CN111541324A - 一种径轴双向混合磁路无框永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种径轴双向混合磁路无框结构永磁电机，包括外侧机壳、径向背轭、径向永磁体、端盖、轴向永磁体、轴向背轭、电枢绕组、定子铁心、支撑件、轴承、空心轴和螺钉，其中电枢绕组线圈嵌入定子铁心的槽中，定子铁心安装在空心轴外周，空心轴通过轴承连接端盖，端盖中部设置有轴向背轭，轴向背轭内侧表面安装轴向永磁体；端盖顶部设置有外侧机壳，外侧机壳中部设置有径向背轭，径向背轭内侧表面沿圆周方向安装径向永磁体，在径、轴向永磁体阵列中，相邻永磁体按N极和S极方向交替排列，且轴向两侧任一对N极和S极都沿轴向对应布置，从而在径向和轴向都形成闭合的磁势正向串联的磁通回路。本发明提高了电机的转矩密度、功率密度和能效。

Description

一种径轴双向混合磁路无框永磁同步电机
技术领域
本发明涉及低速大转矩直驱永磁电机技术领域，特别是一种径轴双向混合磁路无框结构永磁电机。
背景技术
军用和民用中有一类电机驱动对象的运动具有大惯量、大转矩和低速的运动特点，比如坦克和自行火炮炮塔的水平运动、起重机座圈和大型旋转平台的水平运动。传统电驱动方式都是采用“驱动电机+减速器”的驱动形式，驱动电机额定转速一般在每分钟几千转范围，远高于上述驱动对象每分钟几十转甚至几转的运转速度，驱动电机额定转矩也远低于拖动上述驱动对象所需的几千牛米转矩大小，所以必须通过配套减速器，实现降速升矩。但是由于引入了减速器，就不可避免地存在传动间隙及齿轮弹性形变，这一非线性环节会对运动稳定性、低速性能和运动精度产生重大影响，降低了传动效率，制约了运动***的性能，同时由于采用了减速器，也对安装空间提出更高要求，增加了整个驱动***传统结构的复杂程度。一种有效的解决思路，就是取消减速器，采用电机直驱式方案。
当采用电机直驱式方案拖动上述负载转动时，驱动电机的设计存在两个设计难点，第一点是电机输出转矩要能达到几千牛米，第二点是电机结构要紧凑，节省安装空间。由于永磁同步电机结构简单，在效率、功率密度等方面更优，故在工业生产、日常生活中应用广泛。目前常用的永磁电机磁通一般分为径向磁通和轴向磁通两类，然而其端部利用率都较低，电机整体空间利用率不高，电机转矩密度和功率密度仍具有提升空间。传统的电机设计中，对电机进行尺寸优化，例如在径向式永磁电机中采用长径比大的结构，轴向式永磁电机中采用长径比小的结构，采用分数集中绕组等技术来提高转矩密度，但其效果有限，所以寻求更加紧凑、转矩密度大的电机结构一直是研究热点。
发明专利201610247112.6提出一种多定子混合磁路永磁电机及方法，包括径向定子、轴向定子和转子，转子套装于径向定子内部，与径向定子同轴布设，转子一端或二端设置轴向定子，轴向定子与转子同心布设，径向定子的定子槽内设置有径向绕组，轴向定子槽内设置有轴向绕组，转子上设置有转子槽，槽内放置有永磁体，永磁体使转子上产生径向磁极和轴向磁极，径向磁极面向电机径向定子，轴向磁极面向电机轴向定子，形成混合磁路。发明专利201910564807.0提出一种径轴向混合磁通大转矩永磁电机，定子组件也是包括径向定子和轴向定子，两者都包含各自定子铁心和绕组，转子组件包括径向磁通永磁体和轴向磁通永磁体，径向磁通永磁体设置在机壳的侧面部，轴向磁通永磁体设置在机壳的顶端部。上述两个专利所提出的两种电机结构，共同特点是充分利用电机径、轴向空间，合理布置永磁***置和设置充磁方向，形成了径轴向相并联的混合磁路，增大了转矩密度和功率密度。