CN106685118A - 一种模块化开关磁通盘式电机和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种模块化开关磁通盘式电机和系统，包括：定子、转子和两套绕组；所述定子包括两个定子盘，所述定子盘包括k个定子模块，各所述定子模块包括m个定子单元和m个连接块，所述连接块设置在任意两个所述定子单元之间，定子单元与连接块沿圆盘圆周方向排列；所述定子单元包括两个第一叠层段、一个第二叠层段以及两个永磁体，所述第二叠层段设置在两个第一叠层段之间；所述永磁体设置在所述第一叠层段和所述第二叠层段之间。本发明将每个定子盘分成k个定子模块，每个定子模块包括m个定子单元，每个定子单元都由两个所述第一叠层段与一个所述第二叠层段组成，从而降低了每相绕组间的磁路耦合，提高了容错能力和永磁体利用效率。

Description

一种模块化开关磁通盘式电机和系统
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是涉及高转矩密度、空间紧凑的开关磁通盘式电机结构。
背景技术
近年来，盘式永磁电机因其结构紧凑、效率高、功率密度大等优点获得研究人员越来越多的关注，已有大量文献对多种结构的轴向永磁电机在不同领域的应用进行了深入研究。开关磁通电机由于高转矩密度、高功率密度的优点，其与盘式电机结合形成开关磁通盘式电机，特别适合要求高转矩密度和空间紧凑的场合，如电动车辆、可再生能源系统、飞轮储能系统等。为了克服单边磁拉力等问题，研究最为广泛的是双边开关磁通盘式电机。传统开关磁通盘式电机采用U型铁芯叠层段，输出转矩有限，永磁体效率较低，各绕组之间的磁路通过铁芯的轭部互相耦合，相与相间的磁场也相互干扰，导致电机容错性能较差。针对上述传统的开关磁通盘式电机存在的不足，如何克服上述问题，是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种模块化开关磁通盘式电机和系统，以提高永磁体效率和容错能力，降低永磁体总体成本和每相绕组间的磁路耦合。
为实现上述目的，本发明提供了一种模块化开关磁通盘式电机，包括：定子(1)、转子(2)和两套绕组(3)；所述定子(1)与所述转子(2)同心轴连接；所述定子(1)包括两个定子盘，两个所述定子盘分别设置在所述转子(2)两侧且到所述转子(2)的距离相等，两个所述定子盘同轴心连接；
各所述定子盘均包括k个定子模块，各所述定子模块包括m个定子单元(1-1)和m个连接块(1-4)，所述连接块(1-4)设置在任意两个所述定子单元(1-1)之间，所述定子单元(1-1)与所述连接块(1-4)沿圆盘圆周方向排列，其中，k为大于等于1的整数，m为大于等于3的整数；
所述定子单元(1-1)包括：两个第一叠层段(1-2)、一个第二叠层段(1-3)以及两个永磁体(1-5)，所述第二叠层段(1-3)设置在两个第一叠层段(1-2)之间；所述永磁体(1-5)设置在所述第一叠层段(1-2)和所述第二叠层段(1-3)之间；
各套所述绕组(3)包括k个绕组模块，各所述绕组模块包括m个绕组单元(3-1)，m个所述绕组单元(3-1)具体为m相绕组；各所述绕组单元(3-1)包括两个绕组线圈；在所述第一叠层段(1-2)上开设一个定子槽(1-6)，在所述第二叠层段(1-3)上开设两个定子槽(1-6)，各所述定子槽(1-6)的开口朝向转子(2)；各所述绕组单元(3-1)的两个绕组线圈分别嵌入在所述定子盘中对应的定子单元上的四个所述定子槽(1-6)内；
所述转子(2)包括多个转子凸极(2-1)、内固定环(2-2)、外固定环(2-3)；所述内固定环(2-2)置于多个所述转子凸极(2-1)内侧；所述外固定环(2-3)置于多个所述转子凸极(2-1)外侧。
