CN102185392A - 一种带有流体冷却的聚磁型盘式永磁力矩电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有流体冷却的聚磁型盘式永磁力矩电机，包括定子铁心、电枢绕组、转子铁心，永磁体和电机转轴，电机定子由所述定子铁心和电枢绕组组成，所述定子铁心可由等宽度硅钢片冲槽后沿周向卷绕，相邻硅钢片沿轴向偏移一定距离，使所述定子铁心在垂直于电机旋转方向上的截面为平行四边形。电机转子由转子铁心和永磁体形成聚磁式结构，当电机设计为单定子单转子结构时，转子铁心和永磁体在垂直于电机旋转方向上的截面为直角梯形，转子铁心和永磁体与定子铁心之间形成圆锥面形状的气隙。本发明盘式永磁力矩电机，增加了气隙的有效面积，使得电机力密度较高；电机定子之间和两边的电机定子外侧设置有冷却液流动腔，保证了电机的散热。

Description

一种带有流体冷却的聚磁型盘式永磁力矩电机

技术领域

本发明属于永磁电机领域，特别涉及一种带有流体冷却的聚磁型盘式永磁力矩电机。

背景技术

传统的径向磁场永磁电机由于电负荷与磁负荷在空间上存在相互竞争关系，因此，电机功率密度及输出转矩密度小，一般做成大转矩的力矩电机，但是材料成本高。

现有的盘式永磁电机，其气隙主磁场为轴向，又称轴向磁场永磁电机，其很好的利用径向及轴向空间，使电机功率密度及转矩密度得以提高。优点是：轴向尺寸短、结构紧凑，转矩惯量低。从拓扑结构上看，其转子分表面粘结式及内置嵌入式，两者均容易使内径处的轴向气隙磁场饱和，永磁体的有效利用率低，造成永磁体的浪费。

鉴于以上技术问题，实有必要提供一种可以克服上述缺陷的聚磁型盘式永磁力矩电机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高永磁体利用率的带有流体冷却的聚磁型盘式永磁力矩电机。

为实现上述目的，本发明提供了一种带有流体冷却的聚磁型盘式永磁力矩电机，包括电机壳体和安装在电机壳体中轴线上的电机转轴；安装在电机转轴的电机定子和电机转子；所述电机定子由定子铁心和电枢绕组组成，所述定子铁心由等宽度硅钢片冲槽后沿周向卷绕而成，相邻硅钢片沿轴向偏移一定距离，使所述定子铁心在垂直于电机旋转方向上的截面为平行四边形，与电机转子相对的侧面呈圆锥面；所述电枢绕组设置为三相分数槽绕组，绕组第一节距为1，各相绕组依次缠绕在所述定子铁心上，并在空间上错开120°的角度；所述电机转子与电机定子匹配安装，包括：若干个转子铁心以及安装在相邻转子铁心之间的永磁体，所述转子铁心沿圆周方向均匀插装在转子支架内，并通过卡环固定，所述转子支架通过花键与电机转轴连接，所述永磁体安装在相邻转子铁心之间，相邻永磁体的N极相对，S极相对，所述转子铁心和永磁体在垂直于电机旋转方向上的截面为梯形。

作为本发明的优选实施例，所述电机壳体包括前后端开口的电机外壳以及封闭电机外壳前后端的电机后端固定架和电机前端固定架，所述电机前端固定架和电机后端固定架外侧分别设置有前端盖和后端盖；

作为本发明的优选实施例，所述电机转轴通过花键与所述转子支架连接，所述电机转轴通过前轴承和后轴承分别与电机前端固定架和电机后端固定架固定连接；

作为本发明的优选实施例，所述在所述转子铁心和永磁体的径向外侧设置有圆毂，在圆毂外表面上设置有圆光栅片，在电机壳体上与所述圆毂的对应位置设置有光栅读数头；

作为本发明的优选实施例，当电机设计为单定子单转子结构时，所述定子铁心固定在电机后端固定架上，并与隔磁铝板相连；所述转子铁心和永磁体在垂直于电机旋转方向上的截面为直角梯形，其斜边与所述定子铁心的平行四边形截面的斜边平行并沿轴向对齐，在所述转子铁心和永磁体斜边一侧与定子铁心之间形成圆锥面形状的气隙；

