CN108667164A - 永磁锥形电机及定子、转子 - Google Patents

永磁锥形电机及定子、转子 Download PDF

Info

Publication number
CN108667164A
CN108667164A CN201810540233.9A CN201810540233A CN108667164A CN 108667164 A CN108667164 A CN 108667164A CN 201810540233 A CN201810540233 A CN 201810540233A CN 108667164 A CN108667164 A CN 108667164A
Authority
CN
China
Prior art keywords
rotor
cone
stator
motor
electric machine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810540233.9A
Other languages
English (en)
Inventor
米基尔·加莱亚
萨拉·罗吉亚
弗朗西斯科·库比蒂诺
张何
克里斯·杰拉德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Nottingham Ningbo China
Original Assignee
University of Nottingham Ningbo China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Nottingham Ningbo China filed Critical University of Nottingham Ningbo China
Priority to CN201810540233.9A priority Critical patent/CN108667164A/zh
Priority to GB1811943.8A priority patent/GB2574279B/en
Publication of CN108667164A publication Critical patent/CN108667164A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/02—Details
    • H02K21/021—Means for mechanical adjustment of the excitation flux
    • H02K21/022—Means for mechanical adjustment of the excitation flux by modifying the relative position between field and armature, e.g. between rotor and stator
    • H02K21/025—Means for mechanical adjustment of the excitation flux by modifying the relative position between field and armature, e.g. between rotor and stator by varying the thickness of the air gap between field and armature
    • H02K21/027—Conical air gap machines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/06—Machines characterised by the presence of fail safe, back up, redundant or other similar emergency arrangements

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

本发明公开一种永磁锥形电机及定子、转子，永磁锥形电机包括:定子，所述定子的内表面为锥形；转子，所述转子关于所述定子轴向旋转，所述转子的外表面为截锥形，所述转子与所述定子具有相同的锥角，所述转子上设置有永磁体；弹簧，所述弹簧套设中所述转子的轴上，用于当电机不通电时，抵消所述永磁体产生的轴向力。

