CN107425620B - 一种组合铁芯定子及双边外转子盘式永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合铁芯定子及双边外转子盘式永磁同步电机，由组合铁芯定子和具有倒U形环断面结构的双边盘式外转子构成。其中，所述组合铁芯定子包括内环铁芯和外环铁芯，由内环铁芯的外环面嵌入外环铁芯的内环面中而形成整体的定子结构；所述的组合铁芯定子在其轴向环断面上有相贯通的绕线槽和嵌入的同一线圈；所述电机的双边外转子盘的倒U形环断面结构内侧，均匀分布有与所述组合铁芯定子绕组对应的永磁体。本发明增加了外环铁芯定子与外转子的圆周面上的永磁体配合，相当于增加了一组电机，同时减少了每个绕组线圈的外端边数量，电机转矩密度和功率密度大，铜损小，效率高，控制方便。

Description

一种组合铁芯定子及双边外转子盘式永磁同步电机

技术领域

本发明属于电机领域，更具体地，涉及一种组合铁芯定子及双边外转子盘式永磁同步电机。

背景技术

盘式电机由于轴向尺寸小、径向尺寸大，容纳的绕组多，其功率密度大、力能指标高，具有低速大转矩的直驱特性，已在机器人直驱关节、电动车轮、风力发电、家用电器、舰船舵机等领域获得应用。

其中，带铁芯的单定子双边外转子盘式永磁同步电机还具有以下优点：由于定子铁芯提供了高导磁率磁路，电机力能指标比无铁芯类型高；单边盘结构的定子铁芯引起很强的轴向铁磁吸力，影响电机运行的稳定性，而双边外转子盘结构可使轴向铁磁吸力获得平衡；双边外转子能提供近2倍的单边盘结构的力能指标，功率密度更大；外转子结构因与被驱动构件联接方便，简化传动结构。因此，双边外转子盘式永磁同步电机是一种具有应用潜力的电机类型。

但是，现有的双边外转子盘式永磁同步电机也存在较突出的技术问题。一方面，面向直驱型应用，由于没有了减速、变速装置进行力矩放大和速度调节，对电机的功率密度和转矩密度提出了更高的要求，而目前受永磁材料、电工材料、驱动控制技术水平的限制，在功率与转矩密度上盘式电机与实际工程应用需求尚有较大差距。另一方面，由于定子铁芯内置，对其铜损和铁损引起电机发热，须设计内置的冷却措施，进一步增加了电机轴向尺寸，降低了力能指标。

因此，有效提高电机的力能指标，对扩大电机的应用范围，具有重要作用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种组合铁芯定子及双边外转子盘式永磁同步电机，其目的在于充分利用电机径向结构空间条件，提高电机的功率密度和转矩密度，减小铜损，提高电机效率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种组合铁芯定子，包括：内环铁芯、外环铁芯和多个绕组线圈；外环铁芯中部区域轴向开设有通孔，内环铁芯同轴安装于该通孔内；其特征在于，

外环铁芯的外圆周面上设有互相平行且连通外环铁芯两端面的第一绕线槽；

内环铁芯的两端面上均开设有与第一绕线槽数量相等、位置一一对应的第二绕线槽，且第二绕线槽与第一绕线槽相贯通；

每个绕组线圈均包括两个第一绕组部、四个第二绕组部和两个第三绕组部；在同一绕组线圈内，两个第一绕组部互相平行，每个第一绕组部的两端分别连接一个第二绕组部的首端，两个第一绕组部同侧的第二绕组部的末端通过一个第三绕组部连接；第一绕组部安装于第一绕线槽内，第二绕组部安装于第二绕线槽内。

进一步地，内环铁芯由两块环状铁芯背向拼合而成。

进一步地，第一绕线槽、第二绕线槽均为直槽，或者均为斜槽，或者为直槽与斜槽的组合；其中，延伸方向平行于外环铁芯的轴向或者沿内环铁芯的径向的槽称为直槽，否则，称为斜槽。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种盘式永磁同步电机，包括前述组合铁芯定子。