但这两种电机中，电枢绕组都有单独的径向和轴向部分，既增大铜损又使结构略显复杂，并且由于坦克或自行火炮的炮塔与下面车体连接部的中间需要留出供人进出的空间，所以上述两种电机结构不能满足直接驱动坦克或自行火炮炮塔水平旋转的要求，仍需要进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转矩密度和功率密度大、能效高的径轴双向混合磁路无框结构永磁电机。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种径轴双向混合磁路无框结构永磁电机，包括外侧机壳、径向背轭、径向永磁体、端盖、轴向永磁体、轴向背轭、电枢绕组、定子铁心、支撑件、轴承、空心轴和螺钉；
所述电枢绕组线圈嵌入定子铁心的槽中，定子铁心通过支撑件安装在空心轴外周，空心轴两侧设置有轴承，轴承上设置有端盖，端盖中部设置有轴向背轭，轴向背轭内侧表面安装轴向永磁体；端盖顶部设置有外侧机壳，外侧机壳中部设置有径向背轭，径向背轭内侧表面沿圆周方向安装径向永磁体；
所述两侧端盖与外侧机壳通过螺钉封闭为腔体，通过轴承安装在空心轴的轴壁上，定子铁心与径向永磁体之间形成径向气隙，定子铁心与轴向永磁体之间形成两个轴向气隙。
作为一种具体示例，所述定子铁心采用软磁复合材料压铸成型，沿圆周向均匀设置有多个开槽位，每个开槽位沿轴向对称开有2个小槽。
作为一种具体示例，所述径向背轭内侧沿圆周向均匀固定安装偶数块径向永磁体，每块径向永磁体都径向充磁，且相邻径向永磁体按N极和S极方向交替排列。
作为一种具体示例，所述轴向背轭内侧沿圆周向均匀固定安装偶数块轴向永磁体，每块轴向永磁体的形状、厚度和极弧宽度相同，且两侧轴向背轭的轴向永磁体数量和安装位置相同，每块轴向永磁体都沿轴向充磁，同侧相邻永磁体按N极和S极方向交替排列，轴向两侧位置沿轴向对应的两块轴向永磁体的极性相同。
作为一种具体示例，所述径向永磁体和轴向永磁体中每相邻的一对N、S极激励的闭合磁通回路均沿同一个方向穿过同一个电枢绕组线圈，形成径、轴向混合叠加磁路。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)充分利用外转子和轴向磁通电机拓扑各自的优点，实现较大提升转矩密度，电机结构简易，所占空间小；(2)通过在轴向和径向安装永磁体，实现径向、轴向相互叠加的混合磁路，增大了磁链和反电动势，提升了转矩；(3)采用空心转轴，电机中空，既利于排线又适应坦克或自行火炮炮塔与车体连接部结构的实际情况；(4)采用分数槽环形集中绕组的形式，节省了绕组，减小了铜耗，提高了电机效率。
附图说明
图1是本发明一种径轴双向混合磁路无框永磁同步电机的结构剖视图。
图2是本发明的总装结构示意图。
图3是本发明实施例的轴承沿轴向的平面视图。
图4是本发明实施例的轴承沿AA方向的剖面图。
图5是本发明实施例的结构***图。
图6是本发明实施例中径轴双向混合磁路无框永磁电机的定子铁心的结构示意图。
图7是本发明实施例中倒U型转子径向部分的结构示意图。
图8是本发明实施例中倒U型转子轴向部分的结构示意图。
图9是本发明实施例中定子单元的结构示意图。
图10是本发明实施例中径向永磁体的磁路示意图。
图11是本发明实施例中轴向永磁体的磁路示意图。
具体实施方式
本发明径轴双向混合磁路无框结构永磁电机，包括外侧机壳1、径向背轭2、径向永磁体3、端盖4、轴向永磁体5、轴向背轭6、电枢绕组7、定子铁心8、支撑件9、轴承10、空心轴11和螺钉12；