Description

永磁锥形电机及定子、转子
技术领域
本发明涉及电机领域，具体而言，涉及一种
永磁锥形电机及定子、转子。
背景技术
通常扭矩用来产生旋转运动，电动机的转子也将能够进行轴向运动。这 对于需要主动接合/分离的应用场合非常理想，例如飞机和汽车中的牵引应用 等。
锥形电机存在并正在生产中。然而，今天所有可用的锥形电机均来自感 应电机系列。这是因为当不通过电源端子通电时，感应电机没有剩余励磁。 因此，当电机断电时，在定子和转子之间没有驻地吸引力。这对锥形电机非 常重要，因为现有的吸引力会导致转子的轴向运动。然而，感应电机的主要 挑战是其功率密度和扭矩密度相对较低。今天对于移动应用来说，最流行的 电机技术就是使用永磁的技术。这是由于永磁电机能够实现更高的转矩和功 率密度以及更高的效率。然而，当考虑用于圆锥形电动机应用的永磁技术时， 要克服重大挑战，主要是由于电机的永久激励特性(由于永磁引起)。由于 这个原因，今天没有永磁电机具有圆锥形特性。因此，没有人能够实现永磁 电机(高功率密度和高效率)与锥形几何形状(轴向运动)的组合优势。
发明内容
本发明提供一种永磁锥形电机及定子、转子，用以克服现有技术中存在 的至少一个技术问题。
本发明提供一种永磁锥形电机，包括:
定子，所述定子的内表面为锥形；
转子，所述转子关于所述定子轴向旋转，所述转子的外表面为截锥形， 所述转子与所述定子具有相同的锥角，所述转子上设置有永磁体；
弹簧，所述弹簧套设在所述转子的轴上，用于当电机不通电时，抵消所 述永磁体产生的轴向力。
可选的，所述弹簧的弹性系数根据所述永磁体在电机空载时产生的轴向 力来确定。
可选的，所述锥角根据电机的扭矩需求和轴向移动所需的轴向力来计算。
可选的，电机通电时，作用在所述转子上的力相对于所述转子的侧面具 有法向分量和切向分量，所述切向分量与所述转子的转矩和所产生的剪切应 力成正比。
可选的，电机空载时所述转子的轴向力根据所述永磁体的磁体特征确 定，所述永磁体的磁性特征基于电机的转矩要求进行选择。
本发明还提供了一种用于永磁锥形电机的定子，所述定子的内表面为锥 形，所述定子的锥角与其匹配的、外表表面呈截锥形的转子的锥角相同。
本发明还提供了一种用于永磁锥形电机的转子，所述转子的外表面为截 锥形，所述转子的锥角与其匹配的、外表表面呈锥形的定子的锥角相同；所 述转子上设置有永磁体，所述转子的轴上套设有弹簧，当电机不通电时，所 述弹簧抵消所述永磁体产生的轴向力。
可选的，所述弹簧的弹性系数根据所述永磁体在电机空载时产生的轴向 力来确定。
可选的，所述锥角根据电机的扭矩需求和轴向移动所需的轴向力来计算。
可选的，电机通电时，作用在所述转子上的力相对于所述转子的侧面具 有法向分量和切向分量，所述切向分量与所述转子的转矩和所产生的剪切应 力成正比。
本发明具有以下有益效果：
本发明将永磁电机与锥形几何形状相结合，使得电机具有更高的转矩和 功率密度以及更高的效率，当电机断电时，通过套设在所述转子的轴上弹簧 消除定子和转子之间的驻地吸引力，避免了转子的轴向运动，从而实现了同 时具有永磁电机和锥形电机的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为本发明一个实施例的电机截面图；
图1b为本发明一个实施例的电机目标转矩减小η时各向量示意图；
图2为本发明一个实施例的锥形电机转子上的受力分解示意图；
图3为本发明一个实施例的转子结构示意图；
图4a为本发明一个实施例的转速为50r永磁时的扭矩测量曲线图；
图4b为本发明一个实施例的转速为500r永磁时的扭矩测量曲线图；
图5为本发明一个实施例的轴向力示例图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1a所示，本实施例的永磁锥形电机，包括:
定子，所述定子的内表面为锥形；
转子，所述转子关于所述定子轴向旋转，所述转子的外表面为截锥形， 所述转子与所述定子具有相同的锥角，所述转子上设置有永磁体；
弹簧，所述弹簧套设中所述转子的轴上，用于当电机不通电时，抵消所 述永磁体产生的轴向力。
在具体实施时，所述弹簧的弹性系数可根据所述永磁体在电机空载时产 生的轴向力来确定，从而更好地抵消永磁体产生的轴向力。
在锥形电机设计的优化过程中，锥角是影响电机性能的主要参数。在具 体实施时，所述锥角根据电机的扭矩需求和轴向移动所需的轴向力来计算。 例如，假设已经设计了电机的最佳设计，那么应该选择锥角来限制由于转子 锥形形状造成的转矩减小一定值η。将最大扭矩降低η设置为允许满足应用 要求的优选值，可以从公式(2)中选择圆锥角γ。公式(2)为用电机的长 度和半径的函数限定的圆锥角γ的表达式。其中，方程(1)将锥形扭矩与 圆柱形扭矩相对应。如果进一步推导公式(1)，则在锥角γ明确表现为由 目标转矩减小η确定的变量时获得等式(2)。
其中，lax是中将轴线延长形成等腰三角形的轴线延长距离，lax,γ是转子轴 线距离与lax之和，γ为圆锥角，rmax为转子较大底面的半径，上述公式中的 Ri与rmax表示同一物理量；rmin为转子较小底面的半径，Ri为介于rmax与rmin之间的待求解变量，LFe为转子的轴向长度，LFe,γ为转子侧面的长度。
