CN108233556B - 一种具有优化磁路的定子及电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有优化磁路的定子及电机，所述定子具有多个绕组模块和多个导磁铁芯模块，绕组模块和导磁铁芯模块间隔并排设置形成所述定子，每个绕组模块的极靴覆盖的气隙磁场相角跨度为180°，每个导磁铁芯模块覆盖的气隙磁场相角跨度为60°。本发明提升了反电势和功率，实现了电机功率的最大化。

Description

一种具有优化磁路的定子及电机
技术领域
本发明涉及一种电机，具体涉及一种具有优化磁路的定子及电机。
背景技术
电机功率最大化一直是电机设计和生产领域追求的目标，当永磁电机在定转子间的气隙中磁场分布不是呈标准正弦分布时，在基波之上还有大量高次谐波分量。非正弦磁场导致在转子转动中产生扭矩抖动，即会产生齿槽效应。现有的解决方案，一是将永磁体或者定子极靴绕着磁场方向旋转一个角度，使得转子转动时，定子极靴在非正弦的磁场中能够平稳过渡；二是令定子中，每一相中的每一个绕组，在旋转的过程中接受的周期交变磁场的相位有所差距，通过这种方式抵消齿槽效应的影响。但这两种解决方式都会削减电机的扭矩，降低电机的功率。
目前永磁电机在定转子间的气隙中磁场分布呈标准正弦分布时，目前的电机扭矩即电机功率依然无法达到最大化。
发明内容
根据上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有优化磁路的定子及电机，每个定子绕组模块的极靴覆盖的磁场相角为180°，从而使得整盘所有绕组模块产生的合扭矩最大，即功率最大。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案来实现。
一种具有优化磁路的定子，所述定子具有多个绕组模块和多个导磁铁芯模块，绕组模块和导磁铁芯模块间隔并排设置形成所述定子，每个绕组模块包括的第一极靴覆盖的气隙磁场相角跨度为180°，每个导磁铁芯模块覆盖的气隙磁场相角跨度为60°。
进一步地，每个所述绕组模块还包括第一铁芯和绕组，所述绕组设置在第一铁芯的外表面，所述第一极靴设置在所述第一铁芯的轴向一端面或者轴向两端面。
进一步地，每个所述导磁铁芯模块为一整块铁芯。
进一步地，每个所述导磁铁芯模块包括铁芯柱和导磁极靴，所述导磁极靴设置在所述铁芯柱的轴向一端面或者轴向两端面，所述导磁极靴的气隙磁场相角跨度为60°。
进一步地，所述导磁极靴和所述铁芯柱的截面积相同，所述导磁极靴和所述铁芯柱的气隙磁场相角跨度都为60°。
进一步地，所述铁芯柱的截面积小于导磁极靴的截面积，从而在所述铁芯柱与相邻的绕组模块之间形成容置绕组的空间；所述导磁极靴的气隙磁场相角跨度为60°，所述铁芯柱的气隙磁场相角跨度小于60°。
进一步地，铁芯柱的整体尺寸小于第一铁芯的尺寸，导磁极靴的整体尺寸小于第一极靴的尺寸。
一种电机，包括转子和如前任一项所述的定子，转子磁极位于所述绕组模块和导磁铁芯模块的轴向端面。
进一步地，所述电机为内转子电机或者外转子电机。
进一步地，所述电机为轴向磁场电机、径向磁场电机或者直线电机。
本发明的有益效果如下：
1.本发明中电机定子的每个绕组模块的极靴覆盖的气隙磁场相角跨度为180°，同时本发明独创性地提出相邻绕组模块之间设置一个气隙磁场相角跨度为60°的导磁铁芯模块进行补位导磁，提高了电机的扭矩和功率。
2.本发明可以采用正弦度好的永磁布置方案，能够产生正弦气隙磁场，以避免产生齿槽效应，并且每个同相模块相位同步，结合每个极靴的覆盖相角优化到180°，电机扭矩/功率达到最优点。
3.本发明也可以采用非正弦分布磁场，虽然存在齿槽效应，但由于本发明的每个绕组模块的极靴覆盖的气隙磁场相角跨度为180°，依然能够提高电机扭矩。
4.本发明中铁芯柱可以收紧到刚好能满足导通气隙磁场的截面积，收紧后让位出来的空间位置可以供相邻绕组模块的绕组占用，相比没有让位空间的方案来说，电机整体性可以再提高10％-12％。
