CN102497074A - 一种基于双转子结构的多相容错永磁电机 - Google Patents

一种基于双转子结构的多相容错永磁电机 Download PDF

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赵静
陈振
刘向东
李玉猛
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Abstract

本发明涉及一种基于双转子结构的多相容错永磁电机，属于永磁电机技术领域。包括左端盖、右端盖、机壳、定子铁心、定子绕组、外转子铁心、外转子永磁体、内转子铁心、内转子永磁体、轴承A、轴承B、主轴和法兰。本发明的外转子与定子外侧电枢绕组组成一个外转子永磁容错电机，内转子与定子内侧电枢绕组组成另一个普通的永磁容错电机，两转子的转矩相叠加作为电机的输出转矩，相当于两个永磁容错电机的高度集成，与同体积的单定子、单转子永磁容错电机相比，本发明充分利用了电机空间，提高了电机的功率密度，充分实现了电机的高功率密度和高可靠性。

Description

一种基于双转子结构的多相容错永磁电机
技术领域
本发明涉及一种基于双转子结构的多相容错永磁电机，属于永磁电机技术领域。
背景技术
随着科学技术与社会经济的发展，电机的应用领域越来越广泛，如导弹、飞机、潜艇、航天器等军工领域以及电动汽车、机床等民用领域对具有高功率密度、高可靠性的电机需求多来越多。研发体积小、重量轻、输出功率大、可靠性高、容错能力强的电机是电机领域的一个重要研究方向。为了解决电机的容错能力，英国B.C.Mecrow教授提出容错永磁(fault tolerant permanentmagnet，FTPM)电机的概念，FTPM电机是将开关磁阻电机的结构模式与永磁同步电机相结合，改传统的永磁同步电机分布式绕组为集中式绕组，且每个定子槽中只有一套绕组。没有绕组的电枢齿作为磁通回路，同时也起着隔离作用。采用集中绕组的FTPM电机实现相与相之间电路、磁路以及温度的相对独立，将容错的概念成功地引入到永磁电机中来。但是当前的容错永磁电机多为单转子结构的，虽然能够提高电机运行的可靠性，然而电机的工作效率和转矩密度和传统永磁电机相比没有变化多少，这种结构自身限制了电机功率密度的进一步提高。
发明内容
本发明的目的是为了进一步提高多相容错电机的功率密度，提出一种基于双转子结构的多相容错永磁电机。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种基于双转子结构的多相容错永磁电机，包括左端盖1、右端盖2、机壳3、定子铁心4、定子绕组5、外转子铁心6、外转子永磁体7、内转子铁心8、内转子永磁体9、轴承A10、轴承B11、主轴12和法兰13；定子铁心4与定子绕组5组成定子部件，固定连接在左端盖1上；外转子铁心6和内转子铁心8呈圆筒形，外转子铁心6的一端和内转子铁心8的一端通过法兰13连成一个整体，该整体通过内转子铁心8固定在主轴12上；主轴12通过轴承A10与左端盖1转动连接；主轴12通过轴承B11与右端盖2转动连接；左端盖1和右端盖2通过机壳3固定连接在一起；定子铁心4内表面和外表面均开槽，且所开的外侧槽和内侧槽数目相等；定子绕组5相数大于3相，定子绕组5采用集中绕组，环绕嵌放在定子铁心4的外侧槽和内侧槽中，即线圈的一条边放在外侧槽中，另一条边放在内侧槽中；定子铁心4的每个槽中只有一相定子绕组5，定子铁心4外侧槽或内侧槽中属于同一相的定子绕组5串联在一起；外转子永磁体7径向充磁，并按N极和S极交替粘贴在外转子铁心6的内表面，外转子永磁体7和外转子铁心6组成外转子；内转子永磁体9径向充磁，并按N极和S极交替粘贴在内转子铁心8的外表面，内转子永磁体9和内转子铁心8组成内转子；外转子永磁体7和内转子永磁体9的永磁体极对数相等，外转子永磁体7和内转子永磁体9相对位置的永磁体相对气隙的极性相同。
有益效果
本发明的外转子与定子外侧电枢绕组组成一个外转子永磁容错电机，内转子与定子内侧电枢绕组组成另一个普通的永磁容错电机，两转子的转矩相叠加作为电机的输出转矩，相当于两个永磁容错电机的高度集成，与同体积的单定子、单转子永磁容错电机相比，本发明充分利用了电机空间，提高了电机的功率密度，充分实现了电机的高功率密度和高可靠性。
附图说明
图1为本发明的基于双转子结构的多相容错永磁电机的结构示意图；
图2基于双转子结构的多相容错永磁电机横截面结构示意图；
图3内转子永磁体和外转子永磁体都为径向充磁时的充磁方向示意图；
图4基于双转子结构的多相容错永磁电机的定子内外绕组为独立绕组示意图；
图5内转子永磁体和外转子永磁体都为内置切向充磁时的充磁方向示意图；
图6每极2块永磁体的90°充磁且磁场减弱的一侧朝内径的Halbach永磁体阵列及磁场分布示意图；
