CN110034649B - 一种轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明为一种轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机，该电机包括多个单相电机模块，多个单相电机模块采用同轴径向嵌套和/或同轴轴向组合，不同相单相电机模块之间相互错开电角度；每单相电机模块为单定子单转子结构或单定子双转子结构或双定子单转子结构；每个单相电机模块均包括异型定子铁心、异型永磁体、转子、电枢绕组；M个异型定子铁心与M个异型永磁体沿周向交替排列构成磁通切换式圆环结构的定子，在圆环结构上存在环形凹槽，环形凹槽内安装电枢绕组；所述转子采用轴向磁场盘式结构，每个转子包括带有通孔的转子轭和转子凸极。该电机的永磁体设置在电机定子上，同时采用轴向磁通的构造方式，使得电机转矩密度得以提高。

Description

一种轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机

技术领域

本发明涉及的是一种轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机，属于永磁电机的技术领域。

背景技术

横向磁通永磁电机是近几年新兴起的一种电机，相较于传统永磁电机，具有结构紧凑、转矩密度高、低速性能好等突出优点。并且这种电机定子各相之间相互独立，可以分相进行控制，并且具有较好的容错性能。但传统的横向磁通永磁电机结构并不完善，现有的横向磁通电机如果需要提高转矩密度或者增加电机相数时，需要多个相同定子结构同轴连接，其通常采用的结构工艺较为复杂，并且由于其轴向长度长，所以仅适用于长轴应用场合。而且多数横向磁通永磁电机作为多相电机使用时会出现轴向长度过大的问题，继而导致其铁耗较大。另外传统横向磁通电机永磁体安装在转子上，导致电机散热能力较差，不易于提供更高的功率。

因此，如何在优化横向磁通永磁电机性能的情况下解决其体积大、结构复杂的问题，便成为一个重要的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构设计灵活简单，装配简易的轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机，以解决上述背景技术中存在技术问题。该电机的永磁体设置在电机定子上，转子仅由硅钢片组成，稳定性好，同时易于增加永磁体的用量从而提高电机的工作磁密，同时采用轴向磁通的构造方式，电机的电枢绕组可以先行加工好一个整体然后安装在电机的定子上从而使得加工简便同时易于提高电机的槽满率从而增加电机的电负荷，由于上述的结构特点，使得本电机转矩密度得以进一步提高。该电机的多相运行能够通过径向集成而得，从而避免了横向磁通电机的轴向长度较长的缺点。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：一种轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机，该电机采用模块化设计，包括多个单相电机模块，其特征在于，多个单相电机模块采用同轴径向嵌套和/或同轴轴向组合，不同相单相电机模块之间相互错开电角度；每单相电机模块为单定子单转子结构或单定子双转子结构或双定子单转子结构；每个单相电机模块均包括异型定子铁心、异型永磁体、转子、电枢绕组；M个异型定子铁心与M个异型永磁体沿周向交替排列构成磁通切换式圆环结构的定子，在圆环结构上存在环形凹槽，环形凹槽内安装电枢绕组，环形凹槽方向与转轴平行，且环形凹槽开口朝向转子方向；定子与转子同轴安装；

异型定子铁心与异型永磁体数量相等且为偶数，所述异型永磁体沿电机周向进行充磁，且相邻异型永磁体充磁方向相反；

所述转子采用轴向磁场盘式结构，每个转子包括带有通孔的转子轭和转子凸极，在通孔周围设置一圈转子凸极，转子设有转子凸极的一侧与定子设有环形凹槽的一侧相对布置，转子与圆环结构定子的外环相接触的位置也设置一圈转子凸极，上述的每圈转子凸极数量均为异型永磁体数量的1/2，每圈转子凸极径向均匀分布并固定嵌在转子轭的表面，相邻两圈转子凸极沿圆周方向交替排列，位置沿圆周方向互相错开，交替设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的突出的实质性特点是：

a)本发明中由于每个单电机模块上的转子采用轴向磁场结构，使得其转矩密度高于径向磁场感应电机，配合定子部分使用永磁材料进一步提高转矩密度。同时简单的转子结构使得轴向尺寸较小，很适合严格要求薄型安装的场合，如机器人、计算机外围设备、电动汽车等。

