CN102497073B - 横向磁通式无刷馈电双转子电机 - Google Patents

Abstract

横向磁通式无刷馈电双转子电机，属于永磁电机的技术领域，本发明为了解决传统电机只能实现单一速度的单轴输出，而目前采用的双速双轴结构需要电刷、滑环等部件，导致运行效率下降、可靠性降低和需要经常对电刷等部件进行维护的问题，本发明包括端盖、壳体、定子、永磁转子和永磁转子输出轴，它还包括横向磁通转子和横向磁通转子输出轴；通过不同频率的电源对定子供电；整个定子形成m对极***替变化的环形磁极，环形磁极磁场通过横向磁通转子进行调制，根据同极相斥、异极相吸的原理，横向磁通转子和永磁转子之间产生相对旋转，这样就形成了横向磁通转子和永磁转子之间的转速差，适用于需要在不同转速的两个机械转轴同时工作的工业技术中。

Description

横向磁通式无刷馈电双转子电机

技术领域

本发明涉及横向磁通式无刷馈电双转子电机，属于永磁电机的技术领域。

背景技术

传统的电机结构通常含有一个定子和一个转子。由于仅含一个转子，所以这种电机只能实现单一速度的单轴输出。而当前，在许多新兴工业领域中，例如鱼雷推进、电动汽车、风力发电***等，要求电机具有提供两个独立转速的双轴输出能力。显然，传统电机结构无法实现这一功能。

目前，为了实现双轴输出而普遍采用的方法是，将传统电机改造为定子也可以旋转的结构，然而由于定子含有需要馈电的绕组，因此必须采用电刷、滑环等部件对定子绕组进行馈电。但这样会导致电机运行效率下降、可靠性降低，并且需要经常对电刷等部件进行维护。为此，开发具有双轴输出能力的新型结构电机，成为电机设计行业面临的新任务和新挑战。

发明内容

本发明为了解决传统电机只能实现单一速度的单轴输出，而目前采用的双速双轴结构需要电刷、滑环等部件，导致运行效率下降、可靠性降低和需要经常对电刷等部件进行维护的问题，本发明提供了一种横向磁通式无刷馈电双转子电机。

本发明所述横向磁通式无刷馈电双转子电机，它包括端盖、壳体、定子、永磁转子和永磁转子输出轴，它还包括横向磁通转子和横向磁通转子输出轴；

壳体的两端设置有端盖，定子固定在壳体的内侧壁上，永磁转子固定在永磁转子输出轴上，横向磁通转子位于定子与永磁转子之间，所述横向磁通转子固定在横向磁通转子输出轴上，并且所述横向磁通转子通过轴承与永磁转子输出轴转动连接；横向磁通转子和定子之间有气隙，所述气隙宽度为L1；所述横向磁通转子与永磁转子之间有气隙，所述气隙宽度为L2；

定子由m个结构相同的相单元沿轴向紧密排列组成；每个相单元均由定子铁心和定子绕组构成；每个定子铁心的截面为“凹”字形，“凹”字形的开口面向横向磁通转子，定子绕组嵌在所述“凹”字形的开口中；

横向磁通转子由支撑部分和m个横向磁通单元组成，每个横向磁通单元含有n对横向磁通转子齿，所有横向磁通转子齿固定在支撑部分上；m个横向磁通单元沿轴向均匀排列，且每个横向磁通单元分别与一个定子的相单元相对应，

每个横向磁通单元的n对横向磁通转子齿分成平行的左右两列，每列横向磁通转子齿沿圆周均匀分布组成圆环状；同列中相邻两个横向磁通转子齿之间的间距为d，两列中位置相对应的两个横向磁通转子齿位于横向磁通转子的同一条母线上，并组成横向磁通转子的一对极；每个横向磁通单元中的两列横向磁通转子齿沿圆周组成的两个圆环与位置相对应的定子铁心的“凹”字形开口的两侧凸出部分分别对齐；

