CN108462348B - 一种筒式单气隙内转子无磁阻电机 - Google Patents

一种筒式单气隙内转子无磁阻电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种筒式单气隙内转子无磁阻电机，其外定子组件包括电机壳体和位于电机壳体内侧的线圈，还包括若干T型定子导磁环和I型定子导磁环，T型定子导磁环的导磁性能与I型导磁环的导磁性能不同，I型定子导磁环的I状部的高度小于T型定子导磁环T状部的高度，T状部形成用于定位线圈的槽楔，T状部与内转子组件之间形成紧密气隙，可以削减磁阻。I状部与内转子组件之间的气隙大于T状部与内转子组件之间的气隙，I状部与内转子组件之间形成准确的间隙,I状部与内转子组件之间的间隙可以削减无功磁场，消除发热损耗,消除高次谐波电势和高次齿谐波电势,消除磁阻带来的尖叫声,实现无磁阻的效果，提高了有功效率，电机效率大大提高。

Description

一种筒式单气隙内转子无磁阻电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体地说，是涉及一种筒式单气隙内转子无磁阻电机。
背景技术
随着节能环保的产品的不断发展,永磁同步电机是目前在各行各业用的最广泛的产品，最几年特别是在新能源汽车领域永磁电机用量最为突出。但是,现有的永磁同步电机，都存在着磁阻问题，电机本身损耗比较大，容易发热，起步加速有尖叫声。现有电机定子一般采用斜槽，把定子铁芯上的槽或转子磁极扭斜一个定子齿距大小，也有的采用磁性槽楔用来减少齿谐波电势。采用分数槽集中绕组相对于整数槽绕组对减少齿槽转矩、能输出功率稍略提高，且其弱磁扩速能力也有一定提高。与整数槽绕组相比分数槽绕组的主要不足之处是：槽数与极数选择有严格的约束、绕组系数稍低、绕组电感较大、电枢反应磁动势有谐波导致转子涡流损耗和噪声。
发明内容
本发明的目的在于提供一种筒式单气隙内转子无磁阻电机，解决了现有永磁电机磁阻高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种筒式单气隙内转子无磁阻电机，所述电机包括内转子组件和外定子组件；所述外定子组件包括电机壳体和位于所述电机壳体内侧的线圈，所述外定子组件包括若干T型定子导磁环和I型定子导磁环，所述T型定子导磁环包括环状部和位于环状部内壁上的若干T状部，所述I型定子导磁环包括环状部和位于环状部内壁上的若干I状部，相邻两个T型定子导磁环之间设置有若干I型定子导磁环，同一T型定子导磁环的相邻T状部之间、同一I型定子导磁环的相邻I状部之间形成线圈绕制空间；所述T型定子导磁环的导磁性能小于所述I型定子导磁环，所述I状部的高度小于所述T状部的高度；相邻两个T型定子导磁环之间的I型定子导磁环的位置与内转子组件的一个周线上的永磁体的位置相对。
如上所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，所述内转子组件包括电机轴、套装于所述电机轴上的磁轭和安装于所述磁轭上的若干永磁体, 所述磁轭上设置有若干用于安装永磁体的安装腔体,所述安装腔体均与所述磁轭的轴线平行分布,且在所述磁轭的周线方向上按照一定间距布置, 所述永磁体的磁极在同一轴线方向上相同且在周线方向上交替分布，在所述磁轭的轴线方向上相邻两个永磁体之间设置有导磁隔垫；
如上所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，所述安装腔体与磁轭中心轴线之间设置有两个隔磁腔。
如上所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，所述两个隔磁腔相接并呈一定夹角。
如上所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，所述磁轭包括若干同轴线分布的磁轭体，每个所述磁轭体的周线方向上分布有一圈永磁体。
如上所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，所述 T状部在环状部的内壁上间隔均匀分布，所述T状部的“I”部与环状部相交处的切线垂直，所述T状部的“一”部与环状部在同一平面上。
如上所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，所述I状部在环状部的内壁上间隔均匀分布，I状部与环状部相交处的切线垂直。
如上所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，所述T型定子导磁环的环状部的直径与I型定子导磁环的环状部的直径大小相同，T型定子导磁环的环状部与I型定子导磁环的环状部同轴线设置，T型定子导磁环相邻两个T状部的“I”部的间距与I型定子导磁环相邻两个I状部的间距相同，T型定子导磁环的“I”部与I型定子导磁环的I状部同轴线分布。
