CN109302023A - 高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机 - Google Patents

Abstract

本发明的名称为高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机。属于动力电机技术领域。它的主要特征是：包括定子式机壳、定子式副机壳、定子铁芯、定子铁芯绕组、转子式机壳、转子式副机壳、转子铁芯、转子铁芯永磁体、主轴、轴承总成；所述定子铁芯绕组沿定子铁芯圆周分布；所述转子铁芯永磁体沿转子铁芯圆周分布；所述定子铁芯绕组与转子铁芯永磁体相邻，且其之间设有气隙。其单位重量的高功率可达7kw/kg，转矩密度25Nm/kg；磁场能量密度高；可设计为500～25000转/min；具有结构简单、功率密度高、转矩密度高、磁场能量密度高、成本低效果好等特点，可广泛推广使用于交通动力领域的高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机。

Description

高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机

技术领域

本发明属于动力电机技术领域，涉及一种用于交通装备的动力电机，适用于车辆、船舶、飞行器、通用动力多用途的永磁动力电机，具体是一种高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机。

背景技术

目前电机市场，以传统方式结构的动力电机为主，只从2011年以来动力电机的结构型式也在改变的过程中，主要围绕以王子齐教授发明专利：车辆船舶牵引变频调速交直流为一体的永磁超能动力电机（专利号：ZL201110295188.3）、自动增减功率扭矩发电充电多功能永磁超强超能驱动电机（专利号：201310290881.0）的型式在改变着结构型式，以体积小、重量轻、功率密度高、转矩密度高、磁场能量密度高为目的，近几年市场上虽然出现了不少永磁电机的结构型式，但以传统结构、设计理念，而导致的体积大的问题仍然存在，采用传统电机方式，造成功率密度低、转矩密度低、磁场能量密度低的问题依然存在，影响提高功率密度和转矩密度及磁场能量密度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机，具有结构简单、功率密度高、转矩密度高和磁场能量密度高的特点。

本发明的技术解决方案是：一种高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机，包括定子铁芯、定子铁芯绕组、转子铁芯、转子铁芯永磁体、主轴、轴承总成和机壳，其特征在于：所述定子铁芯绕组沿定子铁芯圆周分布，定子铁芯直接间隔套装在主轴上；所述转子铁芯永磁体沿转子铁芯圆周分布，转子铁芯直接固定在主轴上；所述定子铁芯绕组与转子铁芯永磁体相邻，且其之间设有气隙；所述机壳包括相互连接的定子式机壳和转子式机壳。

本发明的技术解决方案中所述的定子式机壳和转子式机壳是通过其上设置的连体螺丝孔及螺丝杆、螺母铰链；定子式机壳或/和转子式机壳上设有接线盒。

本发明的技术解决方案中所述的定子铁芯仅一侧面设有定子铁芯绕组；所述的转子铁芯仅一侧面设有转子铁芯永磁体；所述定子式机壳为一个定子式主机壳，转子式机壳为一个转子式主机壳，此为一定一转电机结构型式。

本发明的技术解决方案中所述的定子铁芯两侧面均设有定子铁芯绕组；所述的转子铁芯包括分布在定子铁芯两侧的两个转子铁芯，每个转子铁芯仅一侧面设有转子铁芯永磁体；所述定子式机壳为一个定子副机壳，转子式机壳为二个转子式主机壳，定子副机壳上设有连体螺丝孔，此为一定双转电机结构型式。

本发明的技术解决方案中所述的转子铁芯两侧面均设有转子铁芯永磁体；所述的定子铁芯包括分布在转子铁芯两侧的两个定子铁芯，每个定子铁芯仅一侧面设有定子铁芯绕组；所述定子式机壳为二个定子式主机壳，转子式机壳为一个转子副机壳，转子副机壳上设有连体螺丝孔，此为双定一转电机结构型式。

