CN101969241B

CN101969241B - 一种具有轴向和横向磁场特征的高功率密度电机

Info

Publication number: CN101969241B
Application number: CN 201010511292
Authority: CN
Inventors: 张强; 张敬南; 张文义; 程鹏; 赵凯岐; 毕洪大
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: CN101969241A

Abstract

本发明提供的是一种具有轴向和横向磁场特征的高功率密度电机。是由定子、转子、端盖、轴、定子轴承、端盖轴承组成的盘式结构的永磁电机；转子固定安装在轴上，轴两端分别与定子轴承和端盖轴承安装在一起；定子轴承安装在定子轴承室内；端盖轴承安装在端盖轴承室内；使用螺钉，利用定子外侧隔磁环上的通孔和端盖上的螺纹孔，将定子与端盖固定在一起。本发明改进了传统电机的结构和电枢绕组的放置方式，使绕组的端部也能够参与电机的机电能量转换，进而提高了电机的功率密度和整体性能。

Description

一种具有轴向和横向磁场特征的高功率密度电机

技术领域

本发明涉及的是一种电机。特别是涉及到一种同时具有轴向和横向磁场特征的盘式永磁电机。

背景技术

电机的电枢绕组是由多个放置在铁心槽中的导体边和用于连接这些导体边的绕组端部共同构成的。在电机的工作过程中，位于铁心槽中的导体边切割气隙主磁场，产生感应电动势，实现机电能量转换。而绕组的端部则位于气隙主磁场之外，不仅不参与电机的机电能量转换，而且还会对电机的性能带来以下不利影响：

(1)电枢电流流经绕组端部时形成的磁场属于漏磁场，该漏磁场的存在，会导致气隙主磁场的波形畸变，同时增加铁心的饱和程度；

(2)绕组的端部位于铁心槽外，在电机拆装时容易磕碰而损坏，发生匝间短路或断路故障，并且在电机的某些暂态过程中，过大的电枢电流冲击会导致端部折断；

(3)绕组的端部虽然不参与机电能量转换，但也需要消耗一定量的铜线，并产生相应的铜损，因此会增加电机的成本、体积和重量，降低运行效率。

公开号为CN1199270、CN101345440、US2005151437(A1)、WO03094328(A1)等专利文件中，以及《具有折叠绕组的轴径向磁通永磁同步电机的研究》(哈尔滨工业大学，硕士论文，2009)的论文中，都提出了同时具有轴向和径向磁通特征的高功率密度电机，这些所提及的电机与本发明区别如下：

(1)完全不具有本发明所提出的轴向、横向磁场同时存在的特征。

(2)在这些电机中，定子绕组并没有被充分利用，仍然存在有传统绕组的端部结构。

(3)具有、也无法实现本发明所提出的消除齿槽力矩的结构和功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高电机的功率密度和整体性能的具有轴向和横向磁场特征的高功率密度电机。

本发明的目的是这样实现的：

是由定子、转子、端盖、轴、定子轴承、端盖轴承组成的盘式结构的永磁电机；转子固定安装在轴上，轴两端分别与定子轴承和端盖轴承安装在一起；定子轴承安装在定子轴承室内；端盖轴承安装在端盖轴承室内；使用螺钉，利用定子外侧隔磁环上的通孔和端盖上的螺纹孔，将定子与端盖固定在一起。