相邻横向磁通单元沿圆周方向错开1/m倍的同列相邻两个横向磁通转子齿间距d所占的空间角度；

永磁转子由永磁转子铁心和m个永磁体单元构成，永磁转子铁心的外圆周表面设置有m个永磁体单元，m个永磁体单元沿轴向均匀分布，且每个永磁体单元与一个横向磁通单元相对应，

每个永磁体单元设置有m个转子铁心和n对永磁体，所述n对永磁体分成平行的左右两列，每列中的永磁体沿圆周均匀分布组成圆环状；两列中位置相对应的永磁***于永磁转子的同一条母线上，并组成永磁转子的一对极；每个永磁体单元中的两列永磁体沿圆周组成的两个圆环与位置相对应的横向磁通单元中的两列横向磁通转子齿沿圆周组成的两个圆环分别对齐，永磁体顶面与横向磁通转子齿底面的形状、尺寸均相同；所述永磁体沿径向充磁，并且每对极中的两块永磁体的充磁方向相反，同列相邻两块永磁体的充磁方向也相反；永磁体嵌入转子铁心的外表面中或固定在转子铁心的外表面上；同列相邻两个永磁体的间距所占空间角度，为横向磁通转子中同列相邻两个横向磁通转子齿间距d所占空间角度的一半；

所述m和n均为大于0的整数。

本发明的优点：本发明所述的横向磁通式无刷馈电双转子电机是无刷结构，定子的电枢绕组不需要旋转，克服了采用电刷结构所导致的运行效率下降、可靠性降低，和需要经常对电刷等部件进行维护等问题。

本发明通过不同频率的电源对定子供电；整个定子形成m对极***替变化的环形磁极，环形磁极磁场通过横向磁通转子进行调制，在每个横向磁通单元中，左右两列转子齿底面上形成的磁极极性相反，而同一列上的转子齿底面形成的磁极则极性相同；由于永磁体转子中的同一列上的永磁体磁极，沿圆周方向极***替变化，根据同极相斥、异极相吸的原理，横向磁通转子和永磁转子之间产生相对旋转，这样就形成了横向磁通转子和永磁转子之间的转速差。

本发明电机的两个转轴转速相互独立，转速差可调，可应用在需要不同转速的两个机械转轴同时工作的工业技术中，如鱼雷推进、电动汽车、风力发电等应用场合。本发明电机不但性能优良且结构简单、成本低廉，易于制造厂家利用现有制造设备进行产品更新，所以可广泛采用。由于电机是无刷结构，定子的电枢绕组不需要旋转，克服了采用电刷滑环馈电结构所导致的运行效率下降、可靠性降低以及经常需要对电刷等部件进行维护等问题。

本发明的无刷馈电双转子电机适用于需要在不同转速的两个机械转轴同时工作的工业技术中。

附图说明

图1为本发明所述横向磁通式无刷馈电双转子电机的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为横向磁通转子的展开图；

图4为永磁转子的展开图。

具体实施方式

具体实施方式一、下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述横向磁通式无刷馈电双转子电机，它包括端盖3、壳体4、定子5、永磁转子1和永磁转子输出轴7，它还包括横向磁通转子6和横向磁通转子输出轴2；

壳体4的两端设置有端盖3，定子5固定在壳体4的内侧壁上，永磁转子1固定在永磁转子输出轴7上，横向磁通转子6位于定子5与永磁转子1之间，所述横向磁通转子6固定在横向磁通转子输出轴2上，并且所述横向磁通转子6通过轴承与永磁转子输出轴7转动连接；横向磁通转子6和定子5之间有气隙，所述气隙宽度为L1；所述横向磁通转子6与永磁转子1之间有气隙，所述气隙宽度为L2；

定子5由m个结构相同的相单元沿轴向紧密排列组成；每个相单元均由定子铁心5-1和定子绕组5-2构成；每个定子铁心5-1的截面为“凹”字形，“凹”字形的开口面向横向磁通转子6，定子绕组5-2嵌在所述“凹”字形的开口中；

