CN108683313A - 一种高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机，该电机为单定子双转子结构，定子位于两个转子之间，该电机包括定子磁芯、转子磁芯、内嵌式异型永磁体、三相电枢绕组；所述定子磁芯为双面凸极齿槽结构；每个转子均包括转子磁芯和永磁体，转子磁芯为圆环状，沿转子磁芯的径向嵌入若干数量的永磁体，永磁***于转子磁芯的内部；在对应嵌入永磁体的位置的转子磁芯的圆环背部表面上，沿转子磁芯的径向设有若干个背部开槽；若干个背部开槽相连接的区域定义为转子轭部，若干永磁体的磁化方向均为沿电机周向。该电机具有较好的聚磁结构使得电机能够产生较高的转矩，能够容易地使用取向性硅钢片制成定子磁芯与转子磁芯，使得电机性能得以进一步提高。

Description

一种高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机

技术领域

本发明涉及轴向磁通永磁电机技术领域，具体涉及一种高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机。

背景技术

轴向磁通永磁电机是近几年新兴起的一种电机，相较传统永磁电机，具有结构紧凑、效率高、功率密度大等优点。但现有轴向磁通永磁电机结构并不完善，其通常采用的结构形式为表贴式永磁体形式，所产生的气隙磁通密度较低，故电机的性能并未达到一个较好的程度。此外，在轴向磁通永磁电机中通常采用普通硅钢片材料，未能发挥出这种电机的结构优势。

现有轴向磁通永磁电机可以分为无轭部铁芯的结构与有轭部铁芯的结构，这两种结构各有缺点，不利于电机性能的提高。在无轭部铁芯的结构的轴向永磁电机中，由于无轭部的存在该电机的定子结构强度较低同时制造难度较高。在有轭部铁芯结构的轴向永磁电机中，由于轭部参与了导磁，故只能由各向同性的硅钢片制成，降低了电机的效率。

文献CN201310088701为一种传统表面贴转子单边轴向磁通永磁电机，该电机由于采用表面贴结构，故其气隙磁通密度较低，导致电机输出转矩较低，同时该结构的机械强度较低，当电机处于高速运行时，其转子永磁体所受的离心力较大，易造成电机损坏。同时由于采用单边结构，该电机所受的单边磁拉力较大，不易于电机稳定运行。文献CN201711060568为一种传统表面贴转子双边轴向磁通永磁电机，该电机采用双边转子结构减小了不平衡磁拉力。然而该电机所采用的表面贴转子结构依旧不能避免，转矩能力受限，转子结构强度不高等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机，以解决上述背景技术中存在的技术问题，提高轴向磁通电机的功率密度及效率。该永磁电机具有较好的聚磁结构使得电机能够产生较高的转矩，同时由于永磁体嵌入在转子磁芯中具有较高的转子结构强度，同时由于本发明所提出的电机具有的只起连接作用但不起导磁作用的轭部，能够容易地使用取向性硅钢片制成定子磁芯与转子磁芯，使得电机性能得以进一步提高。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机，其特征在于该电机为单定子双转子结构，即有两个结构相同的转子和一个定子，定子位于两个转子之间，该电机包括定子磁芯、转子磁芯、内嵌式异型永磁体、三相电枢绕组；所述定子磁芯为双面凸极齿槽结构，定子磁芯包括若干个定子齿，若干个定子齿之间通过定子轭部连接，相邻定子齿之间均设置定子槽，所述定子槽采用平行槽，每个定子槽内设有两组三相电枢绕组，三相电枢绕组缠绕在定子齿上；

每个转子均包括转子磁芯和永磁体，转子磁芯为圆环状，沿转子磁芯的径向嵌入若干数量的永磁体，永磁***于转子磁芯的内部；在对应嵌入永磁体的位置的转子磁芯的圆环背部表面上，沿转子磁芯的径向设有若干个背部开槽；若干个背部开槽相连接的区域定义为转子轭部，若干永磁体的磁化方向均为沿电机周向，且轴向对称的两永磁体磁化方向相反，相邻永磁体磁化方向相反。

