CN114884243B - 一种基于混合转子的轴向磁通永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合转子的轴向磁通永磁电机及应用，该基于混合转子的轴向磁通电机包括永磁转子、磁阻转子和定子；所述磁阻转子和所述永磁转子沿轴向对称设置，所述定子位于所述永磁转子和所述磁阻转子之间，所述永磁转子与所述定子之间的气隙长度大于所述磁阻转子与所述定子之间的气隙长度。能够充分利用电机的磁阻转矩和永磁转矩实现电机最大转矩运行，降低轴向磁通永磁电机的制造成本，使得磁阻侧获得更优的转矩密度。解决现有技术中轴向磁通电机在制造工艺上存在的问题。

Description

一种基于混合转子的轴向磁通永磁电机

技术领域

本申请涉及磁通永磁电机技术领域，特别是涉及一种基于混合转子的轴向磁通永磁电机及应用。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本申请相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

随着高性能永磁体的不断发展，以永磁体为核心磁源的永磁电机得到了深一步的发展，种类更加繁多。根据电机磁通路径可分为：轴向磁通电机，径向磁通电机、横向磁通电机。

轴向磁通电机基本结构包含一个圆盘定子和一个圆盘转子，气隙呈平面型，气隙磁通轴向分布。轴向磁通电机具有结构多样化的特点，现有的轴向电机根据拓扑结构主要分为以下四种：单定子单转子轴向电机，单定子双转子轴向电机，双定子单转子轴向电机，多定子多转子轴向电机。

传统径向磁通电机由于电机轴部过长，占用体积大，功率密度低等问题无法适应新兴工业环境，相比径向磁通电机，轴向磁通电机所用的铁心材料更少，转子的体积更大。目前，轴向电机的应用逐渐广泛，从家庭电器到军工航天，从发电机能源***到交通运输车辆，都体现着高速轴向电机的优势。

轴向磁通电机由于其轴向结构曾受限于材料和工艺水平相当长时间未能发展，但随着科技发展逐步克服了制造问题。目前轴向磁通电机的制造工艺得到极大发展，但相对径向电机仍有不小的差距。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本申请提供了一种基于混合转子的轴向磁通永磁电机及应用，充分利用电机的磁阻转矩和永磁转矩实现电机最大转矩运行。

第一方面，本申请提供了一种基于混合转子的轴向磁通永磁电机；

一种基于混合转子的轴向磁通永磁电机，包括：

永磁转子，

磁阻转子，所述磁阻转子和所述永磁转子沿轴向对称设置；

定子，所述定子位于所述永磁转子和所述磁阻转子之间；

所述永磁转子与所述定子之间的气隙长度大于所述磁阻转子与所述定子之间的气隙长度。

通过采用上述技术方案，永磁转子的永磁磁矩和磁阻转子的磁阻磁矩的最大值能够在相同的电流相位角处叠加，从而充分利用电机的两种转矩成分，提高电机输出转矩；并且磁阻转子的成本低于永磁转子且不会产生高低温退磁情况，在保证电机输出转矩的情况下，降低了轴向磁通永磁电机的制造成本；永磁转子侧气隙磁场由永磁体和定子绕组共同合成，磁阻转子侧仅由定子绕组形成，气隙长度不等长，使得磁阻侧获得更优的转矩密度。

进一步的技术方案，所述永磁转子的永磁体由多个永磁体单元沿圆弧方向排列组成以构成正弦化结构；

所述磁阻转子的磁阻由多个磁阻单元沿圆弧方向排列组成以构成正弦化结构。

通过采用上述技术方案，将永磁体设置为正弦化结构，能够提高电机反电动势正弦化质量，降低气隙磁场谐波含量，同时削弱齿槽转矩，减少电机转矩脉动；将磁阻设置为正弦化结构，具有较高的凸极比，气隙磁场相对平滑；将永磁体分段设置，减少永磁体涡流损耗，在保证输出转矩质量的情况下，永磁体的用量较低；分段设置永磁体和磁阻，隔断表面损耗路径，使永磁体和磁阻分段通过永磁体护套和磁阻护套传导散热，同时分段设置的永磁体和磁阻能够降低永磁体护套和磁阻护套运行时承受的应力。

