CN105305749B - 定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机，其具有两个永磁转子，两个转子以永磁体面相对的方式安装在转轴上，转子之间安装一个高分子材料合成的圆环；高分子材料合成的圆环正反两面圆周方向有规律的设置有径向导槽，用于安装采用励磁线的定子绕组线圈；永磁转子由转子导磁背轭和安装在导磁背轭的分段永磁体组成；每对极下安装12块充磁方向各不相同的永磁体，定义第一块永磁体轴向充磁方向为0度，相邻永磁体的充磁方向依次改变30度，从而实现一种Halbach阵列，大幅减小气隙磁密的谐波含量。本发明定子无铁心轴向磁通电机具有气隙磁密正弦度高，绕组损耗小，定子结构强度高，散热效果好，功率/体积比大等优势。

Description

定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机

技术领域

本发明定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机涉及永磁电机领域，特别涉及一种定子无铁心永磁电机。

背景技术

轴向磁通电机是一种气隙为平面、磁场方向为轴向的电机，因为其外形类似于日常使用的盘子，因而一般也称为盘式电机。由于轴向磁通电机扁平的形状、紧凑的结构和高的转矩密度，其在电动汽车、高速离心机、阀门控制、机器人等场合具有广阔的应用前景。特别需要指出的是，轴向磁通电机转子外径较大导致其转动惯量也很大，因此在飞轮储能系统中作为电动/发电机具有明显的优势。需要注意的是，轴向磁通电机易于由单级轴向级联组合成多级级联式轴向磁通电机，使得这类电机朝向系列化、组合化方向发展。

传统电机由于有定子铁心的存在，运行时会产生较大的定子铁心损耗；另外，定子铁心上有齿槽，运行时会产生齿槽脉动，从而引起转矩脉动。采用定子无铁心技术构成的永磁电机具有效率高、转矩脉动低、过载能力强等优点，是一种具有较好前景的新型电机。轴向磁通电机的主磁场为轴向，其转子和定子一般都为盘状，沿轴向排列，其电枢由绕组在圆盘上叠放而成，易于制作成定子无铁心结构。

然而，对于定子无铁心轴向磁通永磁电机的两个关键技术是定子绕组成型和产生高正弦度气隙磁场的永磁转子设计。

现有技术中的无铁心轴向磁通永磁电机的无铁心定子绕组一般是将多相绕组线圈绕制成型后，按圆周方向将每相绕组线圈按照叠绕组或波绕组连接方式呈辐射状分布。为了加强定子绕组结构强度，将采用环氧树脂封装整个线圈，固化后形成一个整体的定子绕组盘。然而，这种定子无铁心绕组设计制造的工艺性差，加工成型后维护困难。此外，绕组完全封装在导热系数低的环氧树脂里面，散热性差，在大功率场合散热效果差的缺点表现的更为明显。另外，无铁心轴向磁通永磁电机的定子也可以做成印制电路板，但目前也只限于小功率场合。

现有技术中的无铁心轴向磁通永磁电机的永磁转子产生的气隙磁场通常分为方波和正弦波两类。一般的，为了减小定子绕组上的涡流损耗，采用产生正弦波气隙磁场的永磁转子可以显著提高电机运行效率。通过合理设计永磁体的形状或采用Halbach永磁体阵列可以产生正弦波气隙磁场。针对轴向磁通永磁电机采用的Halbach永磁体阵列，通常有：一个极下两块充磁方向相差90度的永磁体构成Halbach阵列、一个极下三块充磁方向相差60度的永磁体构成Halbach阵列和一个极下四块充磁方向相差90度的永磁体构成的Halbach阵列。然而，这些Halbach阵列产生的气隙磁密仍然具有较大的谐波含量；而且，对于极数较少，外形尺寸较大的电机，每极下永磁体分块数较少，每块永磁体极弧宽度大，不利于永磁体的加工充磁。

综上，尽管定子无铁心轴向磁通永磁电机具有高效、高转矩密度等优点，但是仍然有定子加工制作工艺性差、气隙磁场谐波含量大导致绕组涡流损耗大、定子绕组散热性差等缺点需要克服。