进一步地，前述盘式永磁同步电机包括双边外转子；双边外转子具有圆柱状空腔，组合铁芯定子同轴安装于圆柱状空腔内；圆柱状空腔的圆柱面和两个端面上均设有与绕组线圈对应配合的永磁体。

进一步地，前述盘式永磁同步电机包括多边外转子；多边外转子包括至少两个同轴设置的圆柱状空腔，每个圆柱状空腔中均设有一个组合铁芯定子；其中，每个圆柱状空腔的圆柱面和两个端面上均设有与其内部组合铁芯定子的绕组线圈对应配合的永磁体。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：

(1)本发明在传统组合铁芯定子的基础上增加了外环铁芯结构以及安装在外环铁芯结构上的第一绕组部，其能够与双边外转子的周向布置的第一永磁体配合，构成了新增加的一个径向子电机，从而更充分利用了双边外转子电机的径向空间条件，能提高电机的输出功率和转矩指标；

(2)本发明中，组合铁芯定子内环铁芯具有第二绕线槽，其与外环铁芯外圆周的第一绕线槽相贯通，从而能够嵌入同一绕组线圈；因此，一方面使现有双边外转子盘式电机的每个绕组线圈由4个外端边减少为2个外端边，绕组材料用量和铜损减少，显著提高电机效率；另一方面，本发明的电机定子的外环铁芯和内环铁芯的两端面上具有统一绕组，获得了统一的驱动控制结构，容易控制；

(3)本发明中，组合铁芯定子两端面及圆周面上的绕线槽可为直槽、斜槽或者直槽与斜槽等的组合，便于通过绕线槽组合形式和槽截面参数设计，进一步改善转矩、轴向及径向等力波动，从而提高电机动态性能；

(4)本发明中，所述多外转子多定子盘电机采用所述组合铁芯定子结构，可有效提高其功率、转矩、效率等指标。

附图说明

图1是电机的结构原理图；

图2是实施例一电机的结构图，其中：(a)总装结构示意图；(b)拆分部件示意图；

图3是实施例一组合铁芯的拆分结构示意图；

图4是实施例一绕组线圈结构示意图；

图5是实施例一绕组线圈安装示意图；

图6是实施例二绕组线圈安装示意图；

图7是实施例三内环铁芯斜槽的组合铁芯结构图，其中：(a)平面示意图；(b)立体结构示意图；

图8是实施例五三外转子二定子电机的结构原理图。

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-组合铁芯定子，2-双边外转子，3-联接件，4-内环铁芯，5-外环铁芯，6-第一永磁体，7-第二永磁体，8-绕组线圈，41-第二绕线槽，51-第一绕线槽，81-第一绕组部，82-第二绕组部，83-第三绕组部。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参照图1～4，本发明的组合铁芯定子及双边外转子盘式永磁同步电机总体构思如下：

组合铁芯定子1包括：内环铁芯4、外环铁芯5和多个绕组线圈8。外环铁芯5中部区域轴向开设有通孔，内环铁芯4与外环铁芯5同轴布置且位于该通孔内。外环铁芯5的外圆周面上设有互相平行且连通外环铁芯5两端面的第一绕线槽51。内环铁芯4的两端面上均开设有与第一绕线槽51数量相等、位置一一对应的第二绕线槽41，且第二绕线槽41与第一绕线槽51相贯通。每个绕组线圈8均包括两个第一绕组部81、四个第二绕组部82和两个第三绕组部83。在同一绕组线圈8内，每个第一绕组部81的两端分别连接一个第二绕组部82的首端，两个第一绕组部81同侧的两个第二绕组部82末端通过一个第三绕组部83连接；第一绕组部81安装于第一绕线槽51内，第二绕组部82安装于第二绕线槽52内。