所述定子的结构为：定子铁心1为圆盘形结构；定子铁心1面向转子侧的圆形表面上开有多条径向均匀分布的径向槽2、一条外侧环形槽3和一条内侧环形槽4，每一条径向槽2的远端即远离定子铁心1的圆心的一端与外侧环形槽3连通；每一条径向槽2的近端即靠近定子铁心1的圆心的一端与内侧环形槽4连通，外侧环形槽3和内侧环形槽4的圆心与定子铁心1的圆心重合；定子绕组5由多相绕组共同绕制形成，每一相绕组又是由多个线圈连接而成，定子绕组5的接线端与电缆线6的一端接在一起，电缆线6的另一端经过过线孔7引致电机外部；定子内侧隔磁环8固定安装在定子铁心1的中间位置，定子内侧隔磁环8与定子铁心1相接处的表面存在有多个沿径向分布的定子内侧隔磁板9，定子内侧隔磁环8与定子内侧隔磁板9为整体结构，定子内侧隔磁板9的数目与径向槽2的数目相同，且两者的位置沿定子铁心1的径向一一对应，定子内侧隔磁板9沿定子铁心1的径向延伸至内侧环形槽4的内槽壁处，定子内侧隔磁环8的中间区域开设有定子轴承室22，用于安装定子轴承24；定子外侧隔磁环10固定安装在定子铁心1的外侧，定子外侧隔磁环10与定子铁心1相接处的表面存在有多个沿径向分布的定子外侧隔磁板11，定子外侧隔磁环10与定子外侧隔磁板11为整体结构，定子外侧隔磁板11的数目与径向槽2的数目相同，且两者的位置沿定子铁心1的径向一一对应，定子外侧隔磁板11沿定子铁心1的径向延伸至外侧环形槽3的外槽壁处；在定子外侧隔磁环10的外缘均匀开设有多个通孔26，用于与端盖19连接；

所述转子的结构为：转子铁心12为圆盘形结构，转子铁心12面向定子侧的圆形表面上同心安放有三圈磁极，由内至外依次为内圈磁极13、主磁极14、外圈磁极15；内圈磁极13沿转子铁心12的周向N、S极交替均匀放置，所有内圈磁极13在转子铁心12上的安装位置与定子铁心1位于内侧环形槽4以内的区域沿电机的轴向相对应；主磁极14位于内圈磁极13的外侧，沿转子铁心12的周向N、S极交替均匀放置，主磁极14的个数与内圈磁极13的个数相同，且两者的安装位置沿转子铁心12的径向一一对应，但是径向相对应的内圈磁极13和主磁极14的极性相反，所有主磁极14在转子铁心12上的安装位置与定子铁心1位于内侧环形槽4和外侧环形槽3之间的区域沿电机的轴向相对应；外圈磁极15位于主磁极14的外侧，沿转子铁心12的周向N、S极交替均匀放置，外圈磁极15的个数与主磁极14的个数相同，且两者的安装位置沿转子铁心12的径向一一对应，但是径向相对应的外圈磁极15和主磁极14的极性相反，所有外圈磁极15在转子铁心12上的安装位置与定子铁心1位于外侧环形槽3以外的区域沿电机的轴向相对应；转子铁心12位于相邻的两个外圈磁极15之间的区域开设有隔磁孔16；转子铁心12的中间位置固定安装有转子隔磁环17，转子隔磁环17的中间开设有安装孔，用于安装轴25；转子铁心12在位于相邻的两个内圈磁极13之间的区域安装有转子隔磁板18，转子隔磁板18与转子隔磁环17连接在一起，为一体结构；

在径向相对的一组内圈磁极13、主磁极14和外圈磁极15中，内圈磁极13的几何中心线NN′即磁极几何形状的对称轴在转子铁心12表面的投影和外圈磁极15的几何中心线WW′相互重合，但与主磁极14的几何中心线ZZ′错开一个角度α，角度α的大小不应超过定子径向槽2所对应的槽距角。

所述端盖结构为：端盖19为碗形结构，在端盖19的中心位置开设有过孔20，轴25经过过孔20与电机外部负载连接；同时在端盖19的中心位置开设有端盖轴承室21，用于安装端盖轴承23；在端盖19与定子外侧隔磁环10相接处的区域开设有多个螺纹孔27，螺纹孔27与定子外侧隔磁环10上的通孔26沿电机轴向一一对应。

