CN107346930A - 高扭矩密度永磁旋转电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种永磁旋转电机，包括定子组件，其具有定子本体；转子组件，设置在所述空腔内部，并被设置成围绕所述定子本体的纵向轴线而旋转，该转子组件包括轴以及周向围绕所述轴进行定位的转子本体；所述转子本体上具有多个转子凸极，转子凸极上表贴或者内嵌有永磁体；位于定子组件与转子组件之间的气隙；其中，位于定子凸极和转子凸极之间的气隙至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上，至少部分地呈凹凸交错的齿状分布。本发明的永磁旋转电机通过将定子与转子设计为多齿结构，使得定子凸极和转子凸极之间的气隙在轴对称平面内至少部分地呈凹凸交错的齿状分布，以增加定子与转子间的耦合面积，提高电机的扭矩密度。

Description

高扭矩密度永磁旋转电机
技术领域
本发明涉及永磁电机领域，具体而言涉及一种高扭矩密度永磁旋转电机。
背景技术
近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁旋转电机得以迅速的推广应用。永磁旋转电机以永磁体提供励磁，使电机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性。又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。永磁旋转电机由于其结构简单、效率高、节电效果明显、工作可靠等优点，在家用电器、电工工具、电动汽车等场合具有广泛的应用。
图1、图2所示为现有永磁旋转电机的结构示意，以内转子电机为例，定子与转子之间的气隙厚度沿径向均匀分布，其产生的闭合磁通产生的吸引力大小受气隙中的磁感应强度(或磁力线密度)及齿极间的相互作用面积影响较大。随着家用电器、电动汽车领域对电机驱动能力和效率提升的迫切需求，现有永磁旋转电机由于其扭矩密度问题的限制，影响电机的最大负载能力和扭矩密度，限制了永磁旋转电机在这些场合的应用。
发明内容
本发明目的在于提供一种高扭矩密度永磁旋转电机，通过电机转子与定子之间气隙优化设计，提高扭矩密度。
为达成上述目的，本发明提出一种永磁旋转电机，包括：
定子组件，其具有定子本体，定子本体限定一内部空腔，所述定子本体内壁上设置有定子凸极；所述定子凸极上配置有定子线圈，定子线圈在外部导入电流时产生磁场；
转子组件，设置在所述空腔内部，并被设置成围绕所述定子本体的纵向轴线而旋转，该转子组件包括轴以及周向围绕所述轴进行定位的转子本体；所述转子本体上具有多个转子凸极，转子凸极上表贴或者内嵌有永磁体；
位于定子组件与转子组件之间的气隙；
其中，位于定子凸极和转子凸极之间的气隙至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上，至少部分地呈凹凸交错的齿状分布。
进一步的实施例中，所述定子凸极和转子凸极之间至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上部分交叉。
进一步的实施例中，所述转子凸极的自由端面上设置有多个齿槽，与所述定子凸极的自由端面上设置有多个齿槽相适配。
进一步的实施例中，所述定子组件的定子本体为分割式构造，具有至少两个大致呈扇环状的可组合的分体。
根据本发明的改进，还提出一种永磁旋转电机，包括：
定子组件，其具有定子本体，所述定子本体外壁上设置有定子凸极；所述定子凸极上配置有定子线圈，用于在外部导入电流时产生磁场，定子凸极上表贴或者内嵌有永磁体；
转子组件，围绕定子本体，并被设置成可绕定子本体纵向轴线而旋转，该转子组件具有转子本体，所述转子本体上具有多个转子凸极；
位于定子组件与转子组件之间的气隙；
其中，位于定子凸极和转子凸极之间的气隙至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上，至少部分地呈凹凸交错的齿状分布。
进一步的实施例中，所述定子凸极和转子凸极之间至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上部分交叉。
进一步的实施例中，所述转子组件的转子本体为分割式构造，具有至少两个大致呈扇环状的可组合的分体。
由以上技术方案可知，本发明在传统永磁旋转电机结构的基础上，将定子与转子的凸极设计为多齿结构，使得定子凸极和转子凸极之间的气隙至少在一个转子或定子的轴截面上，至少部分地呈凹凸交错的齿状分布，其具有如下优点：
1)有效增加了定子与转子凸极间的相互作用面积，磁力线通过齿顶、齿根和齿面分别闭合；
2)由于磁力线闭合路径的分散，有效降低了气隙的磁通密度，在保证磁通不饱和的情况下，允许通入更大的电流，从而产生较大的吸引力，提高永磁旋转电机的扭矩密度。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是现有技术中永磁旋转电机的轴截面的结构示意图。