本发明的技术解决方案中所述的定子铁芯包括三个定子铁芯，转子铁芯包括两个转子铁芯，三个定子铁芯与两个转子铁芯间隔分布；两个转子铁芯的两侧面均设有转子铁芯永磁体；中间的定子铁芯两侧面均设有定子铁芯绕组，两外侧的定子铁芯仅一侧面设有定子铁芯绕组；所述的定子式机壳包括二个定子式主机壳和一个定子副机壳，转子式机壳为二个转子副机壳，定子副机壳和转子副机壳上设有连体螺丝孔，此为三定双转电机结构型式。

本发明的技术解决方案中所述的定子铁芯是通过中心的主轴套口间隔套装在主轴上，属于无连接的媒介套口；转子铁芯通过主轴上的键槽直接固定在主轴上。

本发明的技术解决方案中所述的定子式机壳和转子式机壳上设有主轴套口，主轴通过轴承总成与主轴套口连接。

本发明的技术解决方案中所述的二个转子式主机壳设有凸式企口，定子副机壳的两侧设有凹式企口，凸式企口与凹式企口相交密封紧固。

本发明的技术解决方案中所述的二个定子式主机壳设有凸式企口，转子副机壳的两侧设有凹式企口，凸式企口与凹式企口相交密封紧固。

本发明的有益效果在于：本发明在使用时，可维持其磁场的高磁密度，能量回收由永磁电机转换为发电机，控制简单；本发明可节省永磁体磁钢的使用量，由于稀土永磁价格高，通过减少使用量可降低永磁电机的成本，以永磁体的高性能补偿其用量的缺失，降低了成本的问题；本发明气隙的体积大，有利于永磁电机对工作环境的要求，可加速绕组热量的均匀扩散，消除了永磁体180℃退磁和失效的风险；本发明设置中间轴向转子铁芯永磁体结构，中间轴向定子铁芯绕组结构，多组定子铁芯绕组和转子铁芯永磁体结构，永磁体结构型式设置弧磁极型式、圆形磁极型式、多形磁极型式多种结构，此结构对永磁电机过载有一定的保护作用，因此就不存在过载退磁的问题，电磁负荷和磁场密度可自行调节；本发明单位重量的高功率可达7kw/kg，转矩密度25Nm/kg；本发明因槽满率高，当线圈中通有电流时，线圈中储存磁场能量，通过线圈的电流大，线圈越多，储存的能量就越多，在相同电流的线圈中，电感越大的线圈，储存的能量越多，因此线圈的电感反映其储存磁场能量的越高

本发明具有结构简单、功率密度高、转矩密度高、磁场能量密度高、成本低效果好等特点，可广泛推广使用于交通装备动力领域的高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机。

附图说明

图1为本发明实施例1的轴向剖面图。

图2为本发明实施例1的轴向结构示图。

图3为本发明实施例2的轴向剖面图。

图4为本发明实施例2的轴向结构示图。

图5为本发明实施例3的轴向剖面图。

图6为本发明实施例3的轴向结构示图。

图7为本发明实施例4的轴向剖面图。

图8为本发明实施例4的轴向结构示图。

图9为本发明定子铁芯径向结构示图。

图10为本发明右向定子铁芯绕组轴向结构示图。

图11为本发明左向定子铁芯绕组轴向结构示图。

图12为本发明双向定子铁芯绕组轴向结构示图。

图13为本发明转子铁芯径向结构示图。

图14为本发明右向转子铁芯永磁体轴向结构示图。

图15为本发明左向转子铁芯永磁体轴向结构示图。

图16为本发明双向转子铁芯永磁体轴向结构示图。

图中：1. 定子铁芯；2. 定子铁芯绕组；3. 转子铁芯；4. 转子铁芯永磁体；5. 定子式主机壳；6. 转子式主机壳；7. 主轴；8. 轴承总成；9. 接线盒；10. 螺母；11. 连体螺丝孔；12. 螺丝杆；13. 键槽；14. 气隙；15. 主轴套口；16. 凸式企口；17. 凹式企口；18.定子副机壳；19. 转子副机壳。