发明内容

本发明的目的是针对现有定子无铁心轴向磁通永磁电机的不足，提供一种定子无铁心转子Halbach永磁阵列轴向磁通电机。

本发明的定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机主要包括：定子盘、转子盘、空心轴以及机壳，转子盘分为上、下转子盘，在所述上、下转子盘之间为定子盘，外侧设有端盖，所述端盖、机壳封闭为一腔体，将定子盘、转子盘安装在腔体内，整体套装在空心轴的轴壁上，其特征在于：所述定子盘为无铁芯定子盘，其包括高分子材料合成的圆环支架、电枢绕组、定子内环固定套以及高分子材料薄板，所述高分子材料合成的圆环支架的两侧安装有电枢绕组，电枢绕组的外侧为高分子材料薄板；所述定子盘呈环形，内圆周处设有定子内环固定套，外圆周与电机的机壳固定连接；所述定子内环固定套对高分子材料合成的圆环支架、高分子材料薄板压紧固定。

所述高分子材料合成的圆环支架的两个侧面上均开有径向导槽，用于安装电枢绕组的线圈，高分子材料合成的圆环支架靠近外圆周处均匀开有一圈孔，用于通过线圈；称高分子材料合成的圆环支架支架的两个侧面为上、下两面，所述电枢绕组包括三相，则每相包含若干对上、下绕组，每相电枢绕组线圈的绕法为：

以一个下绕组作为起始绕组，从其靠近外圆周处一点开始沿逆时针方向向内或沿顺时针方向向外旋转，若干圈后从高分子材料合成的圆环支架上的孔延伸至高分子材料合成的圆环支架的上面，继续沿相同方向对应旋转，旋转圈数与下绕组相同，则第一对绕组绕制完成；以第一对绕组的结束点作为第二对绕组的起始点，往第一对绕组的相邻位置或者第一对绕组的一侧间隔若干个他相绕组的位置以相反方向旋，转旋转圈数与第一对绕组相同，直至从高分子材料合成的圆环支架上的孔延伸至高分子材料合成的圆环支架的下面，继续沿相同方向对应旋转，旋转圈数与上绕组相同，则第二对绕组绕制完成；依次类推，完成一相绕组的绕制；

各相绕组依次等距离均匀绕制在高分子材料合成的圆环支架上，定子盘还设有出线端口，每相绕组的起始端和截止端抽头从出线端口引出。

作为一种优选，每相包含三对上、下绕组，且每个绕组缠绕五圈。

进一步的，所述转子盘包括永磁体、转子背轭和保护套，所述上、下转子盘上均设有永磁体，两个永磁体夹着定子盘，永磁体固定在转子背轭上，转子背轭的内圆周处固定在空心轴的轴壁上；所述保护套固定在转子背轭上，用于保护永磁体不被离心力甩出，其分为内保护套和外保护套，分别安装在永磁体的内圆周和外圆周上。

更进一步的，所述永磁体包括若干块，形成若干对极的Halbach阵列固定在转子背轭上，各永磁体在圆周方向上平均分布。

作为一种优选，该电机的转子为四对极，即所述永磁体在转子背轭上形成四对极，每对极包括十二块永磁体，各永磁体占相同极弧宽度安装转子背轭上。

对每对极中的十二块永磁体充磁，以第一块永磁体轴向充磁为0度，相邻永磁体的充磁方向依次改变30度。

在所述高分子材料合成的圆环支架上设置有水槽，与两片高分子材料薄片形成一个封闭的水道实现电机定子盘电枢绕组的水冷散热。

所述水槽沿圆周径向方向设置。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、定子绕组采用集中绕组，每组集中绕组线包多匝线圈嵌绕在高强度的高分子材料合成的圆环支架导槽内，使定子绕组线圈有效部分的受力全部作用到高分子材料合成的圆环支架高分子材料合成的圆环支架上，提高定子绕组的结构强度，易于实现电机的大扭矩高速可靠运行；而且绕组端部每相每匝线圈没有轴向重叠，整个定子绕组盘完全扁平，方便安装在一个密封腔体内实现整个绕组的液体冷却。