图2是现有技术中永磁旋转电机的结构示意图。
图3是根据本发明某些实施例的永磁旋转电机的结构示意图。
图4是根据本发明某些实施例的永磁旋转电机的定子组件的结构示意图(表贴式永磁体结构)。
图5是根据本发明某些实施例的永磁旋转电机的某一转子或定子的轴截面的截面结构示意图(表贴式永磁体结构)。
图6是根据本发明某些实施例的永磁旋转电机的定子组件的结构示意图(内嵌式永磁体结构)。
图7是根据本发明某些实施例的永磁旋转电机的某一转子或定子的轴截面的截面结构示意图(内嵌式永磁体结构)。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图3、4所示，根据本发明的实施例，一种永磁旋转电机100，包括定子组件110、转子组件120以及位于定子组件与转子组件之间的气隙。
定子组件110，其包围了转子组件120，并进一步包围了电机的旋转轴。如图3所示，转子组件120设置在由周围的定子组件110所限定的空腔内部。转子组件120可围绕其纵向轴线旋转，从而在旋转轴上提供旋转能量输出。
本发明实施例的永磁旋转电机100，可用于各种应用，包括但不局限于车辆的牵引驱动用电机，车辆包括电动汽车、混动汽车、越野车等。
如图3、图5，定子组件110具有定子本体111。
定子本体111内壁上设置有定子凸极112。
定子凸极112上配置有定子线圈113，定子线圈113用于在外部导入电流时产生磁场并沿着纵向轴线随限定空腔的内表面延伸。
定子凸极112在周向上规则地分布。
转子组件120，如图3、图5，设置在定子组件110所限定空腔内部，并被设置成围绕所述纵向轴线而旋转。该转子组件120包括轴以及周向围绕所述轴进行定位的转子本体121。如图3、图5所示的例子中并未表示出轴的具体构造，应当理解，图3和图5中的转子本体121中心纵向方向的圆孔为轴(即电机旋转轴)的安装位置。
转子本体121上具有多个转子凸极122，如图5所示。这些转子凸极122在周向上规则地分布。
结合图3、图6、图7所示，转子凸极122上表贴或者内嵌有永磁体122e。其中，在图3所示的例子中，转子凸极122上表贴永磁体122e。在图6、图7所示的例子中，转子凸极122上内嵌永磁体122e。
结合图3、4以及5所示，位于定子凸极112和转子凸极122之间的气隙至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上，至少部分地呈凹凸交错的齿状分布。
结合图3、图5，本实施例的永磁电机内部气隙设计上，通过定子凸极112和转子凸极122之间的交叉设置，使得气隙在平行于轴(即电机旋转轴)方向的一横截面上具有延伸，而不是现有技术中的环形平滑设计结构(如图2)，从而有效增加了定子凸极与转子凸极间的相互作用面积，磁力线通过齿顶、齿根和齿面分别闭合；由于磁力线闭合路径的分散，有效降低了气隙的磁通密度，在保证磁通不饱和的情况下，允许通入更大的电流，从而产生较大的吸引力，提高永磁旋转电机的扭矩密度。
通过前述实施例的定子组件、转子组件与气隙的设计，增大气隙的长度，提高了定子组件和转子组件之间的耦合面积，有利于增加推力，提高电机的推力密度。
结合图3、图5所示，定子凸极112和转子凸极122之间至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上部分交叉。
转子凸极112的自由端面上设置有多个齿112a，在齿与齿之间形成槽，并且在定子凸极122的自由端面上设置有与所述齿、槽相适配的齿槽结构，如图3所示，定子凸极122上设置了齿122a，并且在齿122a之间形成槽，如此以使所述定子凸极112和转子凸极122之间至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上至少部分地交叉，从而有效增加了定子凸极与转子凸极间的相互作用面积，有利于提高电机的扭矩密度，提升负载能力。
优选地，定子凸极112上设置的齿和/槽在定子凸极的自由端面上规则地分布。
转子凸极122上设置的齿和/槽在转子凸极的自由端面上规则地分布。
结合图3、图5所示，为了方便地完成整个永磁电机的构造，在优选的例子中，定子组件110的定子本体111为分割式构造，具有至少两个大致呈扇环状的可组合的分体。
定子组件110至少是两个以上分体的组件构成的分割式定子组件。
如此，在组装前述实施例的永磁电机时，可将带齿122a的转子组件120(安装旋转轴)先组装到一部分转子本体的分体中，使得转子组件120的转子凸极122与定子凸极112之间相互交叉地装配好，然后再将剩下的转子本体的分体组装到定子组件110上并与定子凸极112相互交叉地装配好，最后再将转子本体的各个分体固定安装好，完成整个定子组件与转子组件的组装。