进一步的技术方案，所述永磁转子包括永磁体、永磁端盘和永磁体护套，所述磁阻转子包括磁阻、磁阻端盘和磁阻护套；所述永磁体护套的厚度与所述永磁体的厚度相等；所述磁阻护套的厚度与所述磁阻的厚度相等；

所述永磁体设置于所述永磁端盘靠近所述定子的侧面，所述永磁体护套套设于所述永磁体；所述磁阻设置于所述磁阻端盘靠近所述定子的侧面，所述磁阻护套套设于所述磁阻。

通过采用上述技术方案，永磁体护套和磁阻护套分别安装在永磁端盘和磁阻端盘的剩余空间，结构紧凑且不影响电机的有效气隙长度；永磁体护套用于抵消永磁体在高速运行状态下产生的离心力，磁阻护套用于抵消磁阻在高速运行状态下产生的离心力。

优选的，所述永磁转子和所述磁阻转子的厚度相同，所述永磁端盘和所述磁阻端盘的材质相同，所述永磁体护套和所述磁阻护套的材质相同。

通过采用上述技术方案，使得永磁转子和磁阻转子的重量近似，消除轴向磁通永磁电机的径向不平衡力。

进一步的技术方案，所述定子由定子铁心和定子绕组组成；所述定子铁心为无槽结构，所述定子绕组为三相绕组。

通过采用上述技术方案，消除齿槽转矩从而有效降低振动噪声，便于定子人绕组绕线，降低定子铁心外径绕线处的涡流密度，有利于降低高温热点的形成率，加工便捷且损耗低。

优选的，所述定子铁心由低损新型SMC复合软磁材料制成。

通过采用上述技术方案，使得定子铁心在高频运行下相比普通硅钢片，电机的铁耗更低，稳定性更好，低损新型SMC复合软磁材料磁导率更高，能够采用粉末生产工艺，可进行3D打印制造，工艺更优良。

优选的，所述三相绕组的绕线为利兹线。

通过采用上述技术方案，利兹线用多根细导线代替截面较粗的圆导线，使导线更柔软易弯曲，便于在定子铁心上绕线，同时有效减少趋肤效应和邻近效应导致的涡流损耗。

进一步的技术方案，所述磁阻转子的磁阻由低损新型SMC复合软磁材料制成。

通过采用上述技术方案，提高磁阻转子的磁导率，使得磁力线走向更集中，相对增加电机磁阻转矩。

进一步的技术方案，还包括转轴；

所述永磁转子、所述磁阻转子和位于所述永磁转子和所述磁阻转子之间的定子通过所述转轴连接。

第二方面，本申请提供了一种高端装备；

一种高端装备，包括上述基于混合转子的轴向磁通永磁电机

与现有技术相比，本申请的有益效果是：

1、磁阻与永磁体相互对称，磁阻转子气隙长度低于永磁转子气隙，表贴式永磁转子的永磁转矩和磁阻转子的磁阻转矩的最大值能够在相同的电流相位角处叠加，从而充分利用电机的两种转矩成分；

2、永磁转子的永磁体为正弦化设置，可提高电机反电动势正弦化质量，降低气隙磁场谐波含量，同时正弦化设置削弱齿槽转矩，减少电机转矩脉动；磁阻转子的磁阻为正弦化设置，具有较高的凸极比，气隙磁场相对平滑，其成本低于永磁转子从而降低了轴向磁通永磁电机的生产成本且不会产生高、低温退磁的情况；

3、两种转子除永磁体和磁阻的材料不一样外，永磁体端盘和磁阻端盘、永磁体护套和磁阻护套均使用相同规格材料，保证两种转子的重量近似相同，消除径向不平衡力；

4、定子铁心采用无槽结构，材料为低损新型SMC复合软磁材料，便于利兹线绕线，降低定子铁心外径绕线处的涡流密度，有利于降低高温热点的形成率，加工便捷且损耗低，无齿槽转矩从而有效降低振动噪声；

5、定子绕组采用利兹线绕线技术，与传统圆线相比，利兹线用多根细导线代替截面较粗的圆导线，使导线更柔软易弯曲，便于在定子上绕线，同时有效减少趋肤效应和邻近效应导致的涡流损耗。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请实施例的结构***示意图