图7每极2块永磁体的90°充磁且磁场减弱的一侧朝外径的Halbach永磁体阵列及磁场分布示意图；
图8每极3块永磁体的60°充磁且磁场减弱的一侧朝内径的Halbach永磁体阵列及磁场分布示意图；
图9每极3块永磁体的60°充磁且磁场减弱的一侧朝外径的Halbach永磁体阵列及磁场分布示意图；
图10每极4块永磁体的45°充磁且磁场减弱的一侧朝内径的Halbach永磁体阵列及磁场分布示意图；
图11每极4块永磁体的45°充磁且磁场减弱的一侧朝外径的Halbach永磁体阵列及磁场分布示意图；
图12外转子永磁体径向充磁、内转子永磁体切向充磁时的充磁方向示意图；
图13外转子永磁体为Halbach永磁体阵列、内转子永磁体径向充磁时的充磁方向示意图；
图14外转子永磁体为Halbach永磁体阵列、内转子永磁体内置切向充磁时的充磁方向示意图；
其中，1-左端盖；2-右端盖；3-机壳；4-定子铁心；5-绕组；6-外转子铁心；7-外转子永磁体；8-内转子铁心；9-内转子永磁体；10-轴承A；11-轴承B；12-主轴；13-法兰。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
实施方式1
一种基于双转子结构的多相容错永磁电机，结合图1、图2和图3说明本实施方式，包括左端盖1、右端盖2、机壳3、定子铁心4、定子绕组5、外转子铁心6、外转子永磁体7、内转子铁心8、内转子永磁体9、轴承A10、轴承B11、主轴12和法兰13；定子铁心4与定子绕组5组成定子部件，固定连接在左端盖1上；外转子铁心6和内转子铁心8呈圆筒形，外转子铁心6的一端和内转子铁心8的一端通过法兰13连成一个整体，该整体通过内转子铁心8固定在主轴12上；主轴12通过轴承A10与左端盖1转动连接；主轴12通过轴承B11与右端盖2转动连接；左端盖1和右端盖2通过机壳3固定连接在一起；定子铁心4内表面和外表面均开槽，且所开的外侧槽和内侧槽数目相等；定子绕组5相数为5相，定子绕组5采用集中绕组，环绕嵌放在定子铁心4的外侧槽和内侧槽中，即线圈的一条边放在外侧槽中，另一条边放在内侧槽中；定子铁心4的每个槽中只有一相定子绕组5，定子铁心4外侧槽或内侧槽中属于同一相的定子绕组5串联在一起；外转子永磁体7径向充磁，并按N极和S极交替粘贴在外转子铁心6的内表面，外转子永磁体7和外转子铁心6组成外转子；内转子永磁体9径向充磁，并按N极和S极交替粘贴在内转子铁心8的外表面，内转子永磁体9和内转子铁心8组成内转子；外转子永磁体7和内转子永磁体9的永磁体极对数相等，外转子永磁体7和内转子永磁体9相对位置的永磁体相对气隙的极性相同。
实施方式2
结合图1、图4说明本实施方式，与实施方式1不同点在于定子铁心4的外侧槽和内侧槽为两套不同绕组，各自独立绕线，定子内外正对槽内仍属同一相。
实施方式3
结合图1、图5说明本实施方式，与实施方式1不同点在于外转子永磁体7和内转子永磁体9采用内置式切向充磁，外转子永磁体7和内转子永磁体9在内外气隙上形成的磁场正对，且相对气隙的极性相同。
实施方式4
结合图1、图6至图11说明本实施方式，与实施方式1不同点在于外转子永磁体7和内转子永磁体9，每极为二块永磁体90°充磁的Halbach永磁体阵列或三块60°充磁的Halbach阵列或四块45°充磁的Halbach永磁体阵列；外转子永磁体7和内转子永磁体9上两组Halbach永磁体阵列磁场减弱的一侧表面分别固定在外转子铁心6内表面和内转子铁心8的外表面，外转子永磁体7和内转子永磁体9在内外气隙上形成的磁场正对，且相对气隙的极性相同。
实施方式5
结合图1、图12说明本实施方式，与实施方式1不同点在于外转子永磁体7采用表面式径向充磁，内转子永磁体9采用内置式切向充磁，或者内层永磁体和外层永磁体形式互换，外转子永磁体7和内转子永磁体9在内外气隙上形成的磁场正对。
实施方式6
结合图1、图7、图9、图11、图13说明本实施方式，与实施例1不同点在于外转子永磁体7采用Halbach永磁体阵列，内转子永磁体9采用表面式径向充磁，或者内层永磁体和外层永磁体形式互换，外转子永磁体7和内转子永磁体9在内外气隙上形成的主磁场正对，外转子永磁体7和内转子永磁体9在内外气隙上形成的磁场正对，且相对气隙的极性相同。如图7、图9、图11和图13所示。
实施方式7
结合图1、图7、图9、图11、图14说明本实施方式，与实施例1不同点在于外转子永磁体7采用Halbach永磁体阵列，内转子永磁体9采用内置式切向充磁，或者内层永磁体和外层永磁体形式互换，外转子永磁体7和内转子永磁体9在内外气隙上形成的主磁场正对，外转子永磁体7和内转子永磁体9在内外气隙上形成的磁场正对，且相对气隙的极性相同。如图7、图9、图11和图14所示。

