CN114938120A - 一种轴向-径向复合磁通永磁电机结构 - Google Patents

一种轴向-径向复合磁通永磁电机结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种轴向‑径向复合磁通永磁电机结构，第一外转子和第二外转子分别设置在定子盘轴向两侧并与定子盘同轴设置，内转子与定子盘同轴设置并穿过定子盘内孔且与第一外转子和第二外转子相连，定子盘包括分立的定子铁心模块、定子绕组和定子支架，定子铁心模块的轴向两侧以及内径侧开有凹槽，用于调节气隙磁场，第一外转子和第二外转子结构相同且对称设置，均包括外转子铁心和第一永磁体，内转子包括内转子铁心和第二永磁体。本发明电机结构在常规双转子轴向磁场电机的基础上，在不增加电机外径的情况下，通过内转子上的第二永磁体提供了径向能量传递路径，提高了电机的转矩密度。

Description

一种轴向-径向复合磁通永磁电机结构
技术领域
本发明涉及电机设计领域，具体的是一种轴向-径向复合磁通永磁电机结构。
背景技术
永磁电机按照磁通路径可分径向、轴向和横向磁通永磁电机，其中轴向磁通永磁电机(Axial flux permanent magnet machines,AFPMM)是一种气隙为平面，气隙磁通方向为轴向的电机，也称为“盘式”电机。相比于径向电机，轴向磁场永磁电机具有更高的功率密度、更高的转矩密度以及较短的轴向长度，可用于低速大转矩的场合。
常见的轴向磁场永磁电机拓扑分为单转子单定子结构、双转子中间定子结构、双定子中间转子结构以及多盘式结构。通过在定子铁心齿冠处形成***齿结构，可以改变气隙磁场分布，使气隙磁场空间谐波旋转速度发生变化实现变速传动，产生磁场调制效应，使得定转子极数不同，这种磁场调制方式传递效率高，且没有机械接触，可靠性较高。然而，随着电气化交通的快速发展，对现有电机的转矩密度提出更高要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轴向-径向复合磁通永磁电机结构，在常规轴向磁通永磁电机的基础上通过轴向和径向两个能量传递的路径，可以提升电机的转矩密度。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种轴向-径向复合磁通永磁电机结构，电机结构包括呈圆环状的定子盘、第一外转子、第二外转子和内转子，所述第一外转子和第二外转子分别设置在定子盘的两侧，第一外转子、第二外转子与定子盘同轴设置，内转子与定子盘同轴设置，内转子与定子盘配合分别与第一外转子和第二外转子连接。
所述定子盘包括分立的定子铁心模块、电枢绕组和定子支架，定子铁心模块与电枢绕组均阵列分布，定子支架与定子铁心模块卡合连接，定子支架与电枢绕组配合，电枢绕组与定子铁心模块均位于定子支架内侧。
所述定子铁心模块的轴向两侧均匀设有m个第一凹槽，形成m+1个第一***齿。
所述定子铁心模块的内径侧均匀设有m个第二凹槽，形成m+1个第二***齿，所述第一凹槽和所述第二凹槽相连，所述第一***齿与所述第二***齿相连。
所述定子铁心模块的周向两侧对称设置有凸起，相邻定子铁心模块周向排列后两侧的凸起上绕有电枢绕组。
定子支架包括支架外环和阵列分布的U形辐条，U形辐条嵌入到定子铁心模块的第一凹槽与第二凹槽中，U形辐条位于支架外环内侧呈阵列分布U。
所述第一外转子包括外转子铁心和第一永磁体，第一永磁体内嵌于外转子铁心的表面，第一永磁体设置有多个且沿周向均匀排列在外转子铁心朝向定子盘的一侧，第一外转子和第二外转子结构相同，第一外转子与第二外转子对称设置。
所述内转子包括内转子铁心和第二永磁体，第二永磁体内嵌于内转子铁心的表面，第二永磁体设置有多个且沿周向排列在内转子铁心的外圈。
