CN107026547A - 一种笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机，包括由转轴、轴承、端盖、压盖以及机壳共同构成的电机外壳、同轴固定的两个外转子和中间的凸极转子共同构成的电机转子、周向分布的多个模块化T形定子铁芯、绕组和铝环构成的电机定子。两个外转子均由外转子轭部、永磁体、鼠笼槽以及鼠笼环构成，永磁体排布采用组合式双向斜极结构，定子铁芯和铝环均与凸极转子同圆心，并按照转轴、凸极转子、定子铁芯、铝环、机壳的顺序从转轴向机壳依次排布。本发明中的笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机，能够提高槽满率、提高绕组端部利用率、改善转矩品质、提高转矩与功率密度、改善电机低速与高速运行性能以及提高电机整体运行效率。

Description

一种笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机
技术领域
本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机。
背景技术
目前常用的永磁电机一般分为径向磁通和轴向磁通永磁电机两类，然而其端部利用率都较低，电机整体空间利用率不高，低速与高速运行性能无法兼顾，电机转矩密度和功率密度仍具有提升空间。
传统的电机设计中，对电机进行尺寸优化，例如在径向式永磁电机采用长径比大的结构，轴向式永磁电机采用长径比小的结构；采用分数集中绕组等技术来提高转矩密度，但其效果有限，且电机绕组端部都难以得到利用，所以人们寻求更加紧凑的电机结构。
实用新型专利201520407320.9提出了一种轴径向混合磁通永磁电机，其特点在于电机为外转子结构，定子铁芯的轴向两侧和径向外侧的机壳上都排布有永磁体，电机磁路经过机壳与定子铁芯闭合并形成轴径向混合磁路，每个定子铁芯上都设置有两个轴向和一个径向绕组。但其绕组接线与控制系统复杂，电机无法兼顾低速与高速运行性能，对电机全局效率有一定影响。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机，旨在解决现有轴径向混合磁通永磁电机启动转矩低，启动过程不平稳，无法兼顾低速与高速运行性能的技术问题。
本发明提供了一种笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机，包括电机外壳、定子和转子，电机外壳包括：转轴、轴承、端盖、压盖和机壳；机壳为圆筒形，机壳两端各有一个端盖通过螺丝固定在机壳上，两个端盖的外侧各有一个压盖通过螺丝固定在端盖上，端盖与压盖的圆心处均设置有圆形孔，端盖处圆形孔用于放置轴承，转轴通过圆形孔横穿压盖、端盖和轴承；定子包括：多个模块化T形定子铁芯、绕组和铝环，T形定子铁芯沿周向环绕排布在凸极转子外围，铝环处于T形定子铁芯外围并固定在机壳上，贯穿T形定子铁芯内部打有两个第一散热孔，每个T形定子铁芯对应的铝环处设置有第一定位孔和第二定位孔，铝环通过第一定位孔以螺栓固定在机壳上，T形定子铁芯通过第二定位孔以螺栓固定在铝环上；转子包括：同轴固定的两个外转子和设置在中间的凸极转子，凸极转子与两个外转子固定在转轴上；两个外转子均包括：外转子轭、永磁体、鼠笼槽和所述鼠笼环；外转子轭的内圆周侧打有所述第二散热孔，外转子内侧端面上沿着周向均匀间隔地排布设置有多个扇形所述永磁体，所述鼠笼环嵌入所述鼠笼槽内。
更进一步地，凸极转子与两个外转子均采用键连接的方式固定在所述转轴上。
更进一步地，同一外转子上的永磁体排布向同一方向倾斜，两个外转子上永磁体的倾斜方向相反，构成双向斜级结构。
更进一步地，外转子轭与永磁体之间、永磁体与鼠笼槽之间、鼠笼槽与所述鼠笼环之间均采用胶接的方式固定。
更进一步地，所述T形定子铁芯上绕组采用可变极扭环式单绕组，将定子绕组设置为倍极变极，采用双端级联驱动方式，其中一种极对数为p1，另一种极对数为p2，p2＝2p1。投入p1变频电源时，转子鼠笼绕组失效，定子绕组运行在p1模式，具有自启动永磁同步运行高速特性；投入p2变频电源时，定子绕组运行在p2模式，磁通不会穿过永磁体，电机呈现笼型感应电机特性。
