CN110311526A - 一种定子无磁轭轴向磁通永磁电机 - Google Patents

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章焕尧
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Abstract

本发明公开了一种定子无磁轭轴向磁通永磁电机，包括同轴的定子、第一转子和第二转子，所述第一转子和所述第二转子对称设于所述定子的两侧，所述第一转子和所述第二转子分别包括用以与转轴同轴连接的空心环状的第一转子铁心和第二转子铁心，所述第一转子铁心和所述第二转子铁心朝向所述定子的端面沿圆周交替设有永磁体与软磁体，所述永磁体与所述软磁体的极弧系数比大于1，所述定子两侧不同所述转子上的所述永磁体与所述软磁体斜对角排列。上述定子无磁轭轴向磁通永磁电机通过极弧系数不等以及斜对角式交替的转子结构，提高了弱磁能力和永磁体利用率，减小了齿槽转矩和轴向磁拉力，一定程度上保护了电机的轴承。

Description

一种定子无磁轭轴向磁通永磁电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种定子无磁轭轴向磁通永磁电机。
背景技术
定子无磁轭轴向磁通电机是永磁电机的一种，具有体积小、功率密度高和效率高等优点。然而，传统定子无磁轭轴向磁通电机存在弱磁能力不足(调速范围窄)以及齿槽转矩较大等问题，影响了该类型电机在速度控制系统中的弱磁扩速能力和位置控制系统中的定位精度。
目前已存在的减小电机齿槽转矩和提高弱磁能力的近似方法有采用永磁体斜极的方法以及采用永磁体内置和交替极结构的方法。但是，上述方法在一定程度上提高弱磁能力和减小齿槽转矩的同时，会对电机的其他性能造成影响。采用永磁体斜极的方法，在减小齿槽转矩的同时也削弱了转矩输出能力，导致永磁体利用率下降；采用永磁体内置的方法，在提高弱磁能力的同时电机机械强度变差，永磁体漏磁增大(永磁体利用率减小)。
因此，如何能够提供一种不仅减小电机齿槽转矩并提高弱磁能力、还不影响电机其他性能的定子无磁轭轴向磁通永磁电机是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种定子无磁轭轴向磁通永磁电机，通过极弧系数不等以及斜对角式交替的转子结构，减小了电机齿槽转矩，提高了电机弱磁能力和永磁体利用率并减小电机轴向磁拉力。
为实现上述目的，本发明提供一种定子无磁轭轴向磁通永磁电机，包括同轴的定子和转子，所述转子包括对称设于所述定子两侧的第一转子和第二转子，所述第一转子和所述第二转子分别包括用以与转轴同轴连接的空心环状的第一转子铁心和第二转子铁心，所述第一转子铁心和所述第二转子铁心朝向所述定子的端面均沿圆周交替设有永磁体与软磁体，所述永磁体与所述软磁体的极弧系数比大于1，所述永磁体包括分别设于所述第一转子铁心和所述第二转子铁心的第一永磁体和第二永磁体，所述软磁体包括分别设于所述第一转子铁心和所述第二转子铁心的第一软磁体与第二软磁体，所述第一永磁体和所述第二永磁体斜对角排列，所述第一软磁体和所述第二软磁体斜对角排列。
优选地，所述定子包括多个绕有电枢绕组的模块化定子铁心，多个所述模块化定子铁心沿圆周环状分布且依次首尾连接构成所述定子。
优选地，所述永磁体与所述软磁体的厚度相同。
优选地，所述永磁体采用永磁材料制成。
优选地，所述第一转子铁心、所述第二转子铁心与所述软磁体采用硅钢片叠压制成。
优选地，所述永磁体的极弧系数为0.9，所述软磁体的极弧系数为0.75。
优选地，所述模块化定子铁心采用软磁复合材料制成。
优选地，所述电枢绕组采用集中式双层绕组。