进一步的，所述电枢绕组内外径端部沿轴向方向。
进一步的，所述U形辐条为非导磁非导电材料。
进一步的，所述定子铁心模块由复合软磁材料压铸而成。
进一步的，所述第一永磁体沿周向均匀排列，第一永磁体设置为扇形体并沿径向内嵌于外转子铁心一侧的表面，第一永磁体的周向宽度随外转子铁心的延伸方向而增加。
所述第二永磁体沿周向均匀排列，第二永磁体设置为瓦片状并内嵌于内转子铁心的外圈表面，第二永磁体沿周向和轴向的宽度均保持不变。
进一步的，所述在第一外转子和第二外转子上的第一永磁体均轴向充磁且方向相对，第二永磁体径向充磁。
所述第一永磁体和第二永磁体在周向对齐设置，同一转子上相邻设置的两永磁体之间相隔一个极距分布。且同一个转子上永磁体的充磁方向均相同。
进一步的，所述设置第一外转子、第二外转子和内转子所包含的极对数为Pr，设置电枢绕组所形成磁场的极对数为Ps，设置定子铁心模块的个数为Z，满足如下关系：
(m+1)×Z＝Ps+Pr。
本发明的有益效果：
1、本发明电机结构通过采用复合磁路结构，相比传统单一磁路电机结构，增大转矩密度，减小电机体积，且轴向长度短，适用于轴向空间紧凑的场合；
2、本发明电机结构通过定子采用分段模块化结构，便于生产制造；定子***齿结构可调节气隙磁场谐波，产生磁场调制效应；
3、本发明电机结构通过采用双边转子结构，相比于单转子单定子结构，无单边磁拉力，保证机械可靠性；定子内孔空间加入径向磁通转子，增大转矩密度，使得电机适用于大转矩直驱场合如电梯牵引、电动汽车轮毂驱动、风力发电等。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明电机结构三维结构***图；
图2是本发明电机结构三维结构俯视图；
图3是本发明电机结构三维结构主视图；
图4是本发明电机结构定子铁心模块示意图；
图5是本发明电机结构第一转子示意图；
图6是本发明电机结构内转子示意图；
图7是本发明电机结构主磁路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种轴向-径向复合磁通永磁电机结构，电机结构包括呈圆环状的定子盘1、第一外转子2、第二外转子3和内转子4，如图1-图3所示，第一外转子2和第二外转子3分别设置在定子盘1的两侧第一外转子2和第二外转子3与定子盘1同轴设置，内转子4与定子盘1同轴设置，内转子4与定子盘1配合分别与第一外转子2和第二外转子3连接。
定子盘1包括分立的定子铁心模块11、电枢绕组12和定子支架13，如图4所示，定子铁心模块11与电枢绕组12均阵列分布，定子支架13与定子铁心模块11卡合连接，定子支架13与电枢绕组12配合，电枢绕组12与定子铁心模块11均位于定子支架13内侧，定子铁心模块11由复合软磁材料压铸而成，定子铁心模块11的轴向两侧均匀设有m个第一凹槽111，m为大于等于1的整数，形成m+1个第一***齿114，定子铁心模块11的内径侧均匀设有m个第二凹槽112，形成m+1个第二***齿115，定子铁心模块11的第一***齿114和第二***齿115是相互连接的，当m＝1时，每个定子铁心模块11包含两个第一***齿114和两个第二***齿115。
定子支架13包括支架外环131和阵列分布的U形辐条132，U形辐条132嵌入到定子铁心模块11的第一凹槽111与第二凹槽112中，U形辐条132位于支架外环131内侧呈阵列分布，U形辐条132为非导磁非导电材料，U形辐条132的两侧均与第一凹槽111配合，U形辐条132远离支架外环131的一端与第二凹槽112配合，U形辐条132与支架外环131连接，起到定子铁心模块的限位作用，阵列分布的定子铁心模块11的两侧均设有凸起113，凸起113与电枢绕组12配合连接。