如上所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，所述I型导磁环的I状部的自由端具有燕尾槽，所述燕尾槽上装有导磁头，所述导磁头具有与燕尾槽匹配的燕尾形。与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明筒式单气隙内转子无磁阻电机T型定子导磁环的导磁性能与I型导磁环的导磁性能不同，I型定子导磁环的I状部的高度小于T型定子导磁环T状部的高度， T状部形成用于定位线圈的槽楔，T状部与内转子组件之间形成紧密气隙，可以削减磁阻。I状部与内转子组件之间的气隙大于T状部与内转子组件之间的气隙，I状部与内转子组件之间形成准确的间隙,I状部与内转子组件之间的间隙可以削减无功磁场，消除发热损耗,消除了高次谐波电势和高次齿谐波电势,消除了磁阻带来的尖叫声,实现无磁阻的效果，提高了有功效率。本发明与目前永磁电机相比，电机效率大大提高。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1为本发明具体实施例电机的剖视图。
图2为本发明具体实施例冷却系统的示意图。
图3为本发明具体实施例电机的分解图。
图4为本发明具体实施例永磁体与磁轭部分的示意图。
图5为本发明具体实施例永磁体与磁轭部分的分解图。
图6为本发明具体实施例外定子组件与导热盘分解示意图。
图7为本发明具体实施例导磁环的示意图（去掉导磁头状态）。
图8为图7的局部放大图（I型导磁环与导磁头分解状态）。
图9为本发明具体实施例T型导磁环和I型导磁环（I型导磁环与导磁头分解状态）的示意图。
图10为电机壳体内或空心导线内或筒形导磁件的冷却管路的制冷剂流向示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。
如图1-3所示，本实施例提出了一种筒式单气隙内转子无磁阻电机，电机包括外定子组件、内转子组件和冷却系统。
内转子组件包括电机轴101、套装于电机轴101上的筒形磁轭102和安装于筒形磁轭102上的若干永磁体103。
外定子组件包括电机壳体201、位于电机壳体201两端的端盖202、位于电机壳体201内侧的筒形线圈203。
电机壳体201与端盖202固定连接，端盖202和电机轴101之间通过轴承3连接，电机壳体201和电机轴101之间通过轴承3实现相对转动。电机壳体201、端盖202和线圈203同步与电机轴101发生相对转动，也即永磁体103与线圈203相对转动时，线圈203做切割磁感线运动产生电流，此时，电机为发电机。当线圈203通电时，线圈203产生的电磁场与永磁体103发生相互作用力，驱动电机轴101与电机壳体201发生相对转动，此时，电机为电动机。电机包括旋转变压器，旋转变压器的转轴固定连接在电机轴101上，用于检测转子组件和定子组件相对应的角度。
电机壳体201为金属材质，有屏蔽磁场的作用，防止磁场外漏。
为了实现电机的冷却，本实施例的电机包括冷却系统，在电机壳体201内具有冷却管路205。如图1、2所示,冷却系统包括由管路依次连接的压缩机41、冷凝器42、节流元件43和由电机壳体201内的冷却管路205形成的蒸发器，冷却系统内灌注有制冷剂。线圈203产生的热量可被电机壳体201产生的制冷量迅速抵消，压缩机41运行时，电机壳体201内的冷却管路205内的制冷剂蒸发吸热，使得电机壳体201产生制冷量，因而，线圈203产生的热量可被迅速被电机壳体201产生的制冷量中和，线圈203能够得到快速降温，能够满足线圈203的温度需求。
为了进一步保障线圈的温度，本实施例的冷却系统包括控制器和用于检测线圈203温度的温度传感器，温度传感器检测线圈的温度，并将温度传输至控制器，控制器用于根据温度控制压缩机的运行频率。在线圈的温度高于设定阈值时，控制压缩机的运行频率提高，增大电机壳体201的制冷效果，以快速降低线圈的温度；在线圈的温度低于设定阈值时，控制压缩机的运行频率降低，也能够保证线圈的温度符合要求，可以避免线圈的温度过低，同时还可以节约能源。本实施例能够在使用最少能源的基础上保障线圈的温度始终在设定阈值范围内，保障无磁阻电机能够安全稳定的工作。
其中，节流元件可以为毛细管，本实施例的节流元件优选采用电子膨胀阀，控制器可以输出控制信号控制电子膨胀阀的开度，以更加精确的调节无铁心线圈工作时的温度。
本实施例电机的电机壳体201内设置有S型冷却管路，线圈203产生的热量由电机壳体201产生的制冷量抵消。具体的，如图1、10所示，电机壳体201内有S型的冷却管路，电机壳体201上连接有与冷却管路连通的进液口和出液口。如图10所示，为电机壳体201内的制冷剂流向示意图。