b)由于每个转子上采用的是双圈凸极结构，可以更有效地提高每个定子有环形凹槽一侧磁密更高处的利用率。

c)由于本发明属于横向磁通永磁电机，使其定子各相之间没有耦合，可独立进行分析并且提高了容错性能，也就为之后的模块化设计奠定了基础。由于参数相互独立，自由度大，从理论上消除了电机设计中电磁负荷由于几何结构的限制而相互牵制的弊端，从而有效的提高电机的转矩密度。

d)由于本电机结构采用模块化设计，在加工制造时只需加工相同结构模块，大大降低生产难度，而且每个模块之间相对独立，当某个模块故障时，可独立进行维修，容错能力强，降低了维护难度。

e)由于各模块之间结构形式可以为径向嵌套结构或者轴向并列结构，大大减小了电机体积与复杂程度，从根本上解决了轴向磁场横向磁通电机结构复杂、体积大的问题。

f)由于每一个定子环是由异型定子铁心和异型永磁体交替放置，构成磁通切换式环形结构，使得本电机具有更高的正弦度和转矩密度。

g)由于电机可以采用径向嵌套模块化设计或者轴向并列模块化设计，可以根据需要提高电机相数，从而能够实现低压大功率驱动。电机相数增加使谐波含量降低，转矩脉动减小，降低噪声、减小损耗、提高效率，进一步提高电机的容错能力。

h)由于定子环凹槽方向与轴向水平，使得环形绕组安装难度降低，极大提高了环形绕组的槽满率，因此提高了电机的转矩密度和效率。

i)由于异型永磁体安放在定子上，有利于散热与聚磁，从而提高了电机运行的可靠性和电机的动态性能。

本发明的显著进步是：

本发明充分结合了轴向磁场电机、横向磁通电机、磁通切换永磁电机的优点，通过创新的结构使得上述三种电机的优点能够综合起来，很大程度提高了永磁电机的转矩密度和效率。本次轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机研究采用模块化设计，解决了传统横向磁通永磁电机仅能够进行轴向集成的缺点和永磁体安装在电机的转子上的不足。与传统横向磁通永磁电机相比，本发明的电机能够灵活的进行轴向集成同时也能够进行径向集成，使用径向集成时解决了横向磁通永磁电机仅适用于轴向长度与径向长度比较大的缺陷。由于本发明的电机利用了轴向磁通路径故所采用的环形绕组能够进行单独制作，等制成后再放置到电机的定子上，相比传统横向磁通永磁电机取得如下好处：首先加工工艺简化，其次电机的槽满率能够得到有效提高。

本发明的电机的永磁体安装在电机定子上，相比传统横向磁通永磁电机，结构稳定性较高，且永磁体能够进行合理设计产生较高的气隙磁通密度，加工工艺得到简化。通过数值实验，与文献(Liu C,Zhu J,Wang Y,et al.Design Considerations of PMTransverse Flux Machines With Soft Magnetic Composite Cores[J].IEEETransactions on Applied Superconductivity,2016,26(4):1-5.)中的电机相比，本发明的电机转矩功率提高一倍左右。

附图说明

图1为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机一种实施例的单个电机模块的立体结构示意图。

图2为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机一种实施例的单个电机模块的左视结构示意图。

图3为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机一种实施例的单个电机模块的立体结构后视图。

图4为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机一种实施例的单个电机模块的立体结构剖分图。

图5为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机一种实施例的转子结构示意图。

图6为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机一种实施例的立体结构示意图。

图7为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机一种实施例的立体结构示意图。

图8为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机一种实施例的立体结构剖分图。

图9为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机一种实施例的转子结构示意图。

图10为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机一种实施例的立体结构示意图。

图11为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机一种实施例的立体结构剖分图。

图12(a)为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机在单定子单转子实施例时的单相电机模块空载的磁通密度云图，其中图12(a)-(a)是转子网格剖分示意图，图12(a)-(b)是定子网格剖分示意图，图12(a)-(c)是转子磁通密度分布图，图12(a)-(d)是定子磁通密度分布图。

图12(b)为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机在双定子单转子实施例时的单相电机模块空载的磁通密度云图，其中图12(b)-(a)是转子网格剖分示意图，图12(b)-(b)是定子网格剖分示意图，图12(b)-(c)是转子磁通密度分布图，图12(b)-(d)是定子磁通密度分布图。