本发明改进了传统电机的结构和电枢绕组的放置方式，使绕组的端部也能够参与电机的机电能量转换，进而提高了电机的功率密度和整体性能。

本发明的工作原理为：

具有本发明特征的高功率密度电机，其定子绕组5通过电缆线6从外部获得多相交流电压，进而形成定子绕组5里的多相交流电流；电流流经位于定子径向槽2里的绕组时，在定子铁心1位于内侧环形槽4和外侧环形槽3之间的区域内，形成沿周向N、S极交替分布的轴向定子磁场，轴向定子磁场的磁极数目与转子上的主磁极14的数目相同，该轴向定子磁场与中间转子上的主磁极14形成的磁场相互作用产生电磁转矩T₁；电流流经位于定子铁心1的外侧环形槽3里的绕组时，在位于外侧环形槽3的内、外两侧的定子铁心区域内形成一个外侧定子磁场，该外侧定子磁场位于外侧环形槽3内侧的磁场分布与本区域内的轴向定子磁场的分布范围相互重叠，且同极性磁极相互加强，该外侧定子磁场位于外侧环形槽3外侧的磁场极性与径向相对的轴向定子磁场极性相反，外侧定子磁场同时与转子的主磁极14和外圈磁极15形成的磁场相互作用，形成电机内部的外侧横向磁场——该磁场具有横向磁场电机内部磁场的特征，并产生电磁转矩T₂；电流流经位于定子铁心1的内侧环形槽4里的绕组时，在位于内侧环形槽4的内、外两侧的定子铁心区域内形成一个内侧定子磁场，该内侧定子磁场位于内侧环形槽4外侧的磁场分布与本区域内的轴向定子磁场的分布范围相互重叠，且同极性磁极相互加强，该内侧定子磁场位于内侧环形槽4内侧的磁场极性与径向相对的轴向定子磁场极性相反，内侧定子磁场同时与转子的主磁极14和内圈磁极13形成的磁场相互作用，形成电机内部的内侧横向磁场——该磁场具有横向磁场电机内部磁场的特征，并产生电磁转矩T₃；作用在转子上的电磁转矩T₁、T₂、T₃的方向相同，拖动转子转动，随着定子绕组5中的电流不断变化，轴向定子磁场、外侧定子磁场和内侧定子磁场的空间位置，按照某一方向有序变化，进而拖动转子不断旋转，实现机电能量转化。

由于电机的齿槽效应，在电磁转矩T₁、T₂、T₃中都含有各自的齿槽力矩(定位力矩)分量，当角度α等于零时，电机运行时的齿槽力矩最大。为了减弱或消除齿槽力矩的影响，角度α的值应该大于零，但不应超过定子径向槽2所对应的槽距角，其原理与现有永磁电机转子斜极消除齿槽力矩的方法相同。

在电机运行过程中定子上的定子内侧隔磁环8、定子内侧隔磁板9、定子外侧隔磁环10、定子外侧隔磁板11和转子上的隔磁孔16、转子隔磁环17、转子隔磁板18的作用是用于增加漏磁路的磁阻，减少漏磁通的数量，进而提高电机内部磁通的利用率、增大转矩、提高功率密度。

本发明的有益效果为：

(1)定子绕组的利用率高。具有本发明结构的电机，在其定子绕组5中不存在有传统电机绕组中的端部，在电机的运行过程中，流经定子绕组5的任意一个部分的电流都被用于形成气隙主磁场(气隙主磁场由轴向定子磁场、外侧定子磁场、内侧定子磁场与转子的内圈磁极13、主磁极14、外圈磁极15共同作用形成)，全部的定子绕组5都参与了电机的机电能量转换过程。

(2)充分利用定子电流产生的磁场，漏磁通少、磁通利用率高。定子电流在流经定子铁心1的径向槽2时，产生轴向定子磁场；在流经定子铁心1的外侧环形槽3时，产生外侧定子磁场；在流经定子铁心1的内侧环形槽4时，产生内侧定子磁场，因此流经定子绕组的电流可被充分的利用，产生尽可能多的气隙主磁通。并且在电机运行过程中，定子上的定子内侧隔磁环8、定子外侧隔磁环10和转子上的隔磁孔16、转子隔磁环17、转子隔磁板18被用于增加漏磁路的磁阻，减少漏磁通的数量，进而提高电机内部磁通的利用率。

(3)功率密度高。具有本发明结构的电机，在运行过程中，其总电磁转矩由三个分量构成：轴向定子磁场与转子主磁极14形成的磁场相互作用产生的电磁转矩T₁；外侧定子磁场同时与转子的主磁极14和外圈磁极15形成的磁场相互作用产生的电磁转矩T₂；内侧定子磁场同时与转子的主磁极14和内圈磁极13形成的磁场相互作用产生的电磁转矩T₃；因此与现有的其他电机相比，具有本发明结构的电机可以产生更大的电磁转矩，拥有更高的功率密度。