为了进一步加快热量传递，如图3、6所示，电机包括导热盘7，导热盘7安装于在电机壳体201的内壁上，导热盘7与线圈203接触。优选的，导热盘7包覆部分线圈203，以加快线圈203的热量传递。因而，线圈的热量通过导热盘7迅速传递至电机壳体201上，由电机壳体201内的制冷剂制冷中和。
当然，电机冷却系统并不限定在上述形式，也可不在电机壳体内设置冷却管路，而是将线圈设置为由空心导线缠绕形成，冷却系统包括有管路依次连接的压缩机41、冷凝器42、节流元件43和空心导线形成的蒸发器，冷却系统内灌注有制冷剂。此种形式的制冷剂产生的制冷量直接作用于线圈，能够使线圈快速降温。或者，也可将线圈设置为由实心导线缠绕形成，在筒形导磁件2067上设置冷却管路，冷却系统包括有管路依次连接的压缩机41、冷凝器42、节流元件43和筒形导磁件2067上的冷却管路形成的蒸发器，冷却系统内灌注有制冷剂。此种形式的制冷剂产生的制冷量通过筒形导磁件2067作用于线圈，给线圈降温。
为了提高电机效率，本实施例对永磁体103的安装方式和线圈203的安装方式进行了改进,形成了一种筒式单气隙内转子无磁阻电机：
如图4、5所示，磁轭102上设置有若干用于安装永磁体103的安装腔体104,安装腔体104均与磁轭102的轴线平行分布,且在磁轭102的周线方向上按照一定间距布置。安装腔体104在磁轭102的轴线方向上均匀分布。永磁体103的磁极在同一轴线方向上相同且在周线方向上交替分布；在同一轴线上均为N极或均为S极，在同一周线方向上则N极与S极交替分布。其中，安装腔体104与永磁体103均为三角柱形。
在磁轭的轴线方向上相邻两个永磁体103之间设置有导磁隔垫105。导磁隔垫105可以避免同极相斥，使相邻两个同极永磁体103吸合在一块。每个安装腔体104与磁轭中心轴线之间均设置有两个隔磁腔106，两个隔磁腔106相接并呈一定夹角，隔磁腔106可以隔断永磁体103向磁轭中心轴线方向的磁场，避免磁轭上相对的永磁体103之间的相互干扰，保证永磁体103向定子组件方向的磁场效果。
现有永磁电机永磁体采用表贴直接暴露在气隙磁场中，容易导致永磁体易退磁，其弱磁能力受到限制。本实施例永磁体嵌入磁轭内，形成嵌入式转子结构，q轴电感大于d轴电感，转子具有凸极效应，嵌入式结构动态性能较表贴式有所改善，嵌入式转子结构的永磁体位于磁轭内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，用以保护嵌入式转子铁芯内的永磁体．因其转子磁路结构具有不对称性而产生较高的转矩，可以提高电机的过载能力和功率密度。
本实施例中，为了便于加工，筒形磁轭102由多个磁轭体1021压装形成，还可以避免磁短路，磁轭体1021与电机轴101通过键槽和键条配合。
转子组装时，将若干磁轭体1021套装在电机轴101上，并使键条插入键槽内，使用压力机将若干磁轭体1021压装成型为筒形磁轭102，在电机轴的两端装有锁紧螺帽，压装成型后，将锁紧螺帽锁紧，后再装入永磁体103和导磁隔垫105，最后用合金材料封闭安装腔体104。
如图6-9所示，外定子组件包括若干T型定子导磁环206和I型定子导磁环207。相邻两个T型定子导磁环206之间设置有若干I型定子导磁环207。
T型定子导磁环206包括环状部2061和位于环状部2061内壁上的若干T状部2062，T状部2062在环状部2061的内壁上间隔均匀分布，T状部的“I”部与环状部2061相交处的切线垂直，T状部的“一”部与环状部2061在同一平面上。
I型定子导磁环207包括环状部2071和位于环状部2071内壁上的若干I状部2072，I状部2072在环状部2071的内壁上间隔均匀分布，I状部2072与环状部2071相交处的切线垂直。
T型定子导磁环206的环状部2061的直径与I型定子导磁环207的环状部2071的直径大小相同，T型定子导磁环206的环状部2061与I型定子导磁环207的环状部2071同轴线设置。T型定子导磁环206相邻两个T状部的“I”部的间距与I型定子导磁环207相邻两个I状部的间距相同。T型定子导磁环206的“I”部与I型定子导磁环207的I状部同轴线分布。
同一T型定子导磁环206的相邻T状部之间、同一I型定子导磁环的相邻I状部之间形成线圈绕制空间，T型定子导磁环206的导磁性能小于I型定子导磁环207。
相邻两个T型定子导磁环206之间的I型定子导磁环207的位置与内转子组件的一个周线上的永磁体103的位置相对应。永磁体103的磁力线直接穿过导磁性能高的I型定子导磁环207，提高电机效率。