附图说明
图1为本发明定子和电机的第一实施例示意图；
图2为本发明定子和电机的第二实施例示意图；
图3为本发明定子和电机的第三实施例示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
第一实施例：
图1为本发明定子和电机的第一实施例示意图。电机包括定子和转子磁极11，转子磁极11靠近定子的一个轴向端面设置，图1给出了转子磁极11靠近定子的轴向上端面设置的示例。需要说明的是，本文中某对象的轴向、径向、周向的表述分别表示的是相对于该对象本身而言的轴向、径向、周向，如果没有限定该对象，则轴向、径向、周向均是相对于定子而言的轴向、径向、周向。
定子具有多个绕组模块12和多个导磁铁芯模块13，相邻绕组模块12之间设置一个所述导磁铁芯模块13，绕组模块12和导磁铁芯模块13间隔并排设置形成所述定子，每个绕组模块12的极靴覆盖的气隙磁场相角跨度为180°，每个导磁铁芯模块13覆盖的气隙磁场相角跨度为60°。
每个绕组模块12包括第一铁芯14、上极靴15和绕组16。上极靴15左右对称固定设置在第一铁芯14的轴向上端面；上极靴15截面积大于第一铁芯14截面积，从而在第一铁芯14的外表面形成缠绕绕组16的空间。绕组16的导线紧密缠绕在第一铁芯14的外表面，以在上极靴15的限制下尽量缠绕更多的导线，并且绕组16不伸出上极靴15的边缘，图1中示出绕组16缠绕了六层三圈的导线。需要说明的是，本文中所采用的第一、第二的描述，仅是为了表述方便，并无实际含义；其中表示方位的术语，如上下左右等，只是根据相应附图获知的相对位置，当附图发生变化时，表示同一相对位置的术语也可能发生相应的变化。这里的截面积是指从垂直于纸面的方向截得的面积。当然，上极靴15也可以不设置。
每个导磁铁芯模块13包括铁芯柱17和上导磁极靴18，固定设置在铁芯柱17的轴向上端面。上导磁极靴18和铁芯柱17截面积相同，上导磁极靴18和铁芯柱17的气隙磁场相角跨度都为60°。铁芯柱17的整体尺寸小于第一铁芯14的尺寸，上导磁极靴18的整体尺寸小于上极靴15的尺寸。
在替代实施例中，导磁铁芯模块也可以设置为一整块铁芯，不设置导磁极靴。
在本实施例中，电机采用单面磁极的配置，定子有轭19，如图1所示。
当一个绕组对应的磁场相位跨度越接近180°(即覆盖一整个磁极N极或者S极的范围)，相同磁场面积、相同绕组厚度、相同导线截面积下(以下简称“相同条件下”)感应出来的反电势越大。因此，本实施例采用了绕组模块覆盖的气隙磁场相角跨度为180°，相比小于180°的气隙磁场相角跨度而言，最大化了相同条件下的反电势，相应地，提升了功率。导磁铁芯模块不仅可以起到导磁的作用，还可以有效减小两侧转子磁极间的空气磁阻，增强气隙磁场，提高电机功率；此外还可以调整ABC三相绕组相角差的作用，通过导磁铁芯模块13覆盖的气隙磁场相角跨度为60°保证了相邻绕组模块之间60°间隔，在获得最大反电势的同时，保证了电机的三相绕组之间的相角间距240°(即等效120°)。
第二实施例：
图2为本发明定子和电机的第二实施例示意图，第二实施例与第一实施例的不同之处在于，铁芯柱27向内收缩到刚好能满足导通气隙磁场的截面积，从而铁芯柱27截面积小于导磁极靴对28截面积，此时，导磁极靴对28的气隙磁场相角跨度为60°，铁芯柱27的气隙磁场相角跨度小于60°。
由于导磁极靴对28的截面积大于铁芯柱27的截面积，因此铁芯柱27收缩后让出的空间可以提供给相邻的绕组模块22，从而在绕组模块的铁芯上多缠绕绕组导线，图2中示出了绕组缠绕了六层四圈的导线。另外，让出来的空间也可以供铁芯柱27缠绕绕组，但优选方案是让位给绕组模块22缠绕绕组。
与第一实施例(导磁极靴对18截面积等于铁芯柱17截面积)的设置相比，导磁极靴对28截面积大于铁芯柱27截面积的设置可使电机整体性能提高10％-12％。