所述电枢绕组7线圈嵌入定子铁心8的槽中，定子铁心8通过支撑件9安装在空心轴11外周，空心轴11两侧设置有轴承10，轴承10上设置有端盖4，端盖4中部设置有轴向背轭6，轴向背轭6内侧表面安装轴向永磁体5；端盖4顶部设置有外侧机壳1，外侧机壳1中部设置有径向背轭2，径向背轭2内侧表面沿圆周方向安装径向永磁体3；
所述两侧端盖4与外侧机壳1通过螺钉12封闭为腔体，通过轴承10安装在空心轴11的轴壁上，定子铁心8与径向永磁体3之间形成径向气隙，定子铁心8与轴向永磁体5之间形成两个轴向气隙。
进一步地，所述定子铁心8采用软磁复合材料压铸成型，沿圆周向均匀设置有多个开槽位，每个开槽位沿轴向对称开有2个小槽。
进一步地，所述径向背轭2内侧沿圆周向均匀固定安装偶数块径向永磁体3，每块径向永磁体3都径向充磁，且相邻径向永磁体3按N极和S极方向交替排列。
进一步地，所述轴向背轭6内侧沿圆周向均匀固定安装偶数块轴向永磁体5，每块轴向永磁体5的形状、厚度和极弧宽度相同，且两侧轴向背轭6的轴向永磁体5数量和安装位置相同，每块轴向永磁体5都沿轴向充磁，同侧相邻永磁体按N极和S极方向交替排列，轴向两侧位置沿轴向对应的两块轴向永磁体5的极性相同。
进一步地，所述径向永磁体3和轴向永磁体5中每相邻的一对N、S极激励的闭合磁通回路均沿同一个方向穿过同一个电枢绕组线圈，形成径、轴向混合叠加磁路。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例
本发明径轴双向混合磁路无框结构永磁电机，包括定子和倒U型转子，其中定子部分包括定子铁心8、电枢绕组7，倒U型转子包含径向部分和轴向部分，前者包括呈薄圆柱体形状的背轭2、外侧机壳1和永磁体3，后者有轴向两侧，每侧都包含圆盘状背轭6、端盖4和永磁体5；
在所述轴向两侧圆盘状背轭6之间为定子部分，轴向两侧的外侧都有端盖4，所述轴向两侧端盖4和径向外侧机壳1封闭为一腔体，将定子部分和倒U型转子安装在腔体内，整体套装在空心轴11的轴壁上；
所述倒U型转子径向部分与定子之间形成径向气隙，倒U型转子轴向两侧与中间的定子之间各形成两个轴向气隙。
进一步地，呈圆柱环体形状的定子铁心8采用软磁复合材料压铸成型，沿圆周向均匀设有多个开槽位，每个开槽位沿轴向对称开有2个小槽。
进一步地，倒U型转子径向部分的背轭2内侧，沿圆周向均匀固定安装多块永磁体3，每块永磁体形状、厚度和极弧宽度完全一样。
进一步地，固定安装于倒U型转子径向部分中背轭2内侧的多块永磁体3数量为偶数，每块永磁体3都径向充磁，且相邻永磁体3都按N极和S极方向交替排列。
进一步地，倒U型转子的轴向两侧背轭6的内侧沿圆周向都固定安装多块永磁体5，每块永磁体5的形状、厚度和极弧宽度完全一样，且轴向两侧每块永磁体5的安装位置都是一一对应的。
进一步地，轴向两侧安装的永磁体5数量相同，都为偶数个，且每块永磁体5都沿轴向充磁。
进一步地，在轴向任何一侧安装的每块永磁体5中，相邻永磁体都按N极和S极方向交替排列，同时轴向两侧位置沿轴向对应的两块永磁体5的极性一致，都为N极或S极。
进一步地，由于电机结构存在对称性，径向永磁体3、轴向永磁体5中每相邻的一对N、S极激励的闭合磁通回路都是沿同一个方向穿过同一个电枢绕组线圈，形成径、轴向混合叠加磁路。
结合图1、图2，本发明一种径轴双向混合磁路无框永磁同步电机，包括外侧机壳1、径向背轭2、径向永磁体3、端盖4、轴向永磁体5、轴向背轭6、电枢绕组7、定子铁心8、支撑件9、轴承10、空心轴11和螺钉12；