双边外转子2具有圆柱状空腔，组合铁芯定子1同轴安装于圆柱状空腔内。圆柱状空腔的圆柱面和两个端面上均设有与绕组线圈8对应匹配的永磁体。

下面，结合具体实施例对本发明做进一步介绍。

【实施例一】

本发明的一种组合铁芯定子及双边外转子盘式永磁同步电机，如图1～图5所示，由具有组合铁芯定子1和具有倒U形环断面(即图1视角所示截面)结构的双边外转子2构成。其中，组合铁芯定子1包括内环铁芯4和外环铁芯5，由内环铁芯4的外环面嵌入外环铁芯5的内环面中，即，将内环铁芯4安装于外环铁芯5的通孔中，通过联接件3形成整体的组合铁芯定子1；组合铁芯定子1在其轴向环断面上有相贯通的绕线槽和嵌入的同一绕组线圈8；双边外转子2的倒U形环断面结构内侧，均匀分布有与绕组线圈8对应的永磁体。

在本实施例中，永磁体分为第一永磁体6和第二永磁体7。第一永磁体6与外环铁芯外圆周面上的第一绕线槽51以及槽内的第一绕组部81对应。第二永磁体7与内环铁芯两端面上的第二绕线槽41以及槽内的第二绕组部82对应。

组合铁芯定子1的内环铁芯4与双边外转子2的轴向端面上均匀分布第二永磁体7，在组合铁芯定子1的左右两侧分别构成了两个盘式轴向子电机；同时，外环铁芯5与双边外转子2的顶环面内分布的第一永磁体6相配，构成了一个新增加的径向子电机，从而有效利用了双边外转子电机空间条件，能有效提高电机的功率和转矩输出能力。

如图3、4所示，在本实施例中，第一绕线槽51和第二绕线槽41均为直槽。如图2所示，内环铁芯4上的第二绕线槽41和外环铁芯5上的第一绕线槽51在其轴向环断面上相贯通，由此组合铁芯定子1的轴向环断面上嵌入的是同一绕组线圈8。因此，与传统双边外转子盘式电机相比，本发明将每个绕组线圈在两端面上的4个外端边减少到2个，绕组材料用量和铜损减少，显著提高电机效率；同时，本发明的电机定子的各环面和端面上具有统一绕组，获得了统一的驱动控制结构，控制容易。

另外，如图3所示，本实施例的内环铁芯由两个形状构造对称的铁芯盘组装而成。在本实施例中，两个铁芯盘关于组装面对称。

在本实施例中，图2～图3中所示的绕组线圈8采用了集中式绕组结构，其中，每两个相邻的第一绕线槽51一一对应安装同一个绕组线圈8内的两个第一绕组部81，与该两个相邻的第一绕线槽51对应的第二绕线槽41一一对应安装同一个绕组线圈8内的第二绕组部82。

如图5所示，为本实施例的绕组线圈8的组装示意图。为便于图示，图5中选取了局部构造作为示例。在图5所示局部构造中，由四个第一绕线槽51及其对应的第二绕线槽41划分出了三个极，中间的极未安装绕组线圈8，两侧的两个极各安装一个绕组线圈8。每个第二绕线槽41内安装了一个第二绕组部82，每个第一绕线槽内安装了一个第一绕组部81，由于视角原因，第一绕组部81被遮挡，故未图示。

【实施例二】

如图6所示，本实施例的绕组线圈8也采用集中式绕组结构，其与实施例一的主要区别在于，四个第一绕线槽51及其对应的第二绕线槽41划分出的三个极均安装了绕组线圈8。每个第一绕线槽51中均安装有来自于不同绕组线圈8的两个第一绕组部81，由于视角原因，第一绕组部81被遮挡，故未图示。每个第二绕线槽41中均安装有来自于不同绕组线圈8的两个第二绕组部82。

在其他实施例中(未图示)，绕组线圈8也可以采用分布式绕组结构。

无论集中式绕组还是分布式绕组，根据不同的定子极分布组合方式，绕组线圈8与第一绕线槽51、第二绕线槽41的组装关系不尽相同，只需满足第一绕组部81安装于第一绕线槽51内、第二绕组部82安装于第二绕线槽41内即可。至于单个第一绕线槽51内安装有几个绕组线圈8的第一绕组部81，并无具体限制，根据实际设计的绕线槽分布以及绕组线圈8的布线安排设定即可，第二绕线槽51与第二绕组部82的关系同理。