图2为本申请实施例中磁阻转子和永磁转子的对应示意图

图3为本申请实施例中定子结构及绕组相分布示意图

图4为本申请实施例的侧视示意图。

其中，1、永磁转子；101、永磁端盘；102、永磁体；103、永磁体护套；2、磁阻转子；201、磁阻端盘；202、磁阻护套；203、磁阻；3、定子；301、定子铁心；302、定子绕组；4、转轴。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例提供了一种基于混合转子的轴向磁通永磁电机。

如图1-3所示，基于混合转子的轴向磁通永磁电机，包括永磁转子1、磁阻转子2、定子3和转轴4；永磁转子1和磁阻转子2沿转轴4轴向对称设置；定子3在永磁转子1和磁阻转子2之间，转轴4依次穿过磁阻转子2、定子3和永磁转子1；永磁转子1与定子3之间的气隙长度大于磁阻转子2与定子3之间的气隙长度；通过对电机的磁阻转矩分析，过大的气隙会导致磁阻转矩过低效率低下，过小的气隙会导致单边磁拉力增加，电机不稳定运行，永磁转子1侧气隙磁场由永磁体102和定子绕组302共同合成，磁阻转子2侧仅由定子绕组302形成，磁阻转子2侧为了获得更优的转矩密度，势必要减少气隙长度获得更多的磁通量，永磁转子1与定子3之间的气隙长度和磁阻转子2与定子3之间的气隙长度根据仿真决定，根据永磁转子1和磁阻转子2的规格，通过JMAG仿真软件采集不同的气隙长度样本，计算磁阻转子2的磁阻转矩和轴向吸引力，综合对比磁阻转子2的磁阻转矩和轴向吸引力，获取最优效果，获取永磁转子1与定子3之间的气隙长度和磁阻转子2与定子3之间的气隙长度。

如图1、图4所示，基于混合转子的轴向磁通永磁电机为双转子结构，永磁转子1、磁阻转子2均为轴向双层结构，厚度相同。永磁转子1包括永磁体102、固定于转轴4的永磁端盘101和永磁体护套103；永磁体102数量为2，永磁体102关于转轴4中心对称的紧贴于永磁端盘101靠近定子3的侧面构成表贴式永磁转子1，两块永磁体102磁极相反，一块为N极、一块为S极；永磁体护套103的外径与永磁端盘101的外径相同、永磁体护套103的厚度与永磁体102的厚度相同，永磁体护套103套设于永磁体102、紧贴永磁端盘101，通过螺钉固定于永磁端盘101。磁阻转子2包括磁阻203、固定于转轴4的磁阻端盘201和磁阻护套202；磁阻203数量为2，磁阻203关于转轴4中心对称的紧贴于磁阻端盘201靠近定子3的侧面，两块磁阻203磁极相反，一块为N极、一块为S极；磁阻护套202的外径与磁阻端盘201的外径相同、磁阻护套202的厚度与磁阻203厚度相同，磁阻护套202套设于磁阻203、紧贴磁阻端盘201，通过螺钉固定于磁阻端盘201。

永磁体102由5块永磁体单元沿圆弧方向排列而成组合形成正弦化结构；正弦化结构类比月牙型进行改进，减少永磁体102的用量和加工难度，降低电机轴向吸引力。如图2所示，作为一种分段设置的思路，最中间的永磁体单元为长方形永磁体单元，长方形永磁体单元两侧对称依次设置有平行四边形永磁体单元和三角形永磁体单元；三角形永磁体单元、平行四边形永磁体单元和长方形永磁体单元易于切割制造，在保持输出转矩质量的同时减少正弦化永磁体102的用量。磁阻203与永磁体102沿转轴4轴向镜像对称，磁阻203由5块磁阻单元沿圆弧方向排列而成，磁阻单元的结构和位置设置于永磁体单元的结构和位置设置相同，即最中间的磁阻单元为长方形磁阻单元，长方形磁阻单元两侧对称依次设置有平行四边形磁阻单元和三角形磁阻单元。

