CN107579637A - 一种轴径向磁通永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轴径向磁通永磁电机，包括转轴、转子、轴向定子和径向定子，其中，转子通过轴承与转轴转动连接，转子沿轴向左右两侧分别设有轴向定子，转子沿径向外侧设有径向定子，所述轴向定子与转子同轴平行设置，所述轴向定子与转子之间存在空隙；所述径向定子与转子之间存在空隙。本发明采用轴向磁通和径向磁通相结合的复合磁场结构，使得永磁体的磁能利用率和电机的功率密度得到显著提高，在电动模式下可增大电机转矩密度，在发电模式下可提高电能输出。
Description
技术领域
本发明属于电机设计领域，特别涉及一种轴径向磁通永磁电机。
背景技术
永磁电机及其伺服系统具有高转矩密度、高效率、高功率因数等优点，广泛应用于工业领域，其中轴向永磁电机轴向尺寸短、结构紧凑，可获得比径向电机更高的转矩、功率密度。考虑到永磁体安放和磁路结构设计上有很大灵活性，可根据需要制成不同的结构形状应用于不同场合，而现有永磁电机拓扑仍大多以轴向磁通或径向磁通作为单一永磁结构形式，永磁能在电机中并没有得到充分利用。
目前电机中广泛应用的定转子铁心材料是由硅钢片叠压而成，但电机损耗在磁感应强度较高或频率较高时会严重增加，限制电机功率密度的进一步提高，同时限制磁路方向。随着电气设备小型化趋势，为了研制出能效更高、体积更小、重量更轻的粉芯，软磁复合材料(Soft Magnetic Composite,SMC)的研究已成为当前一个热点。利用SMC材料制备铁心具有许多突出的优点：SMC具有较高的电阻率，能够有效降低高频下的损耗；由于其粉末绝缘的性质，其内部涡流形成的路径很短，能有效减少发热带来的损耗；利用粉末冶金技术能压制成型为最终形状的产品，材料利用率提高，材料浪费比硅钢片材料要少很多；SMC电机还能采用模块式结构，装卸方便，可实现材料的回收和再利用。另外，SMC各向同性的磁特性使得电机电磁设计时磁路可不拘泥于一个方向，大大增加了设计自由度，有利于新型复合磁路拓扑结构的开发，适用于结构稍复杂的三维磁通电机或工作频率较高的电机，性能优于各向异性明显的硅钢叠片材料。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种高功率密度和转矩密度的轴径向磁通永磁电机。
技术方案：本发明提供了一种轴径向磁通永磁电机，包括转轴、转子、轴向定子和径向定子，其中，转子通过轴承与转轴转动连接，转子沿轴向左右两侧分别设有轴向定子，转子沿径向外侧设有径向定子，所述轴向定子与转子同轴平行放置，所述轴向定子与转子之间存在空隙；所述径向定子与转子之间存在空隙。
进一步，所述轴向定子与转子之间的空隙为3～5mm，所述径向定子与转子之间的空隙为0.5～1mm。这样可以使整个电机更加稳定的工作。
进一步，所述转子包括转子铁心、轴向磁通永磁体和径向磁通永磁体，所述转子铁心包括圆盘形铁心和圆盘形铁心外侧的圆环形铁心；轴向磁通永磁体贴在转子圆盘形铁心的左右两侧表面，充磁方向为轴向，径向磁通永磁体贴在转子圆环形铁心的外表面，充磁方向为径向。这一样电机工作时可同时建立轴向和径向磁场，并且二者均为内置式转子的结构，避免了外转子结构成本高、散热困难等缺点。
进一步，所述圆盘形铁心和圆环形铁心一体成型，所述圆盘形铁心外径处的圆环侧面沿轴向分别向左右两侧延长形成圆环形铁心。这样的结构更加的稳定、牢固。
进一步，所述转子铁心采用SMC制成；所述轴向磁通永磁体和所述径向磁通永磁体均采用钕铁硼制成。其中转子铁心利用粉末冶金技术压制成型，可以同时提供轴向磁通磁路和径向磁通磁路，并且可以有效降低损耗。采用钕铁硼材料制作的永磁体的机械性能更好，磁场密度更大。
