CN104883018A - 一种轴径向混合磁通永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种轴径向混合磁通永磁电机，属于永磁电机领域。本发明包括定子、转子和轴，定子通过固定连接固定在轴上，转子设置在定子的外部，转子与轴之间通过轴承转动连接，定子铁芯由多个定子铁芯模块沿轴均匀环形排列构成，每个定子铁芯模块有一个径向齿和两个轴向齿，均设置有定子绕组，转子的内圆壁面上均布有多个径向永磁体，并围绕着轴均匀排列，转子的两侧端面上的内表面上分别呈放射线状均布有多个轴向永磁体。本发明的应用可有效解决目前永磁电机的空间有效利用率较小，电机结构不紧凑，加工装配难度大，不能有效地提高转矩密度和功率密度的问题。

Description

一种轴径向混合磁通永磁电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种轴向径向混合磁通永磁电机。

背景技术

目前常用的永磁电机可分为轴向磁通和径向磁通永磁电机两大类，而他们的端部都难以利用，电机整个空间有效利用率偏低，电机结构不紧凑，电机仍具有提升转矩密度和功率密度的空间。

在传统中设计中，对电机进行尺寸优化，比如在径向式永磁电机采用长径比大的结构，轴向永磁电机采用长径比小的结构；采用分数集中绕组等等技术措施来提高电机的转矩密度，但其提升都是有限的，电机绕组端部都难以得以利用，在此人们寻求更紧凑的结构，结合轴向磁通和径向磁通永磁电机的拓扑结构和性能特点，采用两个轴向磁通永磁电机和一个径向磁通永磁电机进行组合成一个混合磁通永磁电机，其充分利用电机的闲置空间，结构更加紧凑，有效地提高了电机功率和转矩密度，然而，其提出的结构定子铁芯中轴向径向磁通相互独立，为达到定子铁芯模块化、减少定子轭部材料、便于加工等目的，其定子铁芯材料需采用软磁复合材料或者导磁性能良好的钢，且其加工工艺复杂，转矩密度不高。

发明内容

本发明的目的在于提升现有的永磁电机的空间利用率，进一步提升电机的转矩密度和功率密度等技术指标，简化装配工艺。

为实现上述目的，本发明提出了轴径向混合磁通永磁电机，采用的技术方案如下：

一种轴径向混合磁通永磁电机，包括定子(1)、转子(11)和轴(9)，其特征在于，

所述定子(1)由定子铁芯(1-1)、固定连接轴(8)、轴(9)、轴向绕组(2)、径向绕组(3)组成，定子铁芯(1-1)内外侧为与轴(9)同心的圆弧面；定子铁芯(1-1)通过固定连接轴(8)固定在轴(9)上；轴向绕组(2)和径向绕组(3)采用集中式绕组方式，径向绕组(3)一组，绕制在径向端，轴向绕组(2)两组，分别绕制在轴向两端；

所述转子(11)由转子铁芯(7)、多个径向永磁体(4)和多个轴向永磁体(5)组成；多个径向永磁体(4)均匀表贴在转子铁芯(7)的内圆壁面上，围绕着轴(9)均匀排列；多个轴向永磁体(5)围绕着轴(9)呈放射线状均匀排列，轴向相对两端永磁体(5)具有相同极性，其与径向永磁体(4)极对数相同且极性相反；

所述多个径向永磁体(4)与定子之间留有气隙(L1)；所述转子铁芯(7)的两侧端面上的轴向永磁体(5)分别与定子之间留有气隙(L2)、(L3)；

所述转子铁芯(7)的两侧端面分别通过一个轴承(6)与轴(9)之间转动连接。

进一步的，所述定子铁芯(1-1)由多个定子铁芯模块(10)环绕着轴(9)均匀排列组成，所述定子铁芯模块(10)由一个T形铁芯和一个工字形铁芯铸成整体部件，T形铁芯下部形成径向齿(10-1)用于绕制径向绕组(3)，工字铁芯两端形成两个轴向齿(10-2)用于绕制轴向绕组(2)，各个定子铁芯模块通过工字形铁芯部位以焊接或胶接方式固定在固定连接轴(8)上。

