CN106787546B - 一种电动汽车飞轮储能用无轴承电机 - Google Patents

一种电动汽车飞轮储能用无轴承电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电动汽车飞轮储能用无轴承电机，外定子的内壁沿圆周方向均匀分布四个外定子齿，每一个外定子齿上都绕有悬浮绕组；在每两个外定子齿之间，沿外定子的内壁表面上固定满贴有一块扇形隔磁层；在每一块扇形隔磁层的内表面的正中间位置上都固定贴有一个内定子，每个内定子的径向截面结构为E型，内定子的两端和正中间各布置一个内定子齿，外定子齿的内径等于内定子齿的内径；在每两个内定子齿正中间的内定子的轭部上均嵌有一块永磁体，每块永磁体均切向充磁，每个内定子上的两块永磁体的充磁方向相反，在每个内定子的正中间的内定子齿上绕有转矩绕组，转矩绕组磁场与悬浮绕组的磁场在内外定子内相互分离，两者耦合度很低。

Description

一种电动汽车飞轮储能用无轴承电机
技术领域
本发明涉及一种无轴承电机的结构，适用于电动汽车的飞轮电池这一特殊领域。
背景技术
电动汽车的舒适性好、对环境污染小、使用能源为可再生的电能，但是电动汽车使用的化学电池寿命低、续航里程短、对环境有一定的污染，这对电动汽车的发展及普及带来很多问题。近年来利用物理储能的飞轮电池由于具有寿命高、对环境无污染等优点，具有广阔的应用前景。但传统的飞轮电池其内部的机械轴承在飞轮高速旋转时会存在机械磨损，这会引起升温及降低飞轮电池的效率的问题。
无轴承电机是结合磁轴承与电机功能于一体的一种新型电机，它的内部有两套绕组，分别产生转矩与悬浮力，通过调节两套绕组内的电流的大小与相位可以控制转矩的大小与悬浮力的大小。因此无轴承电机在正常工作时无机械接触，非常适合用于高速场合如飞轮储能、航空航天等领域。
传统的无轴承电机内部有两套极对数相差一的转矩绕组与悬浮绕组这两套组绕组，两套绕组产生极对数相差一的磁场，分别用来产生转矩与悬浮力。这种结构的无轴承电机发展比较成熟，但是也存在以下问题：无轴承电机内部转矩绕组与悬浮绕组相耦合，悬浮力会受到转矩绕组影响，因此会导致悬浮力控制比较难。
发明内容
本发明的内容是为了克服上述现有无轴承电机的不足，提出一种转矩绕组磁场与悬浮绕组磁场耦合度低，且极对数设计不受限制的一种新型电动汽车飞轮电池用无轴承电机。
本发明采用的技术方案是：本发明具有由外而内同轴嵌套的外定子、内定子与转子，外定子的内壁沿圆周方向均匀分布四个外定子齿，每一个外定子齿上都绕有悬浮绕组；在每两个外定子齿之间，沿外定子的内壁表面上固定满贴有一块扇形隔磁层；在每一块扇形隔磁层的内表面的正中间位置上都固定贴有一个内定子，每个内定子的径向截面结构为E型，内定子的两端和正中间各布置一个内定子齿，外定子齿的内径等于内定子齿的内径；在每两个内定子齿正中间的内定子的轭部上均嵌有一块永磁体，每块永磁体均切向充磁，充磁方向指向中间的内定子齿，每个内定子上的两块永磁体的充磁方向相反，在每个内定子的正中间的内定子齿上绕有转矩绕组。
进一步地，转矩绕组为两极两相绕组，四个外定子齿上的悬浮绕组依次是线圈X1、X2、X3与X4，线圈X1与线圈X3相面对且通入的电流方向相同，线圈X2与线圈X4相面对且通入的电流方向相反。
本发明的有益效果是：
1、本发明中的转矩绕组磁路是从内定子出发经过转子再回到内定子；悬浮绕组磁路是从外定子出发经过转子再回到外定子，由于内定子与外定子之间嵌有非导磁材料，转矩绕组磁场与悬浮绕组磁场在内外定子内相互分离，因此悬浮磁场与转矩磁场在定子与气隙处的磁路重合度很小，因此两者耦合度很低。
