CN107196474A - 一种五相盘式非晶永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种五相盘式非晶永磁电机，定子铁心支撑架设置在转子转轴***，定子铁心支撑架与机壳固定连接，在定子铁心支撑架的轴向方向的两侧从内向外依次设有定子和转子，定子与定子铁心支撑架固定连接，转子通过轴承设置在转子转轴上，定子与转子之间存在空隙，转子转轴与定子、转子和定子铁心支撑架同轴，定子和转子均为圆台状的圆盘，定子和转子的外侧的直径小，向定子铁心支撑架方向直径逐渐增大；定子铁心支撑架的周向上设有水冷通道，在定子铁心支撑架周向的外侧设有机壳，机壳与定子铁心支撑架固定连接。本发明具有高可靠性和容错性，同等功率下可减小相电压和相电流，实现大功率输出，同时有效减小电机体积、增大输出转矩。

Description

一种五相盘式非晶永磁电机
技术领域
本发明属于电机设计和制造技术领域，特别涉及一种五相盘式非晶永磁电机。
背景技术
近年来，面对日益严峻的环境污染和能源短缺问题，国家出台了一系列政策与法规以提高节能排水平、达到建设资源友好、环境节约型社会的目的。在工业领域中，要求电机具有较高的效率和功率密度。
传统电机大多采用三相和径向结构，而轴向永磁电机因其轴向尺寸短、结构紧凑，具有较高的转矩、功率密度和优越的动态性能等优点近年来获得越来越多的关注。与三相电机相比，多相电机具有很多固有优势：在保证每相功率承受能力不变的情况下增加整体功率，具有高可靠性和容错性，当一相或几相开路时，可以通过采取相应的控制策略，使电机输出力矩仍能满足当前工况，因此多相轴向永磁电机尤其适合应用于电动车辆、航空航天、飞轮储能***及其他要求高转矩密度和空间紧凑的场合。同时在低压大功率场合，若采用三相电机驱动***，供电***必然是高压大电流，这对驱动***的功率器件等级提出了很大挑战，不仅增加成本还使***可靠性降低。实际应用中通常采用功率器件串并联运行，但这必然引起器件均压或均流问题。由于多相电机相数增加，同等功率下电机相电压和相电流均减小，因此多相轴向永磁电机也是解决低压大功率的有效方法。
目前电机中广泛应用的定子铁心材料是无取向硅钢片，但电机损耗在磁感应强度较高或频率较高时会严重增加，限制电机功率密度的进一步提高。非晶合金材料磁导率、电阻率较硅钢片高，饱和磁通、矫顽力、涡流效应较硅钢片小，若将非晶合金应用于永磁电机尤其是高速高频电机中，将有效降低铁耗，进一步提高电机功率密度。
相比于硅钢片，非晶合金材料脆而薄，加工制造或装配技术难度大，过大的机械应力会大大降低非晶合金材料的导磁性，极难加工成成型定子，极大限制了非晶电机的发展。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种可靠性高、能够实现大功率输出的五相盘式非晶永磁电机。
技术方案：本发明提供了一种五相盘式非晶永磁电机，包括转子转轴、转子、定子、定子铁心支撑架、机壳和水冷通道，其中，定子铁心支撑架设置在转子转轴***，定子铁心支撑架与机壳固定连接，在所述定子铁心支撑架的轴向方向的两侧从内向外依次设有定子和转子，所述定子与定子铁心支撑架固定连接，所述转子通过轴承设置在转子转轴上，所述定子与转子之间存在空隙，转子转轴与定子、转子和定子铁心支撑架同轴，所述定子和转子均为圆台状的圆盘，所述定子和转子的外侧的直径小，向定子铁心支撑架方向直径逐渐增大；所述定子铁心支撑架的周向上设有水冷通道，在所述定子铁心支撑架周向的外侧设有机壳，所述机壳与定子铁心支撑架固定连接。
进一步，还包括散热铜管，在所述机壳上设有散热铜管，所述散热铜管与所述定子相连接。
进一步，所述定子与转子之间的空隙为3～5mm。
进一步，所述转子包括转子背铁和转子永磁体，所述转子永磁体贴在转子背铁的内表面，其中转子永磁体包括多个子转子永磁体。
进一步，所述转子永磁体采用钕铁硼材料。钕铁硼作为稀土永磁材料的一种，有极高的磁能积和矫顽力，所以采用钕铁硼材料制作的转子永磁体的机械性能更好，更加耐用，传导性也更好。