此外，电机尺寸可以修改以满足应用要求。
如图2所示，S1为转子的较大底面，S2为转子的侧面，S3为转子的较小 底面。在具体实施时，电机通电时，作用在所述转子上的力Fn相对于所述转 子的侧面S2具有法向分量Fr和切向分量Fz，所述切向分量Fr与所述转子的 转矩和所产生的剪切应力成正比。如果在圆柱坐标系中评估，法向分量具有 径向和轴向贡献，如图2所示。由于转子圆周上径向应力的结果矢量和接近 于零，因此绕转子表面的径向力通常可以忽略不计。由于转子和定子之间的 固有吸引力，力的轴向分量被控制以沿水平方向推动或拉动转子。
在具体实施时，电机空载时所述转子的轴向力根据所述永磁体的磁体特 征确定，所述永磁体的磁性特征基于电机的转矩要求进行选择。
实施例2
本实施例为用于永磁锥形电机的定子，所述定子的内表面为锥形，所述 定子的内表面设置有磁体，所述定子的锥角与其匹配的、外表表面呈截锥形 的转子的锥角相同。在具体实施时，锥角的计算方式与实施例1中锥角的计 算方式相同。
实施例3
本实施例为用于永磁锥形电机的转子，如图3所示，所述转子的外表面 为截锥形，所述转子的锥角与其匹配的、外表表面呈锥形的定子的锥角相同； 所述转子上设置有永磁体，所述转子的轴上套设有弹簧，当电机不通电时， 所述弹簧抵消所述永磁体产生的轴向力。
可选的，所述弹簧的弹性系数根据所述永磁体在电机空载时产生的轴向 力来确定。
可选的，所述锥角根据电机的扭矩需求和轴向移动所需的轴向力来计算。
可选的，电机通电时，作用在所述转子上的力相对于所述转子的侧面具 有法向分量和切向分量，所述切向分量与所述转子的转矩和所产生的剪切应 力成正比。
锥角对转矩性能有重要影响；必须根据扭矩需求和轴向移动所需的轴向 力来计算。
为了验证本发明，开发了演示器并进行测试。原型如图4所示。图4和 图5显示验证操作的实验结果。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术 人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做 出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种永磁锥形电机，其特征在于，包括:
定子，所述定子的内表面为锥形；
转子，所述转子关于所述定子轴向旋转，所述转子的外表面为截锥形，所述转子与所述定子具有相同的锥角，所述转子上设置有永磁体；
弹簧，所述弹簧套设在所述转子的轴上，用于当电机不通电时，抵消所述永磁体产生的轴向力。
2.根据权利要求1所述的永磁锥形电机，其特征在于，所述弹簧的弹性系数根据所述永磁体在电机空载时产生的轴向力来确定。
3.根据权利要求1所述的永磁锥形电机，其特征在于，所述锥角根据电机的扭矩需求和轴向移动所需的轴向力来计算。
4.根据权利要求1所述的永磁锥形电机，其特征在于，电机通电时，作用在所述转子上的力相对于所述转子的侧面具有法向分量和切向分量，所述切向分量与所述转子的转矩和所产生的剪切应力成正比。
5.根据权利要求1所述的永磁锥形电机，其特征在于，电机空载时所述转子的轴向力根据所述永磁体的磁体特征确定，所述永磁体的磁性特征基于电机的转矩要求进行选择。
6.一种用于永磁锥形电机的定子，其特征在于，所述定子的内表面为锥形，所述定子的锥角与其匹配的、外表表面呈截锥形的转子的锥角相同。
7.一种用于永磁锥形电机的转子，其特征在于，所述转子的外表面为截锥形，所述转子的锥角与其匹配的、内表面呈锥形的定子的锥角相同；所述转子上设置有永磁体，所述转子的轴上套设有弹簧，当电机不通电时，所述弹簧抵消所述永磁体产生的轴向力。
8.根据权利要求7所述的转子，其特征在于，所述弹簧的弹性系数根据所述永磁体在电机空载时产生的轴向力来确定。
9.根据权利要求7所述的转子，其特征在于，所述锥角根据电机的扭矩需求和轴向移动所需的轴向力来计算。
10.根据权利要求7所述的转子，其特征在于，电机通电时，作用在所述转子上的力相对于所述转子的侧面具有法向分量和切向分量，所述切向分量与所述转子的转矩和所产生的剪切应力成正比。
CN201810540233.9A 2018-05-30 2018-05-30 永磁锥形电机及定子、转子 Pending CN108667164A (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810540233.9A CN108667164A (zh) 2018-05-30 2018-05-30 永磁锥形电机及定子、转子
GB1811943.8A GB2574279B (en) 2018-05-30 2018-07-23 Permanent magnet conical motors, stators and rotors thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810540233.9A CN108667164A (zh) 2018-05-30 2018-05-30 永磁锥形电机及定子、转子