图12(c)为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机在单定子双转子实施例时的单相电机模块空载的磁通密度云图，其中图12(c)-(a)是转子网格剖分示意图，图12(c)-(b)是定子网格剖分示意图，图12(c)-(c)是转子磁通密度分布图，图12(c)-(d)是定子磁通密度分布图。

图13(a)为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机在双定子单转子实施例时气隙磁通密度在轴向的波形分布图；

图13(b)为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机在单定子单转子实施例时气隙磁通密度在轴向的波形分布图；

图13(c)为轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机在单定子双转子实施例时气隙磁通密度在轴向的波形分布图。

图14为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机三种实施例的反电动势曲线图，图中SRSS\SRDS\DRSS分别为单转子单定子\单转子双定子\双转子单定子。

图15为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机三种实施例的电流转矩曲线图。随着输入电流的增加三种轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机的转矩进行线性增加，由于双转子单定子电机和单转子双定子电机的轴向长度为单转子单定子电机的一倍，前两种电机的转矩也为后者的一倍左右。相比单转子双定子电机，双转子单定子电机的转矩能力更强。

图16为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机三种实施例的功率因数曲线图。随着输入电流的增加三种轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机的功率因数有所降低，然而相比之下单转子单定子电机的功率因数更高一些。

图17为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机一种实施例的异型永磁体结构图。

图18为本发明轴向磁场磁通切换式横线磁通永磁电机一种实施例的异型定子铁心结构图。

图19为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机一种实施例的异型永磁体结构图。

图20为本发明轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机一种实施例的异型定子铁心结构图。

其中：1-转子；2-定子铁心；3-异型永磁体；4-转子轭；5-转子凸极；6-电枢绕组。

具体实施方式

下面结合附图以实施例对本发明做进一步的解释说明，但并不以此构成对本发明保护范围的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“轴向”、“横向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的技术人员，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明一种轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机，该电机采用模块化设计，包括多个单相电机模块，多个单相电机模块采用同轴径向嵌套和/或同轴轴向组合，不同相单相电机模块之间相互错开一定的电角度；每单相电机模块可以为单定子单转子结构或单定子双转子结构或双定子单转子结构；每个单相电机模块均包括异型定子铁心、异型永磁体、转子、电枢绕组；M个异型定子铁心与M个异型永磁体沿周向交替排列构成磁通切换式圆环结构的定子，在圆环结构上存在环形凹槽，环形凹槽内安装电枢绕组，环形凹槽方向与转轴平行，且环形凹槽开口朝向转子方向；定子与转子同轴安装；

异型定子铁心与异型永磁体数量相等且为偶数，所述异型永磁体沿电机周向进行充磁，且相邻异型永磁体充磁方向相反；

所述转子采用轴向磁场盘式结构，每个转子包括带有通孔的转子轭和转子凸极，在通孔周围设置一圈转子凸极，转子设有转子凸极的一侧与定子设有环形凹槽的一侧相对布置，转子与圆环结构定子的外环相接触的位置也设置一圈转子凸极，上述的每圈转子凸极数量均为异型永磁体数量的1/2，每圈转子凸极径向均匀分布并固定嵌在转子轭的表面，相邻两圈转子凸极沿圆周方向交替排列，位置沿圆周方向互相错开，交替设置。在一定情况下可以在转子两侧均设置转子凸极，转子两侧的转子凸极同位置布置。

本发明横向磁通电机为多模块结构，其模块间耦合情况和相数为可变量。本发明中数个相同结构的单相电机模块可以采用同轴径向嵌套组合，也可以采用同轴轴向组合，也可以是轴向和径向同时组合存在，无论哪种组合方式，不同相单相电机模块之间相互错开一定的电角度，形成多相电机结构，使其总功率为各级绕组功率的叠加，并使转矩波动减小。多个单相电机模块组合时，所有的定子固定在一个机构上，所有的转子固定在一个机构上，共同作用于相应的机构，定子和转子之间由轴承相连，进行相对旋转运动。

所述异型定子铁芯和异型永磁体的形状尺寸相同，其形状结构要保证多个异型定子铁芯和异型永磁体交替能组成环形结构，且在环形结构上具有环形凹槽。所述异型定子铁芯为具有弧形凹槽的U型结构，U型开口方向朝向转子；异型定子铁芯还可以为两个扇形柱状按照上下位置布置构成的中间空心的结构。