在替代实施例中，导磁极靴对28可以是单个极靴，设置在铁芯柱27的轴向上端面或轴向下端面。
与第一实施例相同的部分，本实施例不再赘述。
第三实施例：
图3为本发明定子和电机的第三实施例示意图，第三实施例与前述实施例不同之处在于，每个绕组模块12包括第一极靴对，第一极靴对15包括的上极靴和下极靴为相同规格的极靴，并上下对称设置；上极靴左右对称固定设置在第一铁芯的轴向上端面，下极靴左右对称固定设置在第一铁芯14的轴向下端面；上极靴和下极靴截面积大于第一铁芯截面积。绕组的导线紧密缠绕在第一铁芯的外表面，以在第一极靴对的限制下尽量缠绕更多的导线，并且绕组16不伸出第一极靴对的边缘；每个导磁铁芯模块还包括导磁极靴对，导磁极靴对包括的上导磁极靴和下导磁极靴对称设置，且分别固定设置在铁芯柱的轴向上端面和轴向下端面。导磁极靴对和铁芯柱截面积相同，导磁极靴对和铁芯柱的气隙磁场相角跨度都为60°。铁芯柱的整体尺寸小于第一铁芯的尺寸，上导磁极靴和下导磁极靴为相同规格的极靴，上导磁极靴的整体尺寸小于上极靴的尺寸；以及，定子的轴向上端面和轴向下端面分别设置转子磁极31、32，相应地，电机可设置为不同类型的电机，如可设置为内转子电机或者外转子电机，或者，可设置为盘式电机或者直线电机。
图3示出了电机采用双面磁极的配置，定子无轭，既可以做成盘式电机，轴向磁通；也可以做成普通径向磁场电机，磁极为内外环布置，绕组夹在中间；还可以做成直线电机(如图3所示)。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种盘式电机，包括转子和定子，其特征在于，在所述转子与定子之间的气隙磁场为正弦气隙磁场，所述定子具有多个绕组模块和多个导磁铁芯模块，绕组模块和导磁铁芯模块间隔并排设置形成所述定子，每个绕组模块包括的第一极靴覆盖的气隙磁场相角跨度为180°，每个导磁铁芯模块覆盖的气隙磁场相角跨度为60°；
所述转子磁极采用双面磁极的配置，位于所述绕组模块和导磁铁芯模块的轴向端面。
2.根据权利要求1所述的盘式电机，其特征在于，每个所述绕组模块还包括第一铁芯和绕组，所述绕组设置在第一铁芯的外表面，所述第一极靴设置在所述第一铁芯的轴向一端面或者轴向两端面。
3.根据权利要求2所述的盘式电机，其特征在于，每个所述导磁铁芯模块为一整块铁芯。
4.根据权利要求2所述的盘式电机，其特征在于，每个所述导磁铁芯模块包括铁芯柱和导磁极靴，所述导磁极靴设置在所述铁芯柱的轴向一端面或者轴向两端面，所述导磁极靴的气隙磁场相角跨度为60°。
5.根据权利要求4所述的盘式电机，其特征在于，所述导磁极靴和所述铁芯柱的截面积相同，所述导磁极靴和所述铁芯柱的气隙磁场相角跨度都为60°。
6.根据权利要求4所述的盘式电机，其特征在于，所述铁芯柱的截面积小于导磁极靴的截面积，从而在所述铁芯柱与相邻的绕组模块之间形成容置绕组的空间；所述导磁极靴的气隙磁场相角跨度为60°，所述铁芯柱的气隙磁场相角跨度小于60°。
7.根据权利要求4所述的盘式电机，其特征在于，铁芯柱的整体尺寸小于第一铁芯的尺寸，导磁极靴的整体尺寸小于第一极靴的尺寸。
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Denomination of invention: A stator and motor with optimized magnetic circuit

Effective date of registration: 20220819

Granted publication date: 20200327

Pledgee: Tongling state credit financing Company limited by guarantee

Pledgor: Yao Changqin

Registration number: Y2022980013076