优选地，所述定子由12个所述模块化定子铁心组成，所述定子具体为无磁轭定子。
相对于上述背景技术，本发明所提供的定子无磁轭轴向磁通永磁电机包括定子和转子，转子包括对称设于定子两侧的第一转子和第二转子，两侧的转子与定子同轴，第一转子和第二转子分别包括用以与转轴同轴连接的空心环状的第一转子铁心和第二转子铁心，第一转子铁心和第二转子铁心朝向定子的端面均设有永磁体和软磁体，永磁体和软磁体沿圆周交替分布，永磁体与软磁体的极弧系数比大于1，永磁体包括分别设于第一转子铁心和第二转子铁心的第一永磁体和第二永磁体，软磁体包括分别设于第一转子铁心和第二转子铁心的第一软磁体与第二软磁体，第一永磁体与第二永磁体斜对角排列，第一软磁体与第二软磁体斜对角排列。该定子无磁轭轴向磁通永磁电机中转子上的永磁体的极弧系数大于软磁体的极弧系数，转子为不等极弧系数转子结构，能够保证电机输出转矩不变时齿槽转矩减小，实现电机输出转矩的提高；该定子无磁轭轴向磁通永磁电机中转子的永磁体与软磁体交替排列、且定子两侧的第一转子和第二转子上的永磁体与软磁体斜对角排列，转子为斜对角式交替极转子结构，能够消除定子两侧永磁体之间的吸引，进一步保护电机轴承，能够增大电机的磁阻转矩和直轴电感，实现永磁体利用率和弱磁能力的提高。综上，该结合不等极弧系数转子结构与斜对角式交替极转子结构的转子结构，与现有技术中永磁体斜极方案相比，采用不等极弧系数在减小齿槽转矩时不会减小电机的输出转矩；与现有技术中交替极结构相比，采用斜对角式交替在提高永磁体利用率和弱磁能力时还能够减小电机的轴向磁拉力并保护电机的轴承。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的定子无磁轭轴向磁通永磁电机的结构示意图；
图2为图1中模块化定子铁心的结构示意图；
图3为图1中第一转子或第二转子的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的磁路展开示意图；
图5为现有技术的磁路展开示意图。
其中：
1-转子铁心、11-第一转子铁心、12-第二转子铁心、2-模块化定子铁心、3-电枢绕组、4-永磁体、41-第一永磁体、42-第二永磁体、5-软磁体、51-第一软磁体、52-第二软磁体。
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做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。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图5，其中，图1为本发明实施例提供的定子无磁轭轴向磁通永磁电机的结构示意图，图2为图1中模块化定子铁心的结构示意图，图3为图1中第一转子或第二转子的结构示意图，图4为本发明实施例提供的磁路展开示意图，图5为现有技术的磁路展开示意图。
在第一种具体的实施方式中，请参考图1和图3，本发明提供的定子无磁轭轴向磁通永磁电机包括定子和转子，转子对称设于定子的两侧，两侧的第一转子和第二转子与定子同轴，转子包括用以与转轴同轴连接的空心环状的转子铁心1，也即第一转子和第二转子分别包括第一转子铁心11和第二转子铁心12，定子两侧的转子铁心1朝向定子的端面设有永磁体4与软磁体5，永磁体4与软磁体5的极弧系数比大于1，永磁体4与软磁体5沿转子铁心1的圆周交替排列，永磁体4包括分别设于第一转子铁心11和第二转子铁心12的第一永磁体41和第二永磁体42，软磁体5包括分别设于第一转子铁心11和第二转子铁心12的第一软磁体51和第二软磁体52，也即第一永磁体41与第一软磁体51沿第一转子铁心11的圆周交替排列，第二永磁体42与第二软磁体52沿第二转子铁心12的圆周交替排列，第一永磁体41和第二永磁体42斜对角排列，第一软磁体51和第二软磁体52斜对角排列。