(4)适用低速电机的设计、开发。具有本发明结构的电机，不仅输出的电磁转矩大，而且由于充分利用了定子绕组的全部长度进行能量转换，因此在输出转速相同的前提下，具有本发明结构的电机的质量更轻、体积更小，进而更好地满足低速拖动场合的需求。

(5)消除齿槽力矩的方法简单、有效。具有本发明结构的电机通过调节主磁极14的几何中心线ZZ′与内圈磁极13的几何中心线NN′(或外圈磁极15的几何中心线WW′)夹角α的大小，即可减弱或消除齿槽效应引起的齿槽力矩对电机运行带来的不利影响。

(6)可提高电机运行和使用过程中的可靠性。具有本发明结构的电机，其定子绕组5全部放置并固定在定子铁心的径向槽2、外侧环形槽3和内侧环形槽4中，因此，在电机的拆装和运行的过程中，定子绕组可以获得有效的保护，进而减少定子绕组短路、断路等故障的发生。

附图说明

图1不包含有定子绕组5的定子轴向视图。

图2包含有定子绕组5的定子轴向视图。

图3定子AA剖面图。

图4定子BB剖面图。

图5转子轴向视图，α＝0。

图6转子CC剖面图。

图7转子DD剖面图。

图8转子轴向视图，α＞0。

图9端盖轴向视图。

图10端盖EE剖视图。

图11电机总体结构图。

图12转子表面磁场分布示意图。图中NR1、SR1分别表示内圈磁极13的N极、S极，NR2、SR2分别表示主磁极14的N极、S极，NR3、SR3分别表示外圈磁极15的N极、S极，符号“·”表示磁力线的方向垂直纸面向外，符号“×”表示磁力线的方向垂直纸面向内。

图13某种情况下定子表面磁场分布示意图。图中NS1、SS1分别表示内侧定子磁场的N极、S极，NS2、SS2分别表示轴向定子磁场的N极、S极，NS3、SS3分别表示外侧定子磁场的N极、S极，符号“·”表示磁力线的方向垂直纸面向外，符号“×”表示磁力线的方向垂直纸面向内。

图14内侧定子磁场与转子内圈磁极13和主磁极14相互作用形成的内侧横向磁场的磁力线分布示意图。虚线为磁力线，箭头表示磁力线方向。

图15外侧定子磁场与转子外圈磁极15和主磁极14相互作用形成的外侧横向磁场的磁力线分布示意图。虚线为磁力线，箭头表示磁力线方向。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

实施方式一

具有本发明结构的高功率密度电机，其组成部分具体包括有：定子铁心1；定子铁心1上的多条径向槽2、外侧环形槽3、外侧环形槽4；放置在径径向槽2、外侧环形槽3和外侧环形槽4中的定子绕组5；用于连接定子绕组5与外部电源的电缆线6；，定子铁心1上用于将电缆线6引出的过线孔7；定子铁心1中心处的定子内侧隔磁环8；与定子内侧隔磁环8为一体化结构的多个定子内侧隔磁板9；定子铁心1外部的定子外侧隔磁环10；与定子外侧隔磁环10为一体化结构的多个定子外侧隔磁板11；转子铁心12；安装在转子铁心12表面上的多个内圈磁极13、多个主磁极14、多个外圈磁极15；转子铁心12外缘开设的多个隔磁孔16；转子铁心12中心处的转子隔磁环17；与转子隔磁环17为一体化结构的多个转子隔磁板18；端盖19；端盖19中心位置开设的过孔20、端盖轴承室21；定子铁心1中心位置开设的定子轴承室22；端盖轴承23；定子轴承24；轴25；定子外侧隔磁环10上开设的多个通孔26；端盖19与定子外侧隔磁环10相接处的区域开设的多个螺纹孔27。

参照现有永磁电机设计方法，选取定子铁心1上的径向槽2和转子主磁极14的数目，以其为依据进而可以确定出转子内圈磁极13、外圈磁极15等参数，具体结构尺寸，可通过电磁计算获得。

