CN101295905B - 盘式转子电机 - Google Patents

Abstract

一种盘式转子电机，包括外壳，转轴，转子和定子，转子包括沿转轴轴向依次分布的磁流分区盘、复合盘以及可选地分布于磁流分区盘与复合盘之间的若干中间转子盘；定子包括沿转轴轴向依次分布的励磁组件和若干电枢组件；励磁组件位于外壳一端内侧，沿转轴轴向设置于磁流分区盘的外侧，并与磁流分区盘保持设定的间隙；电枢组件分布于磁流分区盘与中间转子盘，中间转子盘与中间转子盘和和中间转子盘与复合盘之间，并沿转轴的轴向与其两端的磁流分区盘或中间转子盘或复合盘保持设定的间隙。可提高能量转换效率，适用于转速以及输入转矩变化较大且频繁的发电机和/或负载变化较大且频繁的电动机应用场合，并适合规模化生产。

Description

盘式转子电机

技术领域

本发明涉及电机，尤其涉及转子呈盘状的电机。

背景技术

现有电机的机构多种多样，如：有一种端面非接触式同步电机，具有外壳，带有用于安装电枢线圈的辐射状沟槽的定子，盘状转子，环形励磁线圈和固定式磁导体，电枢线圈安装在环形定子的端面上，并置于呈辐射状分布的沟槽内，而环形励磁线圈则固定在由导磁软钢制成的外壳上，电机的主要磁力流由励磁线圈产生，经过装在转子上的钢制套筒，在套筒内带有辐射状分布的磁极柱系统，以及由外部钢环，也就是即盘状转子，联结在一起的外部磁极柱系统，形成闭合的回路，这种机构无论是转子上的套筒，还是钢环，为达到与励磁线圈外壳分离的目的，除须利用端面电枢和磁极柱的工作气隙外，还须借助于补充的技术性间隙，而由于主要磁力流闭合回路为轴向辐射状，应而内部磁极柱系统中每个磁极柱的截面均必须具备足够的磁流通过能力，确保磁力流由转子上的组合钢制套筒出发，转向磁极的辐射部分，而要达到足够的磁注通过能力，就必须将电机作用部分的几何规格严格限制在一定范围内，否则，钢制轴心区域的磁感应就会大大增加直至达到饱和的程度，导致磁流的散射大幅增加，使电机的工作效率大幅降低；又如：中国专利CN2850123公开的一种永磁盘面电机，包括转子、定子及其绕组、永磁磁钢、主轴，安装在主轴上的转子和定子均为圆盘形状，盘面平行，两者对应设置，之间设有气隙，其一固定于机座，其一安装于主轴作转动体，定子绕组线圈嵌于定子盘面周向分布的定子电枢的齿槽内，与转子盘面周向分布的永磁磁钢相对应，齿槽位于盘面与主轴相垂直，这种结构采用永磁磁钢，难以满足大功率的电机的设计需要；又如：中国专利CN2731826公开的一种复式永磁电机，转矩可从简壳输出，包括转子、永磁磁钢、定子及其绕组，还包括：三个电机的独立驱动单元，二个为轴向左右对称的盘面电机驱动单元，一个为筒式电机的驱动单元；其中的三个电机驱动单元的转子由二个轴向左右对称的盘面转子和设在中间的一个筒式转子组成，并且相互连接成一体，成筒壳状；其中相应的二个轴向对称的盘面定子和一个筒式电机定子一起被包围在转子筒壳之中，相互密接，并由一定子轴贯穿筒壳，与电机座架固定；永磁磁钢分别设置在盘面转子和筒式转子的内表面上，与定子电枢对应，其间设有气隙，采用这种结构来提供大的力矩，结构非常复杂，效率也不高；又如：中国专利CN2660766公开的一种无槽电机转子，包括转轴，转轴上套固有皮带轮、两个极盘，每一极盘包括呈辐射状均匀排列的偶数个磁极，各磁极的内段紧密邻接、外端呈弧面，每个磁极由多片取向硅钢片叠加并固接在一起，每片取向硅钢片按取向方向制作，每一磁极上绕有与励磁机构构成电连接的励磁线圈，相邻磁极上的励磁线圈的缠绕方向相反，这种机构虽然于提高效率有益，但结构相当复杂；又如：中国专利CN1441537公开的一种车用混合励磁爪极发电机，包括由铁芯和电枢绕组构成的定子与由爪极、爪极盘、励磁线圈和轴构成的转子，在转子的两个相对闭合的爪极盘上相邻、且交错契入的两个爪极之间镶嵌有永磁片，这种机构采用永磁片，难以满足大功率的电机的设计需要；再如：中国专利CN1643765公开的一种爪极式发电机，包括一设置为环形的永久磁铁；两个分别具有多个爪状极片的定子轭，多个极片沿周向交替且平行地排列并被设置为与永久磁铁相对；一磁性连接定子轭的铁芯轭；以及一围绕铁芯轭设置的线圈，定子轭是通过沿厚度方向叠置多个薄板材构成的，薄板材具有盘状部和多个从盘状部的周缘起以沿周向的预定间隔轴向延伸的极片，这种机构同样采用永久磁铁，难以满足大功率的电机的设计需要。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，而提出一种新的输出力矩大，适合低转速工作，能量转换效率高，并且适合规模化生产的电机结构。