更进一步地，绕组的绕制方式为依次环绕过T形定子铁芯的两侧齿与中间齿，绕制方向需满足原则为：当通入电流时，绕组中电流按照安培定则产生的磁力线方向为从T形定子铁芯的两侧齿流入，中间齿流出，通以反向电流时，磁力线方向相反。
更进一步地，所述T形定子铁芯的数量和所述永磁体的数量、所述鼠笼环的极数和所述凸极转子的极数均根据具体的电机的极槽配合确定，电机的极槽配合由其转速与电源频率确定。
更进一步地，所述T形定子铁芯采用软磁复合材料经粉末冶金的方法加工而成，外转子轭与鼠笼槽采用钢材料制成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)凸极转子提供涡流同步磁阻，改善电机启动性能，低速异步运行，感应涡流，叠加异步转矩；高速同步运行，叠加磁阻转矩。
(2)笼型永磁转子配合可变极扭环式单绕组，电机低速时多极对数，呈现感应电机特性，输出大转矩；高速时少极对数，呈现自启动永磁同步电机特性，拓宽调速范围，兼顾低速与高速运行性能。
(3)采用T形定子铁芯，轴径向磁场完全利用，电机结构紧凑，功率与转矩密度得到大大提升。
(4)采用模块化T形定子铁芯，提高生产效率，便于加工与后期运行维修。
附图说明
图1为本发明笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机结构示意图；
图2为本发明笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机的T形定子铁芯结构示意图；
图3a为本发明笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机的扭环绕组结构示意图。
图3b为本发明笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机的扭环绕组绕制方式说明图；
图4为本发明笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机的铝环结构示意图；
图5为本发明笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机的外转子装配示意图；
图6为本发明笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机的外转子结构示意图；
图7为本发明笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机的凸极转子结构示意图；
图8为本发明笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机的转轴结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为机壳，2为铝环，3为凸极转子，4为转轴，5为外转子，6为外转子轭，7为永磁体，8为鼠笼槽，9为鼠笼环，10为第一定位孔，11为第二定位孔，12为端盖，13为压盖，14为轴承，15为定子铁芯，16为第一散热孔，17为第二散热孔，18为绕组，19为键槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种既可以提升电机空间利用率，又能够提高转矩品质、转矩密度和系统效率，同时能够兼顾低速与高速运行性能的永磁电机，该电机可用于高端数控机床电主轴、机器人关节、电动汽车轮毂驱动等场合。