如图3所示，定子3包括定子铁心301和定子绕组302；定子铁心301为圆环套筒状，采用无槽结构，表面圆周周向倒角，由低损复合SMC材料叠压而成；定子绕组302为三相绕组，使用利兹线绕定子铁心301圆周的垂直方向均匀缠绕在定子铁心301上。图中“+”代表每相绕组的进线方向，“-”代表每相绕组的出线方向，A、B、C分别代表定子绕组302的三相，每相间隔60°的机械角度。定子绕组302的每相内的分布形式可改变，此处的每相绕组的分布只做说明使用。

定子绕组302采用同心式利兹线绕线，采用多根细导线代替截面较大的粗导线，将具有绝缘层的细导线在直径方向上绞合，细导线为超高电导率、导热性能好的碳纤维复合铜线；线圈产生的损耗降低且易于制造和缠制、有良好的散热性能。同心式利兹线绕线均匀紧密地缠绕在所述定子铁心301的表面，三相绕组在空间上呈120度对称排列，构成电机的电磁相位关系。

本实施例中，永磁体护套103和磁阻护套202均采用轻型铝合金材料制成，磁阻转子2的磁阻203由低损新型SMC复合软磁材料制成，永磁体102为增材制造的高性能永磁体。

本实施例通过采用轴向磁通结构使轴向有效气隙长度可调且不受永磁体护套103影响、体积紧凑和散热性能优越；定子铁心301采用无槽结构消除齿槽转矩减小振动噪声；定子绕组302通过使用扁线绕线技术提高散热性能和效率；永磁体102通过形状优化设计实现磁链和反电动势的正弦化，使电机具有低谐波畸变、低振动噪声、高效率等优点；永磁体护套103安装在永磁转子1表面除形状优化设计后的永磁体102外的剩余空间上，结构紧凑且不影响电机的有效气隙长度。

实施例二

本实施例公开了高端装备，高端装备包括上述基于混合转子的轴向磁通永磁电机。

上述实施例中对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于混合转子的轴向磁通永磁电机，其特征是，包括，

永磁转子，

磁阻转子，所述磁阻转子和所述永磁转子沿轴向对称设置；所述永磁转子包括永磁体、永磁端盘和永磁体护套，所述磁阻转子包括磁阻、磁阻端盘和磁阻护套；所述永磁转子的永磁体由多个永磁体单元沿圆弧方向排列组成以构成正弦化结构；所述磁阻转子的磁阻由多个磁阻单元沿圆弧方向排列组成以构成正弦化结构；分段设置的永磁体最中间的永磁体单元为长方形永磁体单元，长方形永磁体单元两侧对称依次设置有平行四边形永磁体单元和三角形永磁体单元；分段设置的磁阻最中间的磁阻单元为长方形磁阻单元，长方形磁阻单元两侧对称依次设置有平行四边形磁阻单元和三角形磁阻单元；

以及，定子，所述定子位于所述永磁转子和所述磁阻转子之间；

所述永磁转子与所述定子之间的气隙长度大于所述磁阻转子与所述定子之间的气隙长度；所述定子由定子铁心和定子绕组组成；所述定子铁心为无槽结构，所述定子绕组为三相绕组；所述定子铁心由SMC复合软磁材料制成；所述三相绕组的绕线为利兹线；所述磁阻由SMC复合软磁材料制成。

2.如权利要求1所述的基于混合转子的轴向磁通永磁电机，其特征是， 所述永磁体护套的厚度与所述永磁体的厚度相等，所述磁阻护套的厚度与所述磁阻护套的厚度相等；

所述永磁体设置于所述永磁端盘靠近所述定子的侧面，所述永磁体护套套设于所述永磁体；所述磁阻设置于所述磁阻端盘靠近所述定子的侧面，所述磁阻护套套设于所述磁阻。

3.如权利要求2所述的基于混合转子的轴向磁通永磁电机，其特征是，所述永磁转子与所述磁阻转子的厚度相同，所述永磁端盘和所述磁阻端盘的材质相同，所述永磁体护套和所述磁阻护套的材质相同。

4.如权利要求1所述的基于混合转子的轴向磁通永磁电机，其特征是，还包括转轴；

所述永磁转子、所述磁阻转子和位于所述永磁转子和所述磁阻转子之间的定子通过所述转轴连接。

5.高端装备，其特征是，所述高端装备包括上述权利要求1-4任一所述的基于混合转子的轴向磁通永磁电机。