为了实现上述目的，本发明生产制造一种盘式转子电机，包括外壳，转轴，转子和定子，转子固定于转轴上并随所述转轴转动，包括沿转轴的轴向依次分布的磁流分区盘、复合盘以及可选地分布于磁流分区盘与复合盘之间的若干中间转子盘；

定子固定于转轴上而不随转轴转动，包括沿转轴的轴向依次分布的励磁组件和至少两电枢组件；

励磁组件位于外壳的一端部内侧，沿转轴的轴向设置于磁流分区盘的外侧，并与磁流分区盘保持设定的间隙；

电枢组件沿转轴的轴向设置于磁流分区盘与中间转子盘，中间转子盘与中间转子盘，和中间转子盘与复合盘之间，并沿转轴的轴向与其两端的磁流分区盘、中间转子盘、和/或复合盘保持设定的间隙。

与现有技术相比，本发明的盘式转子电机，适合于大功率应用场景，一方面，由于磁路损耗小、效率高，并且转子部分不用设铁芯和电枢线圈，应而可大大减轻转子自身的旋转惯性，提高能量转换效率，用于电动机，负载变化较大且频繁的电动机应用场合，用于发电机，则特别适合于风力等转速以及输入转矩变化较大且频繁的应用场合，另一方面，由于各结构部分为模块化设计，即可降低制造成本，又可提高制造效率，所以适合于规模化生产。

附图说明

图1是本发明的盘式转子电机实施例的整体结构示意图，其中，图1a是一个角度的剖面视图，图1b是另一个角度的视图；

图2是本发明实施例中磁流分区盘结构示意图，其中，图2a是一个角度的视图，图2b是另一个角度的视图，图2c是再一个角度的视图；

图3是本发明实施例中转子盘结构示意图，其中，图3a是一个角度的视图，图3b是另一个角度的视图；

图4是本发明实施例中复合盘结构示意图，其中，图4a是一个角度的视图，图4b是图4a中B-B向剖面视图；

图5是本发明实施例中线圈板结构示意图，其中，图5a是一个角度的视图，图5b是另一个角度的视图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。

本发明的盘式转子电机实施例，如图1至5所示，包括：转轴1，外壳2，转子3和定子4。

转子3固定于转轴1上并随转轴1转动，包括沿转轴1的轴向依次分布的磁流分区盘31，复合盘33以及分布于磁流分区盘31与复合盘31之间的中间转子盘32；

定子4固定于转轴1上而不随转轴1转动，包括沿转轴1的轴向依次分布的励磁组件41和两电枢组件42；

励磁组件41位于外壳2的一端部21内侧，沿转轴1的轴向设置于磁流分区盘31的上游，并与磁流分区盘31保持设定的间隙；

电枢组件42沿转轴轴向设置于磁流分区盘31与中间转子盘32，和中间转子盘32与复合盘33之间，当然，如果存在多个中间转子盘的话，在中间转子盘与中间转子盘之间同样需要设置多个电枢组件，电枢组件42沿转轴1的轴向与其两端的磁流分区盘31，中间转子盘32，和/或复合盘33之间保持设定的间隙；电枢组件的数目取决于中间转子盘的数目，在不存在中间转子盘的时候，电枢组件的数目为一，在中间转子盘的数目为一时，电枢组件的数目为二，在中间转子盘的数目为N时，电枢组件的数目为N+1。

