CN107681854A

CN107681854A - 一种轴向永磁电机

Info

Publication number: CN107681854A
Application number: CN201711060568.2A
Authority: CN
Inventors: 赵韩; 李晨鸣; 黄康; 孙浩; 甄圣超; 朱胤斐
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2018-02-09

Abstract

本发明提出了一种轴向永磁电机结构，其特点是电机整体为盘式，采用双转子中间定子的布局方式，磁通方向为轴向。两个转子绕同一旋转轴旋转，两个转子靠外侧的端盖和旋转轴固定轴向位置，转子内侧是以双halbach形式排列的永磁体。中间定子采用无轭结构，为多齿组合而成的形式，定子固定在机壳上，再由机壳与两个端盖相连固定。机壳进行结构拓扑优化，表面设计通风孔，便于电机散热。这样，该轴向永磁电机具有体积小，质量小，功率密度高的优点，适用于电动汽车、飞行器等场合。本发明还进一步提供了无转子铁芯结构设计，进一步提高了电机的功率密度。

Description

一种轴向永磁电机

技术领域

本发明提出了一种新型轴向永磁电机，采用双转子中间定子的布置方式，其中包含定子和由旋转轴支撑的围绕定子旋转的转子。该转子可产生穿过定子转子之间气息的磁场，并与定子绕组产生的磁场相互作用产生扭矩。准确地说，是一种涉及双层halbach形式的永磁体转子和无磁轭分段定子结构的轴向永磁电机。

背景技术

目前市场上电机种类繁多，分别有着各自的不足之处。大多数电机具有体积大、功率密度低、结构复杂等缺点。

而永磁同步电机较其他电机来说，具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点。与直流电机相比，可以简化换向器与电刷结构；与异步电机相比，不需要无功励磁电流，功率因数高，定子电流与电阻损耗低，且转子参数易于检测，便于控制。其缺点在于所用材料成本较高，永磁体磁场不易控制。

其中轴向永磁同步电机根据定子转子位置又分为内定子外转子与外定子内转子两种。内定子外转子结构的轴向永磁同步电机会造成定子磁轭体积较大，因而会产生较高的损耗；外定子内转子结构的轴向永磁电机会造成线圈的填充因子较低，因而会影响电机的功率。

发明内容

针对现有轴向永磁同步电机的不足，为了进一步简化结构和增强磁场，通过结构改进，本发明提供一种轴向永磁电机。

一种轴向永磁电机包括环状的机壳3、定子7、第一转子5、第二转子6和转轴4；所述定子7同轴设于机壳3的轴向中部；所述转轴4穿过定子7的轴向中部，两端转动设于机壳3；所述第一转子5和第二转子6镜向对称同轴设于定子7两侧的转轴4上，且随转轴4转动；

所述定子7为无磁轭的分段结构，由八个以上偶数的定子单元组成；所述定子单元包括定子铁芯73，定子铁芯73的轴向两侧分别设有第一极靴片71和第二极靴片72，所述定子铁芯73上绕设有定子绕组74；八个以上偶数的定子单元中相邻第一极靴片71和相邻第二极靴片72分别依次连接形成环状的定子7；

所述第一转子5包括第一转子铁芯51和八个以上偶数的第一永磁体52，第一转子铁芯51为圆盘状，八个以上偶数的第一永磁体52均布在第一转子铁芯51的圆周上形成磁环；所述八个以上偶数的第一永磁体52中两个组成一对；每对由第一永磁块52a和第三永磁块52b径向对扣组成，第一永磁块52a和第三永磁块52b均为T形；八个以上偶数的第一永磁体52中的每对由第一永磁体52a和第一永磁体52b依次对扣形成磁环；

所述第一转子5和第二转子6的结构相同；

所述第二转子6包括第二转子铁芯61和八个以上偶数的第二永磁体62；第二永磁体62中两个组成一对，每对由第二永磁块62a和第四永磁块62b径向对扣组成；

八个以上偶数的定子单元分别与八个以上偶数的第一永磁体52、八个以上偶数的第二永磁体62一一对应；轴向对应的第一永磁体52和第二永磁体62极性相反，即第一永磁体52为N极时，与之轴向对应的第二永磁体62为S极，反之亦然；

所述轴向永磁电机的磁通方向为轴向，以额定功率计算其功率密度参数为5～6Kg/Kw；

工作时，定子绕组74通电产生磁场，磁场分别与第一永磁体52、第二永磁体62产生作用；通过不断改变定子绕组74的通电方向，使定子绕组74产生的磁场方向不断改变，这样定子7产生的磁场与第一转子5、第二转子6产生的磁场产生连续的相互作用力，继而产生连续的转矩，使第一转子5、第二转子6带动转轴4旋转。