具体实施方式

实施例1如图1-2、图9-10、图13、图15所示。本发明实施例1包括定子铁芯1、定子铁芯绕组2、转子铁芯3、转子铁芯永磁体4、主轴7、轴承总成8、定子式主机壳5、转子式主机壳6和接线盒9，此为一定一转电机结构型式。定子铁芯1圆心处设有15主轴套口，一侧面沿圆周分布有若干安装槽，定子铁芯绕组2装入定子铁芯1的安装槽内。定子铁芯绕组2结构型式设置为径向式和轴向式，径向式为传统电机绕组，亦可做成无铁芯结构绕组，轴向式绕组是直接绕过铁芯的上下两槽，绕组端部很短，工艺简单槽满率高，径向式绕组与轴向式绕组的端部走向不一致，槽内电流方向是一致的，绕组形成的势动势形状是一致的。定子铁芯1是通过中心的主轴套口15间隔套装在主轴7上，属于无连接的媒介套口。转子铁芯3圆心处设有15主轴套口，单侧面沿圆周分布有若干安装槽，转子铁芯永磁体4装入转子铁芯3单侧面的安装槽内。转子铁芯永磁体4的和合设置矽钢片压边镶填夹装工艺，对永磁体紧固牢固，转子铁芯永磁体4结构型式设置为弧磁极型式、圆形磁极型式、多形磁极型式，均可达到齿槽转矩波形，齿槽转矩波形的幅值不同，相位是相同的，其合成的转矩是矢量相加，可达到“错相位”的效果和最佳的齿槽转矩抑制效果，同时优化反电动势，让谐波成份变小削弱谐波转矩。转子铁芯3通过主轴7上的键槽13直接固定在主轴7上。定子铁芯绕组2与转子铁芯永磁体4相邻，气隙14设计在定子铁芯绕组2与转子铁芯永磁体4之间，设计距离不低于1.5mm，有助于热量耗散。定子式主机壳5和转子式主机壳6均为对称的凹形壳体，其上设置的连体螺丝孔11，定子式主机壳5上设有接线盒9。轴承总成8装于定子式主机壳5和转子式主机壳6的主轴套口15与主轴7之间，定子铁芯绕组2位于定子式主机壳5内，转子铁芯永磁体4位于转子式主机壳6内。定子式主机壳5和转子式主机壳6之间通过螺丝杆12、螺母10铰链。高功率密度的实现，主要设置为高功率密度和高转矩密度，降低风摩损耗，选择优质高速轴承，其高转矩密度的高磁阻转矩比例，通过控制注入多次谐波产生谐波转矩，集合设置高单位体积内的磁场能量。高转矩密度的实现，设置电机的磁场方向为轴向磁场，磁场以轴向展开，定子铁芯永磁体扇形扩展面积大；预留气隙的体积大，气流导向为直线无涡流聚热现象；其提高磁能大密度，能量交换空间大，因此转矩密度比传统电机磁场提高幅度大25%以上；设置弧磁极型式、圆形磁极型式、多形磁极型式，其磁极型式异形技术转矩脉动噪音低，转矩密度高达25NM/kg。设置中间轴向转子铁芯永磁体结构，中间轴向定子铁芯绕组结构，多组定子铁芯绕组和转子铁芯永磁体结构，永磁体结构型式设置弧磁极型式、圆形磁极型式、多形磁极型式多种结构，此结构对永磁电机过载有一定的保护作用，因此就不存在过载退磁的问题，电磁负荷和磁场密度可自行调节。

实施例2如图3-4、图9、图12-15所示。本发明实施例2与实施例1不同的是，包括一个定子铁芯1、二个转子铁芯3、二个转子式主机壳6和一个定子副机壳18，此为一定双转电机结构型式。定子铁芯1两侧面均设有定子铁芯绕组2。转子铁芯3包括分布在定子铁芯1两侧的两个转子铁芯3，每个转子铁芯3仅一侧面设有转子铁芯永磁体4。二个转子式主机壳6、定子副机壳18上设有连体螺丝孔，定子副机壳18位于二个转子式主机壳6之间，通过螺丝杆12、螺母10铰链。二个转子式主机壳6设有凸式企口16，定子副机壳18的两侧设有凹式企口17，凸式企口16与凹式企口17相交密封紧固。