磁流分区盘31，如图2所示，包括联接盘312和多对爪形磁极311a、311b，联接盘312通过中央开孔313套在转辅1上并固定，各爪形磁极通过紧固件314固定嵌装于联接盘312上，从图2a中，还可以看出联接盘312上实际还开设有供安装爪形磁极311b用的梯形开口，各爪形磁极包括一扇状本部311a1或311b1和由该本部311a1或311b1弯折出的弧状的爪部311a2或311b2，各对爪形磁极中的第一爪形磁极311a的爪部311a2沿第一直径的圆周、第二爪形磁极311b的爪部311b2沿第二直径的圆周交错排列，第一直径大于第二直径，并且第一个爪形磁极311a的的本部311a1和第二个爪形磁极311b的本部311b1均为楔形结构，从图2c中还可以看出，它们的截面均为梯形，这些梯形结构于连接爪部处最宽，于两个爪形磁极的沿磁流分区盘的厚度方向存在的空间交错处则变逐渐窄，多对爪形磁极的各第一爪形磁极311a呈辐射状均匀嵌设于联接盘312上，多对爪形磁极的各第二爪形磁极311b呈辐射状均匀嵌设于联接盘312上，联接盘312为非磁性材质，比如：铝，爪形磁极311a或311b为强磁性材质；

中间转子盘32，如图3所示，包括沿转轴的径向分布的转盘322和多个转叶321，转盘322通过中央开孔323套在转轴1上并固定，各转叶321呈扇状，多个转叶321呈辐射状排列，并通过紧固件324与转盘322固定连接，转盘322为非磁性材质，转叶321为强磁性材质，或永磁性材质，或者是多个转叶呈一个强磁性材质与一个永磁性材质的交替分布，或者是多个转叶中部分为强磁性材质、部分为永磁性材质的其它组合情况；

复合盘33，如图4所示，包括沿转轴的径向分布的本体332和多个扇叶331，本体332为环状，通过中央开孔333套在转轴1上并固定，各扇叶331为楔状，其沿转轴的轴向的截面为梯形，梯形的底部与本体332相连，多个转叶321呈辐射状排列，并与本体332固定连接，实际上，本体332和多个扇叶331可以一体成型，本体332和扇叶321均为强磁性材质；

磁流分区盘中的爪形磁极，中间转子盘中的转叶，以及复合盘中的扇叶是沿转轴的轴向是一一对应并且对齐排列的；并且，磁流分区盘中的爪形磁极结构，以及复合盘中的扇叶结构截面均设计成梯形，可以使流经转子的磁力流降低损耗。

励磁组件41，包括励磁盘和励磁线圈，励磁盘呈圆环槽状，如图1所示，包括沿转轴的径向分布的外环壁412、内环壁411以及与外环壁412和内环壁411相连的底壁413，励磁盘为强磁性材质；励磁线圈(图中未示出)嵌设于励磁盘的圆环槽内，其绕线圆面的直径与圆环槽的直径相当；

电枢组件42，包括电枢盘421，多个铁芯422和多个电枢线圈(图中未示出)，电枢盘421，如图5所示，包括本体4211和于本体4211上呈辐射状均匀排列的偶数个扇状开孔4212，本体4211的中央设有开孔4213，电枢组件42通过这个开孔4213套在固定于转轴上的轴承上而固定，铁芯具有与扇状开孔4212相同的扇状，其两端由扇状开孔穿出，电枢线圈绕即在绕在铁芯的这两端上；电枢盘421可采用非磁性材质，以减轻重量、减少磁损；

如图1所示，外壳2包括两端盖21、22和多个连接条23，端盖21、22固定于转轴1上而不随转轴1转动，连接条23的两端分别固定连接两端盖21、22，外壳2为非磁性材质；电枢盘421沿转轴的径向，一端通过轴承固定于转轴上，另一端通过紧固件与连接条23相连。