横向磁通转子6由支撑部分6-1和m个横向磁通单元6-2组成，每个横向磁通单元6-2含有n对横向磁通转子齿6-2-1，所有横向磁通转子齿6-2-1固定在支撑部分6-1上；m个横向磁通单元6-2沿轴向均匀排列，且每个横向磁通单元6-2分别与一个定子5的相单元相对应，

每个横向磁通单元6-2的n对横向磁通转子齿6-2-1分成平行的左右两列，每列横向磁通转子齿6-2-1沿圆周均匀分布组成圆环状；同列中相邻两个横向磁通转子齿6-2-1之间的间距为d，两列中位置相对应的两个横向磁通转子齿6-2-1位于横向磁通转子6的同一条母线上，并组成横向磁通转子6的一对极；每个横向磁通单元6-2中的两列横向磁通转子齿6-2-1沿圆周组成的两个圆环与位置相对应的定子铁心5-1的“凹”字形开口的两侧凸出部分分别对齐；

相邻横向磁通单元6-2沿圆周方向错开1/m倍的同列相邻两个横向磁通转子齿6-2-1间距d所占的空间角度；

永磁转子1由永磁转子铁心1-1和m个永磁体单元1-2构成，永磁转子铁心1-1的外圆周表面设置有m个永磁体单元1-2，m个永磁体单元1-2沿轴向均匀分布，且每个永磁体单元1-2与一个横向磁通单元6-2相对应，

每个永磁体单元1-2设置有m个转子铁心1-2-1和2n对永磁体1-2-2，所述2n对永磁体1-2-2分成平行的左右两列，每列中的永磁体1-2-2沿圆周均匀分布组成圆环状；两列中位置相对应的永磁体1-2-2位于永磁转子1的同一条母线上，并组成永磁转子1的一对极；每个永磁体单元1-2中的两列永磁体1-2-2沿圆周组成的两个圆环与位置相对应的横向磁通单元6-2中的两列横向磁通转子齿6-2-1沿圆周组成的两个圆环分别对齐，永磁体1-2-2顶面与横向磁通转子齿6-2-1底面的形状、尺寸均相同；所述永磁体1-2-2沿径向充磁，并且每对极中的两块永磁体1-2-2的充磁方向相反，同列相邻两块永磁体1-2-2的充磁方向也相反；永磁体1-2-2嵌入转子铁心1-2-1的外表面中或固定在转子铁心1-2-1的外表面上；同列相邻两个永磁体1-2-2的间距所占空间角度，为横向磁通转子6中同列相邻两个横向磁通转子齿6-2-1间距d所占空间角度的一半；

所述m和n均为大于0的整数。

定子5上的定子绕组5-2可采用星形接法或角形接法，在实际工作时，连接外部驱动交流电源或者负载。

每个横向磁通单元6-2设置的横向磁通转子齿6-2-1的个数为n对，每个永磁体单元1-2设置的永磁体1-2-2的个数为2n对，永磁体1-2-2的数量是横向磁通转子齿6-2-1数量的2倍。每个永磁体单元1-2与一个横向磁通单元6-2相对应，即二者形成圆环面的数量相同，一一对应，但在圆环上的数量是2倍关系，具体参见图2所示。

