CN103683767A - 基于有效磁域技术的模块化多层盘式电机 - Google Patents

Abstract

一种基于有效磁域技术的模块化多层盘式电机，以一个盘面固定有多个永久磁铁的盘式转子和紧邻的盘式定子绕组作为一个动能转换单元，多个动能转换单元依次轴向对齐叠加构成，其中每个转子上的永久磁体的形状一致且轴向对齐；在下述长度的轴向距离内安装有至少2组动能转换单元：该长度是所述永久磁体厚度的12～14倍。本发明确定了盘式电机的结构基本参数，在本发明所提出的结构参数范围内盘式电机的使用有相比柱式电机至少高出20%以上的效率。

Description

基于有效磁域技术的模块化多层盘式电机

技术领域

本发明涉及发电机或电动机技术，具体说是一种基于有效磁域技术的模块化多层盘式电机。

背景技术

传统电机为圆柱形电机，内转子的转子散热困难，转子中若使用永磁体在高温下存在不可逆退磁，电机性能下降，而外转子电机的情况与内转子电机相反，定子组件散热困难，且定子尺寸受到限制。

盘式电机是1821年由法拉第发明，盘式电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向交替排列。受限于当时的材料和工艺水平，盘式电机未能得到进一步的发展。随着能源和环境问题的日益突出，新能源逐渐成为了人们关注的焦点。特别是风电作为现阶段最成熟最具商业化发展前景的新能源产业之一，得到了各国政府及各大公司的高度重视。尤其是小型风力发电系统，机动性高，使用灵活，不仅在牧区、渔船、海岛等偏远地区有着广阔的应用前景，在城镇照明、监控等小功率用电设备上也有着无可比拟的优势。盘式电机结构简单紧凑、体积小、且转矩密度高，特别是双外转子无定子铁芯的盘式永磁电机，消除了齿槽转矩和定子铁耗，启动转矩低，效率高；外转子上可以直接安装动力机，系统简单可靠。

现有盘式电机的盘式定子的磁通密度和功率密度依然存在进一步提高的空间。虽然已有人提出盘片式电机的叠加使用方案，但是在使用和效果上还没有人提出使盘式电机超越传统柱式电机的明确依据和结论。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够显著提高输出效率且明确确定多层盘片式电机叠合使用方式的盘式电机，即基于有效磁域技术的模块化多层盘式电机。

本发明的技术方案是以如下形式来实现的：

所述基于有效磁域技术的模块化多层盘式电机，包括：外壳、底座、端盖、转轴、轴承、转子、定子绕组，所述端盖与所述外壳连接固定，转轴与端盖通过所述轴承装配；所述转子为盘状且与所述的转轴连接固定，转子上固定嵌装有暴露于转子盘面两侧的永久磁体，电机端侧的定子绕组与端盖固定，其特征是：

以一个转子和紧邻的一个定子绕组为一个动能转换单元，所述多层盘式电机由多个动能转换单元依次轴向对齐叠加构成，其中每个转子上的永久磁体的形状一致且轴向对齐；

所述转子的半径与所述动能转换单元的厚度之比值大于等于2.67，小于等于6；

在下述长度的轴向距离内安装有至少2组动能转换单元：该长度是所述永久磁体厚度的12～14倍。

作为一种实施例，所述永久磁体是钕铁硼磁体。

具体实施例是，所述钕铁硼磁体的牌号是N35、N40、N35H、N40H或N48。理论上，其他牌号的钕铁硼磁铁也都具有相似的特性。

作为优化方案，所述定子绕组包括带中心通孔的圆盘状的定子铁芯和缠绕于定子铁芯的绕组，所述定子铁芯的两面分别放射状地均匀开设有多条上线槽和下线槽，所述上线槽和下线槽数量相同且相互交错排布。