从图1可以看出，励磁盘的外环壁412与磁流分区盘31的第一爪形磁极311a的爪部311a2对应，励磁盘的内环壁411与磁流分区盘31的第二爪形磁极311b的爪部311b2对应，励磁盘的底壁413与外壳的端部21固定连接。

而前面已经提到：磁流分区盘中的爪形磁极，中间转子盘中的转叶，以及复合盘中的扇叶是沿转轴的轴向是一一对应并且对齐排列的。

这种定子和转子的配合结构，在电机内形成的主磁力流为：励磁盘的外环壁412----磁流分区盘31的第一爪形磁极311a----中间转子盘中与第一爪形磁极311a对应的转叶----复合盘中与第一爪形磁极311a对应的扇叶---复合盘中的本体----复合盘中与第一爪形磁极311a对应的扇叶的邻扇叶----中间转子盘中与该邻扇叶对应的转叶-----磁流分区盘31的第二爪形磁极311b----励磁盘的内环壁411----励磁盘的底壁413------励磁盘的外环壁412。

可见，本发明的盘式转子电机实施例，对应磁流分区盘31的多个爪形磁极对，存在着同样数量的磁流循环回路。这种结构，可以降低磁路损耗，有利于提高能量转换效率。

而，由于电枢部件安置到了电机的转动部分外面去了，可以大大降低转动部分的惯量，从而在电动机时，适用于负载变化较大且频繁的应用场合，在发电机时，则特别适合于风力等转速以及输入转矩变化较大且频繁的应用场合，并且也有利于提高能量转换效率。

而，由于电机的各结构部分均为模块化设计，又有利于规模化生产。

上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，比如：不存在上述的中间转子的情况，此时电枢组件直接设置于上述的磁流分区盘与复合盘之间，又比如：可根据实际的应用需要采用多个的中间转子，比如六个，以适应电机功率设计要求，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种盘式转子电机，包括外壳，转轴，转子和定子，其特征在于：

所述转子固定于所述转轴上并随转轴转动，包括沿转轴的轴向依次分布的磁流分区盘和复合盘；

所述定子固定于所述转轴上但不随转轴转动，包括沿转轴的轴向依次分布的励磁组件和至少一电枢组件；

所述励磁组件位于所述外壳的一端部内侧，沿转轴的轴向设置于所述磁流分区盘的外侧，并与磁流分区盘保持设定的间隙；

所述电枢组件沿转轴的轴向设置于所述磁流分区盘与复合盘之间。

2.如权利要求1所述的盘式转子电机，其特征在于：

所述转子还包括分布于磁流分区盘与复合盘之间的N个中间转子盘；

所述定子包括N+1个电枢组件，各个电枢组件分别分布于所述磁流分区盘与中间转子盘，中间转子盘与中间转子盘，和中间转子盘与复合盘之间，沿转轴的轴向与其两端的磁流分区盘、中间转子盘、和/或复合盘保持设定的间隙。