进一步的，所述定子铁芯模块10、径向永磁体4和轴向永磁体5的数量根据具体的电机极槽配合而定，而电机的极槽配合由所设计电机的转速和绕组的电源频率来决定。

进一步的，所述的定子铁芯模块10的材质采用软磁复合材料经粉末冶金的方法加工而成，转子铁芯7的材质采用钢材料。

进一步的，所述的两个轴向和一个径向绕组均为3相，9根相线直接通过机轴9引出机外，形成三个独立的三相绕组。

进一步的，所述电机通过机体外的控制器，使三个独立的三相绕组可以采用径向绕组3和两端轴向绕组2共同工作模式，或径向绕组3和一端轴向绕组2共同工作模式。

本发明综合了传统径向电机和传统盘式电机的特点，减小了电机的轴向长度和外径，结构紧凑，所取得的有益效果如下：

1、轴径向混合磁通永磁电机相对于传统轴向永磁电机和径向永磁电机，充分地同时在轴向和径向利用了电机铁芯，使得电机更加紧凑，从而使电机的转矩密度提高了20％左右。

2、由于采用定子模块，定子铁芯材料利用率提高，同时实现了定子模块化，便于加工和维修。

本发明还采用了三个独立绕组的控制结构，使电机控制更灵活、调节裕度更大。

附图说明

图1为本发明轴径向混合磁通永磁电机结构示意图

图2为本发明轴径向混合磁通永磁电机外转子结构示意图

图3为本发明轴径向混合磁通永磁电机定子铁芯结构示意图

图4a、4b、4c、4d分别为本发明轴径向混合磁通永磁电机定子铁芯模块示意图、正视图、侧视图、俯视图

图5为本发明轴径向混合磁通永磁电机定子、转子磁路示意图

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-定子，1-1定子铁芯，2-轴向绕组，3-径向绕组，4-径向永磁体，5-轴向永磁体，6-轴承，7-转子铁芯，8-固定连接轴，9-轴，10-定子铁芯模块，10-1是径向齿，10-2是轴向齿，11-转子，L1-径向气隙，L2、L3-轴向气隙。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本实施方式中，定子铁芯1-1由12个定子铁芯模块10构成，定子铁芯1-1、轴向绕组2、径向绕组3、固定连接轴8、轴9构成定子1。定子铁芯1通过固定连接轴8固定在轴9上，转子11设置在定子铁芯1外部。所述转子11由转子铁芯7、径向永磁体4和轴向永磁体5组成，转子铁芯7的内圆壁面上均匀表贴有10个径向永磁体4，这10个径向永磁体4围绕着轴9均匀排列，转子铁芯7的两侧端面上的内表面上分别设置有10个轴向永磁体5，10个轴向永磁体5围绕着轴9呈放射线状均匀排列，轴向相对两端永磁体5具有相同极性，且与其径向永磁体4极性相反，从而可以形成轴径向混合磁通，使电机结构更为紧凑、转矩密度和功率密度得到提升。转子铁芯7的两侧端面分别通过一个轴承6与轴9之间实现转动连接，如图2所示。定子铁芯1-1内外侧为与轴9同心的圆弧面，12个定子铁芯模块10围绕着轴9均匀排列构成定子铁芯1-1，如图3所示。