实施例3如图5-6、图9-11、图13、图15所示。本发明实施例3与实施例1不同的是，包括二个定子铁芯1、一个转子铁芯3、二个定子式主机壳5和一个转子副机壳19，此为双定一转电机结构型式。转子铁芯3两侧面均设有转子铁芯永磁体4。定子铁芯1包括分布在转子铁芯3两侧的两个定子铁芯1，每个定子铁芯1仅一侧面设有定子铁芯绕组2。二个定子式主机壳5、一个转子副机壳19上设有连体螺丝孔，转子副机壳19位于二个定子式主机壳5之间，通过螺丝杆12、螺母10铰链。二个定子式主机壳5设有凸式企口16，转子副机壳19的两侧设有凹式企口17，凸式企口16与凹式企口17相交密封紧固。

实施例4如图7-8、图9-13、图16所示。本发明实施例4与实施例1不同的是，包括三个定子铁芯1、二个转子铁芯3、二个定子式主机壳5、一个定子副机壳18和二个转子副机壳19，此为三定双转电机结构型式。三个定子铁芯1与两个转子铁芯3间隔分布。两个转子铁芯3的两侧面均设有转子铁芯永磁体4。中间的定子铁芯1两侧面均设有定子铁芯绕组2，两外侧的定子铁芯1仅一侧面设有定子铁芯绕组2。二个定子式主机壳5、一个定子副机壳18和二个转子副机壳19上设有连体螺丝孔，通过螺丝杆12、螺母10铰链密封紧固。二个定子式主机壳5和一个定子副机壳18上设有接线盒9。

多组定子铁芯绕组和转子铁芯永磁体的结构，其结构简单，中间轴向转子铁芯永磁体结构，转子铁芯永磁体，安装在电机轴向中间位置，两侧设置永磁体，永磁体的和合设置矽钢片压边镶填夹装工艺，对永磁体紧固牢固，永磁体外气隙的两侧端设置定子绕组铁芯，转子铁芯永磁体受左右两侧定子铁芯绕组的磁拉力将相互抵消，动平衡均匀，定子铁芯绕组与转子铁芯永磁体安装定位精度高，属于双气隙结构转矩密度大，定子铁芯绕组与转子铁芯永磁体散热效率高，受高转矩密度可获得更高的功率转矩密度。

所述一定一转、一定双转、双定一转、三定双转或多定多转电机结构型式，其结构简单，中间轴向转子铁芯永磁体结构，转子铁芯永磁体，安装在电机轴向中间位置，两侧设置永磁体，永磁体的和合设置矽钢片压边镶填夹装工艺，对永磁体紧固牢固，永磁体外气隙的两侧端设置定子绕组铁芯，转子铁芯永磁体受左右两侧定子铁芯绕组的磁拉力将相互抵消，动平衡均匀，定子铁芯绕组与转子铁芯永磁体安装定位精度高，属于双气隙结构转矩密度大，定子铁芯绕组与转子铁芯永磁体散热效率高，受高转矩密度可获得更高的功率转矩密度。

所述一定一转、一定双转、双定一转、三定双转或多定多转电机结构型式，其结构简单，中间轴向定子结构，定子铁芯的两侧为定子铁芯绕组，安装在电机轴向中间，气隙的另一侧端设置转子铁芯永磁体；设置计算转子铁芯的轴向挠度变形量，转子铁芯永磁体受到单边力，可避免气隙厚度不均匀现象；设置无铁芯或薄铁芯结构作为本发明选项之一，两端的永磁体磁性很强，可直接形成两端轴磁回路，无定子结构没有铁耗，效率更高；属于双气隙结构转矩密度大，其结构两个转子铁芯永磁体在外两侧，定子铁芯绕组在中间；设置定子铁芯绕组与转子铁芯永磁体的内冷风路可以提高散热效率，受高转矩密度可获得更高的功率转矩密度。