作为本发明的优选实施例，当电机设计为双定子单转子结构时，两个定子铁心分别固定在电机前端固定架和电机后端固定架上，并与隔磁铝板相连；所述转子铁心和永磁体在垂直于电机旋转方向上的截面为等腰梯形，放置在两个定子铁心之间，其斜边分别与所述两个定子两铁心的平行四边形截面的斜边平行并沿轴向对齐，在所述转子铁心和永磁体与两个定子铁心之间均形成圆锥面形状的气隙；

作为本发明的优选实施例，所述永磁力矩电机进一步包括冷却液流动腔，该冷却液流动腔设置在隔磁板的外侧并固定在电机壳体上；

本发明带有流体冷却的聚磁型盘式永磁力矩电机至少具有以下优点：本发明永磁体截面为梯形，如此，轴向磁场由内向外逐渐增大，避免磁场在内径处出现饱和，提高永磁体的利用效率。另外，由于定子铁心和转子铁心及永磁体之间形成有圆锥面气隙，增加气隙有效面积，更进一步提高了永磁体的利用效率。再者，由于电机的功率密度及输出转矩密度与气隙有效面积成正比关系，因此，同时也提高了整个电机的功率密度及输出转矩密度，更合理的利用空间，减少材料用量。因此，本发明电机可以实现输出大力矩直接驱动，并满足频繁起停，正反转的应用场合的需求。

附图说明

图1是本发明单定子单转子实施例的轴向结构示意图；

图2是图1中电机定子铁心剖开的结构示意图；

图3是图1中电机定子结构示意图；

图4是图1中转子的结构示意图；

图5是图1中转子铁心的结构示意图；

图6是图1中永磁体的结构示意图；

图7是图1中主磁路示意图；

图8是本发明单定子单转子实施例的输出转矩特性图；

图9是本发明双定子单转子实施例的轴向结构示意图；

图10是图9的主磁路示意图；

图11本发明双定子单转子实施例与平板型盘式永磁电机、平面气隙聚磁型盘式永磁电机的输出转矩比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明聚磁型盘式永磁力矩电机的结构作具体介绍：

实施例1：单定子单转子实施例

请参阅图1所示，本发明单定子单转子的永磁力矩电机包括前后端开口的电机外壳14、封闭电机外壳14前后端的电机后端固定架13和电机前端固定架15、安装在电机外壳14中轴线上的电机转轴1，以及安装在电机外壳14内部的电机定子和电机转子。为方便起鉴，将电机外壳14和电机前后端固定架13、15形成的整体称作电机壳体。

所述电机转轴1通过前轴承18和后轴承19分别与电机前端固定架15和电机后端固定架13连接，所述电机前端固定架15和后端固定架13的外侧分别设置有前端盖20和后端盖21；所述电机外壳14通过螺栓与所述电机前端固定架15和后端固定架13固定连接。

请结合图2和图3所示，所述电机定子包括定子铁心7以及缠绕在定子铁心7上的电枢绕组8，所述定子铁心7固定在电机后端固定架15上，其一侧连接有隔磁板9，该隔磁板9最好是隔磁铝板。

所述定子铁心7由等宽度的硅钢片冲槽后沿周向卷绕而成，各硅钢片的冲槽形一致，相邻硅钢片叠绕时沿轴向偏移一定距离，并使槽形的轴线对齐，从而在电机旋转方向上形成与轴线呈一定夹角的定子槽24，相邻的定子槽24之间形成定子铁心齿部25，定子槽24与定子铁心齿部25轴向外侧形成定子铁心轭部26。为便于加工制造，定子铁心7由整体铁块加工而成，铁块材料选择导磁良好且电阻率大的球墨铸铁，也可选择导磁各同向性良好的软磁复合材料。所述定子铁心7在垂直于电机旋转方向上的截面为平行四边形，而与电机转子相对的侧面呈圆锥面形状。

所述电枢绕组8为三相分数槽绕组，绕组的第一节距为1，各相绕组依次穿过定子槽24而缠绕在所述定子铁心7的各个定子铁心齿部25上，并在空间上分别错开120°的角度。这样，当电枢绕组8通入三相电枢绕组时，在定子铁心7圆锥面的气隙内产生连续推移的正弦行波旋转磁动势波。