径向永磁体4与定子之间留有气隙L1，转子铁芯7的两侧端面上的轴向永磁体5分别与定子之间留有气隙L2、L3。

定子铁芯模块10的材质采用软磁复合材料(SMC)经粉末冶金的方法加工而成；转子铁芯7的材质采用导磁性良好的钢或由涡流损耗很小的硅钢片叠加组合而成。

本发明的外转子部分可以看成，将外转子径向磁通圆筒式电机的外转子轴向两端各取一段长度，分别沿圆筒外径向轴所在的方向折叠而成，如图2所示；图3是定子铁芯结构示意图，定子铁芯由12个定子铁芯模块构成，定子铁芯模块结构形状如图4a、4b、4c、4d所示，定子铁芯部分可以看成，将外转子径向磁通圆筒式电机的定子铁芯近轴端取一段长度，分为两个等大支路，分别沿电机轴向两端延伸而成。这样，相对于传统径向电机轴两端的端部绕组更接近中心轴，综合了传统径向电机和传统盘式电机的特点，减小了电机的轴向长度和外径，结构紧凑，利于转矩密度和功率密度的提升，从有限元分析来看，相比于传统电机提高了11％以上。此外，按图5中NS极性的设定进行分析，其磁路为轴向磁铁N—轴向气隙—轴向铁芯端—铁芯中部—径向铁芯端—径向气隙—径向磁铁S—转子铁芯—径向磁铁N—径向气隙—径向铁芯端—铁芯中部—轴向铁芯端—轴向气隙—轴向磁铁S—转子铁芯—轴向磁铁N，以此提供轴径向混合磁通，其不同于一般轴径向式电机的轴径向独立磁通，使磁负荷得到优化。

本发明中存在轴向两组和径向一组共三组绕组，每组均为三相，其接线方式：9根ABC相导线直接通过电机轴9引出机外，形成三个独立的三相绕组。该绕组的连接方式使得整个电机存在两种工作模式：①径向绕组3和两端轴向绕组2共同工作，满负荷工作模式；②径向绕组3和一端轴向绕组2共同工作，半负荷工作模式。两种工作模式的存在，使得电机控制更灵活、调节裕度更大。

尽管上面结合附图对本发明的优选实例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种轴径向混合磁通永磁电机，包括定子(1)、转子(11)和轴(9)，其特征在于，

所述定子(1)由定子铁芯(1-1)、固定连接轴(8)、轴(9)、轴向绕组(2)、径向绕组(3)组成，定子铁芯(1-1)内外侧为与轴(9)同心的圆弧面；定子铁芯(1-1)通过固定连接轴(8)固定在轴(9)上；轴向绕组(2)和径向绕组(3)采用集中式绕组方式，径向绕组(3)一组，绕制在径向端，轴向绕组(2)两组，分别绕制在轴向两端；

所述转子(11)由转子铁芯(7)、多个径向永磁体(4)和多个轴向永磁体(5)组成；多个径向永磁体(4)均匀表贴在转子铁芯(7)的内圆壁面上，围绕着轴(9)均匀排列；多个轴向永磁体(5)围绕着轴(9)呈放射线状均匀排列，轴向相对两端永磁体(5)具有相同极性，其与径向永磁体(4)极对数相同且极性相反；

所述多个径向永磁体(4)与定子之间留有气隙(L1)；所述转子铁芯(7)的两侧端面上的轴向永磁体(5)分别与定子之间留有气隙(L2)、(L3)；

所述转子铁芯(7)的两侧端面分别通过一个轴承(6)与轴(9)之间转动连接。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于所述定子铁芯(1-1)由多个定子铁芯模块(10)环绕着轴(9)均匀排列组成，所述定子铁芯模块(10)由一个T形铁芯和一个工字形铁芯铸成整体部件，T形铁芯下部形成径向齿(10-1)用于绕制径向绕组(3)，工字铁芯两端形成两个轴向齿(10-2)用于绕制轴向绕组(2)，各个定子铁芯模块通过工字形铁芯部位以焊接或胶接方式固定在固定连接轴(8)上。

3.根据权利要求1-2所述的电机，其特征在于所述定子铁芯模块(10)、径向永磁体(4)和轴向永磁体(5)的数量根据具体的电机极槽配合而定，而电机的极槽配合由所设计电机的转速和绕组的电源频率来决定。

4.根据权利要求1-2所述的电机，其特征在于所述的定子铁芯模块(10)的材质采用软磁复合材料经粉末冶金的方法加工而成，转子铁芯(7)的材质采用钢材料。

5.根据权利要求1-2所述的电机，其特征在于所述的两个轴向和一个径向绕组均为3相，9根相线直接通过轴(9)引出机外，形成三个独立的三相绕组。

6.根据权利要求1-2所述的电机，其特征在于，通过机体外的控制器，使三个独立的三相绕组可以采用径向绕组(3)和两端轴向绕组(2)共同工作模式，或径向绕组(3)和一端轴向绕组(2)共同工作模式。