可选的，所述转子凸极(2-1)极距对应的圆心角与所述定子盘中参数应满足如下关系：θ1＝nθp，其中，θp为相邻的两个所述转子凸极(2-1)之间对应的圆心角，θ1为同一所述定子单元(1-1)中同一所述永磁体(1-5)两侧所述第一叠层段(1-2)的所述定子槽(1-6)与所述第二叠层段(1-3)的所述定子槽(1-6)之间对应的圆心角，θ2为同一所述定子单元(1-1)中两个所述永磁体(1-5)之间对应的圆心角，θ3为相邻的两个所述定子单元(1-1)之间对应的圆心角，m为所述定子单元(1-1)的相数，i、j、l、n为参考系数，i、j、n为非负整数，l取值为0或1。
可选的，所述转子凸极(2-1)由铁磁材料制成。
可选的，所述内固定环(2-2)、外固定环(2-3)均由非磁性材料制成。
可选的，永磁体(1-5)采用切向充磁，且相邻的两个永磁体(1-5)的充磁方向相反。
可选的，各所述两个定子盘可在周向上错开一定角度。
本发明还提供了一种模块化开关磁通盘式电机系统，所述模块化开关磁通盘式电机系统包括p个权利要求1-6任一项所述的模块化开关磁通盘式电机，相邻的两个所述模块化开关磁通盘式电机上的定子盘的无槽面连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明将每个定子盘分成分成k个定子模块，每个设置m个定子单元，降低了每相绕组间的磁路耦合，提高盘式电机容错能力；每个定子单元都由两个所述第一叠层段和一个所述第二叠层段组成，提高了永磁体利用效率，降低永磁体总体成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例模块化开关磁通盘式电机的总体结构示意图；
图2(a)-(b)为本发明实施例模块化开关磁通盘式电机的转子结构示意图；
图3为本发明实施例模块化开关磁通盘式电机的定子盘结构示意图；
图4(a)-(b)为本发明实施例模块化开关磁通盘式电机的定子盘与绕组相组合的结构示意图。
附图说明
定子 1 定子单元 1-1
第一叠层段 1-2 第二叠层段 1-3
连接块 1-4 永磁体 1-5
定子槽 1-6 一号定子盘 1-7
二号定子盘 1-8 转子 2
转子凸极 2-1 内固定环 2-2
外固定环 2-3 绕组 3
绕组单元 3-1 第一绕组线圈 3-1-1
第二绕组线圈 3-1-2
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种模块化开关磁通盘式电机和系统，以提高永磁体效率和盘式电机容错能力，降低每相绕组间的磁路耦合和永磁体总体成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种模块化开关磁通盘式电机系统，包括p个模块化开关磁通盘式电机，相邻的两个所述模块化开关磁通盘式电机上的定子盘的无槽面连接。
一种模块化开关磁通盘式电机，具体包括定子1、转子2和两套绕组3；所述定子1包括两个定子盘；各所述定子盘均包括k个定子模块，各所述定子模块包括m个定子单元1-1和m个连接块1-4，所述连接块1-4设置在任意两个所述定子单元1-1之间，所述定子单元1-1与所述连接块1-4沿圆盘圆周方向排列，其中，k为大于等于1的整数，m为大于等于3的整数。各套所述绕组3包括k个绕组模块，各绕组模块包括m个绕组单元3-1，m个所述绕组单元3-1具体为m相绕组。
本发明以k＝1,m＝3为例进行详细说明，详见图1-4。图1为本发明实施例模块化开关磁通盘式电机的总体结构示意图；图2(a)-(b)为本发明实施例模块化开关磁通盘式电机的转子结构示意图，其中，图2(a)为转子结构立体图，(b)为转子结构左视图；图3为本发明实施例模块化开关磁通盘式电机的定子盘结构示意图；图4(a)-(b)为本发明实施例模块化开关磁通盘式电机的定子盘与绕组相组合的结构示意图，其中，图4(a)为组合结构前视图，(b)为组合结构后视图。根据图1-图4可知，所述模块化开关磁通盘式电机包括定子1、转子2、两套绕组3，所述转子2与所述定子1同心轴连接。