本发明的有益效果：

本发明的突出的实质性特点是：

a)本发明中由于轴向磁通永磁电机特殊的磁通路径，加上本申请的定子轭部结构(不需要起导磁作用仅起连接作用)使得本电机能够选用取向性材料，进一步提高电机性能。定子轭部仅起连接作用，不参与导磁作用，定子磁芯采用取向性硅钢片材料，提高了电机的效率；并且定子轭部综合了传统的有轭部铁芯结构和无轭部铁芯结构，提高了定子磁芯的机械强度，降低了定子磁芯制造难度。在传统有定子轭部结构的轴向磁通电机中，轭部结构所起到的作用为导磁作用，而在该种电机中则不能使用取向性硅钢片制造电机。在无轭部结构的轴向磁通电机中，虽然可以采用取向性硅钢片制造电机，但是由于无轭部结构使得定子的固定较难。

b)由于转子磁芯背部与永磁体相对应的区域开有背部开槽结构，降低了电机质量、减少漏磁，提高了电机效率。

c)由于永磁体采用异型永磁体结构(异型永磁体的切向截面中上下两个边互相平行，且上下两个边的长度不等)，形成较强的聚磁能力，极大提高了电机的功率密度和效率，同时提高了转子的机械强度。

d)由于三相电枢绕组采用扁平绕组制成，使定子结构更为紧凑，极大提高了定子三相电枢绕组的槽满率，因此提高了电机的功率密度和效率。

本发明的显著进步是：

与传统轴向磁通电机比，本发明所提出的一种高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机所采用的转子结构为聚磁式内嵌结构，解决了传统轴向磁通电机的气隙磁通密度不高的问题和转子结构强度较低的问题。同时本发明所提出的特殊的定子结构，既具有单一方向的磁路特点使电机能够利用取向性硅钢片制成定子磁芯，同时具有仅起连接作用的定子轭部结构加固了定子的结构稳定性。由于采用的取向性硅钢片具有损耗低，磁导率高的特点结合电机所采用的聚磁式转子结构特点，不难推断出该电机与传统轴向磁通电机相比具有较高的功率密度与效率，同时结构稳定性也较好。

附图说明

图1为本发明高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机的立体结构示意图。

图2为本发明高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机的左视结构示意图。

图3为本发明高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机的定子的部分结构示意图。

图4为本发明高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机的定子磁芯的立体结构示意图。

图5为本发明高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机的转子的结构示意图。

图6为本发明高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机一种实施例的异型永磁体的结构示意图。

其中：1-定子磁芯；2-转子磁芯；3-永磁体；4-三相电枢绕组；5-背部开槽；6-定子轭部；7-转子轭部。13-定子齿，12-定子槽，

具体实施方式

下面结合附图以实施例对本发明做进一步的解释说明，但并不以此构成对本发明保护范围的限定。

本发明一种高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机(简称电机或永磁电机，参见图1-5)为单定子双转子结构，即有两个结构相同的转子和一个定子，定子位于两个转子之间，该电机包括定子磁芯1、转子磁芯2、内嵌式异型永磁体3、三相电枢绕组4；所述定子磁芯为双面凸极齿槽结构，定子磁芯包括若干个定子齿13，若干个定子齿之间通过定子轭部6连接，相邻定子齿之间均设置定子槽12，所述定子槽采用平行槽，即定子槽的槽开口宽度处处相等，每个定子槽内设有两组三相电枢绕组4，三相电枢绕组缠绕在定子齿上；

每个转子均包括转子磁芯2和永磁体3，转子磁芯为圆环状，沿转子磁芯的径向嵌入若干数量的永磁体3，永磁体3位于转子磁芯的内部；在对应嵌入永磁体的位置的转子磁芯的圆环背部表面上，沿转子磁芯的径向设有若干个背部开槽5；若干个背部开槽相连接的区域定义为转子轭部，若干永磁体的磁化方向均为沿电机周向，且轴向对称的两永磁体磁化方向相反，相邻永磁体磁化方向相反。

进一步的，所述定子磁芯采用取向性硅钢片材料卷制而成，相邻定子齿间用只具有连接形式的轭部相连，定子轭部不参与导磁作用。所述定子轭部的宽度大于1mm，能够实现连接作用的同时，使电机的机械稳定性较好。