工作原理：

本实施方式中所述横向磁通转子6中的每对横向磁通转子齿6-2-1通入磁力线后形成一对磁极，该对齿有四个端面，分别为每个横向磁通转子齿6-2-1的顶面和底面，其中两个横向磁通转子齿6-2-1的两个顶面与定子5相对，所述两个横向磁通转子齿6-2-1的两个底面与永磁转子1相对，在电机工作时，磁力线的路径为：所述磁力线从永磁转子1中的一个永磁体1-2-2输出，经过横向磁通转子6与永磁转子1之间的气隙L2，进入相应横向磁通转子的一对齿中的一个横向磁通转子齿6-2-1的底面，并从该横向磁通转子齿6-2-1的顶面输出经过横向磁通转子6和定子5之间的气隙L1、并途经对应的定子5的相单元中的定子铁心5-1后，再经过横向磁通转子6和定子5之间的气隙L1回到所述一对齿中的另一个横向磁通转子齿6-2-1的顶面，然后从该横向磁通转子齿6-2-1的底面输出，再次经过横向磁通转子6与永磁转子1之间的气隙L2，进入与该横向磁通转子齿6-2-1对应的永磁转子1中的另一个永磁体1-2-2，并从该永磁体回到输出该磁力线的永磁体中，形成闭合的磁力线。

根据上述磁力线的路径可知：本实施方式中横向磁通转子6中同列上所有横向磁通转子齿6-2-1底面产生极性相同的磁极；所述横向磁通转子6上同列相邻横向磁通转子齿6-2-1的间距为d，每列上含有n个横向磁通转子齿6-2-1，而永磁体转子1上，同列相邻两个永磁体1-2-2的间距所占空间角度，为横向磁通转子6中同列相邻两个横向磁通转子齿6-2-1间距d所占空间角度的一半，每列上含有2n个永磁体1-2-2，故所述同一列中的所有横向磁通转子齿6-2-1的底面在同一时间所面对的永磁体1-2-2磁极相同；永磁转子1上同列相邻的每两个永磁体1-2-2形成周向的南北极；每个横向磁通单元6-2的两列齿形成两个圆环，共形成2m个圆环，所述2m个圆环沿轴向排列；相邻两个横向磁通单元6-2的横向磁通转子齿6-2-1形成的圆环错开1/m倍的横向磁通转子齿间距d所占的空间角度。本实施方式所述电机提供两个转轴之间的转矩差值和转速差值，适用于需要在不同转速的两个机械转轴同时工作的工业技术中。

具体实施方式二、本实施方式与实施方式一的不同之处在于，横向磁通转子齿6-2-1的底面、顶面和纵截面是多边形，其它与实施方式一相同。

具体实施方式三、本实施方式与实施方式一的不同之处在于，横向磁通转子齿6-2-1的底面和顶面是轴对称多边形，其它与实施方式一相同。

具体实施方式四、本实施方式与实施方式一的不同之处在于，永磁体1-2-2的底面、顶面和纵截面是多边形，其它与实施方式一相同。

具体实施方式五、本实施方式与实施方式一的不同之处在于，永磁体1-2-2的底面和顶面可以是轴对称多边形，其它与实施方式一相同。

具体实施方式六、本实施方式与实施方式一的不同之处在于，永磁体1-2-2是平板式磁极或聚磁式磁极，其它与实施方式一相同。

Claims (6)

1.横向磁通式无刷馈电双转子电机，它包括端盖(3)、壳体(4)、定子(5)、永磁转子(1)和永磁转子输出轴(7)，其特征在于，它还包括横向磁通转子(6)和横向磁通转子输出轴(2)；

壳体(4)的两端设置有端盖(3)，定子(5)固定在壳体(4)的内侧壁上，永磁转子(1)固定在永磁转子输出轴(7)上，横向磁通转子(6)位于定子(5)与永磁转子(1)之间，所述横向磁通转子(6)固定在横向磁通转子输出轴(2)上，并且所述横向磁通转子(6)通过轴承与永磁转子输出轴(7)转动连接；横向磁通转子(6)和定子(5)之间有气隙，所述气隙宽度为L1；所述横向磁通转子(6)与永磁转子(1)之间有气隙，所述气隙宽度为L2；

定子(5)由m个结构相同的相单元沿轴向紧密排列组成；每个相单元均由定子铁心(5-1)和定子绕组(5-2)构成；每个定子铁心(5-1)的截面为“凹”字形，“凹”字形的开口面向横向磁通转子(6)，定子绕组(5-2)嵌在所述“凹”字形的开口中；