如图1所示，本发明提供了一种笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机，包括定子、转子，以及由转轴、轴承、端盖、压盖和机壳构成的电机外壳，其中，定子由多个模块化T形定子铁芯、绕组和铝环组成，T形定子铁芯沿周向环绕排布在凸极转子外围，铝环处于T形定子铁芯外围并固定在机壳上，贯穿T形定子铁芯内部打有两个散热孔，每个T形定子铁芯对应的铝环处打有三个定位孔，铝环通过定位孔以螺栓固定在机壳上，T形定子铁芯通过定位孔以螺栓固定在铝环上；转子由同轴固定的两个外转子和中间的凸极转子共同组成，其中，两个外转子均由外转子轭部、永磁体、鼠笼槽以及鼠笼环构成。外转子轭部打有散热孔，外转子内侧端面上沿着周向均匀间隔地排布着多个扇形永磁体，且同一外转子上的永磁体排布向同一方向倾斜，两个外转子上永磁体的倾斜方向相反，组成双向斜级结构，鼠笼环嵌入鼠笼槽内，外转子轭部与永磁体、永磁体与鼠笼槽、鼠笼槽与鼠笼环之间均采用胶接的方式固定。凸极转子与两个外转子均采用键连接的方式固定在转轴上。
电机的工作过程为：空载磁通从两侧转子盘上永磁体N极出发，经过轴向气隙进入T形定子铁芯的轴向定子齿中，再从T形定子铁芯径向定子齿经过径向气隙进入凸极转子，在凸极转子中沿周向进入临近的凸极转子齿，经过径向气隙进入T形定子铁芯，沿着反向路径回到转子盘上永磁体S极，经过转子轭部回到最初的永磁体。电枢绕组通入电流时，产生的电枢磁场与永磁磁场相互作用产生输出转矩。启动过程中，转子转速未达到同步转速，在凸极中感应涡流，产生异步转矩，改善启动性能；高速同步运行时，转子转速与旋转磁场同步，凸极涡流消失，依同步磁阻作用原理，可产生磁阻转矩，叠加电磁转矩，增大转矩密度。
在本发明实施例中，T形定子铁芯上绕组采用可变极扭环式单绕组，绕组的绕制方式为依次环绕过T形定子铁芯的两侧齿与中间齿，绕制方向需以达到以下效果为原则：当通入电流时，绕组中电流按照安培定则产生的磁力线方向为从T形定子铁芯的两侧齿流入，中间齿流出，通以反向电流时，磁力线方向相反。
在本发明实施例中，T形定子铁芯和永磁体的数量、鼠笼环和凸极转子的极数都根据具体的电机极槽配合而定，而电机的极槽配合由其转速与电源频率决定，所述凸极转子的轴向截面为平行齿的齿轮状，上面可适应性开孔来改善电机散热与伺服性能。
在本发明实施例中，T形定子铁芯的结构复杂性决定需采用软磁复合材料经粉末冶金的方法加工而成，同时，该材料拥有很高的电阻率，可有效削弱定子铁芯的涡流损耗，转子轭部与鼠笼槽采用钢材料制成。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机，现结合附图及具体实例详述如下：
如图1所示，笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机包括由转轴4、轴承14、端盖12、压盖13和机壳1共同构成的电机外壳、同轴固定的两个外转子5和中间的凸极转子3共同构成的电机转子、周向分布的多个模块化T形定子铁芯15、绕组18和铝环2构成的电机定子，T形定子铁芯通过定位孔11以螺栓固定在铝环2上，铝环2通过定位孔10以螺栓固定在机壳1上，转轴4上设有三个键槽19，两个外转子5和凸极转子3采用键连接的方式固定在转轴4上，外转子轭、永磁体、鼠笼槽、鼠笼环之间均采用胶接的方式固定。
笼型永磁转子配合可变极扭环式单绕组，电机低速时多极对数，呈现感应电机特性，输出大转矩；高速时少极对数，呈现自启动永磁同步电机特性，拓宽调速范围，兼顾低速与高速运行性能。
如图2所示，T形定子铁芯15内部沿径向打有两个第一散热孔16，用以提高定子的散热效率，从而提高电机功率密度，沿着轴向两侧和径向一侧都有定子齿用以绕制扭环式单绕组18。采用模块化的T形定子铁芯，轴径向磁场完全利用，电机结构紧凑，功率与转矩密度得到大大提升，提高生产效率，便于加工与后期运行维修。
如图3a、3b所示，扭环式单绕组18采用图3b的方式绕制在T形定子铁芯15上，可以保证磁通从轴向的两个定子齿流入，从径向的定子齿流出，当绕组18通以反相电流时，磁通流向相反。
如图4所示，铝环2上打有定位孔10、11，铝环2内侧为正多边形状，每一边都通过定位孔11以螺栓来固定一个T形定子铁芯15，铝环2外侧为圆形，通过定位孔10以螺栓来固定在机壳1上。
如图5、图6所示，外转子5由外转子轭6、永磁体7、鼠笼槽8和鼠笼环9组成，其相互之间以胶接的方式固定，其中扇形永磁体排布沿同一方向倾斜，两个外转子5上扇形永磁体7倾斜方向相反，构成双向斜级结构，转子轭上沿轴向打有第二散热孔17。
