CN102315741A - 一种采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机，包括定子和转子，转子包括左转子盘和与左转子盘固联为一体的右转子盘；定子包括定子轴和设置在定子轴上的定子圆盘；左转子盘及右转子盘分别设置在定子圆盘两侧的定子轴上；定子圆盘包括M个定子模块，所述各定子模块之间首尾相连形成闭合环，其中，M为能够被3整除的整数；定子模块包括中间开有安装孔的绝缘骨架、设置在安装孔中的非晶合金叠片和绕制在绝缘骨架外表面的线圈。本发明可以简化轴向永磁电机的制造和装配，方便地将非晶合金应用于电机定子制造，从而降低了电机铁耗，提高了电机生产效率、运行效率和功率密度。

Description

一种采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机

技术领域

本发明涉及一种轴向永磁电机，具体涉及一种采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机，属于电机设计和制造技术领域。

背景技术

随着能源问题的日趋严重，风力发电、电动汽车等新能源领域飞速发展，这些领域都要求电机要有极高的效率和功率密度。为满足这些要求，各种新结构、新材料被不断引入电机设计和制造中。

轴向永磁电机相较传统径向电机，具有更高的转矩密度，因而受到了国内外研究人员的广泛关注。但轴向电机一直未能像径向电机那样在工业界广泛应用。这主要是由于现有结构的轴向电机的定子制造困难，装配不方便。

美国专利US 6,838,800B2、US 6,744,168B2、日本专利JP 2006344729A、JP 2007049804A、中国专利CN 1862928A分别公开了数种应用于径向电机的定子模块化构建技术。这些技术可以显著提高电机的装配速度和生产效率，目前已在业界广泛应用，收到了很好的效果。将类似技术引入轴向电机中，以解决定子制造和装配难度，是非常有前景的。中国发明专利申请CN 1417921A公开的技术作了这种尝试，但其单边结构会引起单边磁拉力，限制了其在大功率场合的应用。

在电机结构一定的情况下，提高电机功率密度的直接方法是增加电机的磁负荷(即增大定子铁心以及气隙中的磁感应强度)或转速。目前在电机中广泛应用的定子铁心材料是无取向硅钢片。但硅钢片在磁感应强度较高或频率较高时，电机的损耗会严重增加。这限制了电机功率密度的进一步提高。目前已经在变压器中有所应用的非晶合金具有非常优异的软磁性能，其磁导率、电阻率较硅钢片高，矫顽力、涡流效应较硅钢片小。如果将非晶合金应用于电机，尤其是高速稀土永磁电机中，将能进一步提高电机的功率密度。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种定子易于制造与安装的采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机，具有较高的功率密度。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明包括定子和转子，转子包括左转子盘和与左转子盘固联为一体的右转子盘；定子包括定子轴和设置在定子轴上的定子圆盘；左转子盘及右转子盘分别设置在定子圆盘两侧的定子轴上；定子圆盘包括M个定子模块，M个定子模块首尾依次连接形成闭合环，其中，M为能够被3整除的整数；定子模块包括中间开有安装孔的绝缘骨架、设置在安装孔中的非晶合金叠片和绕制在绝缘骨架外表面的线圈。

上述左转子盘和右转子盘均包括通过轴承安装在定子轴上的转子壳、设置在转子壳内表面的转子背铁和安装在转子背铁内表面的P个永磁体，转子壳上至少设有三个用作电机机械接口的转子螺纹孔；其中，P为不小于2的偶数，M除以M与p的最大公约数所得之商是3的正整数倍，M/(3×p)所得结果必须小于等于0.5。从而，保证电机能够稳定地工作。

