CN105680656A - 一种轴向结构永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轴向结构永磁电机，适用于电动机和发电机领域，所述轴向结构永磁电机由两个定子和一个转子构成，转子位于两定子中间，定子与转子间存在气隙，本发明的定子和转子的搭配，可以提高电机的功率密度和机械特性，降低电机制作成本；本发明采用的非晶和纳米晶材料制作的定子的低损耗特性可以显著提高电机效率，高磁导率特性还可以提高电机启动转矩，宽频特性还可以提高电机高转速下的输出机械特性硬度。

Description

一种轴向结构永磁电机

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体而言，本发明涉及一种轴向结构永磁电机，尤其是涉及采用非晶和纳米晶金属材料装配成的轴向结构永磁发电机或电动机。

背景技术

非晶和纳米晶金属软磁材料具有高磁导率、低剩磁、低损耗、宽频特性等优异性能，被用于高频变压器、共模电感、滤波器和互感器等器件，对电源的高频小型化和高效化的发展起到了很好的促进作用。随着电动汽车、风电等新能源行业的市场兴起，高效非晶和纳米晶永磁电机越来越被重视；传统非晶和纳米晶永磁电机多为径向结构，且定子铁芯多为硅钢软磁金属材料；非晶和纳米晶金属材料应用于电机定子，可以提高电机的功率密度和机械特性，降低电机制作成本；非晶和纳米晶材料的低损耗特性可以显著提高电机效率，高磁导率特性还可以提高电机启动转矩，宽频特性还可以提高电机高转速下的输出机械特性硬度，

尤其是电动汽车用永磁电动机和数控机床高转速电动机效果更佳明显。将非晶和纳米晶金属材料用于传统径向结构电机，最大的瓶颈是加工问题，目前的加工技术效率低，成本高，很难推动非晶和纳米晶电机的产业化；因此解决非晶电机产业化发展的关键点就在于找到一种适合非晶金属材料的加工方式或者一种新型的电机结构，推动非晶电机行业的产业化进程。

现有技术中，申请号为US7018498B2、名称为一种三维非晶块体及其制造方法的美国专利文件公布了一种适用于轴向电机定子的非晶块体制造方法，将非晶带材卷绕成环形，将环形铁芯浸漆固化成型，采用机械切割方式将环型铁芯沿半径方向切割，保持切槽深度满足绕线要求，剩余未且断的环形非晶铁芯用来做定子齿之间的导磁轭，定子齿为锲型，非晶切割铁芯用于轴向结构电机定子，该专利文件通过设计一种新型的电机轴向结构，很好的利用了带材导磁方向，进而解决了非晶定子铁芯加工难的问题；该专利文件虽然在一定程度上解决了加工问题，但是在加工定子齿时要求切割精度很高，而且加工周期长，造成材料的大量浪费，成本依然是最大的问题。

现有技术中，申请号为US2010/0148611A1、名称为一种轴向电机定子铁芯的美国专利文件公布了一种适用于轴向电机定子的非晶块体制造方法，将非晶带材卷绕成环形，将环形铁芯浸漆固化成型，采用机械切割方式将环型铁芯沿半径方向切割，将环形铁芯切割成多个扇形块体，然后在块体外部绕制线包，将铁芯和线包镶嵌在绝缘盘内作为定子，专利文件提供了一种轴向双子转子结构电机，转子采用片状永磁材料；该专利文件也是通过设计一种新型的电机轴向结构，很好的利用了带材导磁方向，进而解决了非晶定子铁芯加工难的问题；该专利文件虽然在一定程度上解决了加工问题，但是依然存在铁芯的切割和铁芯切割面处理的成本问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴向结构永磁电机，以至少解决现有技术存在的定子铁芯加工困难的技术问题，同时能够解决现有技术存在的加工成本高的技术问题。

一种轴向结构永磁电机，包括上定子、下定子和转子；转子位于上定子和下定子中间，上定子和下定子分别与转子间存在气隙。

如上述的轴向结构永磁电机，进一步优选为：所述上定子包括上固定板，所述上固定板为带有中心孔的圆形结构，所述上固定板用于提供固定支撑；多个上金属铁芯，所述上金属铁芯为软磁铁芯，所述上金属铁芯固定安装在所述上固定板的圆周面上，多个所述上金属铁芯呈均布设置；和多个上定子绕组，对应缠绕在所述上金属铁芯上。