所述定子1包括两个定子盘，所述两个定子盘分别为一号定子盘1-7、二号定子盘1-8，所述一号定子盘1-7和所述二号定子盘1-8分别设置在所述转子2两侧且到所述转子2的距离相等，所述一号定子盘1-7和所述二号定子盘1-8同轴心连接。
所述一号定子盘1-7与所述二号定子盘1-8的组成结构完全相同。
所述一号定子盘1-7一个定子模块，所述定子模块包括包括三个定子单元1-1、三个连接块1-4，所述连接块1-4设置在任意两个所述定子单元之间，所述连接块1-4的材料为非磁性材料，降低各相绕组之间的电磁干扰。另外，所述定子单元的数量与绕组相数m相对应，其中m为大于零的整数，所述定子单元的个数可以根据电机相数的要求进行设计。
进一步地，所述定子单元1-1包括：铁芯叠层段，两块永磁体1-5。
所述铁芯叠层段，用于减小电机涡流损耗，所述铁芯叠层段包括两个第一叠层段1-2和一个第二叠层段1-3，所述第二叠层段1-3设置在相邻两个第一叠层段1-2之间，在所述第一叠层段1-2上开设一个开口朝向转子2的定子槽1-6，在所述第二叠层段1-3上开设两个开口朝向转子2的定子槽1-6。所述第一叠层段1-2即可为类似开口朝向转子2类似C型形状的C型叠层段，还可为类似开口朝向转子2类似V型形状的V型叠层段，还可为类似开口朝向转子2的U型形状的U型叠层段；所述第二叠层段1-3即可为开口朝向转子2类似E型形状的E型叠层段，还可为类似开口朝向转子2类似W形状的W型叠层段，还可为开口朝向转子2类似m型形状的m型叠层段；各所述定子槽1-6为半开口槽或全开口槽。本发明附图1-4以C型叠层段与E型叠层段组合为例进行绘制，其它的组合方式图形不再一一画出。
所述永磁体1-5设置在所述第一叠层段1-2与第二叠层段1-3之间，相邻的所述永磁体1-5的周向充磁方向相反；所述永磁体1-5的材质为钕铁硼、杉钴及铁氧体中至少一者。
所述转子2包括内固定环2-2、外固定环2-3和转子凸极2-1；所述内固定环2-2置于所述转子凸极2-1内侧；所述外固定环2-3置于所述转子凸极2-1外侧；所述内固定环2-2、所述外固定环2-3为非磁性材料；所述转子凸极2-1为铁磁材料。
所述转子凸极(2-1)极距对应的圆心角与所述定子盘中参数应满足如下关系：θ1＝nθp，其中，θp为相邻的两个所述转子凸极2-1之间对应的圆心角，θ1为同一所述定子单元1-1中同一所述永磁体1-5两侧所述第一叠层段1-2的所述定子槽1-6与所述第二叠层段1-3的所述定子槽1-6之间对应的圆心角，θ2为同一所述定子单元1-1中两个所述永磁体1-5之间对应的圆心角，θ3为相邻的两个所述定子单元1-1之间对应的圆心角，m为所述定子单元1-1的相数，i、j、l、n为参考系数，i、j、n为非负整数，l取值为0或1。
各套所述绕组3包括一个绕组模块，该绕组模块包括三个绕组单元3-1，所述三个绕组单元3-1分别为A相绕组单元、B相绕组单元、C相绕组单元；各所述绕组单元3-1包括第一绕组线圈3-1-1、第二绕组线圈3-1-2，所述第一绕组线圈3-1-1、所述第二绕组线圈3-1-2分别依次嵌入在所述一号定子盘1-7或所述二号定子盘1-8中对应的所述定子单元1-1上的四个所述定子槽1-6内。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种模块化开关磁通盘式电机，包括：定子(1)、转子(2)和两套绕组(3)；其特征在于，所述定子(1)与所述转子(2)同心轴连接；所述定子(1)包括两个定子盘，两个所述定子盘分别设置在所述转子(2)两侧且到所述转子(2)的距离相等，两个所述定子盘同轴心连接；