本发明定子结构为磁通切换式(磁通切换式指的是随着转子位置变化时电机的永磁磁链也随之变化，在一个周期内永磁磁链随着转子位置呈现正弦波变化)，由于异型永磁体位于定子上，能够更好的散热，并且形成较好的聚磁结构，极大提高了电机的转矩密度(参见图3)。

所述异型永磁体采用铁氧体材料或者钕铁硼材料制成。

实施例1

本实施例轴向磁场磁通切换式的横向磁通永磁电机，每个单相电机模块为双定子单转子结构(参见图7和图8)，即一个单相电机模块包括一个转子、两个定子，

所述电机采用双定子单转子结构,定子包括异型定子铁心与异型永磁体两部分(本实施例中定子铁心与永磁体为U型定子铁心与U型永磁体)，异型定子铁心与异型永磁体沿周向交替排列构成磁通切换式圆环形结构定子，定子上存在定子环凹槽，定子环凹槽方向与转轴平行，凹槽内设置环形绕组。定子铁心的数量为M个，异型永磁体的数量为M个，M为偶数。

两个定子中间为轴向磁场盘式转子，转子为双面凸极结构，双面完全对称，每一面带有内外两圈转子凸极，每圈转子凸极径向均匀分布，两圈转子凸极数量相等，每一面上内外两圈转子凸极在位置上沿周向交替排列。每一圈数量为M/2个(参见图9)。所述转子铁心采用硅钢片或软磁复合材料制成。

所述定子与转子同轴连接，两个定子之间相差旋转角度360°/M。两个定子绕组方向相对，转子铁心位于两个定子中间。

所述永磁体采用铁氧体或者钕铁硼材料制成，沿电机周向进行充磁，且相邻U型永磁体充磁方向相反。

实施例2

本实施例轴向磁场磁通切换式的横向磁通电机，为高功率密度高效率薄型结构精简，包括转子、异型定子铁心、异型永磁体、电枢绕组。

所述电机采用双转子单定子结构(参见图10)，定子由内外两圈磁通切换式定子环组成(参见图11)(内外两圈的相对位置如图示)，每一圈由异型永磁体与异型定子铁心沿圆周交替排列构成环型(本实施例中定子铁心与永磁体为扇形柱状定子铁心与扇形柱状永磁体(参见图19和图20))。内外环永磁体、定子铁心位置一一对应。

双圈定子环中间设置绕组构成紧密结构，形成环型绕组。

所述双转子位于定子两侧同轴连接，转子凸极朝向定子。

所述永磁体采用磁体铁氧体或者钕铁硼材料制成，沿电机周向进行充磁，且相邻异型永磁体充磁方向相反。

本实施例横向磁通永磁电机的工作原理及过程是：电机运转时，定子静止，双转子沿轴向同轴旋转。磁力线沿永磁体N极出发，穿过转子外圈转子凸极A，进入转子盘a，再穿过转子内圈转子凸极A’，之后穿过异型定子铁心，进入转子盘b内圈转子凸极B’，穿过转子盘进入外圈转子凸极B，进入定子上永磁体S极。由于该磁路通过通以变化电流的环形绕组，故电机把电能转换为机械能做功。

实施例3

本实施例轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机，由多个单相电机模块构成，相邻单相电机模块沿径向偏移特定角度。每个单相电机模块为单定子单转子结构(参见图1)。包括转子1、M个异型定子铁心2、M个异型永磁体3以及环型电枢绕组6；M个异型定子铁心和M个异型永磁体沿周向交替排列构成完整圆环状，圆环上设有定子环凹槽，异型定子铁心与异型永磁体数量相等，数量为偶数(参见图4)，本实施例中异型定子铁心与异型永磁体具体形状为U型结构(参见图17，图18)，U型开口方向与电机轴向平行设置，在定子环凹槽内设置电枢绕组，所述电枢绕组采用全局环形绕组结构，电枢绕组整体呈圆环状；所述异型永磁体沿电机周向进行充磁，且相邻异型永磁体充磁方向相反。

本实施例中转子半径与定子半径相同(如图1)。

所述转子为轴向磁场盘式结构(参见图5)，由硅钢片或软磁复合材料制成，转子结构简单，每一个转子包括带有通孔的转子轭4和转子凸极5，每个转子盘上有两圈转子凸极，径向均匀分布。内外两圈凸极沿圆周方向交替排列。