Claims (7)

1.一种基于双转子结构的多相容错永磁电机，其特征在于：包括左端盖(1)、右端盖(2)、机壳(3)、定子铁心(4)、定子绕组(5)、外转子铁心(6)、外转子永磁体(7)、内转子铁心(8)、内转子永磁体(9)、轴承A(10)、轴承B(11)、主轴(12)和法兰(13)；定子铁心(4)与定子绕组(5)组成定子部件，固定连接在左端盖(1)上；外转子铁心(6)和内转子铁心(8)呈圆筒形，外转子铁心(6)的一端和内转子铁心(8)的一端通过法兰(13)连成一个整体，该整体通过内转子铁心(8)固定在主轴(12)上；主轴(12)通过轴承A(10)与左端盖(1)转动连接；主轴(12)通过轴承B(11)与右端盖(2)转动连接；左端盖(1)和右端盖(2)通过机壳(3)固定连接在一起；定子铁心(4)内表面和外表面均开槽，且所开的外侧槽和内侧槽数目相等；定子绕组(5)相数大于3相，定子绕组(5)采用集中绕组，环绕嵌放在定子铁心(4)的外侧槽和内侧槽中，即线圈的一条边放在外侧槽中，另一条边放在内侧槽中；定子铁心(4)的每个槽中只有一相定子绕组(5)，定子铁心(4)外侧槽或内侧槽中属于同一相的定子绕组(5)串联在一起；外转子永磁体(7)径向充磁，并按N极和S极交替粘贴在外转子铁心(6)的内表面，外转子永磁体(7)和外转子铁心(6)组成外转子；内转子永磁体(9)径向充磁，并按N极和S极交替粘贴在内转子铁心(8)的外表面，内转子永磁体(9)和内转子铁心(8)组成内转子；外转子永磁体(7)和内转子永磁体(9)的永磁体极对数相等，外转子永磁体(7)和内转子永磁体(9)相对位置的永磁体相对气隙的极性相同。
2.根据权利要求1所述的一种基于双转子结构的多相容错永磁电机，其特征在于：定子铁心(4)的外侧槽和内侧槽为两套不同绕组，各自独立绕线，定子内外正对槽内仍属同一相。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于双转子结构的多相容错永磁电机，其特征在于：外转子永磁体(7)和内转子永磁体(9)采用内置式切向充磁，外转子永磁体(7)和内转子永磁体(9)在内外气隙上形成的磁场正对，且相对气隙的极性相同。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于双转子结构的多相容错永磁电机，其特征在于：外转子永磁体(7)和内转子永磁体(9)采用每极为二块永磁体90°充磁的Halbach永磁体阵列或三块60°充磁的Halbach永磁体阵列或四块45°充磁的Halbach永磁体阵列；外转子永磁体(7)和内转子永磁体(9)上两组Halbach永磁体阵列磁场减弱的一侧表面分别固定在外转子铁心(6)内表面和内转子铁心(8)的外表面，外转子永磁体(7)和内转子永磁体(9)在内外气隙上形成的磁场正对，且相对气隙的极性相同。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于双转子结构的多相容错永磁电机，其特征在于：外转子永磁体(7)采用表面式径向充磁，内转子永磁体(9)采用内置式切向充磁，或者内层永磁体和外层永磁体形式互换，外转子永磁体(7)和内转子永磁体(9)在内外气隙上形成的磁场正对。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于双转子结构的多相容错永磁电机，其特征在于：外转子永磁体(7)采用Halbach永磁体阵列，内转子永磁体(9)采用表面式径向充磁，或者内层永磁体和外层永磁体形式互换，外转子永磁体(7)和内转子永磁体(9)在内外气隙上形成的主磁场正对，外转子永磁体(7)和内转子永磁体(9)在内外气隙上形成的磁场正对，且相对气隙的极性相同。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于双转子结构的多相容错永磁电机，其特征在于：外转子永磁体(7)采用Halbach永磁体阵列，内转子永磁体(9)采用内置式切向充磁，或者内层永磁体和外层永磁体形式互换，外转子永磁体(7)和内转子永磁体(9)在内外气隙上形成的主磁场正对，外转子永磁体(7)和内转子永磁体(9)在内外气隙上形成的磁场正对，且相对气隙的极性相同。
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