请结合图4、图5和图6所示，所述电机转子包括若干个转子铁心3以及通过粘结剂粘结在相邻转子铁心3之间的永磁体4，所述转子铁心3和永磁体4沿电机旋转方向交错叠放，所述转子铁心3沿电机旋转方向均匀插装在转子支架2内，所述转子支架2通过花键23与电机转轴1连接，请特别参阅图4所示，所述转子铁心3上开设有卡槽22，在该卡槽22内固定安装有卡环5，通过卡环5实现电机转子与转子支架2的固定连接。另外，在所述转子铁心3和永磁体4的径向外侧设置有圆毂6，起紧固作用，在圆毂6外表面上设置有圆光栅片10，在电机外壳14上，与所述圆毂6的对应位置设置有光栅读数头11，用于测量电机转动的角度与转速。

另外，请继续参阅图4、图5和图6所示，所述转子铁心3和永磁体4在垂直于电机旋转方向上的截面为直角梯形。其斜边与所述定子铁心7的平行四边形截面的斜边平行并沿轴向对齐，从而在所述转子铁心3和永磁体4斜边一侧与定子铁心7之间形成圆锥面形状的气隙。在相同外径尺寸的情况下，圆锥面气隙相较于现有盘式永磁电机的轴向平面气隙，增大了气隙的有效面积。

请特别参阅图7所示，在本发明中，相邻永磁体3的N极相对，S极相对，这样，在N极相对的永磁体之间的转子铁心的中间形成聚磁N极，在S极相对的永磁体之间的转子铁心的中间形成聚磁S极，形成有聚磁N极的转子铁心与形成有聚磁S极的转子铁心相邻设置。

下面，请继续参阅图7所示，本实施例的主磁路由相邻永磁体4的N极出发，在中间的转子铁心3处形成聚磁N极后轴向通过气隙进入定子铁心齿部25，经定子铁心轭部26由相邻的定子铁心齿部25和气隙返回到转子铁心3，最后由永磁体4的S极穿过永磁体4回到永磁体4的N极形成回路。

在电机不同半径处的主磁路结构相同，由于永磁体尺寸沿径向从内往外不断增大，使不同半径处的主磁路磁动势不相同，因此，避免主磁场在内径处产生饱和，进而提高永磁体的有效利用率，同时使内径尺寸可设计较小，增大电机直径比，在设计额定输出转矩相同的情况下，较现有盘式永磁电机，径向尺寸减小，提高电机输出功率密度和转矩密度。

下面，请参阅图1，并结合图7和图8所示，电机转子的旋转使主磁场在电枢绕组8中产生感应电动势，所述电枢绕组8通入三相正弦交流电后使电机产生电磁转矩，为使电机输出转矩连续并最大化，三相正弦交流电的相位与频率应与感应电动势相一致。由圆毂6外周的圆光栅片10及光栅读数头11可以测量电机转子的位置及角速度，从而，通过变频电路控制电枢绕组8输入电流的相位与频率；由于各相绕组电流相互错开120°的角度，且各相电枢绕组8在空间上相互错开120°的角度，因此，各相电枢电流与感应电动势的相位与幅值一致，三相电枢绕组产生的电磁转矩之和为电机输出转矩。请特别参阅图8所示，为通过有限元数值计算所得的本发明单定子单转子实施例的输出转矩特性，电机外径尺寸为330mm，内径尺寸为165mm，输出转矩达到2200Nm。

最后，为了对本发明永磁力矩电机在工作过程中产生的热量进行散热，本发明电机进一步设置有冷却液流动腔12，该冷却液流动腔12设置在隔磁板9的外侧并固定在电机后端固定架13上，冷却液流动腔12在上下位置分别开设有进液口16和出液口17，冷却液由进液口16流入并经出液口17流出，对电机进行散热，降低电机的温度。

实施例2：双定子单转子结构

请参阅图9所示，实施例2的电机结构与实施例1的电机结构基本相同，只是增加了一个电机定子，两个定子铁心7相对放置，分别固定在电机前端固定架15和电机后端固定架13上，两个定子铁心7的一侧均连接有隔磁板9，最好是隔磁铝板9。与实施例1的单定子单转子实施例不同，实施例2中的转子铁心3和永磁体4在垂直于电机旋转方向上的截面为等腰梯形，放置在两个定子铁心7之间，其斜边分别与所述两个定子两铁心7的平行四边形截面的斜边平行并沿轴向对齐，在所述转子铁心3和永磁体4以及两个定子铁心7之间均形成圆锥面形状的气隙。两个冷却液流动腔12分别固定在电机前端固定架15和后端固定架13上，并设置有进液口16和出液口17。

图10所示为实施例2双定子单转子的主磁路结构，两个定子与转子之间均形成两个独立的磁回路，其结构与实施例1的主磁路结构相同。由于转子两侧均形成锥形面气隙，与单定子单转子实施例相比，其漏磁较小，在相同永磁体用量的情况下，输出转矩较大。

