CN110350748A - 一种基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机 - Google Patents

一种基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机 Download PDF

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CN110350748A CN201910630956.2A CN201910630956A CN110350748A CN 110350748 A CN110350748 A CN 110350748A CN 201910630956 A CN201910630956 A CN 201910630956A CN 110350748 A CN110350748 A CN 110350748A
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Abstract

本发明公开了一种基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机，包括，转动组件，包括第一转动件、第二转动件和第三转动件，所述第一转动件与所述第二转动件结构和大小完全相同，所述第一转动件与所述第二转动件固定于所述第三转动件上；固定组件，包括固定件和绕组，所述绕组设于所述固定件两侧面上，所述第三转动件穿过所述固定件，所述第一转动件和所述第二转动件分别位于所述固定件两侧；壳体将所述第一转动件、第二转动件和固定件置于其内，所述第三转动件穿过所述壳体。本发明所述的永磁同步电机的轴向尺寸短、成型绕组端部短，适用于轴向空间受限、要求成本低、性能好、对定位精度要求较高的机电设备等应用场合。

Description

一种基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步 电机
技术领域
本发明涉及电机设备技术领域，具体涉及一种基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机。
背景技术
永磁同步电机具有结构简单、功率密度大、运行可靠等优点，近年来得到广泛应用。传统的永磁同步电机可分为径向磁通永磁同步电机和轴向磁通永磁同步电机，传统径向磁通永磁同步电机在轴向尺寸受限的情况下设计难度大，成本高；传统有铁芯轴向磁通永磁同步电机加工成本高、转矩脉动大。
目前降低转矩脉动的方法一方面是优化电机结构设计和材料，另一方面从优化控制策略出发，改善定子电流波形，削弱高频电流谐波和高频谐波磁场，减小因谐波磁场相互作用而产生转矩脉动，同样可以有效地降低振动和噪声。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有的永磁同步电机中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明要解决的技术问题是：解决了传统有铁芯轴向磁通电机轴向尺寸大、成本高、转矩脉动大、结构刚度差、结构阻尼小的问题，提供一种电机轴向尺寸较短、转矩脉动低、结构刚度好的轴向磁通永磁同步电机。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机，包括，转动组件，包括第一转动件、第二转动件和第三转动件，所述第一转动件与所述第二转动件结构和大小完全相同，所述第一转动件与所述第二转动件固定于所述第三转动件上；固定组件，包括固定件和绕组，所述绕组设于所述固定件两侧面上，所述第三转动件穿过所述固定件，所述第一转动件和所述第二转动件分别位于所述固定件两侧；壳体将所述第一转动件、第二转动件和固定件置于其内，所述第三转动件穿过所述壳体。
作为本发明所述基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述第一转动件包括第一轴孔、磁环和背铁，所述第一轴孔设于所述背铁中间，所述磁环与所述背铁相贴合，所述磁环的内径大于所述第一轴孔孔径，所述磁环的外径小于所述背铁的外径。
作为本发明所述基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述磁环为磁体拼块组成Halbach阵列并烧结一体成型，所述第一转动件与第二转动件与所述壳体之间留有缝隙。
作为本发明所述基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述固定件包括第二轴孔、凹槽和凸起，所述第二轴孔设于所述固定件中间，其孔径大于所述第一轴孔孔径，所述凹槽设于所述固定件两侧用于安装所述绕组，所述凸起设于所述固定件边缘上，其内设有容置空间。
作为本发明所述基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述绕组成型封装，其数量为3n，n为正整数。
作为本发明所述基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述固定件还包括工艺孔，所述工艺孔数量至少为2，均匀分布于所述凹槽与所述固定件外边缘之间。