如上述的轴向结构永磁电机，进一步优选为：所述下定子包括下固定板，所述下固定板为带有中心孔的圆形结构，所述下固定板用于提供固定支撑；多个下金属铁芯，所述下金属铁芯的个数与所述上金属铁芯的个数相同，所述下金属铁芯为软磁铁芯，所述下金属铁芯固定安装在所述下固定板的圆周面上，多个所述下金属铁芯呈均布设置；和多个下定子绕组，对应缠绕在所述下金属铁芯上。

如上述的轴向结构永磁电机，进一步优选为：所述转子包括电机轴，用于提供支撑；转子圆盘，固定套接在所述电机轴的中部位置，在所述转子圆盘的圆周面上设有大小两圈安装孔；多个大永磁体，多个所述大永磁体固定安装在大圈的安装孔上；和多个小永磁体，多个所述小永磁体固定安装在小圈的安装孔上。

如上述的轴向结构永磁电机，进一步优选为：所述上金属铁芯和下金属铁芯为非晶金属软磁铁芯，所述大永磁体和所述小永磁体为钕铁硼永磁体。

如上述的轴向结构永磁电机，进一步优选为：所述上金属铁芯和所述下金属铁芯为纳米晶金属软磁铁芯，所述大永磁体和所述小永磁体为铁氧体永磁体。

如上述的轴向结构永磁电机，进一步优选为：所述上金属铁芯为U型结构，所述上金属铁芯通过弯曲部安装在所述上固定板上，所述上定子绕组分别缠绕在所述上金属铁芯的两个直腿部上；所述下金属铁芯为U型结构，所述下金属铁芯通过弯曲部安装在所述下固定板上，所述下定子绕组分别缠绕在所述下金属铁芯的两个直腿部上。

如上述的轴向结构永磁电机，进一步优选为：所述大永磁体和所述小永磁体均镶嵌入所述转子圆盘上并贯穿所述转子圆盘。

如上述的轴向结构永磁电机，进一步优选为：所述上金属铁芯和所述下金属铁芯的个数为3的倍数；所述大永磁体和所述小永磁体的个数为4的倍数。

如上述的轴向结构永磁电机，进一步优选为：相邻所述大永磁体的极性相反，相邻所述小永磁体的极性相反，相邻的所述大永磁体和所述小永磁体的极性相反。

本发明的优点在于：可以提高电机的功率密度和机械特性，降低电机制作成本；非晶和纳米晶材料的低损耗特性可以显著提高电机效率，高磁导率特性还可以提高电机启动转矩，宽频特性还可以提高电机高转速下的输出机械特性硬度。

附图说明

图1为本发明优选实施例的轴向结构永磁电机的结构示意图。

图2为本发明优选实施例的上定子的结构示意图。

图3为本发明优选实施例的转子的结构示意图。

图4为本发明优选实施例的转子永磁体极性分布的结构示意图。

图5为本发明优选实施例的两个定子与一个转子装配过程图。

图6为本发明优选实施例的内部结构剖视图。

图中：1-上金属铁芯；2-上定子绕组；3-大永磁体；4-小永磁体；5-转子圆盘；6-上固定板；7-电机轴；8-下金属铁芯；9-下定子绕组。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明优选实施例的轴向结构永磁电机主要包括上定子、下定子和转子；转子位于上定子和下定子中间，上定子和下定子分别与转子间存在气隙；其中，上定子包括上固定板6，上固定板6为带有中心孔的圆形结构，上固定板6用于提供固定支撑；多个上金属铁芯1，上金属铁芯1为软磁铁芯，上金属铁芯1固定安装在上固定板6的圆周面上，多个上金属铁芯1呈均布设置；和多个上定子绕组2，对应缠绕在上金属铁芯1上；下定子包括下固定板，下固定板为带有中心孔的圆形结构，下固定板用于提供固定支撑；多个下金属铁芯8，下金属铁芯8的个数与上金属铁芯1的个数相同，下金属铁芯8为软磁铁芯，下金属铁芯8固定安装在下固定板的圆周面上，多个下金属铁芯8呈均布设置；和多个下定子绕组9，对应缠绕在下金属铁芯8上；转子包括电机轴7，用于提供支撑；转子圆盘5，固定套接在电机轴7的中部位置，在转子圆盘5的圆周面上设有大小两圈安装孔；多个大永磁体3，多个大永磁体3固定安装在大圈的安装孔上；和多个小永磁体4，多个小永磁体4固定安装在小圈的安装孔上。