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108667164A true CN108667164A (zh) 2018-10-16

Family

ID=63364543

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810540233.9A Pending CN108667164A (zh) 2018-05-30 2018-05-30 永磁锥形电机及定子、转子

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN108667164A (zh)
GB (1) GB2574279B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112910170A (zh) * 2021-03-25 2021-06-04 广州小鹏汽车科技有限公司 一种电机、电机控制方法、车辆和介质

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6455975B1 (en) * 1999-12-03 2002-09-24 Pacific Scientific Electro Kinetics Division Regulated permanent magnet generator
CN201966739U (zh) * 2011-03-18 2011-09-07 上海地空防护设备有限公司 两用电机

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB733975A (en) * 1952-10-01 1955-07-20 Bendix Aviat Corp Improvements in or relating to alternators
BE1000820A7 (nl) * 1987-08-10 1989-04-11 Holden Karel Alternator.
JPH0880019A (ja) * 1994-09-08 1996-03-22 Matsushita Electric Ind Co Ltd モータ
CN101604891B (zh) * 2009-07-20 2011-06-15 哈尔滨工业大学 双定子锥形可调气隙永磁电机
US20150171721A1 (en) * 2013-12-18 2015-06-18 Hyundai Motor Company Air gap variable motor
CN206559208U (zh) * 2017-03-15 2017-10-13 江苏俊云机械科技有限公司 双定子锥形永磁同步轮毂电机结构

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6455975B1 (en) * 1999-12-03 2002-09-24 Pacific Scientific Electro Kinetics Division Regulated permanent magnet generator
CN201966739U (zh) * 2011-03-18 2011-09-07 上海地空防护设备有限公司 两用电机

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112910170A (zh) * 2021-03-25 2021-06-04 广州小鹏汽车科技有限公司 一种电机、电机控制方法、车辆和介质

Also Published As

Publication number Publication date
GB2574279A (en) 2019-12-04
GB2574279B (en) 2022-09-14
GB201811943D0 (en) 2018-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104767357B (zh) 一种绕组式永磁耦合传动装置
US8653709B2 (en) Rotating electrical machine, linear motion electrical machine, and wind generator system
CN105703583B (zh) 一种多定子混合磁路永磁同步电机及方法
CN105391201B (zh) 具有磁阻转子和永磁转子的机电机器
CN107769622B (zh) 一种径向磁悬浮式电机
CN107165936A (zh) 一种三自由度混合锥形径向磁轴承
CN105680652A (zh) 混合磁路双定子弱磁扩速实心转子永磁同步电机及其方法
CN109347229A (zh) 电机转子结构及永磁电机
US20150054290A1 (en) Electric damper
JP2021145544A (ja) 相補的で一方向磁性の回転子／固定子組立体の対
US11025153B2 (en) Electric generator with a rotational resistance avoidance feature
CN105790470B (zh) 一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机的控制方法
CN108667164A (zh) 永磁锥形电机及定子、转子
US20170009742A1 (en) Wind turbine
CA2980506A1 (en) Electrical current generator based on the movement and induction of permanent magnets and resonant coils
CN102064619B (zh) 串激电机、串激电机定子结构、串激电机定子芯片结构
CN205725388U (zh) 一种多定子混合磁路永磁同步电机
JP2017093274A (ja) 可変磁束界磁型同期発電機を有する風力発電装置
CN110994929B (zh) 旋转电机、车辆的驱动控制系统以及存储介质
CN201690339U (zh) 一种减振器
CN106130307A (zh) 一种脉冲式磁力发电设备
CN107124081A (zh) 稀土永磁电机和压缩机
CN203151303U (zh) 一种磁浮轴承电力驱动装置
CN104752015B (zh) 一种微电机充磁方式及其充磁组件
CN109639035A (zh) 基于双层转子结构的电机及双层储能飞轮

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20181016