进一步限定的技术方案如下：

所述定子铁芯73为扇形的扁块状；所述第一极靴片71和第二极靴片72的形状相同，均为扇形。

所述第一永磁体52和第二永磁体62均为双层海尔贝克（halbach）结构。

所述机壳3内圆周的轴向中部设有径向凸起的凸环，所述凸环的轴向宽度与定子7的轴向宽度相同，所述定子7上的第一极靴片71的外边缘和第二极靴72片的外边缘通过螺丝固定连接着凸环，使定子7固定在机壳3内。

所述第一永磁体52或第二永磁体62和定子7轴向之间的间距形成气隙，定子7的外圆直径为100～300㎜时，所述气隙为3～6㎜。

所述机壳3的圆周上均布设有散热孔。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明定子采用基于NS轴向永磁电机的无磁轭结构，每个单独的定子单元依靠极靴片相连形成环状的结构，每个单独的定子单元可以实现更高的导线填充密度，一方面减轻了电机的质量的铁损，另一方面提升了电机的功率密度与效率。

2.本发明的转子采用了双halbach阵列形式的永磁体排列方式，一方面优化了磁场分布，增强电机内部的磁场强度，另一方面减轻了电机的质量，减小了损耗、提高了导线的填充密度。

3.本发明的机壳结构的多样性设计，适用于不同的工作场合。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为去掉机壳和一侧端盖的结构示意图。

图3为本发明的轴向剖视图。

图4为定子结构示意图。

图5为第一转子结构示意图。

图6为机壳结构示意图。

图7为第一转子的定子的位置关系示意图。

图8为图3中沿剖面线13的剖视图。

上图中序号：机壳3、转轴4、第一转子5、第二转子6、定子7、气隙11、凸环31、第一转子铁芯51、第一永磁体52、第二转子铁芯61、第二永磁体62、第一极靴片71、第二极靴片72、定子铁芯73、定子绕组74。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

参见图2，一种轴向永磁电机包括环状的机壳3、定子7、第一转子5、第二转子6和转轴4；定子7同轴安装于机壳3的轴向中部；转轴4穿过定子7的轴向中部，两端通过轴承转动安装于机壳3上。第一转子5和第二转子6镜向对称同轴安装于定子7两侧的转轴4上，且随转轴4转动；构成的磁路为：由第一转子5的第一磁体开始，穿过定子7的第一线圈进入与第一转子的第一磁体相对的第二转子上的第一磁体，通过第二转子的铁芯，进入第二转子的第二磁体，穿过定子中与第一线圈相邻的第二线圈，进入与第二转子第二磁体相对的第一转子上的第二磁体，穿过第一转子的铁芯，回到第一转子的第一磁体，完成回路。

本发明的结构改进如下：

参见图4，定子7为无磁轭的分段结构，定子7由十二个定子单元组成。每个定子单元包括定子铁芯73，定子铁芯73的轴向两侧分别固定安装有第一极靴片71和第二极靴片72，定子铁芯73上绕设有定子绕组74。定子铁芯73为扇形的扁块状；第一极靴片71和第二极靴片72的形状相同，也均为扇形；十二个定子单元中相邻第一极靴片71和相邻第二极靴片72分别依次连接形成环状的定子7。

参见图6，机壳3的内圆周的轴向中部设有径向凸起的凸环31，凸环31的轴向宽度与定子7的轴向宽度相同，定子7上的第一极靴片71的外边缘和第二极靴72片的外边缘通过螺丝固定连接着凸环31，使定子7固定在机壳3内。

参见图5，第一转子5包括第一转子铁芯51和十二个第一永磁体52，第一转子铁芯51为圆盘状，第一永磁体52为双层海尔贝克（halbach）结构，十二个第一永磁体52均布在第一转子铁芯51的圆周上形成磁环。十二个第一永磁体52中两个组成一对；每对由第一永磁块52a和第三永磁块52b交错对扣组成，第一永磁块52a和第三永磁块52b均为T形；十二个第一永磁体52中的每对第一永磁块52a和第三永磁块52b交错对扣形成磁环。

第二转子6包括第二转子铁芯61和十二个第二永磁体62，第二永磁体62中两个组成一对，每对由第二永磁块62a和第四永磁块62b交错对扣组成；第二转子6和第一转子5的结构相同，第二永磁体62同样为双层海尔贝克（halbach）结构。

参见图7和图8，定子线圈数目与转子的永磁体数目相同，十二个定子单元分别与十二个第一永磁体52、十二个第二永磁体62一一对应；参见图3，轴向对应的第一永磁体52和第二永磁体62极性相反，即第一永磁体52为N极时，与之轴向对应的第二永磁体62为S极，反之亦然。

第一永磁体52或第二永磁体62和定子7轴向之间的间距形成气隙，定子7的外圆直径为220㎜，该气隙为5㎜。气隙的作用在于实现定子不转的情况下，使转子转动，同时过大的气隙会降低电机性能。因此针对此电机，确定适当的气隙间距5㎜。