本具体而言，本发明提供的轴向结构永磁电机，通过电机结构创新，实现定子铁芯结构的创新，解决了软磁材料定子铁芯的加工难的问题，降低了整体电机的设计成本，提高气隙磁密，进而提高了电机功率密度和机械特性。

在本发明中，上金属铁芯1和下金属铁芯8为非晶金属软磁铁芯，大永磁体3和小永磁体4为钕铁硼永磁体。也可以是，上金属铁芯1和下金属铁芯8为纳米晶金属软磁铁芯，大永磁体3和小永磁体4为铁氧体永磁体。

为了确保上定子和下定子的稳定性和可靠性，如图2所示，上金属铁芯1为U型结构，U型结构分为两个直腿部和弯曲部，U型结构的端面为切口平面，上金属铁芯1通过弯曲部安装在上固定板6上，上定子绕组2分别缠绕在上金属铁芯1的两个直腿部上。具体为，在上固定板6的圆周面上均布设有一圈安装孔，上金属铁芯1穿过上固定板6的安装孔并使上金属铁芯1的弯曲部置于上固定板6的安装孔处。下金属铁芯8为U型结构，U型结构分为两个直腿部和弯曲部，U型结构的端面为切口平面，下金属铁芯8通过弯曲部安装在下固定板上，下定子绕组9分别缠绕在下金属铁芯8的两个直腿部上。具体为，在下固定板的圆周面上均布设有一圈安装孔，下金属铁芯8穿过下固定板的安装孔并使下金属铁芯8的弯曲部置于下固定板的安装孔处。在工作时，对应设置的上金属铁芯1和下金属铁芯8形成闭合导通磁路。在本发明中，上定子绕组2和下定子绕组9分别首尾串联连接，上定子绕组2和下定子绕组9的进出线串联方向相反，位于同一金属铁芯两直腿部的定子绕组的进线和出线采用并联连接，实现每个定子绕组通入的电流产生的磁场沿铁芯方向是相同且闭合的。

为了使上金属铁芯1和下金属铁芯8的功能不受影响，本发明的上定子绕组2的绕制长度不高于上金属铁芯1的切口平面；同理，下定子绕组9的绕制长度不高于下金属铁芯8的切口平面。

为了使大永磁体3和小永磁体4牢固的固定在转子圆盘5上，如图3所示，大永磁体3和小永磁体4均为梯形结构，大永磁体3和小永磁体4均镶嵌入转子圆盘5上并贯穿转子圆盘5；这样可以保证大永磁体3和小永磁体4在转子圆盘5高速转动过程中牢固可靠。为了保证大永磁体3和小永磁体4的功能，大永磁体3和小永磁体4均高出转子圆盘5上下端面0～5mm，优选为高出2mm。当然本发明的大永磁体3和小永磁体4可以为薄片状结构或者柱体结构，薄片状结构和柱体结构的外形形状可以为多边形和圆形。

在本发明中，如图2所示，上金属铁芯1和下金属铁芯8的个数为3的倍数。优选为上金属铁芯1和下金属铁芯8均为12个；上金属铁芯1和下金属铁芯8沿圆周30°角度均匀排布。本发明的上金属铁芯1和下金属铁芯8严格按照几何位置对应，本发明的上金属铁芯1和下金属铁芯8采用铁基非晶金属材料制作而成。在使用中，上金属铁芯1和下金属铁芯8被固定于机壳上，上固定板6和下固定板为沿圆周限制上金属铁芯1和下金属铁芯8的旋转装置。

为了配合上定子和下定子工作，本发明的大永磁体3和小永磁体4的个数为4的倍数，优选为大永磁体3和小永磁体4的个数均为16个，大永磁体3和小永磁体4沿圆周22.5°角度均匀排布，大永磁体3和小永磁体4的中心间距与上金属铁芯1和下金属铁芯8的中心间距一致。

如图4所示，本发明的相邻大永磁体3的极性相反，相邻小永磁体4的极性相反，相邻的大永磁体3和小永磁体4的极性相反。

在本发明中，转子圆盘5为不导磁的绝缘材料制作而成。

如图5、图6所示，本发明的上金属铁芯1和下金属铁芯8的位置完全对应，每个上金属铁芯1(或者每个下金属铁芯8)的两直腿部之间的空隙与大永磁体3和小永磁体4之间的空隙完全对应。本发明的上定子和下定子与转子之间均有气隙，单边气隙大小0.1～2mm，两边气隙相等。