所述多定多转电机结构型式，其组合结构是多组的定子铁芯绕组结构和转子铁芯永磁体结构组合，其结构型式转矩密度大，设计装配简单；设计转子铁芯永磁体两侧磁极属性相同排列或不同排列，其磁场转子轭磁路不同，异性排列没有转子轭磁路，转子很薄，同理没有定子轭磁路，定子很薄损耗小；同性排列转子铁芯厚转动惯量大，绕组小槽部位槽满率高；绕组型式简单，绕组利用率高；各相间相互独立效率高。

本发明的工作原理如下：

工作原理与传统电机基本相同，在固定于电动机的定子铁芯绕组2通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子铁芯绕组2中形成旋转磁场，由于在转子铁芯永磁体4上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子铁芯绕组2中产生的旋转磁场会带动转子铁芯永磁体4进行旋转。用磁势等价的方式理解定子铁芯绕组2的工作原理 ，其定子铁芯绕组2竖嵌和平嵌绕组的端部走向不一致，每个槽内电流的方向是一致的，绕组形成的势动势形状也是一样的，所以定子铁芯绕组2是等价相应的。

极弧系数对转矩脉动的影响大，极弧电角度以适度时，转矩波动值最小，能够抑制转矩脉动，弧磁极型式、圆形磁极型式、多形磁极型式转子铁芯永磁体4的永磁体的和合属于矽钢片压边镶填夹装工艺，对永磁体紧固牢固，再和合与转子铁芯3，此设置相当于槽口变窄，转矩波动值最小，可抑制转矩脉动。

定子铁芯绕组2轴向式绕组是直接绕过铁芯的上下两槽，绕组端部很短，工艺简单槽满率高，齿槽转矩随位置周期性磁阻变化，永磁转子磁势经过所有位置时，磁场发生大小交变，产生出转矩，齿槽转矩此时不会产生转矩脉动。

定子铁芯绕组2轴向式绕组是直接绕过铁芯的上下两槽，绕组端部很短，工艺简单槽满率高，齿槽转矩随位置周期性磁阻变化，永磁转子磁势经过所有位置时，磁场发生大小交变，产生出转矩，齿槽转矩此时不会产生转矩脉动。

弧磁极型式、圆形磁极型式、多形磁极型式转子铁芯永磁体4，设置扇形面为弧磁极型式，可降低齿槽的模数，圆形磁极型式和多形磁极型式，永磁体在半径截面的极弧系数不一致，这两种型式能达到极致效果，其齿槽转矩波形幅值不同，相位相同，转矩幅值叠加极高，主要达到“错相位”的效果。

本发明与市场上现有同类电机具有明显不同，其中：现有电机所使用的定子铁芯绕组，多为径向绕组结构，比较复杂，转子径向内置结构散热面积太大，涡流循环降温效果比较差，本方案采用定子铁芯绕组2，轴向结构设置效果更好，气隙体积和空间大，有利于散热，有利于控制成本和方便维护；弧磁极型式、圆形磁极型式、多形磁极型式转子铁芯永磁体4，属于扇形面为弧磁极型式，可降低齿槽的模数，圆形磁极型式和多形磁极型式，永磁体在半径截面的极弧系数不一致，这两种型式能达到极致效果，其齿槽转矩波形幅值不同，相位相同，转矩幅值叠加极高，主要为了达到“错相位”的效果。

本发明设置，可以达到的有益效果是：其单位重量的高功率可达7kw/kg，转矩密度25Nm/kg；磁场能量密度高；可设计为500～25000转/ min；具有结构简单、功率密度高、转矩密度高、磁场能量密度高、成本低效果好等特点，可广泛推广使用于交通动力领域的高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机。

Claims (10)