2、转子采用Halbach永磁体阵列，每对极下由12段等分的永磁体拼装而成，不仅可以有效提高气隙磁场的正弦度，减小定子绕组由高次谐波磁场引起的涡流损耗，提高电机运行效率；而且，考虑到不同永磁体加工充磁的工艺性，每极下永磁体分段数增多，有利于每段永磁体的加工，同时也有利于电机转子少极的设计。

3、定子绕组沿用常规的绕组下线工艺，定子盘上所有定子线圈采用绝缘材料封装固化成一个整体，从而有利于绕组的拆卸和维修。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明的定子无铁心Halbach永磁阵列的轴向磁通电机整体结构的剖视图；

图2是本发明的实施例定子盘两面A相绕组连接示意图；

图3是本发明的实施例高分子材料合成的圆环支架安装三相绕组后形成的定子绕组盘结构示意图；

图4是本发明实施例定子盘上为12组线圈的定子盘的正反两面三相绕组连接示意图；

图5是本发明的实施例的Halbach永磁阵列转子盘结构示意图；

图6是本发明的实施例的两个转子盘一对极下的Halbach永磁阵列的充磁方向示意图；

图7是本发明的实施例的机壳结构示意图；

图8是本发明的实施例的前后端盖结构示意图；

图9是本发明的实施例的空心轴结构结构示意图；

图中元件符号说明：

1——定子绕组、2——嵌绕定子绕组的高分子材料合成的圆环支架、3——环氧树脂薄板、4——永磁体、5——转子背轭、6——转子永磁体外环保护不锈钢套、7——转子永磁体内环保护不锈钢套、8——定子固定内环不锈钢套、9——轴承、10——空心轴、11——后端盖、12——前端盖、13——外壳。

具体实施方式

本发明提供一种定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示为本发明的定子无铁Halbach永磁阵列的轴向磁通永磁电机整体结构的剖视图，包括由定子绕组1、嵌绕定子绕组的高分子材料合成的圆环支架2、定子内环固定套即定子固定内环不锈钢套8和环氧树脂薄板3组成的内定子盘，2个由Halbach阵列的永磁体4、转子背轭5、转子永磁体外环保护不锈钢套6、转子永磁体内环保护不锈钢套7组成的外转子盘，轴承9，空心轴10，前端盖12，后端盖11以及外壳13。

图1实施例的定子无铁心转子磁极采用Halbach永磁阵列的轴向磁通永磁电机为90槽8极拓扑结构，90槽分为9组，每组共有10槽。定子盘主要由嵌绕定子绕组的高分子材料合成的圆环支架2，环氧树脂薄板3、定子固定内环不锈钢套8和定子绕组1组成。在嵌绕定子绕组的高分子材料合成的圆环支架的正反两面开有导槽，用于安装定子绕组线圈的高分子材料合成的圆环支架正反两面分别有90个绕组导槽、90个水槽、和9个绕组轴向穿孔。90个绕组导槽分成9组，每组10个导槽可以安装5匝绕组线圈。如图2所示，为定子盘正反两面的相绕组的绕线安装方式，每面的定子绕组盘上每相有3组线圈，每组线圈共有5匝。

以一个下绕组作为起始绕组，从其靠近外圆周处一点开始沿逆时针方向向内旋转，若干圈后从高分子材料合成的圆环支架上的孔延伸至高分子材料合成的圆环支架的上面，继续沿逆时针方向向外旋转，旋转圈数与下绕组相同，则第一对绕组绕制完成；以第一对绕组的结束点作为第二对绕组的起始点，往第一对绕组的相邻位置或者第一对绕组的一侧间隔若干个他相绕组的位置顺时针向内旋转，若干圈后从氧树脂板支架上的孔延伸至高分子材料合成的圆环支架的下面，继续沿顺时针方向向内旋转，旋转圈数与上绕组相同，则第二对绕组绕制完成；以第二对绕组的结束点作为第三对绕组的起始点，往第二对绕组的相邻方向逆时针向内旋转，若干圈后从氧树脂板支架上的孔延伸至高分子材料合成的圆环支架的上面，继续沿顺时针方向向外旋转，旋转圈数与下绕组相同，则一相绕组绕制完成。