上述P个永磁体按磁极相间的顺序沿转子背铁圆周均匀分布，左转子盘上的永磁铁与右转子盘上相对的永磁铁平行且磁极相反。

上述左转子盘的转子壳与右转子盘的转子壳通过紧固件固联为一体。

上述转子背铁采用的是导磁钢，转子壳采用的是非导磁材料，轴承采用的是磁电机轴承。

上述定子轴上设有引线孔。

上述M个定子模块上的线圈首尾相连形成三相定子绕组，三相定子绕组的端部从引线孔中引出，形成电机电气接口。

上述绝缘骨架的两侧均设有齿和与齿相适配的槽，各定子模块通过齿及槽卡扣连接。

上述定子圆盘和定子轴通过塑封材料塑封为一体。塑封材料不仅起到了固定左右，还可保护铜线、非晶合金叠片不受外界环境的破坏，同时也增大了绕组散热面。

上述非晶合金叠片是由经退火处理的非晶合金带材叠压而成。

本发明可以在简化轴向永磁电机制造装配过程中，方便地将非晶合金应用于电机定子制造，从而降低了电机铁耗，提高了电机生产效率、运行效率和功率密度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的结构示意图(不包括转子壳、轴承、定子轴)

图3为单边的转子背铁与永磁体的结构示意图；

图4为电机相邻两个极面下磁通路径的示意图；

图5为构成一个定子模块的绝缘骨架、非晶合金叠片、线圈的轴侧图；

图6为一个装配完成的定子模块轴侧图；

图7为定子的结构示意图(不包括塑封材料)；

图8为实施例中的三相定子绕组连接示意图；

图9为沿电机直径的剖面构造图(定子下半部分未画出定子塑封)。

图中各标号：1、转子背铁，2、永磁体，3、绝缘骨架，4、线圈，5、非晶合金叠片，6、转子壳，8、轴承，9、定子轴，10、转子螺纹孔，11、紧固件，12、塑封材料，13、齿，14、槽，15、引线孔。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1和图2，本发明包括转子和定子，转子包括左转子盘和与左转子盘固联为一体的右转子盘。

定子包括定子轴9和安装在定子轴9上的定子圆盘。左转子盘、右转子盘分别位于定子圆盘的左、右两侧。定子轴9的中心开有引线孔15。

左转子盘和右转子盘均包括通过轴承8安装在定子轴9上的转子壳6、安装在转子壳6内表面的转子背铁1和安装在转子背铁1内表面的P个永磁体2，转子壳6上至少设有三个用作电机机械接口的转子螺纹孔10。左转子盘的转子壳6与右转子盘的转子壳6通过紧固件11固联为一体。

定子圆盘包括M个定子模块，M个定子模块首尾依次连接形成闭合环。

定子为固定部件，电机通过定子轴9安装在其应用场合，比如电机在作风力发电机用时，定子轴9安装在风机杆上；作电动汽车轮毂式电机用时，定子轴9安装在转向节下。

转子为旋转部件。电机工作时，转矩通过与转子壳6上的转子螺纹孔10栓接的机械部件传递。比如在作风力发电机用时，风机扇叶通过转子螺纹孔10固定在转子壳6上；作电动汽车轮毂式电机用时，汽车轮胎钢圈通过转子螺纹孔10固定在转子壳6上。

参见图3，在转子背铁1上，P个永磁体2按极性N-S相间的顺序均匀地(圆周方向)贴装在其内表面，形成p个磁极，P为不小于2的偶数，在本实施例中p＝10。不同转子背铁1上相对的两块永磁体2平行且极性相反。

定子盘由M个定子模块组成，M为可被3整除的正整数，本实施例中M＝12。

参见图4，磁通从一块转子背铁1上的N极出发，依次通过本侧的空气隙、非晶合金叠片5、对侧的空气隙、对侧的S极、对侧的转子背铁1、对侧的相邻N极、对侧的空气隙、相邻的非晶合金叠片5、本侧的空气隙、本侧的相邻S极以及本侧的转子背铁1，最终回到出发点，形成一个回路。

参见图5，每个定子模块均包括中间开有安装孔(图中未标出)的绝缘骨架3、插在安装孔中的非晶合金叠片5和绕制在绝缘骨架3外表面的线圈4。

本实施例中，安装孔的形状为梯形。绝缘骨架3采用的是由塑料等绝缘材料制成的工字形骨架，绝缘骨架3两个棱边夹角为360/M度。绝缘骨架3的两侧均开有两个燕尾形的齿13和与燕尾形的齿13相适配的燕尾形的槽14。