1.一种高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机，包括定子铁芯（1）、定子铁芯绕组（2）、转子铁芯（3）、转子铁芯永磁体（4）、主轴（7）、轴承总成（8）和机壳，其特征在于：所述定子铁芯绕组（2）沿定子铁芯（1）圆周分布，定子铁芯（1）直接间隔套装在主轴（7）上；所述转子铁芯永磁体（4）沿转子铁芯（3）圆周分布，转子铁芯（3）直接固定在主轴（7）上；所述定子铁芯绕组（2）与转子铁芯永磁体（4）相邻，且其之间设有气隙（14）；所述机壳包括相互连接的定子式机壳和转子式机壳。

2.根据权利要求1所述的高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机，其特征在于：所述的定子式机壳和转子式机壳是通过其上设置的连体螺丝孔（11）及螺丝杆（12）、螺母（10）铰链；定子式机壳或/和转子式机壳上设有接线盒（9）。

3.根据权利要求1或2所述的一种高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机，其特征在于：所述的定子铁芯（1）仅一侧面设有定子铁芯绕组（2）；所述的转子铁芯（3）仅一侧面设有转子铁芯永磁体（4）；所述定子式机壳为一个定子式主机壳（5），转子式机壳为一个转子式主机壳（6）。

4.根据权利要求1或2所述的一种高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机，其特征在于：所述的定子铁芯（1）两侧面均设有定子铁芯绕组（2）；所述的转子铁芯（3）包括分布在定子铁芯（1）两侧的两个转子铁芯（3），每个转子铁芯（3）仅一侧面设有转子铁芯永磁体（4）；所述定子式机壳为一个定子副机壳（18），转子式机壳为二个转子式主机壳（6），定子副机壳（18）上设有连体螺丝孔。

5.根据权利要求1或2所述的一种高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机，其特征在于：所述的转子铁芯（3）两侧面均设有转子铁芯永磁体（4）；所述的定子铁芯（1）包括分布在转子铁芯（3）两侧的两个定子铁芯（1），每个定子铁芯（1）仅一侧面设有定子铁芯绕组（2）；所述定子式机壳为二个定子式主机壳（5），转子式机壳为一个转子副机壳（19），转子副机壳（19）上设有连体螺丝孔。

6.根据权利要求1或2所述的一种高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机，其特征在于：所述的定子铁芯（1）包括三个定子铁芯（1），转子铁芯（3）包括两个转子铁芯（3），三个定子铁芯（1）与两个转子铁芯（3）间隔分布；两个转子铁芯（3）的两侧面均设有转子铁芯永磁体（4）；中间的定子铁芯（1）两侧面均设有定子铁芯绕组（2），两外侧的定子铁芯（1）仅一侧面设有定子铁芯绕组（2）；所述的定子式机壳包括二个定子式主机壳（5）和一个定子副机壳（18），转子式机壳为二个转子副机壳（19），定子副机壳（18）和转子副机壳（19）上设有连体螺丝孔。

7.根据权利要求1或2所述的一种高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机，其特征在于：所述的定子铁芯（1）是通过中心的主轴套口（15）间隔套装在主轴（7）上，属于无连接的媒介套口；转子铁芯（3）通过主轴（7）上的键槽（13）直接固定在主轴（7）上。

8.根据权利要求1或2所述的一种高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机，其特征在于：所述的定子式机壳和转子式机壳上设有主轴套口（15），主轴（7）通过轴承总成（8）与主轴套口（15）连接。

9.根据权利要求4所述的一种高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机，其特征在于：所述的二个转子式主机壳（6）设有凸式企口（16），定子副机壳（18）的两侧设有凹式企口（17），凸式企口（16）与凹式企口（17）相交密封紧固。

10.根据权利要求5所述的一种高功率转矩高磁场能量密度永磁巨能动力电机，其特征在于：所述的二个定子式主机壳（5）设有凸式企口（16），转子副机壳（19）的两侧设有凹式企口（17），凸式企口（16）与凹式企口（17）相交密封紧固。