本实施例为三相电机，属于同一相的绕组在定子绕组盘上相邻缠绕，其他类型的电机也可将属于不同相的绕组相邻缠绕。该实施例按照图3所示的绕线方式，可以保证每相上下两个定子绕组盘6组线圈之间没有交叠连接。线圈先从下盘的a1号线圈最外层开始，嵌绕a5匝之后从内层的右边出线轴向穿到上盘，连接于上盘a4号线圈左边最内层，然后嵌绕a5匝后从右边最外层出线；连接于上盘a5号线圈右边的最外层，然后嵌绕5匝后从左边最内层出线，然后轴向穿到下盘，连接于下盘的a2号线圈的右边最内层，然后嵌绕5匝后从左边最外层出线；通过上端部连接于下盘a3号线圈左边最外层，然后嵌绕5匝后从右边最内层出线，然后轴向穿到下盘，连接于下盘的a6号线圈的左边最内层，嵌绕5匝后从右边最外层出线。这样，可以形成一套A相的定子绕组，A相定子绕组安装在高分子材料合成的圆环支架正反两面的相邻的3组导槽内。其他两相绕组绕线方式完全类似，三相绕组安装完成后定子绕组盘如图4所示。

如图4所示给出另外一个实施例的定子正反两面的三相绕组连接示意图，其原理与上述实施例相同。区别在于，每个定子盘面上三相绕组共6束线圈，A、B、C每相绕组各两束，且两束相对分布在定子盘圆周上。实际上三相绕组电枢绕组线圈的分配依据电机的极槽数配合原理获取。

三相绕组1全部安装在嵌绕定子绕组的高分子材料合成的圆环支架2后，三相绕组的6个抽头从定子盘上的出线端口引出。将两片环氧树脂薄板3粘贴在定子盘1的两面，然后安装在电机外壳13内，在内环通过不锈钢环8固定住定子盘1。

转子盘主要由永磁体4、转子背轭5、转子永磁体外环保护不锈钢套6、转子永磁体内环保护不锈钢套7组成。永磁体4安装粘贴在转子导磁背轭5上，永磁体的内环和外环分别嵌套上不锈钢保护套6和不锈钢保护套7用于保护永磁体。根据图1实施例的定子无铁心转子磁极采用Halbach永磁阵列的轴向磁通永磁电机的转子为4对极，每对极下的永磁体分为12块。在一个转子盘上有48段相同极弧宽度的永磁体沿圆周方向安装在转子导磁背轭上，如图5所示；内不锈钢环7和外不锈钢环嵌套6由螺丝固定在转子背轭上在内外圆周上包围永磁体以保护永磁体在高速运转时不被离心力甩出，形成一个坚固可靠的永磁转子盘。两个转子盘以永磁体面相对的方式安装在转轴上，两个永磁转子盘之间预留有足够大的间隙用以安置定子盘；两个永磁转子盘的极对数相同，同时两个永磁转子盘每对极的中心线对齐。每对极下沿圆周方向安装有12块等分的永磁体，每块永磁体充磁方向不同。第一个永磁体盘上的第一块永磁体轴向充磁为0度，沿顺时针方向依次相邻永磁体的充磁方向改变30度，从而实现一种Halbach阵列；对应于第一个永磁体盘上的第一块永磁体的第二个永磁体盘上永磁体从轴向充磁为0度，沿逆时针方向依次相邻永磁体的充磁方向改变30度，从而实现一种磁场方向与第一个永磁体盘磁场方向相同的Halbach阵列。如图6所示为两个正对的转子盘上一对极下每段永磁体的充磁方向示意图，另外三对极下永磁体的充磁方向延续遵循图6中24块永磁体的充磁方向变化规律。