如图3、4、5、6所示的电机为内转子永磁旋转电机的示例，在以上公开内容中加以说明。根据本发明的改进，还提出一种外转子永磁旋转电机。由于外转子永磁旋转电机与内转子永磁旋转电机相比，其转子组件包围在定子组件的外部，定子组件的定子绕组在外部导入电流时产生磁场驱动转子组件围绕定子组件旋转。
应当理解，本领域的技术人员根据前述内转子旋转永磁电机的构造和原理应当可以结合下述结构说明得知采用本发明实质性构思的外转子永磁旋转电机的意想不到的效果与优点，故在本实施例中不再结合附图描述外转子永磁旋转电机的具体构造与实现。
根据本发明的实施例，外转子的永磁旋转电机同样包括定子组件、转子组件以及位于定子组件与转子组件之间的气隙。
定子组件具有定子本体，所述定子本体外壁上设置有定子凸极；所述定子凸极上配置有定子线圈，用于在外部导入电流时产生磁场。
其中，定子凸极上表贴或者内嵌有永磁体。
转子组件，围绕定子本体，并被设置成可绕其纵向轴线而旋转，该转子组件具有转子本体，所述转子本体上具有多个转子凸极。
位于定子凸极和转子凸极之间的气隙至少在一个转子或定子的轴截面上，至少部分地呈凹凸交错的齿状分布。
本例中，定子凸极和转子凸极之间至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上部分交叉。
本例中，所述转子组件的转子本体为分割式构造，具有至少两个大致呈扇环状的可组合的分体。
同样地，在外转子永磁旋转电机的示例中，将定子与转子设计为多齿结构，使得定子凸极和转子凸极之间的气隙至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上，至少部分地呈凹凸交错的齿状分布，以有效增加定子凸极与转子凸极间的相互作用面积，磁力线通过齿顶、齿根和齿面分别闭合；由于磁力线闭合路径的分散，有效降低气隙的磁饱和程度，在保证磁通不饱和的情况下，允许通入更大的电流，从而产生较大的吸引力，提高永磁旋转电机的扭矩密度。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种永磁旋转电机，其特征在于，包括：
定子组件，其具有定子本体，定子本体限定一内部空腔，所述定子本体内壁上设置有定子凸极；所述定子凸极上配置有定子线圈，定子线圈在外部导入电流时产生磁场；
转子组件，设置在所述空腔内部，并被设置成围绕所述定子本体的纵向轴线而旋转，该转子组件包括轴以及周向围绕所述轴进行定位的转子本体；所述转子本体上具有多个转子凸极，转子凸极上表贴或者内嵌有永磁体；
位于定子组件与转子组件之间的气隙；
其中，位于定子凸极和转子凸极之间的气隙至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上，至少部分地呈凹凸交错的齿状分布。
2.根据权利要求1所述的永磁旋转电机，其特征在于，所述定子凸极和转子凸极之间至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上部分交叉。
3.根据权利要求1所述的永磁旋转电机，其特征在于，所述定子凸极的自由端面上设置有多个齿，在所述齿与齿之间形成槽，并且在所述转子凸极的自由端面上设置有与所述定子凸极的齿、槽相适配的齿槽结构，以使所述定子凸极和转子凸极之间至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上至少部分交叉。
4.根据权利要求3所述的永磁旋转电机，其特征在于，所述定子凸极上设置的齿和槽在定子凸极的自由端面上规则地分布；所述转子凸极上设置的齿和槽在转子凸极的自由端面上规则地分布。
5.根据权利要求3所述的永磁旋转电机，其特征在于，所述永磁铁贴装在所述转子凸极的齿槽结构表面，或者内嵌在所述转子凸极的齿槽结构内。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的永磁旋转电机，其特征在于，所述定子组件的定子本体为可分割式构造，具有至少两个大致呈扇环状的可组合的分体。
7.一种永磁旋转电机，其特征在于，包括：
定子组件，其具有定子本体，所述定子本体外壁上设置有定子凸极；所述定子凸极上配置有定子线圈，用于在外部导入电流时产生磁场，定子凸极上表贴或者内嵌有永磁体；
转子组件，围绕定子本体，并被设置成可绕定子本体纵向轴线而旋转，该转子组件具有转子本体，所述转子本体上具有多个转子凸极；
位于定子组件与转子组件之间的气隙；
其中，位于定子凸极和转子凸极之间的气隙至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上，至少部分地呈凹凸交错的齿状分布。
8.根据权利要求7所述的永磁旋转电机，其特征在于，所述定子凸极和转子凸极之间至少在一个转子本体或定子本体的轴截面上部分交叉。
9.根据权利要求7或8所述的永磁旋转电机，其特征在于，所述转子组件的转子本体为分割式构造，具有至少两个大致呈扇环状的可组合的分体。
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