作为本发明所述基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述壳体包括第三轴孔和支撑架，所述第三轴孔设于所述壳体的中间，其孔径大于所述第一轴孔孔径，所述支撑架设于所述壳体边缘上，其形状与所述凸起匹配。
作为本发明所述基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述壳体上设有安装孔，所述固定件上设有螺纹孔，通过所述安装孔和所述螺纹孔配合使所述固定件与所述壳体固定连接。
本发明的有益效果：本发明所述的永磁同步电机的轴向尺寸短、成型绕组端部短，适用于轴向空间受限、要求成本低、性能好、对定位精度要求较高的机电设备等应用场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明提供的一种实施例中基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机内部结构连接示意图；
图2为本发明提供的一种实施例中基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机第一转动件结构示意图；
图3为本发明提供的一种实施例中基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机固定件结构示意图；
图4为本发明提供的一种实施例中基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机壳体外侧结构示意图；
图5为本发明提供的一种实施例中基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机壳体内侧结构示意图；
图6为本发明提供的一种实施例中基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电整体示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1，一种基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机，包括转动组件100、固定组件200和壳体300，转动组件100包括第一转动件101、第二转动件102和第三转动件103，第一转动件101与第二转动件102结构和大小完全相同，第一转动件101与第二转动件102固定于第三转动件103上，第一转动件101和第二转动件102左右对称设置；固定组件200包括固定件201和绕组202，绕组202设于固定件201两侧面上，第三转动件103穿过固定件201，第一转动件101和第二转动件102分别位于固定件201两侧；壳体300将第一转动件101、第二转动件102和固定件201置于其内，第三转动件103穿过壳体300。
本实施例中，第一转动件101和第二转动件102整体为圆形片状结构，也称为转子。第三转动件103其形状为一圆柱，也称为转轴。固定件201主体为一圆形片状结构，但有一定的厚度，也称为定子，绕组202为一组线匝(线圈)，定子两侧面分别嵌有绕组202，壳体300起支撑和保护作用，采用铸铝机壳，使整个电机重量降低。壳体300可由左右两部分拼合而成。壳体300与固定件201通过螺栓固定，提高结构刚度。
整体结构为：第三转动件103中间穿过固定件201，第一转动件101和第二转动件102穿过第三转动件103，分别位于固定件201两侧，而后壳体300穿过第三转动件103并将第一转动件101、第二转动件102和固定件201包覆于其内。
需要说明的是，本实施例采用无铁心的结构，使得电机的轴向尺寸较短，该结构的同步电机在相同输出功率的条件下，比其他同步电机的轴向尺寸能够缩短三分之一，在输出功率较大时，甚至能缩短三分之二。该类电机能很好地适用于轴向空间受限的超薄型洗衣机、空调等家电及机床、纺织、自动化生产线应用等场合，有利于提高产品性能、降低产品的成本。较佳地，第三转动件103可采用中空结构，即采用中空轴，中空轴可提高电机的冷却能力，一端可加装超薄型风扇，方便散热和电机的冷却。
实施例2
参照图2，一种基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机，包括转动组件100、固定组件200和壳体300，转动组件100包括第一转动件101、第二转动件102和第三转动件103，第一转动件101与第二转动件102结构和大小完全相同，第一转动件101与第二转动件102固定于第三转动件103上，第一转动件101和第二转动件102左右对称设置；固定组件200包括固定件201和绕组202，绕组202设于固定件201两侧面上，第三转动件103穿过固定件201，第一转动件101和第二转动件102分别位于固定件201两侧；壳体300将第一转动件101、第二转动件102和固定件201置于其内，第三转动件103穿过壳体300。
具体地，第一转动件101包括第一轴孔101a、磁环101b和背铁101c，第一轴孔101a设于背铁101c中间，磁环101b与背铁101c相贴合，磁环101b的内径大于第一轴孔101a孔径，磁环101b的外径小于背铁101c的外径。