如图7所示，凸极转子的轴向截面为平行齿的齿轮状，上面可适应性开孔来改善电机散热与伺服性能，提供涡流同步磁阻，改善电机启动性能，低速异步运行，感应涡流，叠加异步转矩；高速同步运行，叠加磁阻转矩。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机，包括电机外壳、定子和转子，其特征在于，所述电机外壳包括：转轴(4)、轴承(14)、端盖(12)、压盖(13)和机壳(1)；机壳(1)为圆筒形，机壳两端各有一个端盖(12)通过螺丝固定在机壳上，两个端盖的外侧各有一个压盖(13)通过螺丝固定在端盖上，端盖(12)与压盖(13)的圆心处均设置有圆形孔，端盖(12)处圆形孔用于放置轴承(14)，转轴(4)通过圆形孔横穿压盖(13)、端盖(12)和轴承(14)；
所述定子包括：多个模块化T形定子铁芯(15)、绕组(18)和铝环(2)，T形定子铁芯(15)沿周向环绕排布在凸极转子(3)外围，铝环(2)处于T形定子铁芯(15)外围并固定在机壳(1)上，贯穿T形定子铁芯(15)内部打有两个第一散热孔(16)，每个T形定子铁芯(15)对应的铝环(2)处设置有第一定位孔(10)和第二定位孔(11)，铝环(2)通过第一定位孔(10)以螺栓固定在机壳(1)上，T形定子铁芯(15)通过第二定位孔(11)以螺栓固定在铝环(2)上；
所述转子包括：同轴固定的两个外转子(5)和设置在中间的凸极转子(3)，所述凸极转子(3)与两个外转子(5)固定在所述转轴(4)上；两个外转子(5)均包括：所述外转子轭(6)、所述永磁体(7)、所述鼠笼槽(8)和所述鼠笼环(9)；所述外转子轭(6)的内圆周侧打有所述第二散热孔(17)，所述外转子(5)内侧端面上沿着周向均匀间隔地排布设置有多个扇形所述永磁体(7)，所述鼠笼环(9)嵌入所述鼠笼槽(8)内。
2.如权利要求1所述的笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机，其特征在于，所述凸极转子(3)与两个外转子(5)均采用键连接的方式固定在所述转轴(4)上。
3.如权利要求1或2所述的笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机，其特征在于，同一外转子(5)上的永磁体(7)排布向同一方向倾斜，两个外转子(6)上永磁体(7)的倾斜方向相反，构成双向斜级结构。
4.如权利要求1-3任一项所述的笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机，其特征在于，所述外转子轭(6)与所述永磁体(7)之间、所述永磁体(7)与所述鼠笼槽(8)之间、所述鼠笼槽(8)与所述鼠笼环(9)之间均采用胶接的方式固定。
5.如权利要求1-4任一项所述的笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机，其特征在于，所述T形定子铁芯(15)上绕组(18)采用可变极扭环式单绕组。
6.如权利要求5所述的笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机，其特征在于，绕组的绕制方式为依次环绕过T形定子铁芯的两侧齿与中间齿，绕制方向需满足原则为：当通入电流时，绕组中电流按照安培定则产生的磁力线方向为从T形定子铁芯的两侧齿流入，中间齿流出，通以反向电流时，磁力线方向相反。
7.如权利要求1-6任一项所述的笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机，其特征在于，所述T形定子铁芯(15)的数量和所述永磁体(7)的数量、所述鼠笼环的极数(9)和所述凸极转子(3)的极数均根据具体的电机的极槽配合确定，电机的极槽配合由其转速与电源频率确定。
8.如权利要求1-7任一项所述的笼型转子轴径向混合磁通多盘式永磁电机，其特征在于，所述T形定子铁芯(15)采用软磁复合材料经粉末冶金的方法加工而成，所述外转子轭(6)与所述鼠笼槽(8)采用钢材料制成。
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