进一步的，所述转子磁芯采用取向性硅钢片材料卷制而成。

进一步的，所述定子磁芯和转子磁芯的磁化方向沿着电机的轴向，沿着电机的轴向进行磁化使电机性能更好。

进一步的，所述永磁体的切向截面为梯形结构，梯形结构在靠近气隙的一侧采用短边，在靠近转子轭部的一侧采用长边。

进一步的，所述三相电枢绕组采用扁平绕组。

本发明高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机的工作原理及过程是：电机运转时，定子静止，转子沿轴向旋转。磁力线沿永磁体N极(该永磁体朝向定子处极性为N)出发，穿过定子齿部A，再穿过定子齿部A’(其中定子齿部A和A’为轴向对称关系，相互位于转子另一侧的对应位置，磁力线不由定子齿部A到达相邻定子齿部B，不通过定子轭部，故定子轭部只起连接作用)，之后进入永磁体S极(该永磁体与前述永磁体轴向对称，位于不同转子的相同位置，该永磁体朝向定子处极性为S)，再从转子轭部出发，进入相邻永磁体，再从此永磁体N极出发(该永磁体朝向定子处极性为N)，进入定子齿部B’。由于该磁路穿过通以变化电流的三相电枢绕组，故电机把电能转换为机械能做功。

本发明中所述的异型永磁体是指切向截面形状不规则的结构，该异型永磁体的切向截面中上下两个边互相平行，且上下两个边的长度不等；如切向截面形状为梯形(参见图6)或者近似梯形的结构，这种结构的永磁体具有聚磁效果，使永磁体能被最大利用，具体形状可以根据具体情况而定。

本发明电机的转子采用内嵌式永磁体结构，永磁体能够放置在转子磁芯中，转子磁芯对转子形成了较好的保护作用，另外转子上的永磁体为异型永磁体，能够形成较好的聚磁结构，使得电机的气隙磁通密度较高，极大的提高了电机的转矩能够。电机的定子采用利用硅钢片作为轭部连接但不起导磁作用的结构，该结构能够使该电机采用取向性硅钢片制成定子磁芯，由于利用硅钢片作为定子轭部连接，该电机的定子为一个整体，提高了定子结构的稳定性。

实施例1

本实施例高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机，包括转子磁芯2、定子磁芯1、内嵌式异型永磁体3、三相电枢绕组4。

所述三相电枢绕组4均为集中扁平绕组。所述定子磁芯1和转子磁芯2均采用卷制的制造工艺，所采用材料均为取向性硅钢片，磁芯磁化方向均沿着电机的轴向。所述永磁体3磁化方向沿电机周向。

所述电机采用单定子双转子结构，定子包括定子磁芯和三相电枢绕组两部分，定子与转子内外径相匹配。所述定子磁芯1为双面凸极齿槽结构，定子磁芯1包括36个定子齿，相邻定子齿之间为定子槽，定子槽采用平行槽结构，每个定子槽内设有两组三相电枢绕组4；所述永磁体3的数量为42个，分别沿径向内嵌于转子磁芯2上，且轴向对称的两永磁体磁化方向相反，相邻永磁体磁化方向相反。

如图4所示，所述定子磁芯1采用平行槽，平行槽指的是定子磁芯在外径处的槽开口和内径处的槽开口宽度相等，这样能够使得每个定子齿上的绕组绕得更多，提高了电机的槽满率。相邻定子齿间用只具有连接形式不参与导磁作用的定子轭部6相连。每一组三相电枢绕组分跨在相应定子齿的两侧上，提高了电机的容错特性。

如图5所示，每个转子均包括转子磁芯2和永磁体3，转子磁芯为圆环状，沿转子磁芯的径向嵌入若干数量的永磁体3，永磁体3位于转子磁芯的内部；在对应嵌入永磁体的位置的转子磁芯的圆环背部表面上，沿转子磁芯的径向设有42个背部开槽5；36个背部开槽相连接的区域定义为转子轭部。

所述永磁体3的切向截面为梯形结构，梯形结构在靠近气隙的一侧采用短边，在靠近转子轭部7的一侧采用长边，转子轭部在转子磁芯上起连接和导磁作用的部分，用以提高转子磁芯2的机械强度，沿径向，永磁体的宽度由内向外逐渐变大；