3.如权利要求1或2所述的盘式转子电机，其特征在于：

所述磁流分区盘包括联接盘和多对爪形磁极，所述联接盘与转轴固定连接；

各爪形磁极包括扇状本部和由该本部弯折出的弧状的爪部；

各对爪形磁极中的第一爪形磁极的爪部沿第一直径的圆周排列，第二爪形磁极的爪部沿第二直径的圆周排列，所述第一直径大于第二直径；

各对爪形磁极中的第一个爪形磁极的本部和第二个爪形磁极的本部沿磁流分区盘的厚度方向存在空间交错；

所述多对爪形磁极的各第一爪形磁极呈辐射状均匀嵌设于所述联接盘上，各第二爪形磁极呈辐射状均匀嵌设于所述联接盘上。

4.如权利要求1或2所述的盘式转子电机，其特征在于：

所述复合盘包括沿所述转轴的径向分布的本体和多个扇叶；

所述本体为环状，与所述转轴固定连接；

各扇叶为楔状，其沿所述转轴的轴向的截面为梯形，梯形的底部与所述本体相连；

所述多个转叶呈辐射状排列，并与所述本体固定连接。

5.如权利要求2所述的盘式转子电机，其特征在于：

所述中间转子盘包括沿所述转轴的径向分布的转盘和多个扇状转叶；

所述转盘与转轴固定连接；

所述多个转叶呈辐射状排列，并与所述转盘固定连接。

6.如权利要求2所述的盘式转子电机，其特征在于：

所述磁流分区盘包括联接盘和多对爪形磁极，所述联接盘与转轴固定连接，各爪形磁极包括一扇状本部和由该本部弯折出的弧状的爪部，各对爪形磁极中的第一爪形磁极的爪部沿第一直径的圆周、第二爪形磁极的爪部沿第二直径的圆周交错排列，所述第一直径大于第二直径，并且所述第一个爪形磁极的本部和所述第二个爪形磁极的本部沿磁流分区盘的厚度方向存在空间交错，所述多对爪形磁极的各第一爪形磁极呈辐射状均匀嵌设于联接盘上，所述多对爪形磁极的各第二爪形磁极呈辐射状均匀嵌设于联接盘上，所述联接盘为非磁性材质，所述爪形磁极为强磁性材质；

所述中间转子盘包括沿所述转轴的径向分布的转盘和多个转叶，所述转盘与转轴固定连接，各转叶呈扇状，所述多个转叶呈辐射状排列、并与所述转盘固定连接，所述转盘为非磁性材质，所述转叶为强磁性材质或永磁性材质，而所述多个转叶中部分转叶为强磁性材质、部分转叶为永磁性材质；

所述复合盘包括沿所述转轴的径向分布的本体和多个扇叶，所述本体为环状，与所述转轴固定连接，各扇叶为楔状，其沿所述转轴的轴向的截面为一梯形，梯形的底部与所述本体相连，所述多个转叶呈辐射状排列、并与所述本体连接成一体，所述复合盘为强磁性材质；

所述磁流分区盘中的爪形磁极，所述中间转子盘中的转叶，以及复合盘中的扇叶是沿所述转轴的轴向一一对应并且对齐排列的。

7.如权利要求1所述的盘式转子电机，其特征在于：

所述励磁组件包括励磁盘和励磁线圈，所述励磁盘呈圆环槽状，包括沿所述转轴的径向分布的外环壁、内环壁以及与所述外环壁和内环壁相连的底壁；

所述励磁线圈嵌设于所述励磁盘的圆环槽内；

所述励磁线圈的绕线圆面的直径与所述励磁盘的圆环槽的直径相当。

8.如权利要求1所述的盘式转子电机，其特征在于：

所述电枢组件包括电枢盘，多个铁芯和多个电枢线圈；

所述电枢盘包括呈辐射状均匀排列的偶数个扇状孔；

所述铁芯为扇状，穿设于所述电枢盘的扇状孔中、并于开孔的两端外露；

所述电枢线圈绕在铁芯的所述两端上。

9.如权利要求6所述的盘式转子电机，其特征在于：

所述励磁组件包括励磁盘和励磁线圈，所述励磁盘呈圆环槽状，包括沿所述转轴的径向分布的外环壁、内环壁以及与所述外环壁和内环壁相连的底壁，所述励磁盘为强磁性材质；所述励磁线圈嵌设于所述励磁盘的圆环槽内；

所述励磁盘的外环壁与所述磁流分区盘的第一爪形磁极的爪部对应，所述励磁盘的内环壁与所述磁流分区盘的第二爪形磁极的爪部对应。

10.如权利要求9所述的盘式转子电机，其特征在于：

所述电枢组件包括电枢盘，多个铁芯和多个电枢线圈，所述电枢盘包括呈辐射状均匀排列的偶数个扇状开孔，所述铁芯为扇状，穿设于所述电枢盘的扇状开孔中、并于开孔的两端外露；所述电枢线圈绕在铁芯的所述两端上；所述电枢盘为非磁性材质；

所述外壳包括两端盖和多个连接条，所述端盖固定于所述转轴上而不随所述转轴转动，所述连接条，各其两端分别固定连接两端盖，所述外壳为非磁性材质；

所述励磁盘的底壁与所述外壳的端部固定连接；

所述电枢盘沿所述转轴的径向，一端固定于所述转轴上而不随所述转轴转动，另一端固定于所述连接条上。

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