非晶合金叠片5是由经退火处理后的长度相等、宽度不等的极薄非晶合金带材叠压而成的，避免了复杂的剪切过程以及由此带来的应力破坏。

将非晶合金叠片5***绝缘骨架3中的安装孔后，将铜线均匀绕制在绝缘骨架3外，形成一个线圈4，即得到图6所示的一个定子模块。M个这种定子模块通过两侧的燕尾形的齿13、燕尾形的槽14卡扣相连，形成一个如图7所示的定子圆盘。将图7中的各线圈4的端部按一定规律首位相连，形成如图8所示的U、V、W三相定子绕组。将定子轴9***定子圆盘中心，并将三相定子绕组的端部从引线孔15中引出，形成电机电气接口。

再用诸如玻璃纤维加强的环氧树脂之类的塑封材料12将定子盘与定子轴9同心地塑封在一起，即形成电机的定子。塑封后的定子见图9的上半部分。塑封材料12不仅起到了固定左右，还可保护铜线、非晶合金叠片5不受外界环境的破坏，同时也增大了绕组散热面。

参见图9，两个转子壳6的材料采用的是铝合金、不锈钢等不导磁材料加工而成的。贴装好永磁体2后的转子背铁1分别钳装在两个转子壳6的内侧。两个轴承8的外圈分别钳在转子壳6中心的孔中。这样就形成了两个转子盘。将封装好的定子两端的轴分别***两个轴承8的内圈并由定子轴9中部的凸起定位后，定子盘两侧形成一对对称的气隙。再将两个转子盘通过紧固件11固定后即完成电机的装配。

为保证电机能够稳定地工作，p、M还需满足如下条件：

(1)M除以M与p的最大公约数所得之商是3的正整数倍；

(2)M/(3×p)所得结果必须小于等于0.5。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机，包括定子和转子，其特征在于，

所述转子包括左转子盘和与左转子盘固联为一体的右转子盘；

所述定子包括定子轴(9)和设置在定子轴(9)上的定子圆盘；

所述左转子盘及右转子盘分别设置在定子圆盘两侧的定子轴(9)上；

所述定子圆盘包括M个定子模块，所述M个定子模块首尾依次连接形成闭合环，其中，M为能够被3整除的整数；

所述定子模块包括中间开有安装孔的绝缘骨架(3)、设置在安装孔中的非晶合金叠片(5)和绕制在绝缘骨架(3)外表面的线圈(4)。

2.根据权利要求1所述的采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机，其特征在于，

所述左转子盘和右转子盘均包括通过轴承(8)安装在定子轴(9)上的转子壳(6)、设置在转子壳(6)内表面的转子背铁(1)和安装在转子背铁(1)内表面的P个永磁体(2)，所述转子壳(6)上至少设有三个用作电机机械接口的转子螺纹孔(10)；

其中，P为不小于2的偶数，M除以M与p的最大公约数所得之商是3的正整数倍，M/(3×p)所得结果必须小于等于0.5。

3.根据权利要求2所述的采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机，其特征在于，

所述P个永磁体(2)按磁极相间的顺序沿转子背铁(1)圆周均匀分布，所述左转子盘上的永磁铁(2)与右转子盘上相对的永磁铁(2)平行且磁极相反。

4.根据权利要求2所述的采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机，其特征在于，所述左转子盘的转子壳(6)与右转子盘的转子壳(6)通过紧固件(11)固联为一体。

5.根据权利要求2至4任意一项所述的采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机，其特征在于，

所述转子背铁(1)采用的是导磁钢，所述转子壳(6)采用的是非导磁材料，所述轴承(8)采用的是磁电机轴承。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机，其特征在于，

所述定子轴(9)上设有引线孔(15)。

7.根据权利要求6所述的采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机，其特征在于，

所述M个定子模块上的线圈(4)首尾相连形成三相定子绕组，所述三相定子绕组的端部从引线孔(15)中引出，形成电机电气接口。

8.根据权利要求1至4任意一项所述的采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机，其特征在于，

所述绝缘骨架(3)的两侧均设有齿(13)和与齿(13)相适配的槽(14)，所述各定子模块通过齿(13)及槽(14)卡扣连接。

9.根据权利要求1至4任意一项所述的采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机，其特征在于，

所述定子圆盘和定子轴(9)通过塑封材料(12)塑封为一体。

10.根据权利要求1至4任意一项所述的采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机，其特征在于，

所述非晶合金叠片(5)是由经退火处理的非晶合金带材叠压而成。

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