2、本发明中的悬浮力由均匀分布在外定子齿上的四组悬浮绕组直接产生，每组悬浮绕组内的电流均可以单独控制，因此可通过控制每组选入绕组内的电流来直接控制悬浮力，整个过程响应迅速，悬浮力控制简单，转矩磁路短，控制精度比较高，结构也紧凑。
3、本发明中的转矩磁场由嵌入在内定子齿内的永磁体和转矩绕组共同产生，这可以降低转矩电流，从而减小电流损耗。
附图说明
图1是本发明一种电动汽车飞轮储能用无轴承电机的主视结构图；
图2是图1中的外定子结构以及几何尺寸标注图；
图3是图1中的单个内定子的结构以及几何尺寸标注图；
图4是本发明的转矩产生原理图；
图5是本发明的悬浮力产生原理图；
附图中标号及名称：1.外定子；2.隔磁层；3.内定子；4.永磁体；5.悬浮绕组；6.转矩绕组；7.转子；8.转矩绕组产生的磁场；9.永磁体产生的磁场；10.悬浮绕组产生的磁场；11.外定子齿；12.转子齿。
具体实施方式
参见图1，本发明由外定子1、隔磁层2、内定子3、永磁体4、悬浮绕组5、转矩绕组6与转子7组成。其中，外定子1、内定子3与转子7由外而内同轴嵌套，外定子1和内定子3的内径相同，转子7和外定子1之间留有径向气隙。
参见图2，外定子1的材料为导磁的硅钢片，外定子1外形为圆筒形，圆筒的壁厚a为6~8mm，即外定子1的轭部径向厚度a为6~8mm。外定子1的内壁沿圆周方向均匀分布四个外定子齿11，外定子齿11的齿宽b为5~7mm，外定子齿11的齿顶到齿根的径向距离c为15~20mm。每一个外定子齿11上都绕有悬浮绕组5。在每两个外定子齿11之间，沿外定子1的内壁表面都固定贴有一块扇形隔磁层2，扇形隔磁层2满贴在外定子齿11之间，4个外定子齿11之间贴有4块扇形隔磁层2，4块扇形隔磁层2的形状与结构均相同，扇形隔磁层2在径向上的厚度d为2~4mm，扇形隔磁层2所占弧度为90°。每块扇形隔磁层2的外径与外定子1的内径相同，且与外定子1同轴布置，扇形隔磁层2的材料为非导磁材料。在每一块扇形隔磁层2的内表面的正中间位置上都固定贴有一个内定子3，共4个内定子3，内定子3的外径与扇形隔磁层2的内径相同。每个内定子3所占弧度为45°。内定子3的材料为导磁的硅钢片。
参见图3，每个内定子3的径向截面结构为E型，具有三个大小相同的内定子齿K1、K2、K3，其中一个内定子齿K2布置在内定子3的正中间，另两个内定子齿K1、K3分别布置在内定子3的E型结构的两端，端部的这两个内定子齿K1、K3与外定子齿11之间不接触，留有空间以容纳悬浮绕组5。相邻两个内定子齿之间的夹角α为22.5°。内定子齿K1、K2、K3的齿宽与外定子齿11的齿宽相同，均为b。内定子3的轭部的径向厚度与内定子齿K1、K2、K3的齿宽相同也为b，内定子齿K1、K2、K3的径向齿高e为7~10mm，但是必须满足c=b+e+d，这样，内定子3、扇形隔磁层2和外定子1三者安装好后，外定子齿11的内径等于内定子齿K1、K2、K3的内径。
在每两个内定子齿 K1、K2、K3正中间的内定子3的轭部上均嵌有一块永磁体4，永磁体4的内、外径与内定子3轭部的内、外径对应相等。这样，每个内定子3上的轭部上嵌有两块永磁体4，4个内定子3的轭部上共嵌有八块永磁体4。每块永磁体4的切向厚度h为2~3mm，每块永磁体4均沿圆周方向切向充磁，每个内定子3上的两块永磁体4的充磁方向相反，且切向均指向中间的内定子齿K2。在每个正中间的内定子齿K2上绕有转矩绕组6。
参见图1，转子7有14个转子齿12，转子齿12的径向高度为6~10mm，转子齿12的齿宽与外定子齿11的齿宽相同，即齿宽转子齿12的齿宽b为5~7mm。转子齿12与外定子齿11之间留有径向气隙。