所述电枢绕组7线圈嵌入定子铁心8的槽中，定子铁心8通过支撑件9安装在空心轴11外周，空心轴11两侧设置有轴承10，轴承10上设置有端盖4，端盖4中部设置有轴向背轭6，轴向背轭6内侧表面安装轴向永磁体5；端盖4顶部设置有外侧机壳1，外侧机壳1中部设置有径向背轭2，径向背轭2内侧表面沿圆周方向安装径向永磁体3；
所述两侧端盖4与外侧机壳1通过螺钉12封闭为腔体，通过轴承10安装在空心轴11的轴壁上，定子铁心8与径向永磁体3之间形成径向气隙，定子铁心8与轴向永磁体5之间形成两个轴向气隙。
如图2所示，为本发明的径轴双向混合磁路无框永磁同步电机总装结构示意图，电机整个外部由外侧机壳1、轴向两侧的端盖4及空心轴11的轴壁形成一个腔体，电机的定子和转子都安装入腔体内，整体套装在空心轴11的轴壁上；定子铁心8上圆周向均匀排列60个槽位，每个槽位沿轴向对称开有2个小槽，电枢绕组7的每个线圈嵌入定子槽中；转子部分由径向部分和轴向部分组成，径向部分包括外侧机壳1、径向背轭2、径向永磁体3，轴向部分有轴向两侧，每侧都包括端盖4、轴向背轭6和轴向永磁体5。
如图3所示，为本发明的径轴双向混合磁路无框永磁同步电机的轴承沿轴向的平面视图，由于坦克或自行火炮的炮塔与下方车体连接部内部是空心的，所以驱动电机和轴承的中间部分也都必须是中空的。
如图4所示，为本发明具体实施例的轴承10沿轴向的平面视图，由于轴承10需要承受径向和轴向的负荷，所以轴承类型为圆锥滚子轴承。
如图5所示，为本发明的径轴双向混合磁路无框永磁同步电机的***图。
如图6所示，为本发明实施例的定子铁心8的结构示意图，定子铁心8呈圆柱环体形状，采用软磁复合材料压铸成型，在定子铁心8的轴向两端面沿圆周向分别均匀分布60个开槽位，每个开槽位沿轴向对称开有2个小槽。
如图7所示，为本发明实施例的倒U型转子径向的核心部分，包含呈薄壁圆柱体形状的径向背轭2和其内侧的径向永磁体3，径向永磁体3共有50个径向永磁小块组成，每个径向永磁小块形状、厚度和极弧宽度均相同，且50个永磁小块均沿径向充磁，相邻径向永磁体都按N极和S极方向交替排列。
如图8所示，为本发明实施例的倒U型转子轴向两侧的核心部分，每侧包括端盖4、轴向背轭6和轴向永磁体5，轴向永磁体5分别固定安装在两侧轴向背轭6的内侧表面上，轴向两侧的轴向永磁体5都由50个小块组成，每个轴向永磁小块的形状、厚度和极弧宽度均相同，且轴向两端面上每个永磁小块的分布位置都是关于轴向一一对应的；轴向永磁体5中所有小块都沿轴向充磁，轴向每侧相邻轴向永磁体都按N极和S极方向交替排列。
本发明提供的径轴双向混合磁路无框永磁同步电机，极对数为25，槽数为60，电枢绕组7为环形集中绕组结构，属于分数槽集中绕组范畴，且由于极对数和槽数的最大公倍数为5，所以5对极和12个槽构成一个单元电机结构，如图9所示。
本发明提供的径轴双向混合磁路无框永磁同步电机，由于结构上的对称性，以一对磁极结构单元来说明，如图10所示，为本发明实施例的径向磁路示意图，径向永磁体3包含2小块径向永磁体，电枢绕组7取一个绕组线圈，2个小块径向永磁体一个沿径向向腔体内充磁，相邻的另一块沿径向向腔体外充磁，磁力线沿径向向里充磁的小块径向永磁体出发，通过径向气隙、定子铁心8，穿过绕组线圈，再经过径向气隙、另一小块径向永磁体及径向背轭2回到最初的小块径向永磁体，形成径向磁路。