各所述定子盘均包括k个定子模块，各所述定子模块包括m个定子单元(1-1)和m个连接块(1-4)，所述连接块(1-4)设置在任意两个所述定子单元(1-1)之间，所述定子单元(1-1)与所述连接块(1-4)沿圆盘圆周方向排列，其中，k为大于等于1的整数，m为大于等于3的整数；
所述定子单元(1-1)包括：两个第一叠层段(1-2)、一个第二叠层段(1-3)以及两个永磁体(1-5)，所述第二叠层段(1-3)设置在两个第一叠层段(1-2)之间；所述永磁体(1-5)设置在所述第一叠层段(1-2)和所述第二叠层段(1-3)之间；
各套所述绕组(3)包括k个绕组模块，每个绕组模块包括m个绕组单元(3-1)，m个所述绕组单元(3-1)具体为m相绕组；各所述绕组单元(3-1)包括两个绕组线圈；在所述第一叠层段(1-2)上开设一个定子槽(1-6)，在所述第二叠层段(1-3)上开设两个定子槽(1-6)，各所述定子槽(1-6)的开口朝向转子(2)；各所述绕组单元(3-1)的两个绕组线圈分别嵌入在所述定子盘中对应的定子单元上的四个所述定子槽(1-6)内；
所述转子(2)包括多个转子凸极(2-1)、内固定环(2-2)、外固定环(2-3)；所述内固定环(2-2)置于多个所述转子凸极(2-1)内侧；所述外固定环(2-3)置于多个所述转子凸极(2-1)外侧。
2.根据权利要求1所述的模块化开关磁通盘式电机，其特征在于，所述转子凸极(2-1)极距对应的圆心角与所述定子盘中参数应满足如下关系：θ1＝nθp，其中，θp为相邻的两个所述转子凸极(2-1)之间对应的圆心角，θ1为同一所述定子单元(1-1)中同一所述永磁体(1-5)两侧所述第一叠层段(1-2)的所述定子槽(1-6)与所述第二叠层段(1-3)的所述定子槽(1-6)之间对应的圆心角，θ2为同一所述定子单元(1-1)中两个所述永磁体(1-5)之间对应的圆心角，θ3为相邻的两个所述定子单元(1-1)之间对应的圆心角，m为所述定子单元(1-1)的相数，i、j、l、n为参考系数，i、j、n为非负整数，l取值为0或1。
3.根据权利要求2所述的模块化开关磁通盘式电机，其特征在于，所述转子凸极(2-1)由铁磁材料制成。
4.根据权利要求3所述的模块化开关磁通盘式电机，其特征在于，所述内固定环(2-2)、外固定环(2-3)均由非磁性材料制成。
5.根据权利要求1所述的模块化开关磁通盘式电机，其特征在于，永磁体(1-5)采用切向充磁，且相邻的两个永磁体(1-5)的充磁方向相反。
6.根据权利要求1所述的一种模块化开关磁通盘式电机，其特征在于，各所述两个定子盘可在周向上错开一定角度。
7.一种模块化开关磁通盘式电机系统，其特征在于，所述模块化开关磁通盘式电机系统包括p个权利要求1-6任一项所述的模块化开关磁通盘式电机，相邻的两个所述模块化开关磁通盘式电机上的定子盘的无槽面连接。
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Application publication date: 20170517

Assignee: Beijing Lingzhong Technology Co.,Ltd.

Assignor: BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022990000755

Denomination of invention: A Modular Switched Flux Disk Motor and System

Granted publication date: 20190219

License type: Common License

Record date: 20220930