本实施例轴向磁场磁通切换式的横向磁通永磁电机可以由数个单相电机模块沿径向多层嵌套并偏移特定角度形成(参见图6)。各个单相电机模块所偏移的角度根据不同的极对数和不同的相数而不一样，以能形成对称的运行状态为准。极对数指的是转子的极数，相数指的是轴向排列的模块数量，偏移的角度为360°/N_Pm,其中N_p为极对数，m为相数。多个模块的采用径向嵌套结构，直径不同，并且两相之间沿径向偏移特定角度，为了形成对称的三相运行多个模块在进行径向集成时模块与模块之间的直径不等。

本实施例中所述异型永磁体采用铁氧体材料制成。

本实施例轴向磁场磁通切换式的横向磁通永磁电机的工作原理及过程是：电机运转时，定子静止，转子沿轴向旋转。磁力线沿永磁体N极出发，穿过转子外圈转子凸极A(参见图5)，进入转子盘，再穿过转子内圈转子凸极A’(参见图5)，之后穿过U型定子铁心，进入永磁体S极，由于该磁路通过通以变化电流的环形绕组，故电机把电能转换为机械能做功。

图6所示为本实施例单定子单转子结构单相电机模块(图1)的径向嵌套形式，转子与定子同轴连接，转子与定子之间留有空气隙。

虽然本发明已经结合其具体实施方式进行了描述，但是应该理解，本发明能够进行进一步变型。本申请意图覆盖总体上根据本发明的任何变型、用途或对本发明作出的改变，包括诸如落入本发明所属技术领域内的已知或惯常实践中的那些与这里公开内容不同的方案以及诸如可以应用于前面提出的基本特征的那些方案。

因为本发明可以以若干形式实施而不脱离本发明基本特征的精神，所以应该明白，除非具体声明，上面描述的实施方式不是用来限制本发明，而是应该在所附权利要求书中限定的本发明精神和范围内广义理解。所描述的实施方式应该在所有方面都被认为只是解释性的，而不是限制性的。

各种变型和等同布置意图被包括在本发明和所附权利要求书的精神和范围内。因此，具体实施方式应被理解为可以实践本发明原理的多种方式的示意性解释。在后面的权利要求书中，电机加功能条款意图覆盖执行所限定功能的结构，以及不仅是结构上等同物还有等同结构。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机，该电机采用模块化设计，包括多个单相电机模块，其特征在于，多个单相电机模块采用同轴径向嵌套和/或同轴轴向组合，不同相单相电机模块之间相互错开电角度；每单相电机模块为单定子单转子结构或单定子双转子结构或双定子单转子结构；每个单相电机模块均包括异型定子铁芯、异型永磁体、转子、电枢绕组；M个异型定子铁芯与M个异型永磁体沿周向交替排列构成磁通切换式圆环结构的定子，在圆环结构上存在环形凹槽，环形凹槽内安装电枢绕组，环形凹槽方向与转轴平行，且环形凹槽开口朝向转子方向；定子与转子同轴安装；

异型定子铁芯与异型永磁体数量相等且为偶数，所述异型永磁体沿电机周向进行充磁，且相邻异型永磁体充磁方向相反；

所述转子采用轴向磁场盘式结构，每个转子包括带有通孔的转子轭和转子凸极，在通孔周围设置一圈转子凸极，转子设有转子凸极的一侧与定子设有环形凹槽的一侧相对布置，转子与圆环结构定子的外环相接触的位置也设置一圈转子凸极，上述的每圈转子凸极数量均为异型永磁体数量的1/2，每圈转子凸极径向均匀分布并固定嵌在转子轭的表面，相邻两圈转子凸极沿圆周方向交替排列，位置沿圆周方向互相错开，交替设置；

所述异型定子铁芯和异型永磁体的形状尺寸相同，所述异型定子铁芯为具有弧形凹槽的U型结构，U型开口方向朝向转子。

2.根据权利要求1所述的轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机，其特征在于，所述异型定子铁芯为两个扇形柱状按照上下位置布置构成的中间空心的结构。

3.根据权利要求1所述的轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机，其特征在于，所述异型永磁体采用铁氧体材料或者钕铁硼材料制成。