进一步，所述转子永磁体采用Halbach(海尔贝克阵列，下文简称Halbach)充磁方式，每侧包括十六块子转子永磁体沿转子背铁内侧圆盘均匀分布，每侧相邻四块子转子永磁体组成一个磁极，每侧十六块子转子永磁体组成四个相间磁极，左右两侧转子中相对的转子永磁体的磁极极性相同，转子永磁体磁通方向与转子永磁体表面垂直，磁通方向既有轴向分量也有径向分量。
进一步，所述转子背铁采用导磁钢。这样整个设备的性价比更高。
进一步，所述定子包括定子铁心、定子齿、定子槽和定子五相绕组，所述定子铁心的外侧设有多个定子齿，在每两个相邻的定子齿之间形成定子槽，所述定子齿上缠绕有定子五相绕组。
进一步，所述定子五相绕组采用鼓形集中绕组结构。采用分数槽集中绕组可减少端部用铜量进而减少铜耗，且电机定子槽数少，槽利用率提高、齿槽转矩降低、弱磁能力和容错能力增强，另外集中绕组的嵌线工艺简化，可以采用自动绕线，提高劳动生产率。
进一步，所述定子铁心采用非晶合金材料，定子铁心支撑架材料为铝，分别与左右两侧非晶合金定子铁心通过过盈配合连接。
进一步，所述定子和转子的侧面与转子转轴法向间的夹角范围在0°和90°之间；同一侧的定子圆盘外表面与转子圆盘内表面相对平行设置。
工作原理：本发明通过采用圆台形定转子结构可显著降低加工制造成本，提高非晶材料利用率，同时，盘式电机在径向半径一定下，转矩与总永磁体有效表面积成正比，锥形磁场可在不增加径向半径前提下增大永磁体有效表面积，提高电机形状系数和增大输出转矩，同时在保证所需永磁体有效表面积前提下可尽可能减小径向长度和整体电机体积，适用于空间极其有限的应用场合，如电动车辆、电动工具、流体泵等。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明所示的五相盘式永磁电机结合盘式电机与多相电机的优势，具有高可靠性和容错性，同等功率下可减小相电压和相电流，实现大功率输出；
2.采用非晶合金定子可显著减小电机铁耗，提高电机效率和功率密度；
3.采用圆台形盘式结构，可增大永磁体有效表面积、减小电机体积、增大输出转矩，适用于空间有限的场合；
4.采用新型热管冷却方法与风冷、液冷相结合的混合散热方式，增强电机定子散热能力，进而提高电机动态运行性能。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的整体结构径向剖面图；
图3为单侧转子永磁体结构示意图；
图4为单侧转子永磁体的充磁方向和磁极排列示意图(一对极)；
图5为单侧定子铁心结构示意图；
图6为非晶合金材料加工制造流程示意图；
图7为单侧定子五相绕组连接示意图(以A相为例)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1～2所示，本发明的一种五相盘式非晶永磁电机，包括转子转轴1、左右两侧转子背铁2、子转子永磁体3、左右两侧定子铁心4、左右两侧定子五相绕组5、定子铁心支撑架6、机壳7、水冷通道8、散热铜管9；其中，定子铁心支撑架6设置在转子转轴1的***，定子铁心支撑架6与机壳7固定连接，机壳7通过支架固定在地面上，定子铁心支撑架6的轴向方向的两侧从内向外依次设有定子和转子，定子与定子铁心支撑架6固定连接，转子通过轴承设置在转子转轴1上。左右两侧转子背铁2内侧圆盘表面贴有由16块子转子永磁体3组成的转子永磁体，左右两侧定子铁心4外侧圆盘上设有十个定子齿10和定子槽11，定子齿10上设有定子五相绕组5，定子铁心支撑架6内部设有水冷通道8，通过水流带走热量，机壳7的表面设有散热铜管9，散热铜管9与定子铁心4相连接，这样利用铜的高导热系数，通过与空气自然对流进行散热。