当电机装配时，定子铁心模块11与定子支架13的U形辐条132配合组装，电枢绕组12安装在U形辐条132之间的间隙中，此时电枢绕组12与定子铁心模块11的凸起配合，相邻定子铁心模块11两侧的凸起113周向排列后，在凸起113的周围空间形成空气隙，该空气隙中上绕有电枢绕组12，电枢绕组12内外径端部沿轴向方向。
第一外转子2包括外转子铁心21和第一永磁体22，如图5所示，第一永磁体22内嵌于外转子铁心21的表面，第一永磁体22设置有多个且沿周向均匀排列在外转子铁心21朝向定子盘1的一侧，第一外转子2和第二外转子3结构相同，第一外转子2与第二外转子3对称设置。
多个第一永磁体22沿周向均匀排列，第一永磁体22设置为扇形体并沿径向内嵌于外转子铁心21一侧的表面，第一永磁体22的周向宽度随外转子铁心21的延伸方向而增加。
内转子4包括内转子铁心41和第二永磁体42，如图6所示，第二永磁体42内嵌于内转子铁心41的表面，第二永磁体42设置有多个且沿周向排列在内转子铁心41的外圈。
多个第二永磁体42沿周向均匀排列，第二永磁体42设置为瓦片状包覆在内转子铁心41的外圈，第二永磁体42沿周向和轴向的宽度均保持不变。
定转子装配后，形成三层气隙，分别为定子与第一转子形成的第一气隙，定子与第二转子形成的第二气隙，定子与内转子形成的第三气隙，其中，轴向磁通通过第一气隙、定子轭部和第一转子铁心形成闭合回路，完成定子与第一转子之间的能量传递；轴向磁通过第二气隙、定子轭部和第二转子铁心形成闭合回路，完成定子与第二转子之间的能量传递；径向磁通通过第三气隙、定子轭部和内转子铁心形成闭合回路，完成定子与内转子之间的能量传递。主磁路磁通示意图如图7所示。
在第一外转子2和第二外转子3上的第一永磁体22均轴向充磁且方向相对，第二永磁体42径向向外充磁。
第一永磁体22和第二永磁体42在周向对齐设置，保证第一转子、第二转子以及内转子同一周向位置处的永磁体均向定子铁心方向充磁。因此，第一转子、第二转子和内转子上的永磁体个数相同。
同一个转子上所有永磁体的充磁方向相同。相邻设置的两永磁体之间相隔一个极距分布。
设置第一外转子2、第二外转子3和内转子4所包含的极对数为Pr，设置电枢绕组12所形成磁场的极对数为Ps，设置定子铁心模块的个数为Z，且满足如下关系：
(m+1)×Z＝Ps+Pr。
电机电动运行时，定子绕组通入三相对称电流，产生转速为ωs圆形旋转磁场，经过***齿的调制作用后，变为转速为ωr的旋转磁场，且满足关系：ωs/ωr＝-Pr/Ps，符号表明两个旋转磁场的方向相反，当Pr大于Ps时，ωr小于ωs，即转子的转速被放慢了Pr/Ps倍，当调节输入电流的频率时，输出转速得以调节，同理，当原动机拖动进入发电运行时，能量传递方向反过来，定转子磁场转速比例与电动运行时同理。
转子永磁体的排列方式也成为交替极排列，传统N-S-N-S的方式改为了N-铁心-N-铁心的方式，此时永磁体占每极的比例可以看作永磁体的极弧系数，调节极弧系数可以改善气隙磁场波形的正弦度，从而改善磁链以及空载反电势的波形，采用交替极排列可以在减小永磁体用量的同时保证输出转矩变化不大，因此，永磁体利用率得以提升。
电机结构采用复合磁路结构，相比传统单一磁路电机结构，增大转矩密度，减小电机体积，且轴向长度短，适用于轴向空间紧凑的场合；定子采用分段模块化结构，便于生产制造；定子***齿结构可调节气隙磁场谐波，产生磁场调制效应；采用双边转子结构，相比于单转子单定子结构，无单边磁拉力，保证机械可靠性；定子内孔空间加入径向磁通转子，增大转矩密度，使得电机适用于大转矩直驱场合如电梯牵引、电动汽车轮毂驱动、风力发电。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种轴向-径向复合磁通永磁电机结构，电机结构包括呈圆环状的定子盘(1)、第一外转子(2)、第二外转子(3)和内转子(4)，其特征在于，所述第一外转子(2)和第二外转子(3)分别设置在定子盘(1)的两侧，第一外转子(2)、第二外转子(3)与定子盘(1)同轴设置，内转子(4)与定子盘(1)同轴设置，内转子(4)与定子盘(1)配合分别与第一外转子(2)和第二外转子(3)连接；