所述转子磁芯除去转子轭部的部分和永磁体的切向截面(转子齿的切向截面)形状相似，都为上底较窄的梯形，转子磁芯的上底(短边)比永磁体的上底(短边)还要窄。永磁体3可由径向方向嵌入转子磁芯。永磁体整体内嵌入转子磁芯中，异型永磁体较窄侧表面和转子磁芯内侧(图5所示下表面)表面位于同一平面，较宽侧面紧贴转子轭部面，永磁体高度加上转子轭部高度等于转子轴向长度。

下述是本实施例磁通永磁电机的相关尺寸：

定子内径为109mm

定子外径为160mm

转子内径为109mm

转子外径为159mm

定子轭部轴向长度为1mm

定子齿轴向长度为30mm

定子齿外径侧齿部宽度为5deg(°)由于定子磁芯的内外半径不相，要保持定子槽的内外径宽度近乎一致，需要使定子齿内外径侧齿部宽度不同，即定子齿的内径侧齿部宽度大于外径侧齿部宽度，

定子齿内径侧齿部宽度6.4deg，

转子轭部轴向长度为1mm

转子磁芯轴向高度为11mm，转子磁芯的转子齿轴向高度为10mm，即转子齿+转子轭部的轴向高度构成转子磁芯的轴向高度，

转子齿下侧(远离转子轭部处)内径处宽度为6deg

转子齿下侧(远离转子轭部处)外径处宽度5deg，沿径向，转子齿的宽度由内向外逐渐变大，

转子齿上侧(靠近转子轭部处)内径处宽度0.8deg

轴向气隙长度为1.6mm

42对极，36槽，即单个转子上有42个永磁体，定子上一侧要开36个定子槽，

定子为双面凸极齿槽结构，每一面的上的每个定子槽中绕组15匝，三相电枢绕组的绕组截面为矩形，此处指绕组截面的矩形的长和宽分别为5.6mm、1.4mm

永磁体沿径向嵌入，其切向截面为梯形结构，靠近定子侧较窄，周向宽度为2.287mm，靠近转子轭部较宽，周向宽度约为6.916mm。背部开槽为矩形槽，背部开槽的尺寸为周向长度为2mm，径向长度为48mm，开槽深度为转子轭部轴向长度，即1mm。

下面给出本实施例电机与普通轴向电机(无定子轭部轴向磁通永磁电机)的性能比较表，性能表

从上表中可以看出本实施例电机功率密度为15/27＝0.556，效率为95％；普通电机功率密度为10/23.3＝0.429，效率为91％，(功率密度＝输出功率/质量)，故可得本实施例电机拥有更高的功率密度，及更高的效率。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机，其特征在于该电机为单定子双转子结构，即有两个结构相同的转子和一个定子，定子位于两个转子之间，该电机包括定子磁芯、转子磁芯、内嵌式异型永磁体、三相电枢绕组；所述定子磁芯为双面凸极齿槽结构，定子磁芯包括若干个定子齿，若干个定子齿之间通过定子轭部连接，相邻定子齿之间均设置定子槽，所述定子槽采用平行槽，每个定子槽内设有两组三相电枢绕组，三相电枢绕组缠绕在定子齿上；

每个转子均包括转子磁芯和永磁体，转子磁芯为圆环状，沿转子磁芯的径向嵌入若干数量的永磁体，永磁***于转子磁芯的内部；在对应嵌入永磁体的位置的转子磁芯的圆环背部表面上，沿转子磁芯的径向设有若干个背部开槽；若干个背部开槽相连接的区域定义为转子轭部，若干永磁体的磁化方向均为沿电机周向，且轴向对称的两永磁体磁化方向相反，相邻永磁体磁化方向相反。

2.根据权利要求1所述的高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机，其特征在于所述定子磁芯采用取向性硅钢片材料卷制而成，所述定子轭部的宽度大于1mm；所述转子磁芯采用取向性硅钢片材料卷制而成。

3.根据权利要求1所述的高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机，其特征在于所述定子磁芯和转子磁芯的磁化方向沿着电机的轴向。

4.根据权利要求1所述的高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机，其特征在于所述永磁体的切向截面为梯形结构，梯形结构在靠近气隙的一侧采用短边，在靠近转子轭部的一侧采用长边。

5.根据权利要求1所述的高功率密度高效率的轴向磁通永磁电机，其特征在于所述三相电枢绕组采用扁平绕组。