定子铁心1采用铁磁材料制成。

定子铁心1上的径向槽2、外侧环形槽3、外侧环形槽4可以采用开口槽、半开口槽等槽型。

定子绕组5，采用漆包线绕制，各相绕组的线圈分散放置在定子铁心1上的径向槽2、外侧环形槽3和外侧环形槽4里，根据电机的设计可具体采用集中绕组、分布绕组、整距绕组、短距绕组等形式，具体绕制方法与常规电机相同；定子绕组5内部各相绕组之间以及定子绕组5和槽壁之间采用放置绝缘纸等方法，来实现可靠地电气绝缘；为了固定定子绕组5，应在径向槽2、外侧环形槽3和外侧环形槽4的槽口放置槽楔。

电缆线6采用多芯电缆线，电缆线6一端的多个接头分别与定子绕组5的各相绕组接头连接在一起，另一端经过定子铁心1的过线孔7与外部电源接在一起。

定子内侧隔磁环8和定子内侧隔磁板9采用非导磁的金属材料整体制成，与定子铁心1之间采用焊接等方式固定连接在一起。

定子外侧隔磁环10和定子外侧隔磁板11采用非导磁的金属材料整体制成，与定子铁心1之间采用焊接等方式固定连接在一起。

转子铁心12采用铁磁材料制成。

转子上的内圈磁极13、主磁极14、外圈磁极15均采用铁氧体或钕铁硼等永磁材料沿电机轴向充磁制成，并采用粘贴等方式固定在转子铁心12的表面上。

转子上的转子隔磁环17和转子隔磁板18均采用非导磁的金属材料整体制成，与转子铁心12之间采用焊接等方式固定连接在一起。

端盖19采用金属材料，或机械强度、硬度等指标能够满足设计要求的非金属材料制成。

端盖轴承23和定子轴承24采用滚珠轴承，也可根据需要采用其他种类的轴承，

轴25采用机械强度、硬度等指标能够满足设计要求的金属材料制成。

转子隔磁环17与轴25之间采用键连接等方式固定连接。

端盖轴承23与轴25之间采用紧配合等方式连接。

定子轴承24与轴25之间采用紧配合等方式连接。

根据负载对齿槽力矩的要求，利用电磁场计算，选取合适的α角。

利用螺钉通过定子外侧隔磁环10上开设的多个通孔26，和端盖19与定子外侧隔磁环10相接处的区域开设的多个螺纹孔27，将定子与端盖固定连接在一起。

实施方式二

当电机的控制器需要检测电机转子的位置时，可以在定子铁心1的表面和径向槽2里埋设霍尔传感器，具体的放置方法与现有永磁电机的放置方法相同，霍尔传感器的输入、输出线通过电缆线6与外部控制器连接。

其他与以上实施方式相同。

Claims

1.一种具有轴向和横向磁场特征的高功率密度电机，其特征是：是由定子、转子、端盖、轴、定子轴承、端盖轴承组成的盘式结构的永磁电机；转子固定安装在轴上，轴两端分别与定子轴承和端盖轴承安装在一起；定子轴承安装在定子轴承室内；端盖轴承安装在端盖轴承室内；使用螺钉，利用定子外侧隔磁环上的通孔和端盖上的螺纹孔，将定子与端盖固定在一起；