所述定子盘(1)包括分立的定子铁心模块(11)、电枢绕组(12)和定子支架(13)，定子铁心模块(11)与电枢绕组(12)均阵列分布，定子支架(13)与定子铁心模块(11)卡合连接，定子支架(13)与电枢绕组(12)配合，电枢绕组(12)与定子铁心模块(11)均位于定子支架(13)内侧；
所述定子铁心模块(11)的轴向两侧均匀设有m个第一凹槽(111)，形成m+1个第一***齿(114)；
所述定子铁心模块(11)的内径侧均匀设有m个第二凹槽(112)，形成m+1个第二***齿(115)，所述第一凹槽和所述第二凹槽相连，所述第一***齿与所述第二***齿相连；
所述定子铁心模块(11)的周向两侧对称设置有凸起(113)，相邻定子铁心模块(11)周向排列后两侧的凸起(113)上绕有电枢绕组(12)；
定子支架(13)包括支架外环(131)和阵列分布的U形辐条(132)，U形辐条(132)嵌入到定子铁心模块(11)的第一凹槽(111)与第二凹槽(112)中，U形辐条(132)位于支架外环(131)内侧呈阵列分布U；
所述第一外转子(2)包括外转子铁心(21)和第一永磁体(22)，第一永磁体(22)内嵌于外转子铁心(21)的表面，第一永磁体(22)设置有多个且沿周向均匀排列在外转子铁心(21)朝向定子盘(1)的一侧，第一外转子(2)和第二外转子(3)结构相同，第一外转子(2)与第二外转子(3)对称设置；
所述内转子(4)包括内转子铁心(41)和第二永磁体(42)，第二永磁体(42)内嵌于内转子铁心(41)的表面，第二永磁体(42)设置有多个且沿周向排列在内转子铁心(41)的外圈。
2.根据权利要求1所述的一种轴向-径向复合磁通永磁电机结构，其特征在于，所述电枢绕组(12)内外径端部沿轴向方向。
3.根据权利要求1所述的一种轴向-径向复合磁通永磁电机结构，其特征在于，所述U形辐条(132)为非导磁非导电材料。
4.根据权利要求1所述的一种轴向-径向复合磁通永磁电机结构，其特征在于，所述定子铁心模块(11)由复合软磁材料压铸而成。
5.根据权利要求1所述的一种轴向-径向复合磁通永磁电机结构，其特征在于，所述第一永磁体(22)沿周向均匀排列，第一永磁体(22)设置为扇形体并沿径向内嵌于外转子铁心(21)一侧的表面，第一永磁体(22)的周向宽度随外转子铁心(21)的延伸方向而增加；
所述第二永磁体(42)沿周向均匀排列，第二永磁体(42)设置为瓦片状并内嵌于内转子铁心(41)的外圈表面，第二永磁体(42)沿周向和轴向的宽度均保持不变。
6.根据权利要求5所述的一种轴向-径向复合磁通永磁电机结构，其特征在于，所述在第一外转子(2)和第二外转子(3)上的第一永磁体(22)均轴向充磁且方向相对，第二永磁体(42)径向充磁；
所述第一永磁体(22)和第二永磁体(42)在周向对齐设置，同一转子上相邻设置的两永磁体之间相隔一个极距分布。且同一个转子上永磁体的充磁方向均相同。
7.根据权利要求5所述的一种轴向-径向复合磁通永磁电机结构，其特征在于，所述设置第一外转子(2)、第二外转子(3)和内转子(4)所包含的极对数为Pr，设置电枢绕组(12)所形成磁场的极对数为Ps，设置定子铁心模块的个数为Z，满足如下关系：
(m+1)×Z＝Ps+Pr。
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