本发明提供的径轴双向混合磁路无框永磁同步电机，由于结构上的对称性，轴向两端面各自取一对磁极结构单元来说明。如图11所示，为本发明实施例的轴向磁路示意图，轴向两侧轴向永磁体5都包含2小块永磁体，且每同侧两块轴向永磁体中，一小块轴向永磁体沿轴向向腔体内充磁，相邻的另一小块轴向永磁体沿轴向向远离腔体方位充磁，沿轴向位置对应的两小块轴向永磁体充磁方向都沿轴向向腔体内充磁或沿轴向向腔体外充磁。轴向两侧磁力线都是经由充磁方向向腔体内的永磁小块出发，流过轴向气隙、定子铁心8，穿过绕组线圈，再通过轴向气隙、另一小块轴向永磁体和轴向背轭6回到磁力线出发的小块轴向永磁体，形成轴向上并联的2个磁路。
结合图10和图11，对同一绕组线圈而言，共有相互并联的3路磁力线沿同一方向穿过该绕组线圈，其中2路属于轴向磁路，另一路属于径向磁路，形成叠加的混合磁路。
本发明充分利用外转子和轴向磁通电机拓扑各自的优点，实现较大提升转矩密度，电机结构简易，所占空间小；通过在轴向和径向安装永磁体，实现径向、轴向相互叠加的混合磁路，增大了磁链和反电动势，提升了转矩；采用空心转轴，电机中空，既利于排线又适应坦克或自行火炮炮塔与车体连接部结构的实际情况；采用分数槽环形集中绕组的形式，节省了绕组，减小了铜耗，提高了电机效率。

Claims (5)

1.一种径轴双向混合磁路无框结构永磁电机，其特征在于，包括外侧机壳(1)、径向背轭(2)、径向永磁体(3)、端盖(4)、轴向永磁体(5)、轴向背轭(6)、电枢绕组(7)、定子铁心(8)、支撑件(9)、轴承(10)、空心轴(11)和螺钉(12)；
所述电枢绕组(7)线圈嵌入定子铁心(8)的槽中，定子铁心(8)通过支撑件(9)安装在空心轴(11)外周，空心轴(11)两侧设置有轴承(10)，轴承(10)上设置有端盖(4)，端盖(4)中部设置有轴向背轭(6)，轴向背轭(6)内侧表面安装轴向永磁体(5)；端盖(4)顶部设置有外侧机壳(1)，外侧机壳(1)中部设置有径向背轭(2)，径向背轭(2)内侧表面沿圆周方向安装径向永磁体(3)；
所述两侧端盖(4)与外侧机壳(1)通过螺钉(12)封闭为腔体，通过轴承(10)安装在空心轴(11)的轴壁上，定子铁心(8)与径向永磁体(3)之间形成径向气隙，定子铁心(8)与轴向永磁体(5)之间形成两个轴向气隙。
2.根据权利要求1所述的径轴双向混合磁路无框结构永磁电机，其特征在于，所述定子铁心(8)采用软磁复合材料压铸成型，沿圆周向均匀设置有多个开槽位，每个开槽位沿轴向对称开有2个小槽。
3.根据权利要求1所述的径轴双向混合磁路无框结构永磁电机，其特征在于，所述径向背轭(2)内侧沿圆周向均匀固定安装偶数块径向永磁体(3)，每块径向永磁体(3)都径向充磁，且相邻径向永磁体(3)按N极和S极方向交替排列。
4.根据权利要求1所述的径轴双向混合磁路无框结构永磁电机，其特征在于，所述轴向背轭(6)内侧沿圆周向均匀固定安装偶数块轴向永磁体(5)，每块轴向永磁体(5)的形状、厚度和极弧宽度相同，且两侧轴向背轭(6)的轴向永磁体(5)数量和安装位置相同，每块轴向永磁体(5)都沿轴向充磁，同侧相邻永磁体按N极和S极方向交替排列，轴向两侧位置沿轴向对应的两块轴向永磁体(5)的极性相同。
5.根据权利要求3或4所述的径轴双向混合磁路无框结构永磁电机，其特征在于，所述径向永磁体(3)和轴向永磁体(5)中每相邻的一对N、S极激励的闭合磁通回路均沿同一个方向穿过同一个电枢绕组线圈，形成径、轴向混合叠加磁路。
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