参见图6，由于电机用于需要密封的场所，故机壳3的圆周上不设置散热孔。

本实施例轴向永磁电机的磁通方向为轴向，以额定功率计算其功率密度参数为5Kg/Kw。

参见图5，本发明的磁路为：由第一转子5的第一磁体开始，穿过定子7的第一线圈进入与第一转子5的第一磁体相对的第二转子6上的第一磁体，通过第二转子6的铁芯，进入第二转子6的第二磁体，穿过定子7中与第一线圈相邻的第二线圈，进入与第二转子6的第二磁体相对的第一转子5上的第二磁体，穿过第一转子5的铁芯，回到第一转子5的第一磁体，完成回路。

实施例2

参见图1，电机用于不需要密封的场所时，机壳3的圆周上均布开设有散热孔，改善了电机的散热效果。

定子7的外圆直径为100㎜，第一永磁体52或第二永磁体62和定子7轴向之间的间距为3㎜。

本发明中的定子线圈数目与转子的永磁体数目可以不相同，如12个定子线圈对应于10个转子的永磁体。这样可以保证在任意时刻，定子线圈不会与某一个永磁体处于相同的位置，保证任意时刻、任意位置给电机通电均可产生扭矩旋转。

Claims

1.一种轴向永磁电机，包括环状的机壳（3）、定子（7）、第一转子（5）、第二转子（6）和转轴（4）；所述定子（7）同轴设于机壳（3）内中部；所述转轴（4）穿过定子（7）的轴向中部，两端转动设于机壳（3）；所述第一转子（5）和第二转子（6）镜向对称同轴设于定子（7）两侧的转轴（4）上，且随转轴（4）转动；其特征在于：

所述定子（7）为无磁轭的分段结构，由八个以上偶数的定子单元组成；所述定子单元包括定子铁芯（73），定子铁芯（73）的轴向两侧分别设有第一极靴片（71）和第二极靴片（72），所述定子铁芯（73）上绕设有定子绕组（74）；八个以上偶数的定子单元中相邻第一极靴片（71）和相邻第二极靴片（72）分别依次连接形成环状的定子（7）；

所述第一转子（5）包括第一转子铁芯（51）和八个以上偶数的第一永磁体（52），第一转子铁芯（51）为圆盘状，八个以上偶数的第一永磁体（52）均布在第一转子铁芯（51）的圆周上形成磁环；所述八个以上偶数的第一永磁体（52）中两个组成一对，每对由第一永磁块（52a）和第三永磁块（52b）径向对扣组成，第一永磁块（52a）和第三永磁块（52b）均为T形；八个以上偶数的第一永磁体（52）中的每对第一永磁体（52a）和第一永磁体（52b）依次对扣形成磁环；

所述第一转子（5）和第二转子（6）的结构相同；

所述第二转子（6）包括第二转子铁芯（61）和八个以上偶数的第二永磁体（62）；第二永磁体（62）中两个组成一对，每对由第二永磁块（62a）和第四永磁块（62b）径向对扣组成；

八个以上偶数的定子单元分别与八个以上偶数的第一永磁体（52）、八个以上偶数的第二永磁体（62）一一对应；轴向对应的第一永磁体（52）和第二永磁体（62）极性相反，即第一永磁体（52）为N极时，与之轴向对应的第二永磁体（62）为S极，反之亦然；

工作时，定子绕组（74）通电产生磁场，磁场分别与第一永磁体（52）、第二永磁体（62）产生作用；通过不断改变定子绕组（74）的通电方向，使定子绕组（74）产生的磁场方向不断改变，这样定子（7）产生的磁场与第一转子（5）、第二转子（6）产生的磁场产生连续的相互作用力，继而产生连续的转矩，使第一转子（5）、第二转子（6）带动转轴（4）旋转。

2.根据权利要求1所述的一种轴向永磁电机，其特征在于：所述定子铁芯（73）为扇形的扁块状；所述第一极靴片（71）和第二极靴片（72）的形状相同，均为扇形。

3.根据权利要求1所述的一种轴向永磁电机，其特征在于：所述第一永磁体（52）和第二永磁体（62）均为双层海尔贝克结构。

4.根据权利要求1所述的一种轴向永磁电机，其特征在于：所述机壳（3）内圆周的轴向中部设有径向凸起的凸环，所述凸环的轴向宽度与定子（7）的轴向宽度相同，所述定子（7）上的第一极靴片（71）的外边缘和第二极靴（72）片的外边缘通过螺丝固定连接着凸环，使定子（7）固定在机壳（3）内。

5.根据权利要求1所述的一种轴向永磁电机，其特征在于：所述第一永磁体（52）或第二永磁体（62）和定子（7）轴向之间的间距形成气隙，定子（7）的外圆直径为100～300㎜时，所述气隙为3～6㎜。

6.根据权利要求1所述的一种轴向永磁电机，其特征在于：所述机壳（3）的圆周上均布设有散热孔。