参见图4，是本发明的转矩产生原理图，转矩绕组6为两极两相绕组，当转矩绕组6的A相绕组A1、A2通电时，转矩绕组6产生的磁路路径8与永磁体4产生的磁路路径9的方向相同，同一个内定子3中的两块永磁体4产生的磁场路径9依序经过第一块永磁体4、正中间的内定子齿K2、气隙、转子齿12、气隙、端部的定子齿K1或K3、第二块永磁体4，永磁体4起到增强磁场的作用。
参见图5，是本发明的悬浮力产生原理图，4个外定子齿11上绕有的悬浮绕组5依次是调节线圈X1、X2、X3与X4，其中，线圈X1与线圈X3相面对，线圈X2与线圈X4相面对，线圈X1与线圈X3通入的电流方向相同，且线圈X2与线圈X4通入的电流方向相反。当对线圈X1、X2、X3与X4通电时，以线圈X1与线圈X2形成的闭合回路为例，悬浮磁通依序通过线圈X1所在的外定子齿11、外定子1的轭部，线圈X2所在的外定子齿11、气隙、转子7、线圈X1所在的外定子齿11形成闭合回路。分别调节线圈X1、X2、X3与X4内的电流的大小即可调节沿水平或者垂直方向上的悬浮力。
根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电动汽车飞轮储能用无轴承电机，具有由外而内同轴嵌套的外定子（1）、内定子（3）与转子（7），其特征是：外定子（1）的内壁沿圆周方向均匀分布四个外定子齿（11），每一个外定子齿（11）上都绕有悬浮绕组（5）；在每两个外定子齿（11）之间，沿外定子（1）的内壁表面上固定满贴有一块扇形隔磁层（2）；在每一块扇形隔磁层（2）的内表面的正中间位置上都固定贴有一个内定子（3），每个内定子（3）的径向截面结构为E型，E型的两端和正中间各布置一个内定子齿，外定子齿（11）的内径等于内定子齿的内径；在每两个内定子齿正中间的内定子（3）的轭部上均嵌有一块永磁体（4），每块永磁体（4）均切向充磁，充磁方向指向中间的内定子齿，每个内定子（3）上的两块永磁体（4）的充磁方向相反，在每个内定子（3）的正中间的内定子齿上绕有转矩绕组（6）。
2.根据权利要求1所述一种电动汽车飞轮储能用无轴承电机，其特征是：转矩绕组（6）为两极两相绕组，四个外定子齿（11）上的悬浮绕组（5）依次是线圈X1、X2、X3与X4，线圈X1与线圈X3相面对且通入的电流方向相同，线圈X2与线圈X4相面对且通入的电流方向相反。
3.根据权利要求1所述一种电动汽车飞轮储能用无轴承电机，其特征是：转子（7）有14个转子齿（12），转子齿（12）与外定子齿（11）之间留有径向气隙。
4.根据权利要求1所述一种电动汽车飞轮储能用无轴承电机，其特征是：扇形隔磁层（2）所占弧度为90°，每个内定子（3）所占弧度为45°，相邻两个内定子齿之间的夹角为22.5°，内定子齿的齿宽与外定子齿（11）的齿宽相同。
5.根据权利要求4所述一种电动汽车飞轮储能用无轴承电机，其特征是：外定子（1）的轭部径向厚度为6~8mm，外定子齿（11）的齿宽为5~7mm，外定子齿（11）的齿顶到齿根的径向距离为15~20mm；扇形隔磁层（2）在径向上的厚度为2~4mm；内定子（3）的轭部的径向厚度与内定子齿的齿宽相同，内定子齿的齿高为7~10mm；永磁体（4）的内、外径与内定子（3）轭部的内、外径对应相等，每块永磁体（4）的切向厚度为2~3mm；转子齿（12）的径向高度为6~10mm，转子齿（12）的齿宽与外定子齿（11）的齿宽相同。
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