位于定子外槽中的有效边与外气隙磁体相互作用，位于定子内槽中的有效边与外气隙磁场相互作用。

电机的转矩密度与电机气隙表面积、气隙磁密值成正比，本发明的双转子永磁电机，不但具有内外两个气隙增大了气隙表面积，而且由于内外转子磁体都采用特殊的磁体结构而增大了内外转子气隙磁密，因此增大了电机的转矩密度；同时本发明所采用的特殊磁体结构，可以使内外转子轭部磁密降低很多，大大减少甚至省去内外转子导磁铁心轭，极大地降低电机的体积和重量，从而更加提高电机的转矩密度。双转子电机特殊的定子线圈结构能有效提高电机铜线利用率，降低绕组电阻，同时所采用的特殊磁体结构有效地提高了磁负荷，从而降低了电负荷，因此可以有效降低电机的铜耗，提高电机的运行效率。

本发明的双转子永磁电机采用特殊的内外转子磁体结构，不但使内、外转子气隙磁密提高、使内外转子轭部磁密降低，从而提高电机的运行效率和转矩密度，而且使内外转子气隙磁密呈正弦分布，能够保证绕组电势呈正弦分布。

(四)附图说明

图1为双转子永磁电机的横截面图。

图2为双转子永磁电机的轴截面图：由外转子导磁铁心轭1、外转子磁体2组成外转子，由转轴8、内转子导磁铁心轭7及内转子磁体6组成内转子。内、外转子通过端部园盘9固连在一起并由轴承11、12支撑在静止座13和垂直静止端盖10上。定子4固定在垂直静止端盖10上。外转子与定子之间形成电机的外气隙3，内转子与定子之间形成电机的内气隙5。

图3为内、外转子磁体图：分别由多块相同结构尺寸、不同充磁方向的磁体块组成。其中θ_i表示某一磁体块的位置，箭头方向为该磁体块充磁方向，并用角度θ_m表示，θ_m＝(1±p)θ_i，当磁体块用作外磁体时取“+”，当磁体块用作内磁体时取“-”，p为电机的极对数。

图4、图5、图6、图7分别为4极双转子永磁电机每极2块磁体和3块磁体时内、外转子磁体的实例图：其中图4为4极双转子永磁电机每极2块磁体时的外转子磁体结构，图5为4极双转子永磁电机每极2块磁体时的内转子磁体结构，图6为4极双转子永磁电机每极3块磁体时外转子磁体结构，图7为4极双转子永磁电机每极3块磁体时内转子磁体结构，在图3、图4、图5、图6、图7中，箭头方向为磁体块的充磁方向。电机的极对数可以是任意整数，电机每极磁体块数可以是大于1的任意整数。

图8为每极4块磁体4极外转子磁体结构产生的磁场分布图，其中箭头方向为磁体充磁方向，各闭合曲线代表磁场磁力线。可以看出磁体外部磁场很弱，而内部磁场很强；因此磁体外部的导磁轭可以很薄甚至可以省去磁体外部导磁轭，同时具有很强的内部磁场。

图9为每极4块磁体4极内转子磁体结构产生的磁场分布图，其中箭头方向为磁体充磁方向，各闭合曲线代表磁力线。可以看出磁体内部磁场很弱，而外部磁场很强；因此磁体内部的导磁轭可以很薄甚至可以省去磁体内部导磁轭，同时具有很强的外部磁场。

图10为双转子永磁电机的定子立体图，由定子铁心1和定子绕组2组成。

图11为定子的轴截面图，其中1为定子铁心，2为定子绕组一个线圈的两个有效边。

(五)具体实施方案

双转子永磁电机的实施由双转子实施、定子实施及双转子与定子的装配组成。双转子实施如图1-图10所示。圆桶型的内转子导磁铁心轭7套在转轴8上，圆桶型的外转子导磁铁心轭1通过端面园盘9固定连接在转轴8上，内外转子导磁铁心轭轴向长度相近并且大体正对；根据所要求的电机极数及每极磁体块数，制作组成外转子磁体2和内转子磁体6的磁体块，组成外转子磁体的各磁体块结构尺寸相同，组成内转子磁体的各磁体块结构尺寸也相同。对各磁体块按图3所示的磁体充磁方向进行充磁，然后将各磁体块按图3所示依次放置在外转子导磁铁心轭内表面上和内转子导磁铁心轭的外表面上，构成外转子磁体2和内转子磁体6。

定子实施如图11、图12所示。按图11所示冲制定子铁心冲片，按要求的轴向长度叠压铁心片形成电机的定子铁心，按图12所示的方式放置定子线圈，并按一定的规律将各线圈相互连接而组成定子绕组，这样形成双转子永磁电机的定子。

双转子与定子的装配：将靠近端面园盘9的转轴轴端通过轴承11支撑在垂直静止座13上；将定子一端沿轴向固定在垂直静止端盖10上；转轴另一轴端通过轴承12支撑在垂直静止端盖10上。

发明的2.2kW双转子铁氧体永磁电机，与相似功率的商用感应电机及内置式钕铁硼永磁电机相比较，转矩密度分别为1Nm/kg、0.35Nm/kg、0.5Nm/kg，效率分别为87％、82％、86％。因此双转子电机与感应电机及内置式永磁电机相比具有高的效率和转矩密度，而双转子永磁电机的高转矩密度就意味着电机的体积小，耗用材料少，同时双转子电机采用铁氧体永磁，因此本项发明的双转子永磁电机成本低廉。

Claims (3)

1.一种双转子永磁电机，由外转子、内转子及内外转子之间的定子组成，，其特征在于，电机的内外气隙磁场都以定子铁心轭作为其闭合磁路的一部分，并在定子铁心轭中具有相同的方向；内外转子每极磁体都由2块或2块以上具有一定充磁方向规律的磁体块组成。

2.根据权利要求书1所述的双转子永磁电机，其特征在于，定子由定子铁心和定子绕组组成，定子铁心为圆柱形结构，在其内、外表面有均匀分布的齿槽。

3.根据权利要求书1和2所述的双转子永磁电机，其特征在于，定子绕组每个线圈的两个有效边分别置于内外定子槽中。

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