需要注意的是，连接安装时，第一转动件101和第二转动件102的磁环101b一侧与绕组202相对放置，第一轴孔101a的孔径大小与第三转动件103的直径相当，第一转动件101和第二转动件102通过第一轴孔101a与第三转动件103固定，第一转动件101和第二转动件102转动可带动第三转动件103转动，安装后，气隙磁场为轴向。
进一步地，磁环101b为磁体拼块组成Halbach阵列并烧结一体成型，第一转动件101与第二转动件102与壳体300之间留有缝隙，防止第一转动件101与第二转动件102转动时与壳体300之间产生摩擦，缝隙宽度约1mm。
Halbach阵列是一种磁体结构，是工程上理想结构的近似，目标是用最少量的磁体产生最强的磁场，其利用特殊的磁体单元的排列，增强单位方向上的场强，对于工程上有极为重要意义。相对于传统永磁电机架构，由于Halbach磁环分解后的平行磁场与径向磁场的相互迭加使得另一侧的磁场强度大幅度提升，这样可有效地减小电机的体积，提升电机的功率密度；在传统永磁电机中，由于气隙磁场不可避免的存在谐波，一般在定转子架构上采取斜槽削弱其影响。在Halbach电机中，由于气隙磁场正弦分布程度较高，谐波含量小，故定转子无需斜槽；因为Halbach磁铁自屏蔽效应产生的单边磁场分布不再需要转子采用磁性材料为其提供通路，这样不仅为转子选材料提供了较大的选择空间，而且可以使***有较低的转动惯量和较好的快速附应性能；采用Halbach磁铁排列，可以降低电动机之转矩涟波，因而对于电动机的轴承要求大大的减小。
传统拼块的Halbach磁体结构采用不同磁化方向的多个磁体拼装而成，不同磁体之间存在的排斥力导致拼装难度大、成本高，精度不高，拼装的磁体的固定难度大，结构的刚度和强度差。本实施例中，第一转动件101和第二转动件102即转子采用Halbach磁环与背铁101c结构，磁环101b采用一次成型烧结的Halbach磁环，装配难度小、结构刚度和强度好，磁性能稳定。背铁101c采用用电工纯铁，其导磁性好，相比硅钢片成本更低，结构刚度更好。磁环101b在靠近绕组202的一端形成增强磁场，提高电机的气隙磁密，提高电机的功率密度和电机工作的可靠性。整体上，Halbach磁环的聚磁效应、背铁101c的导磁性及第一转动件101和第二转动件102与壳体300之间缝隙的磁阻效应，减少电机的端部漏磁。
实施例3
参照图3，一种基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机，该实施例不同于上述实施例的是：固定件201包括第二轴孔201a、凹槽201b和凸起201c，第二轴孔201a设于固定件201中间，其孔径大于第一轴孔101a孔径，凹槽201b设于固定件201两侧用于安装绕组202，凸起201c设于固定件201边缘上，其内设有容置空间。
第二轴孔201a的孔径大于第一轴孔101a的孔径101a，而第一轴孔101a孔径101a与第三转动件103的直径相当，故第二轴孔201a的孔径大于第三转动件103的直径，这样，第三转动件103的转动不接触也不影响固定件201。凹槽201b是闭合的，其形状近似梯形，绕组202的形状与凹槽201b形状相同匹配，可恰好置于凹槽201b内。凸起201c形状近似长方体，其中一侧面与固定件201的边缘相连，凸起201c内部中空且连接处与固定件201内部相通，容置空间内用于放置驱动电路，以驱动电机工作。同时，驱动电路与固定件201的一体化封装提高了电机的空间利用率和结构的刚度，减小电机体积，有利于电机成本的降低和性能的提高。
进一步地，绕组202成型封装，其数量为3n，n为正整数，绕组202组成三相绕组。本实施例中，n取4，即固定件201一侧共有12组绕组202，两侧共24组绕组，每组绕组202对应一个凹槽201b，凹槽201b绕第二轴孔201a均匀排列于固定件201上。
绕组202采用环氧灌封方式封装成型，环氧灌封作为环氧树脂的一个重要应用领域，灌封已广泛地用于电子器件制造业，成为电子工业不可缺少的重要绝缘材料。灌封，就是将液态环氧树脂复合物用机械或手工方式灌人装有电子元件、线路的器件内，在常温或加热条件下固化成为性能优异的热固性高分子绝缘材料。首要关心的是灌封工艺，灌封产品的质量主要与产品结构设计、元件选择、组装及所用灌封材料密切相关，灌封工艺也是不容忽视的因素。环氧树脂灌封有常态和真空2种灌封工艺，其中：环氧树脂、胺类常温固化灌封料一般用于低压电器，多采用常态灌封；环氧树脂、酸酐加热固化灌封料，一般用于高压电子器件灌封，多采用真空灌封工艺，这里采用真空灌封工艺。绕组202经环氧灌封固化工艺后，布线整齐，在设计上充分利用轴向和径向空间，设计余量大，无铁芯结构转矩脉动低，Halbach磁环的聚磁效应弥补了无铁芯结构的不足，成型绕组202的固化封装提高了电机的结构刚度和阻尼，有利于振动噪声的抑制。
实施例4
参照图4～图6，一种基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机，该实施例不同于上述实施例的是：固定件201还包括工艺孔201d，工艺孔201d数量至少为2，均匀分布于凹槽201b与固定件201外边缘之间。