作为优化方案，所述定子绕组的侧面设有多个定位孔，用于将定子绕组与外壳或导磁材料固定。

作为优化方案，每一片转子上的永久磁体设置偶数个，且相邻永久磁体的磁极方向相反排布。

作为优化方案，所述永久磁体的形状是以转轴轴心为圆心的扇形。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、在磁场叠加情况下，由于每一组定子绕组额外得到了相邻动能转换单元的磁场力的叠加，磁通量的变化率大幅增加，输出功率得到显著的提升，多层盘式电机的输出功率由于满足有效磁域的条件至少提高了20%以上。本发明首次明确的提出了多层盘式电机利用磁场叠加实现输出功率有效提升的具体条件和数值范围。

2、通过多组标准盘片的叠加，让标准盘片中的磁通密度达到饱和，实现磁通密度的再次提高，并通过对磁体之间的微循环磁力线的磁场引导，引导更多的微循环磁力线通过线圈，使磁通量最大化。

3、由于盘式电机的磁路是垂直的，是匀强磁场分布，相比柱形电机的放射性磁路有更大的磁通密度，因而发动机输出功率密度更大。在此基础上明确了盘式电机的结构基本参数。

4、本发明提出了盘式电机机组的模块化生产方案，多层动能转换单元模块化叠加，一方面动能转换单元标准化生产后降低了成本，提高了生产效率，另一方面多组模块的并联组装可实现系统安全和容错性能的提升，可以针对不同的规格型号方便地实现系统的升级。多组叠加使得系统可以方便地实现冗余化设计和生产，保证系统的稳定工作。

5、由于铁芯上下端面均开设交错设置的线槽，改良后的定子空间利用率更高，因此可以实现正反绕线，提高了铁芯的体积利用率，通过增加定位孔可以减小震动，增强整体结构的稳定性；通过对铁芯两端面线槽的改良设计，可以改善磁路结构；同时也提高了输出功率的体积（或质量）能量比。

本发明对盘式电机的推广应用有着重要的意义。

附图说明

图1是本发明盘式发电机的结构示意图；

图2是有效磁域示意图；

图3是定子铁芯的结构示意图；

图4是定子铁芯的磁力线走向示意图；

图5是盘式电机和柱式电机线圈面积最大化绕组示意图。

图中：1—铁芯，2—上线槽，3—下线槽，4—定位孔，5—盘式电机线圈，6—柱式电机线圈，8—动能转换单元，9—外壳，10—端盖，11—底座，12—转轴，13—轴承，14—定子绕组，15—转子。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：如图1、2中所示，所述基于有效磁域技术的模块化多层盘式电机，包括：外壳9、底座11、端盖10、转轴12、轴承13、转子15、定子绕组14，所述端盖10与所述外壳9连接固定，转轴12与端盖10通过所述轴承13装配；所述转子15为盘状且均与所述的转轴12连接固定，转子上固定嵌装有暴露于转子盘面两侧的永久磁体，端侧的定子绕组14与端盖固定。

所述多层盘式电机以一个转子15和紧邻的一个定子绕组14为一个动能转换单元8，多个动能转换单元依次轴向对齐叠加构成，其中每个转子上的永久磁体的形状一致且轴向对齐。从目前披露的文献来看，盘式电机甚至多层的盘式电机已经成为一个公开的方案。但是如何有效提高多层盘式电机的输出效率，我们无法从传统的柱式电机上得到更多启示。

通过发明人的反复实验，要使盘式电机的效率优于柱式电机，需要首先满足以下的基本条件：

转子的半径与所述动能转换单元8的厚度之比值大于等于2.67。

由法拉第电磁感应定律有：

$e=-N\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}},$

其中e为感应电势，N为线圈匝数,

为磁通量的变化率，而

$\mathrm{\φ}=\underset{s}{\∫}\mathrm{Bds},$

式中S为线圈面积，B为磁感应强度（或磁通密度）。与柱式电机相比，在不考虑N的情况下，只要增加B或S的值即可增加感应电势e的值。对于磁感应强度B，由于盘式电机是匀强磁场分布，相同的磁场相比柱形定子的放射性磁路有更大和更加稳定的磁通密度，所以同样材料下盘式电机的磁场强度大于柱式电机的磁场强度。