进一步，所述轴向磁通永磁体的数量是径向磁通永磁体的两倍，径向磁通永磁体的数量为不小于2的偶数；轴向磁通永磁体平均分布在转子圆盘形铁心的左右两侧表面，每个侧表面上的轴向磁通永磁体按磁极相间的顺序沿转子圆盘形铁心表面均匀排列，转子圆盘形铁心左右两侧相对的轴向磁通永磁体平行且磁极极性相同；径向磁通永磁体按磁极相间的顺序沿圆环外表面均匀排列。轴向电机单边极数和径向电机极数相同，便于电机整体的同步控制。
进一步，所述轴向定子包括轴向定子背铁、轴向定子齿和轴向定子三相绕组，所述轴向定子背铁面向转子的面上设有轴向定子齿，所述轴向定子齿上绕制有轴向定子三相绕组。
进一步，所述径向定子包括径向定子铁心、径向定子齿和径向定子三相绕组，所述径向定子铁心圆环内侧设有径向定子齿，所述径向定子齿上绕制有径向定子三相绕组。
进一步，所述轴向定子三相绕组和所述径向定子三相绕组均采用分数槽集中绕组形式。这样可减少线圈端部用铜量进而减少铜耗，简化嵌线工艺，降低齿槽转矩。
工作原理：所述轴径向磁通永磁电机可工作在电动或发电模式。当电机工作在电动模式，轴向和径向定子三相绕组分别通以相同频率的三相对称电流，在轴向定子与转子圆盘之间的空隙中和径向定子和转子圆环之间的空隙中分别产生旋转磁场，拖动转子同向同速旋转。当电机工作在发电模式，转子随转轴旋转，轴向磁通和径向磁通永磁体在轴向定子与转子圆盘之间的空隙中和径向定子和转子圆环之间的空隙中分别产生旋转磁场，进而分别在轴向和径向定子三相绕组中感应出电动势，形成电能输出。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：1.本发明采用轴向磁通和径向磁通相结合的复合磁场结构，使得永磁体的磁能利用率和电机的功率密度得到显著提高，在电动模式下可增大电机转矩密度，在发电模式下可提高电能输出；
2.采用径向和轴向两套定子绕组，在同等功率要求下可减小相电压和相电流，实现大功率输出；
3.采用SMC转子可显著减小高频涡流铁耗，提高电机效率和功率密度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的整体结构分解示意图；
图3为转子结构示意图；其中，(a)为主视图，(b)为立体图；
图4为单侧轴向定子结构示意图；其中，(a)为主视图，(b)为立体图；
图5为径向定子结构示意图；其中，(a)为主视图，(b)为立体图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1～2所示，本实施例提供了一种轴径向磁通永磁电机，包括转轴1、转子2、轴向定子3和径向定子4；其中，转子2通过轴承与转轴1转动连接，轴向定子3沿轴向分别设置在转子2的左右两侧，径向定子4沿径向设置在转子2外侧，转子2可分别与左右两侧轴向定子3和径向定子4形成电磁耦合。
如图3所示，转子包括转子铁心5、轴向磁通永磁体6和径向磁通永磁体7，其中，转子铁心5包括圆盘形铁心51和圆环形铁心52，圆盘形铁心51和圆环形铁心52一体成型，圆盘形铁心51外径处的圆环侧面沿轴向分别向左右两侧延长形成圆环形铁心52；转子铁心5采用SMC材料。圆盘形铁心51两侧表面各贴有六块轴向磁通永磁体6，六块轴向磁通永磁体6按磁极相间的顺序沿圆盘表面均匀排列，即磁极为N极的轴向磁通永磁体6和磁极为S极的轴向磁通永磁体6相间排列，左右两侧相对的轴向磁通永磁体6平行且磁极极性相同，每块轴向磁通永磁体6的充磁方向均为轴向，圆环形铁心52的外表面贴有六块径向磁通永磁体7，六块径向磁通永磁体7按磁极相间的顺序沿圆环外表面均匀排列，即磁极为N极的轴向磁通永磁体6和磁极为S极的轴向磁通永磁体6相间排列。轴向磁通永磁体6和径向磁通永磁体7均采用钕铁硼材料。