本实施例中，工艺孔201d设置了12个，工艺孔201d为通孔，第二轴孔201a与工艺孔201d之间为设置的绕组202。通过第二轴孔201a和工艺孔201d缓解由电磁力、冲击、温升等作用产生的各种应力，保证定子结构不因发生塑性变形而导致结构疲劳，影响电机工作的可靠性和寿命。
进一步地，壳体300包括第三轴孔301和支撑架302，第三轴孔301设于壳体300的中间，其孔径大于第一轴孔101a孔径，支撑架302设于壳体300边缘上，其形状与凸起201c匹配。
第三轴孔301孔径大于第一轴孔101a孔径，即大于第三转动件103底面直径。需要注意的是，第三轴孔301孔径比第三转动件103底面直径略大1～2mm即可，目的是为了防止第三转动件103在转动过程中与壳体300产生摩擦。支撑架302的形状与凸起201c形状匹配，支撑架302的两侧面贯穿，露出凸起201c，可在凸起201c上开口方便外部电线与驱动电路连接，同时，支撑架302也可对电机起到支撑作用。
第三轴孔301也可设置在壳体300的一侧，用于将第三转动件103一端延伸出壳体300之外以和其他装置相连，另一侧的壳体300中部向外凸出延伸，与第三转动件102一端形状相匹配。
较佳地，壳体300上设有安装孔303，固定件201上设有螺纹孔201e，通过安装孔303和螺纹孔201e配合使固定件201与壳体300固定连接。这里可通过螺栓、螺钉等将壳体300与固定件201固定连接。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：包括，
转动组件(100)，包括第一转动件(101)、第二转动件(102)和第三转动件(103)，所述第一转动件(101)与所述第二转动件(102)结构和大小完全相同，所述第一转动件(101)与所述第二转动件(102)固定于所述第三转动件(103)上；
固定组件(200)，包括固定件(201)和绕组(202)，所述绕组(202)设于所述固定件(201)两侧面上，所述第三转动件(103)穿过所述固定件(201)，所述第一转动件(101)和所述第二转动件(102)分别位于所述固定件(201)两侧；
壳体(300)将所述第一转动件(101)、第二转动件(102)和固定件(201)置于其内，所述第三转动件(103)穿过所述壳体(300)。
2.根据权利要求1所述的基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述第一转动件(101)包括第一轴孔(101a)、磁环(101b)和背铁(101c)，所述第一轴孔(101a)设于所述背铁(101c)中间，所述磁环(101b)与所述背铁(101c)相贴合，所述磁环(101b)的内径大于所述第一轴孔(101a)孔径，所述磁环(101b)的外径小于所述背铁(101c)的外径。
3.根据权利要求2所述的基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述磁环(101b)为磁体拼块组成Halbach阵列并烧结一体成型，所述第一转动件(101)与第二转动件(102)与所述壳体(300)之间留有缝隙。
4.根据权利要求1或3所述的基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述固定件(201)包括第二轴孔(201a)、凹槽(201b)和凸起(201c)，所述第二轴孔(201a)设于所述固定件(201)中间，其孔径大于所述第一轴孔(101a)孔径，所述凹槽(201b)设于所述固定件(201)两侧用于安装所述绕组(202)，所述凸起(201c)设于所述固定件(201)边缘上，其内设有容置空间。
5.根据权利要求4所述的基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述绕组(202)成型封装，其数量为3n，n为正整数。
6.根据权利要求5所述的基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述固定件(201)还包括工艺孔(201d)，所述工艺孔(201d)数量至少为2，均匀分布于所述凹槽(202b)与所述固定件(201)外边缘之间。
7.根据权利要求1或6所述的基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述壳体(300)包括第三轴孔(301)和支撑架(302)，所述第三轴孔(301)设于所述壳体(300)的中间，其孔径大于所述第一轴孔(101a)孔径，所述支撑架(302)设于所述壳体(300)边缘上，其形状与所述凸起(201c)匹配。
8.根据权利要求7所述的基于Halbach磁环和成型封装绕组的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述壳体(300)上设有安装孔(303)，所述固定件(201)上设有螺纹孔(201e)，通过所述安装孔(303)和所述螺纹孔(201e)配合使所述固定件(201)与所述壳体(300)固定连接。
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