如图7所示中间铝环上有绕组出线口和冷却液进出口，电机外壳14设置有一个凹槽便于定子盘的定位和安装。

进一步地，说明本发明实施例的定子无铁心转子Halbach永磁体阵列的轴向磁通永磁电机的装配方法。

参见图1所示本发明的实施例描述定子无铁心转子磁极采用Halbach永磁阵列的轴向磁通永磁电机的装配工艺和方法。如前所述，首先将A、B、C三相绕组1线圈按照图2或图4所示的绕线方式下线安装到高分子材料合成的圆环支架2上，整形轴向挤压扁平形成一个完整的定子绕组盘；用两个高分子材料薄板盖压在定子绕组盘上下面后安装在电机外壳13内。在导磁转子背轭5上安装Halbach阵列永磁体，将转子永磁体外环保护不锈钢套6和转子永磁体内环保护不锈钢套7分别安装在永磁体外环和内环，形成如图5所示的永磁转子盘。在如图9所示的空心轴10上从左到右顺序安装前端盖12和前轴承9、第一个永磁转子盘、定子绕组盘和电机外壳14、和后端盖11和后轴承9。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机，包括定子盘、转子盘、空心轴以及机壳，转子盘分为上、下转子盘，在所述上、下转子盘之间为定子盘，外侧设有端盖，所述端盖、机壳封闭为一腔体，将定子盘、转子盘安装在腔体内，整体套装在空心轴的轴壁上，其特征在于：所述定子盘为无铁芯定子盘，其包括高分子材料合成的圆环支架、电枢绕组、定子内环固定套以及高分子材料薄板，所述高分子材料合成的圆环支架的两侧安装有电枢绕组，电枢绕组的外侧为高分子材料薄板；所述定子盘呈环形，内圆周处设有定子内环固定套，外圆周与电机的机壳固定连接；所述定子内环固定套对高分子材料合成的圆环支架、高分子材料薄板压紧固定；

所述高分子材料合成的圆环支架的两个侧面上均开有径向导槽，用于安装电枢绕组的线圈，高分子材料合成的圆环支架靠近外圆周处均匀开有一圈孔，用于通过线圈；称高分子材料合成的圆环支架支架的两个侧面为上、下两面，所述电枢绕组包括三相，则每相包含若干对上、下绕组，每相电枢绕组线圈的绕法为：

以一个下绕组作为起始绕组，从其靠近外圆周处一点开始沿逆时针方向向内或沿顺时针方向向外旋转，若干圈后从高分子材料合成的圆环支架上的孔延伸至高分子材料合成的圆环支架的上面，继续沿相同方向对应旋转，旋转圈数与下绕组相同，则第一对绕组绕制完成；以第一对绕组的结束点作为第二对绕组的起始点，往第一对绕组的相邻位置或者第一对绕组的一侧间隔若干个他相绕组的位置以相反方向旋，转旋转圈数与第一对绕组相同，直至从高分子材料合成的圆环支架上的孔延伸至高分子材料合成的圆环支架的下面，继续沿相同方向对应旋转，旋转圈数与上绕组相同，则第二对绕组绕制完成；依次类推，完成一相绕组的绕制；

各相绕组依次等距离均匀绕制在高分子材料合成的圆环支架上，定子盘还设有出线端口，每相绕组的起始端和截止端抽头从出线端口引出。

2.根据权利要求1所述的一种定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机，其特征在于：每相包含三对上、下绕组，且每个绕组缠绕五圈。

3.根据权利要求1所述的一种定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机，其特征在于：所述转子盘包括永磁体、转子背轭和保护套，所述上、下转子盘上均设有永磁体，两个永磁体夹着定子盘，永磁体固定在转子背轭上，转子背轭的内圆周处固定在空心轴的轴壁上；所述保护套固定在转子背轭上，用于保护永磁体不被离心力甩出，其分为内保护套和外保护套，分别安装在永磁体的内圆周和外圆周上。

4.根据权利要求3所述的一种定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机，其特征在于：所述永磁体包括若干块，形成若干对极的Halbach阵列固定在转子背轭上，各永磁体在圆周方向上平均分布。

5.根据权利要求4所述的一种定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机，其特征在于：该电机的转子为四对极，即所述永磁体在转子背轭上形成四对极，每对极包括十二块永磁体，各永磁体占相同极弧宽度安装转子背轭上。

6.根据权利要求5所述的一种定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机，其特征在于：对每对极中的十二块永磁体充磁，以第一块永磁体轴向充磁为0度，相邻永磁体的充磁方向依次改变30度。

7.根据权利要求1或2所述的一种定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机，其特征在于：在所述高分子材料合成的圆环支架上设置有水槽，与两片高分子材料薄片形成一个封闭的水道实现电机定子盘电枢绕组的水冷散热。

8.根据权利要求7所述的一种定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机，其特征在于：所述水槽沿圆周径向方向设置。