下面以本发明的轴向结构永磁电机作为电动机为例，对其运行基本原理进行说明，输出转矩T∝Bm，其中Bm为气隙磁密，上定子绕组2和下定子绕组9的绕线方式相反，目的是产生闭合的磁力线传输，上金属铁芯1和下金属铁芯8与大永磁体3和小永磁体4相互作用，在气隙处产生较大的气隙磁密Bm，因此电机输出较大的转矩。每个定子中12支金属铁芯与转子中的16个永磁体由于数量的差异导致在定子通电后，相邻永磁体被电磁力拉到与金属铁芯正对位置以产生最大磁通量和最小磁阻，定子绕组的供电随着频率变化不断变化磁通方向，转子上的永磁体也不断的跟随频率满足最小磁阻的位置变化，从而产生电机转子的转动。

本发明的轴向结构永磁电机也可以为永磁发电机，输出功率和输出电压同样与气隙磁密Bm大小成正比，当转子在外部机械力带动转动时，大永磁体3和小永磁体4在上金属铁芯1和下金属铁芯8之间转动，引起上定子绕组2和下定子绕组9内磁通密度的变化，进而产生电能输出。

本发明的轴向结构永磁电机也可以模块组装，既由多个定子和转子沿轴向排列，形成多个转动组件。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种轴向结构永磁电机，其特征在于，包括：

上定子、下定子和转子；转子位于上定子和下定子中间，上定子和下定子分别与转子间存在气隙。

2.根据权利要求1所述的轴向结构永磁电机，其特征在于，所述上定子包括：

上固定板，所述上固定板为带有中心孔的圆形结构，所述上固定板用于提供固定支撑；

多个上金属铁芯，所述上金属铁芯为软磁铁芯，所述上金属铁芯固定安装在所述上固定板的圆周面上，多个所述上金属铁芯呈均布设置；和多个上定子绕组，对应缠绕在所述上金属铁芯上。

3.根据权利要求2所述的轴向结构永磁电机，其特征在于，所述下定子包括：

下固定板，所述下固定板为带有中心孔的圆形结构，所述下固定板用于提供固定支撑；

多个下金属铁芯，所述下金属铁芯的个数与所述上金属铁芯的个数相同，所述下金属铁芯为软磁铁芯，所述下金属铁芯固定安装在所述下固定板的圆周面上，多个所述下金属铁芯呈均布设置；和多个下定子绕组，对应缠绕在所述下金属铁芯上。

4.根据权利要求3所述的轴向结构永磁电机，其特征在于，所述转子包括：

电机轴，用于提供支撑；

转子圆盘，固定套接在所述电机轴的中部位置，在所述转子圆盘的圆周面上设有大小两圈安装孔；

多个大永磁体，多个所述大永磁体固定安装在大圈的安装孔上；和多个小永磁体，多个所述小永磁体固定安装在小圈的安装孔上。

5.根据权利要求4所述的轴向结构永磁电机，其特征在于：

所述上金属铁芯和下金属铁芯为非晶金属软磁铁芯，所述大永磁体和所述小永磁体为钕铁硼永磁体。

6.根据权利要求4所述的轴向结构永磁电机，其特征在于：

所述上金属铁芯和所述下金属铁芯为纳米晶金属软磁铁芯，所述大永磁体和所述小永磁体为铁氧体永磁体。

7.根据权利要求4所述的轴向结构永磁电机，其特征在于：

所述上金属铁芯为U型结构，所述上金属铁芯通过弯曲部安装在所述上固定板上，所述上定子绕组分别缠绕在所述上金属铁芯的两个直腿部上；

所述下金属铁芯为U型结构，所述下金属铁芯通过弯曲部安装在所述下固定板上，所述下定子绕组分别缠绕在所述下金属铁芯的两个直腿部上。

8.根据权利要求4所述的轴向结构永磁电机，其特征在于：

所述大永磁体和所述小永磁体均镶嵌入所述转子圆盘上并贯穿所述转子圆盘。

9.根据权利要求4所述的轴向结构永磁电机，其特征在于：

所述上金属铁芯和所述下金属铁芯的个数为3的倍数；

所述大永磁体和所述小永磁体的个数为4的倍数。

10.根据权利要求4所述的轴向结构永磁电机，其特征在于：

相邻所述大永磁体的极性相反，相邻所述小永磁体的极性相反，相邻的所述大永磁体和所述小永磁体的极性相反。