对于线圈面积S，如果需要满足盘式电机的线圈面积大于柱式电机的线圈面积，可以做如下推算：假设线圈面积的设计是针对每一个磁铁且所有绕组相互串联的理想化设计，如图5所示，面积理想化后为整个盘面或柱面的面积，则必须（πR_盘2-πr_盘2）>2πR_柱h_柱，其中R_盘为转子外缘半径，r_盘为转子内缘半径，R_柱为柱式电机的定子内壁半径，h_柱为柱式电机定子的轴向长度。盘式电机的一个动能转换单元包括形状相同的一个转子和一个定子，转子和定子均为环形盘状结构，在R_盘=R_柱，以及r_盘=R_盘/2时，可以推导出：R_盘/h_盘>8/3，即盘式电机的转子和动能转换单元厚度的比值为R_盘/h_盘>8/3即可保证线圈面积S大于柱式电机。由此，本发明提出盘式电机的标准盘概念，即满足：在标准体积内设计动能转换单元8，转子的半径与动能转换单元8的厚度之比值大于等于2.67，取比值上限为6。满足该条件的盘式电机的磁转换效率才有可能超过柱式电机。

另外，本发明基于磁场力叠加的现象，在反复实验的基础上提出有效磁域的概念。如图2实验中，三个永磁铁cN、bN、aN首先采用牌号为N35或N40的钕铁硼磁铁进行试验，磁铁厚度分别为ah、bh、ch，ah=bh=ch=7mm，永磁铁aN与bN相距距离为yb，假设此时aN在bN的磁场和重力场作用下保持平衡，此时在距bN的上方mh处设置永磁铁cN，若此时aN打破受力平衡向上运动，说明aN的所受到的磁力因为aN的加入而得到增强，试验得出一种钕铁硼磁铁N35做试验aN的距离mh约为12ah～13ah，另一种钕铁硼磁铁N40试验aN的距离mh约为13ah～14ah，用其他牌号的钕铁硼磁铁也可以得出相近似的结论。将这个试验应用于多层盘式电机，发现在磁场叠加情况下，由于每一组定子绕组所穿过的磁力线额外得到了相邻动能转换单元8的磁场力的叠加，输出功率得到显著的提升，多层盘式电机的输出功率在满足有效磁域的条件下至少提高了20%以上。本发明首次明确的提出了多层盘式电机利用磁场叠加实现输出功率有效提升的具体条件和数值范围：

在下述长度的轴向距离内安装有至少2组动能转换单元8：该长度是所述永久磁体厚度的12～14倍。

作为一种实施例，所述永久磁体的材料是钕铁硼磁体。典型永磁体材料是使用N35或N40。使用矫顽磁力更强的永磁体材料将会得到更加明显和有效的结果。

如图3、4，所述定子绕组14包括带中心通孔的圆盘状的定子铁芯和缠绕于定子铁芯的铜绕组，所述定子铁芯的两面分别放射状地均匀开设有多条上线槽2和下线槽3，所述上线槽2和下线槽3数量相同且相互交错排布。

绕线时，可以上端面相邻两个上线槽2进行绕制，下端面的相邻两个下线槽3进行绕制；也可以上端面的一个上线槽2与斜向对应的下端面的下线槽3进行绕制。使用双面错槽设置的定子铁芯使定子铁芯的利用率答复增加，以小的体积更加紧凑的实现更多线圈的绕制，使输出功率得到有效提升。

尤其是，定子双面绕制后，在多层盘式电机中，同时接收多组动能转换单元8所发出的磁力线，多组磁力线由于排列一致，将杂散的磁力线高度一致地同向顺化。而且由于每一个动能转换单元总有相邻的动能转换单元在有效磁域的范围内，使得定子绕组的磁通量几乎成倍增加，在绕组和磁通量都大幅增加的情况下，机组整体的输出效率也大幅提高。定子线槽双面错槽布置可以尽量减小定子厚度，减轻定子的重量，同时保证定子的结构强度。