【实施例三】

组合铁芯定子1上的绕线槽可为直槽、斜槽或者直槽与斜槽等的组合。如图7所示，本实施例与实施例一的区别在于，内环铁芯4上的第二绕线槽41为斜槽，外环铁芯5上的第一绕线槽51为直槽。通过绕线槽组合形式和槽截面参数设计，易于改善转矩、轴向及径向等力波动，提高电机动态性能。

【实施例四】

本发明的实施例四(未图示)与实施例一相比，内环铁芯4上的第二绕线槽41虽然仍为直槽，但外环铁芯5上的第一绕线槽51为斜槽。另外，内环铁芯4两端面上的第二绕线槽41的排列方式仍然与实施例一相同，但是由于第一绕线槽51倾斜，第二绕线槽41在两个端面上的位置会错开一定角度。

将内环铁芯设计为由两个形状构造对称的铁芯盘的优势在于，在第一绕线槽51为直槽或斜槽的情况下，铁芯盘可以通用，只需要更换相应的外环铁芯5，以及相应调整两个铁芯盘的相对旋转角度即可。例如，将实施例一转换为实施例四，只需要在实施例一的基础上将直槽的换外环铁芯5更换为斜槽的外环铁芯5，再相应调整两个铁芯盘的相对旋转角度即可。

当然，在其他实施例中，内环铁芯4也可以是一体成型。

【实施例五】

根据不同的结构空间条件，本发明的电机可设计为具有组合铁芯定子的多外转子多定子盘电机构型。如图8所示为三外转子二定子盘式永磁同步电机的结构原理图，由二个组合铁芯定子1和三个外转子盘2组成。在此结构基础上进行扩展，可以得到N外转子N-1定子盘式永磁同步电机，N≥2，当N＝2时即图1所示的双边外转子盘式永磁同步电机。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种组合铁芯定子，包括：多个绕组线圈，每个绕组线圈均包括两个第一绕组部、四个第二绕组部和两个第三绕组部；在同一绕组线圈内，两个第一绕组部互相平行，每个第一绕组部的两端分别连接一个第二绕组部的首端，两个第一绕组部同侧的第二绕组部的末端通过一个第三绕组部连接；其特征在于，还包括内环铁芯和外环铁芯：

外环铁芯中部区域轴向开设有通孔，内环铁芯同轴安装于该通孔内；外环铁芯的外圆周面上设有互相平行且连通外环铁芯两端面的第一绕线槽；

内环铁芯的两端面上均开设有与第一绕线槽数量相等、位置一一对应的第二绕线槽，且第二绕线槽与第一绕线槽相贯通；

第一绕组部安装于第一绕线槽内，第二绕组部安装于第二绕线槽内。

2.如权利要求1所述的一种组合铁芯定子，其特征在于，内环铁芯由两块环状铁芯背向拼合而成。

3.如权利要求1或2所述的一种组合铁芯定子，其特征在于，第一绕线槽、第二绕线槽均为直槽，或者均为斜槽，或者为直槽与斜槽的组合；其中，延伸方向平行于外环铁芯的轴向或者沿内环铁芯的径向的槽称为直槽，否则，称为斜槽。

4.一种盘式永磁同步电机，其特征在于，包括权利要求1或2所述的组合铁芯定子。

5.如权利要求4所述的一种盘式永磁同步电机，其特征在于，包括双边外转子；双边外转子具有圆柱状空腔，组合铁芯定子同轴安装于圆柱状空腔内；圆柱状空腔的圆柱面和两个端面上均设有与绕组线圈对应配合的永磁体。

6.如权利要求书4所述的一种盘式永磁同步电机，其特征在于，包括多边外转子；多边外转子包括至少两个同轴设置的圆柱状空腔，每个圆柱状空腔中均设有一个组合铁芯定子；其中，每个圆柱状空腔的圆柱面和两个端面上均设有与其内部组合铁芯定子的绕组线圈对应配合的永磁体。