在l型导磁环207的l状部2072的自由端加工有燕尾槽209，燕尾槽209上装有导磁头208，导磁头208为T形，导磁头208的“I”的自由端部设置为与燕尾槽209匹配的燕尾形。导磁头208与T型导磁环206配合，用来消除磁阻。导磁头208的导磁性能与T型定子导磁环的导磁性能相同或近似。本实施例的定子组件包括若干T型定子导磁环206和I型定子导磁环207,T型定子导磁环207具有低导磁性能,I型定子导磁环207具有高导磁性能,其中，I状部的高度小于T状部的高度。T状部形成用于定位线圈的槽楔，T状部与内转子组件之间形成紧密气隙，可以削减磁阻。I状部与内转子组件之间的气隙大于T状部与内转子组件之间的气隙，I状部的导磁头与内转子组件之间形成准确的间隙,I状部的导磁头与内转子组件之间的间隙可以削减无功磁场，消除发热损耗,消除了高次谐波电势和高次齿谐波电势,消除了磁阻带来的尖叫声,实现无磁阻的效果，提高了有功效率。
定子组装时，先装T型定子导磁环206，再装I型定子导磁环207，在I型定子导磁环207的燕尾槽209上装上导磁头208，再装T型定子导磁环206，以此类推，最后压装成型后嵌入线圈。
电机运行过程中，通过温度传感器检测线圈203的温度并发送至控制器，控制器根据温度控制压缩机的运行频率和电子膨胀阀的开度，使得线圈203的温度维持在设定阈值范围内，保障无磁阻电机能够安全稳定的工作。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种筒式单气隙内转子无磁阻电机，其特征在于，所述电机包括内转子组件和外定子组件；所述外定子组件包括电机壳体和位于所述电机壳体内侧的线圈，所述外定子组件包括若干T型定子导磁环和I型定子导磁环，所述T型定子导磁环包括环状部和位于环状部内壁上的若干T状部，所述I型定子导磁环包括环状部和位于环状部内壁上的若干I状部，相邻两个T型定子导磁环之间设置有若干I型定子导磁环，同一T型定子导磁环的相邻T状部之间、同一I型定子导磁环的相邻I状部之间形成线圈绕制空间；所述T型定子导磁环的导磁性能小于所述I型定子导磁环，所述I状部的高度小于所述T状部的高度；相邻两个T型定子导磁环之间的I型定子导磁环的位置与内转子组件的一个周线上的永磁体的位置相对；
所述I型定子导磁环的I状部的自由端具有燕尾槽，所述燕尾槽上装有导磁头，所述导磁头为T形，所述导磁头的I的自由端部设置为与所述燕尾槽匹配的燕尾形，所述导磁头的导磁性能与所述T型定子导磁环的导磁性能相同或近似。
2.根据权利要求1所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，其特征在于，所述内转子组件包括电机轴、套装于所述电机轴上的磁轭和安装于所述磁轭上的若干永磁体,所述磁轭上设置有若干用于安装永磁体的安装腔体,所述安装腔体均与所述磁轭的轴线平行分布,且在所述磁轭的周线方向上按照一定间距布置,所述永磁体的磁极在同一轴线方向上相同且在周线方向上交替分布，在所述磁轭的轴线方向上相邻两个永磁体之间设置有导磁隔垫。
3.根据权利要求2所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，其特征在于，所述安装腔体与磁轭中心轴线之间设置有两个隔磁腔。
4.根据权利要求3所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，其特征在于，所述两个隔磁腔相接并呈一定夹角。
5.根据权利要求2所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，其特征在于，所述磁轭包括若干同轴线分布的磁轭体，每个所述磁轭体的周线方向上分布有一圈永磁体。
6.根据权利要求1所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，其特征在于，所述T状部在环状部的内壁上间隔均匀分布，所述T状部的“I”部与环状部相交处的切线垂直，所述T状部的“一”部与环状部在同一平面上。
7.根据权利要求1所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，其特征在于，所述I状部在环状部的内壁上间隔均匀分布，I状部与环状部相交处的切线垂直。
8.根据权利要求1所述的筒式单气隙内转子无磁阻电机，其特征在于，所述T型定子导磁环的环状部的直径与I型定子导磁环的环状部的直径大小相同，T型定子导磁环的环状部与I型定子导磁环的环状部同轴线设置，T型定子导磁环相邻两个T状部的“I”部的间距与I型定子导磁环相邻两个I状部的间距相同，T型定子导磁环的“I”部与I型定子导磁环的I状部同轴线分布。
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