如图3，所述定子绕组14的侧面设有多个定位孔4，用于将定子绕组与外壳9或导磁材料固定。定位孔的设置使得多层盘式电机的模块化组合易于实现，每一组动能转换单元可以独立制作，并进行组合。每组动能转换单元之间的转轴可以通过螺纹连接或卡扣连接的方式拼合为一体。

作为优化方案，每一片转子上的永久磁体设置偶数个，且相邻永久磁体的磁极方向相反排布。为了在更小的体积上提高输出效率，由于永久磁铁的紧密排布，盘片间几乎成为匀强磁场，线圈在匀强磁场内运动不会有电动势输出，如果永久磁铁较稀疏排布可以解决此问题，但是同样体积的能量输出会减少。使用永久磁铁的交错反向排布，有两个好处，一方面转子旋转时磁通率的变化成倍增加，可以尽量使永久磁体的排布密集，提高单位体积的输出效率；另一方面，可以使多层转子盘片的安装对位变得简便，交错排布的磁场在有效磁域内可以在磁力的作用下有明显相互作用力，使得不同层的转子盘片易于对齐安装。

作为优化方案，所述永久磁体的形状为圆心为转轴轴心的扇形。扇形的永久磁体可以最大限度的利用转子盘片面积，提高线圈磁通量，可以以较小体积和数量的定子获得较大的输出电压。

由本发明的盘式错槽电子制成的盘式电机可运用在汽车上，与传统发电机相比功率密度至少提高一倍，在飞机中使用，在保证稳定输出的情况下，可减少飞机自重和所占空间，降低油耗。

Claims (7)

1.一种基于有效磁域技术的模块化多层盘式电机，包括：外壳（9）、底座（11）、端盖（10）、转轴（12）、轴承（13）、转子（15）、定子绕组（14），所述端盖（10）与所述外壳（9）连接固定，转轴（12）与端盖（10）通过所述轴承（13）装配；所述转子（15）为盘状且与所述的转轴（12）连接固定，转子上固定嵌装有暴露于转子盘面两侧的永久磁体，电机端侧的定子绕组（14）与端盖固定，其特征是：

以一个转子（15）和紧邻的一个定子绕组（14）为一个动能转换单元（8），所述多层盘式电机由多个动能转换单元依次轴向对齐叠加构成，其中每个转子上的永久磁体的形状一致且轴向对齐；

所述转子的半径与所述动能转换单元（8）的厚度之比值大于等于2.67，小于等于6；

在下述长度的轴向距离内安装有至少2组动能转换单元（8）：该长度是所述永久磁体厚度的12～14倍。

2.根据权利要求1所述的基于有效磁域技术的模块化多层盘式电机，其特征是：所述永久磁体是钕铁硼磁体。

3.根据权利要求2所述的基于有效磁域技术的模块化多层盘式电机，其特征是：所述钕铁硼磁体的牌号是N35、N40、N35H、N40H或N48。

4.根据权利要求1所述的基于有效磁域技术的模块化多层盘式电机，其特征是：所述定子绕组（14）包括带中心通孔的圆盘状的定子铁芯和缠绕于定子铁芯的绕组，所述定子铁芯的两面分别放射状地均匀开设有多条上线槽（2）和下线槽（3），所述上线槽（2）和下线槽（3）数量相同且相互交错排布。

5.根据权利要求1或4所述的基于有效磁域技术的模块化多层盘式电机，其特征是：所述定子绕组（14）的侧面设有多个定位孔（4），用于将定子绕组与外壳（9）或导磁材料固定。

6.根据权利要求1所述的基于有效磁域技术的模块化多层盘式电机，其特征是：每一片转子上的永久磁体设置偶数个，且相邻永久磁体的磁极方向相反排布。

7.根据权利要求1或6所述的基于有效磁域技术的模块化多层盘式电机，其特征是：所述永久磁体的形状是以转轴轴心为圆心的扇形。

Images