如图4所示，轴向定子3包括轴向定子背铁8、轴向定子齿9和轴向定子三相绕组10，轴向定子背铁8面向转子2的圆盘表面上设有九个轴向定子齿9，轴向定子齿9上设有轴向定子三相绕组10。
如图5所示，径向定子4包括径向定子铁心11、径向定子齿12和径向定子三相绕组13，径向定子铁心11的圆环内表面上设有九个径向定子齿12，径向定子齿12上设有径向定子三相绕组13。轴向定子背铁8和径向定子铁心11均采用磁阻较小的导磁钢，轴向定子三相绕组10和径向定子三相绕组13均采用分数槽集中绕组形式，这样可减少线圈端部用铜量进而减少铜耗，简化嵌线工艺，降低齿槽转矩。轴向定子齿9和径向定子上12设有齿的个数均为Z，设k为Z与P的最大公约数，则Z除以k的值是3的正整数倍，P除以k的值不能为3的正整数倍，其中，P为径向磁通永磁体7的数量，轴向磁通永磁体6的数量为径向磁通永磁体7数量的两倍，P为不小于2的偶数。本实施例中径向磁通永磁体7有六个，轴向定子齿9和径向定子齿12均各设有九个。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种轴径向磁通永磁电机，其特征在于：包括转轴、转子、轴向定子和径向定子，其中，转子通过轴承与转轴转动连接，转子沿轴向左右两侧分别设有轴向定子，转子沿径向外侧设有径向定子，所述轴向定子与转子同轴平行放置，所述轴向定子与转子之间存在空隙；所述径向定子与转子之间存在空隙。
2.根据权利要求1所述的轴径向磁通永磁电机，其特征在于：所述轴向定子与转子之间的空隙为3～5mm，所述径向定子与转子之间的空隙为0.5～1mm。
3.根据权利要求1所述的轴径向磁通永磁电机，其特征在于：所述转子包括转子铁心、轴向磁通永磁体和径向磁通永磁体，所述转子铁心包括圆盘形铁心和圆盘形铁心外侧的圆环形铁心；轴向磁通永磁体贴在转子圆盘形铁心的左右两侧表面，充磁方向为轴向，径向磁通永磁体贴在转子圆环形铁心的外表面，充磁方向为径向。
4.根据权利要求3所述的轴径向磁通永磁电机，其特征在于：所述圆盘形铁心和圆环形铁心一体成型，所述圆盘形铁心外径处的圆环侧面沿轴向分别向左右两侧延长形成圆环形铁心。
5.根据权利要求3所述的轴径向磁通永磁电机，其特征在于：所述转子铁心采用SMC制成；所述轴向磁通永磁体和所述径向磁通永磁体均采用钕铁硼制成。
6.根据权利要求3所述的轴径向磁通永磁电机，其特征在于：所述轴向磁通永磁体的数量是径向磁通永磁体的两倍，径向磁通永磁体的数量为不小于2的偶数；轴向磁通永磁体平均分布在转子圆盘形铁心的左右两侧表面，每个侧表面上的轴向磁通永磁体按磁极相间的顺序沿转子圆盘形铁心表面均匀排列，转子圆盘形铁心左右两侧相对的轴向磁通永磁体平行且磁极极性相同；径向磁通永磁体按磁极相间的顺序沿圆环外表面均匀排列。
7.根据权利要求1所述的轴径向磁通永磁电机，其特征在于：所述轴向定子包括轴向定子背铁、轴向定子齿和轴向定子三相绕组，所述轴向定子背铁面向转子的面上设有轴向定子齿，所述轴向定子齿上绕制有轴向定子三相绕组。
8.根据权利要求1所述的轴径向磁通永磁电机，其特征在于：所述径向定子包括径向定子铁心、径向定子齿和径向定子三相绕组，，所述径向定子铁心圆环内侧设有径向定子齿，所述径向定子齿上绕制有径向定子三相绕组。
9.根据权利要求7或8所述的轴径向磁通永磁电机，其特征在于：所述轴向定子三相绕组和所述径向定子三相绕组均采用分数槽集中绕组形式。
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