其中，如图3所示，转子包括左右两侧转子背铁2和表贴在转子背铁内侧转子永磁体，转子通过轴承安装在转子转轴1上，可与转子转轴1同速旋转。如图4所示，θ为周向角度位置，N为磁极N极，S为相邻的磁极S极，左右两侧转子永磁体采用四极Halbach充磁方式，四极Halbach充磁方式特指该电机设有四个磁极，采用Halbach充磁方式。每侧十六块子转子永磁体3沿转子背铁2内侧圆盘均匀分布，每侧相邻四块子转子永磁体3组成一个磁极，每侧十六块子转子永磁体3组成四个相间磁极，左右两侧相对的磁极极性相同，左右两侧转子永磁体3采用高磁能积的钕铁硼材料，并采用Halbach充磁方式。如图5所示，定子包括左右两侧定子铁心4和绕制在定子齿10上的五相绕组5，定子、定子铁心支撑架6和机壳7固联在一起。定子的外侧分别设有转子，定子与转子之间留有空隙，转子转轴1与定子、转子和定子铁心支撑架6同轴。左右两侧转子背铁2采用导磁钢，轴承采用磁电机轴承。左右两侧定子铁心4采用非晶合金材料。左右两侧定子和转子圆盘表面相对平行放置，两者之间留有空隙，每一侧定转子可单独形成电磁耦合，左右两侧可实现电磁独立。
如图6所示，非晶合金的定子铁心4加工时采用非晶合金叠片12先卷绕、再切割加工成定子铁心的方式，可减小加工难度，提高电机性能。
如图7所示，左右两侧定子五相绕组5均采用鼓形集中绕组结构，缠绕在定子铁心齿部10，五相分别以A、B、C、D、E表示，数字1、2、3、……、10表示槽编号，每相绕组由两个线圈组成，以并联形式连接，图中以A相绕组为例，其中A+代表电流流入端，A-代表电流流出端。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种五相盘式非晶永磁电机，其特征在于：包括转子转轴、转子、定子、定子铁心支撑架、机壳和水冷通道，其中，定子铁心支撑架设置在转子转轴***，定子铁心支撑架与机壳固定连接，在所述定子铁心支撑架的轴向方向的两侧从内向外依次设有定子和转子，所述定子与定子铁心支撑架固定连接，所述转子通过轴承设置在转子转轴上，所述定子与转子之间存在空隙，转子转轴与定子、转子和定子铁心支撑架同轴，所述定子和转子均为圆台状的圆盘，所述定子和转子的外侧的直径小，向定子铁心支撑架方向直径逐渐增大；所述定子铁心支撑架的周向上设有水冷通道，在所述定子铁心支撑架周向的外侧设有机壳，所述机壳与定子铁心支撑架固定连接。
2.根据权利要求1所述的五相盘式非晶永磁电机，其特征在于：还包括散热铜管，在所述机壳上设有散热铜管，所述散热铜管与所述定子相连接。
3.根据权利要求1所述的五相盘式非晶永磁电机，其特征在于：所述定子与转子之间的空隙为3～5mm。
4.根据权利要求1所述的五相盘式非晶永磁电机，其特征在于：所述转子包括转子背铁和转子永磁体，所述转子永磁体贴在转子背铁的内表面，其中转子永磁体包括多个子转子永磁体。
5.根据权利要求4所述的五相盘式非晶永磁电机，其特征在于：所述转子永磁体采用钕铁硼材料。
6.根据权利要求4所述的五相盘式非晶永磁电机，其特征在于：所述转子永磁体采用Halbach充磁方式，每侧包括十六块子转子永磁体沿转子背铁内侧圆盘均匀分布，每侧相邻四块子转子永磁体组成一个磁极，每侧十六块子转子永磁体组成四个相间磁极，左右两侧转子中相对的转子永磁体的磁极极性相同，转子永磁体磁通方向与转子永磁体表面垂直，磁通方向既有轴向分量也有径向分量。
7.根据权利要求4所述的五相盘式非晶永磁电机，其特征在于：所述转子背铁采用导磁钢。
8.根据权利要求1所述的五相盘式非晶永磁电机，其特征在于：所述定子包括定子铁心、定子齿、定子槽和定子五相绕组，所述定子铁心的外侧设有多个定子齿，在每两个相邻的定子齿之间形成定子槽，所述定子齿上缠绕有定子五相绕组。
9.根据权利要求8所述的五相盘式非晶永磁电机，其特征在于：所述定子五相绕组采用鼓形集中绕组结构。
10.根据权利要求1所述的五相盘式非晶永磁电机，其特征在于：所述定子和转子的侧面与转子转轴法向间的夹角范围在0°和90°之间；同一侧的定子圆盘外表面与转子圆盘内表面相对平行设置。
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