所述定子的结构为：定子铁心（1）为圆盘形结构；定子铁心（1）面向转子侧的圆形表面上开有多条径向均匀分布的径向槽（2）、一条外侧环形槽（3）和一条内侧环形槽（4），每一条径向槽（2）的远端即远离定子铁心（1）的圆心的一端与外侧环形槽（3）连通；每一条径向槽（2）的近端即靠近定子铁心（1）的圆心的一端与内侧环形槽（4）连通，外侧环形槽（3）和内侧环形槽（4）的圆心与定子铁心（1）的圆心重合；定子绕组（5）由多相绕组共同绕制形成，每一相绕组又是由多个线圈连接而成，定子绕组（5）的接线端与电缆线（6）的一端接在一起，电缆线（6）的另一端经过过线孔（7）引致电机外部；定子内侧隔磁环（8）固定安装在定子铁心（1）的中间位置，定子内侧隔磁环（8）与定子铁心（1）相接处的表面存在有多个沿径向分布的定子内侧隔磁板（9），定子内侧隔磁环（8）与定子内侧隔磁板（9）为整体结构，定子内侧隔磁板（9）的数目与径向槽（2）的数目相同，且两者的位置沿定子铁心（1）的径向一一对应，定子内侧隔磁板（9）沿定子铁心（1）的径向延伸至内侧环形槽（4）的内槽壁处，定子内侧隔磁环（8）的中间区域开设有所述定子轴承室（22），用于安装所述定子轴承（24）；所述定子外侧隔磁环（10）固定安装在定子铁心（1）的外侧，定子外侧隔磁环（10）与定子铁心（1）相接处的表面存在有多个沿径向分布的定子外侧隔磁板（11），定子外侧隔磁环（10）与定子外侧隔磁板（11）为整体结构，定子外侧隔磁板（11）的数目与径向槽（2）的数目相同，且两者的位置沿定子铁心（1）的径向一一对应，定子外侧隔磁板（11）沿定子铁心（1）的径向延伸至外侧环形槽（3）的外槽壁处；在定子外侧隔磁环（10）的外缘均匀开设有多个所述通孔（26），用于与端盖（19）连接；

所述转子的结构为：转子铁心（12）为圆盘形结构，转子铁心（12）面向定子侧的圆形表面上同心安放有三圈磁极，由内至外依次为内圈磁极（13）、主磁极（14）、外圈磁极（15）；内圈磁极（13）沿转子铁心（12）的周向N、S极交替均匀放置，所有内圈磁极（13）在转子铁心（12）上的安装位置与定子铁心（1）位于内侧环形槽（4）以内的区域沿电机的轴向相对应；主磁极（14）位于内圈磁极（13）的外侧，沿转子铁心（12）的周向N、S极交替均匀放置，主磁极（14）的个数与内圈磁极（13）的个数相同，且两者的安装位置沿转子铁心（12）的径向一一对应，但是径向相对应的内圈磁极（13）和主磁极（14）的极性相反，所有主磁极（14）在转子铁心（12）上的安装位置与定子铁心（1）位于内侧环形槽（4）和外侧环形槽（3）之间的区域沿电机的轴向相对应；外圈磁极（15）位于主磁极（14）的外侧，沿转子铁心（12）的周向N、S极交替均匀放置，外圈磁极（15）的个数与主磁极（14）的个数相同，且两者的安装位置沿转子铁心（12）的径向一一对应，但是径向相对应的外圈磁极（15）和主磁极（14）的极性相反，所有外圈磁极（15）在转子铁心（12）上的安装位置与定子铁心（1）位于外侧环形槽（3）以外的区域沿电机的轴向相对应；转子铁心（12）位于相邻的两个外圈磁极（15）之间的区域开设有隔磁孔（16）；转子铁心（12）的中间位置固定安装有转子隔磁环（17），转子隔磁环（17）的中间开设有安装孔，用于安装轴（25）；转子铁心（12）在位于相邻的两个内圈磁极（13）之间的区域安装有转子隔磁板（18），转子隔磁板（18）与转子隔磁环（17）连接在一起，为一体结构；

在径向相对的一组内圈磁极（13）、主磁极（14）和外圈磁极（15）中，内圈磁极（13）的几何中心线NN′即磁极几何形状的对称轴在转子铁心（12）表面的投影和外圈磁极（15）的几何中心线WW′相互重合，但与主磁极（14）的几何中心线ZZ′错开一个角度α，角度α的大小不应超过定子径向槽（2）所对应的槽距角。

2.根据权利要求1所述的一种具有轴向和横向磁场特征的高功率密度电机，其特征是所述端盖结构为：端盖（19）为碗形结构，在端盖（19）的中心位置开设有过孔（20），轴（25）经过过孔（20）与电机外部负载连接；同时在端盖（19）的中心位置开设有所述端盖轴承室（21），用于安装所述端盖轴承（23）；在端盖（19）与定子外侧隔磁环（10）相接处的区域开设有多个所述螺纹孔（27），螺纹孔（27）与定子外侧隔磁环（10）上的通孔（26）沿电机轴向一一对应。