横向磁通转子(6)由支撑部分(6-1)和m个横向磁通单元(6-2)组成，每个横向磁通单元(6-2)含有n对横向磁通转子齿(6-2-1)，所有横向磁通转子齿(6-2-1)固定在支撑部分(6-1)上；m个横向磁通单元(6-2)沿轴向均匀排列，且每个横向磁通单元(6-2)分别与一个定子(5)的相单元相对应，

每个横向磁通单元(6-2)的n对横向磁通转子齿(6-2-1)分成平行的左右两列，每列横向磁通转子齿(6-2-1)沿圆周均匀分布组成圆环状；同列中相邻两个横向磁通转子齿(6-2-1)之间的间距为d，两列中位置相对应的两个横向磁通转子齿(6-2-1)位于横向磁通转子(6)的同一条母线上，并组成横向磁通转子(6)的一对极；每个横向磁通单元(6-2)中的两列横向磁通转子齿(6-2-1)沿圆周组成的两个圆环与位置相对应的定子铁心(5-1)的“凹”字形开口的两侧凸出部分分别对齐；

相邻横向磁通单元(6-2)沿圆周方向错开1/m倍的同列相邻两个横向磁通转子齿(6-2-1)间距d所占的空间角度；

永磁转子(1)由永磁转子铁心(1-1)和m个永磁体单元(1-2)构成，永磁转子铁心(1-1)的外圆周表面设置有m个永磁体单元(1-2)，m个永磁体单元(1-2)沿轴向均匀分布，且每个永磁体单元(1-2)与一个横向磁通单元(6-2)相对应，

每个永磁体单元(1-2)设置有m个转子铁心(1-2-1)和2n对永磁体(1-2-2)，所述2n对永磁体(1-2-2)分成平行的左右两列，每列中的永磁体(1-2-2)沿圆周均匀分布组成圆环状；两列中位置相对应的永磁体(1-2-2)位于永磁转子(1)的同一条母线上，并组成永磁转子(1)的一对极；每个永磁体单元(1-2)中的两列永磁体(1-2-2)沿圆周组成的两个圆环与位置相对应的横向磁通单元(6-2)中的两列横向磁通转子齿(6-2-1)沿圆周组成的两个圆环分别对齐，永磁体(1-2-2)顶面与横向磁通转子齿(6-2-1)底面的形状、尺寸均相同；所述永磁体(1-2-2)沿径向充磁，并且每对极中的两块永磁体(1-2-2)的充磁方向相反，同列相邻两块永磁体(1-2-2)的充磁方向也相反；永磁体(1-2-2)嵌入转子铁心(1-2-1)的外表面中或固定在转子铁心(1-2-1)的外表面上；同列相邻两个永磁体(1-2-2)的间距所占空间角度，为横向磁通转子(6)中同列相邻两个横向磁通转子齿(6-2-1)间距d所占空间角度的一半；

所述m和n均为大于0的整数。

2.根据权利要求1所述的横向磁通式无刷馈电双转子电机，其特征在于，横向磁通转子齿(6-2-1)的底面、顶面和纵截面是多边形。

3.根据权利要求1所述的横向磁通式无刷馈电双转子电机，其特征在于，横向磁通转子齿(6-2-1)的底面和顶面是轴对称多边形。

4.根据权利要求1所述的横向磁通式无刷馈电双转子电机，其特征在于，永磁体(1-2-2)的底面、顶面和纵截面是多边形。

5.根据权利要求1所述的横向磁通式无刷馈电双转子电机，其特征在于，永磁体(1-2-2)的底面和顶面可以是轴对称多边形。

6.根据权利要求1所述的横向磁通式无刷馈电双转子电机，其特征在于，永磁体(1-2-2)是平板式磁极或聚磁式磁极。

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