请参阅图11所示，在永磁体用量和输入电枢电流相同的情况下，通过有限元数值计算不同结构的盘式永磁电机的输出转矩特性。与现有平板式和平面聚磁式盘式永磁电机相比，本发明的盘式永磁力矩电机能输出更大的电磁转矩，提高了永磁体的利用效率，增大了电机输出功率密度和转矩密度。

当要求输出转矩较大，而对电机径向尺寸有限制时，本发明电机可设计成多定子多转子结构。因此，需要根据实际的情况和要求，决定电机的结构。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种带有流体冷却的聚磁型盘式永磁力矩电机，其特征在于：包括：

电机壳体和安装在电机壳体中轴线上的电机转轴(1)；

安装在电机转轴(1)的电机定子和电机转子；

所述电机定子由定子铁心(7)和电枢绕组(8)组成，所述定子铁心(7)由等宽度硅钢片冲槽后沿周向卷绕而成，相邻硅钢片沿轴向偏移一定距离，使所述定子铁心(7)在垂直于电机旋转方向上的截面为平行四边形，与电机转子相对的侧面呈圆锥面；所述电枢绕组(8)设置为三相分数槽绕组，绕组第一节距为1，各相绕组依次缠绕在所述定子铁心(7)上，并在空间上错开120°的角度；

所述电机转子与电机定子匹配安装，包括：若干个转子铁心(3)以及安装在相邻转子铁心(3)之间的永磁体(4)，所述转子铁心(3)沿圆周方向均匀插装在转子支架(2)内，并通过卡环(5)固定，所述转子支架(2)通过花键(23)与电机转轴(1)连接，所述永磁体(4)安装在相邻转子铁心(3)之间，相邻永磁体的N极相对，S极相对，所述转子铁心(3)和永磁体(4)在垂直于电机旋转方向上的截面为梯形。

2.如权利要求1所述的带有流体冷却的聚磁型盘式永磁力矩电机，其特征在于：所述电机壳体包括前后端开口的电机外壳(14)以及封闭电机外壳(14)前后端的电机后端固定架(13)和电机前端固定架(15)，所述电机前端固定架(15)和电机后端固定架(13)外侧分别设置有前端盖(20)和后端盖(21)。

3.如权利要求2所述的带有流体冷却的聚磁型盘式永磁力矩电机，其特征在于：所述电机转轴(1)通过前轴承(18)和后轴承(19)分别与电机前端固定架(15)和电机后端固定架(13)固定连接。

4.如权利要求1所述的带有流体冷却的聚磁型盘式永磁力矩电机，其特征在于：在所述转子铁心(3)和永磁体(4)的径向外侧设置有圆毂(6)，在圆毂(6)外表面上设置有圆光栅片(10)，在电机壳体上与所述圆毂(6)的对应位置设置有光栅读数头(11)。

5.如权利要求2所述的带有流体冷却的聚磁型盘式永磁力矩电机，其特征在于：当电机设计为单定子单转子结构时，所述定子铁心(7)固定在电机后端固定架(13)上，并与隔磁铝板(9)相连；所述转子铁心(3)和永磁体(4)在垂直于电机旋转方向上的截面为直角梯形，其斜边与所述定子铁心(7)的平行四边形截面的斜边平行并沿轴向对齐，在所述转子铁心(3)和永磁体(4)斜边一侧与定子铁心(7)之间形成圆锥面形状的气隙。

6.如权利要求2所述的带有流体冷却的聚磁型盘式永磁力矩电机，其特征在于：当电机设计为双定子单转子结构时，两个定子铁心(7)分别固定在电机前端固定架(15)和电机后端固定架(13)上，并与隔磁铝板(9)相连；所述转子铁心(3)和永磁体(4)在垂直于电机旋转方向上的截面为等腰梯形，放置在两个定子铁心(7)之间，其斜边分别与所述两个定子两铁心(7)的平行四边形截面的斜边平行并沿轴向对齐，在所述转子铁心(3)和永磁体(4)与两个定子铁心(7)之间均形成圆锥面形状的气隙。

7.如权利要求1所述的带有流体冷却的聚磁型盘式永磁力矩电机，其特征在于：所述永磁力矩电机进一步包括冷却液流动腔(12)，该冷却液流动腔(12)设置在隔磁板(9)的外侧并固定在电机壳体上。

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