在本实施例中，为解决现有技术中不影响电机其他性能前提下减小电机齿槽转矩并提高弱磁能力的两个技术问题，该定子无磁轭轴向磁通永磁电机将不等极弧系数转子结构与斜对角式交替极转子结构相结合。
具体而言，对斜对角式交替极转子结构给出详细说明。斜对角式交替极转子结构采用交替设置的永磁体4和软磁体5，具体为交替设置在第一转子铁心11上的第一永磁体41和第一软磁体51，以及交替设置在第二转子铁心12上的第二永磁体42和第二软磁体52，以增大电机的磁阻转矩和直轴电感，因此提高了永磁体4的利用率和弱磁能力。
请参考图4和图5，传统定子无磁轭轴向磁通电机的转子结构为NS型结构，因此轴向磁拉力不仅包括永磁体4与定子之间的吸引力，还包括第一永磁体41和第二永磁体42之间的吸引力，这种轴向磁拉力会损坏电机轴承，影响电机运行，如图5采用现有技术的交替极结构不能消除第一永磁体41和第二永磁体42之间的吸引力，而本实施例的斜对角式交替极结构可以消除第一永磁体41和第二永磁体42之间的吸引力(永磁体4与定子之间的吸引力依然存在)，能够减小电机轴向磁拉力，因此能够一定程度上保护电机轴承。
具体而言，对不等极弧系数转子结构给出详细说明。为了提高电机的输出转矩，斜对角式交替极转子结构的永磁体4的极弧系数需大于软磁体5的极弧系数，也即永磁体4与软磁体5的极弧系数比大于1，在保证输出转矩不变的情况下，齿槽转矩减小。
示例性的，永磁体4的极弧系数取0.9，软磁体5的极弧系数取0.75，在这种情况下，相比于采用传统转子结构的定子无磁轭轴向磁通电机，采用本实施例转子结构的电机在保证输出转矩不变的情况下，齿槽转矩减小了85.6％。
在本实施例中，磁路走向为：从第一永磁体41的N极出发，朝向定子轴向穿入气隙，由气隙轴向穿入定子，朝向第二软磁体52轴向穿入气隙，由气隙轴向穿入第二软磁体52，沿第二转子铁心12径向穿入第二永磁体42的S极，轴向穿入第二永磁体42，由第二永磁体42的N极朝向气隙轴向穿入，由气隙轴向穿入定子，朝向第一软磁体51轴向穿入气隙，由气隙轴向穿入第一软磁体51，沿第一转子铁心11径向穿入第一永磁体41的S极，轴向穿入第一永磁体41，由第一永磁体41的N极再次出发，构成闭合路径。
除此以外，永磁体4与软磁体5的厚度相同，定子两侧转子上的第一永磁体41与第二永磁体42、第一软磁体51与第二软磁体52斜对角排列，也即第一转子铁心11上的第一永磁体41与第二转子铁心12上的第二永磁体42斜对角排列，第一转子铁心11上的第一软磁体51与第二转子铁心12上的第二软磁体52斜对角排列。换句话说，在定子两侧的转子铁心1上，永磁体4与软磁体5的排布方式恰好相反，也就是说，定子一侧的第一永磁体41在第一转子铁心11上的设置位置沿轴线垂直投影恰好落在定子另一侧第二转子铁心12上的第二软磁体52的设置位置上，两侧不同转子上的第一永磁体41与第二永磁体42和第一软磁体51与第二软磁体52恰好错开。
在一种具体的实施方式中，请参考图1和图2，定子包括多个沿圆周环状分布且依次首尾连接的模块化定子铁心2，模块化定子铁心2上绕有电枢绕组3。
在本实施例中，定子由12个模块化定子铁心2组成，定子具体为无磁轭定子。示例性的，定子每一侧的转子铁心1的端面上交替分布有5个永磁体4以及5个软磁体5，永磁体4与软磁体5的形状不完全相同，也即第一转子铁心11的端面上交替分布有5个第一永磁体41以及5个第一软磁体51，第二转子铁心12的端面上交替分布有5个第二永磁体42以及5个第二软磁体52。
除此以外，模块化定子铁心2采用软磁复合材料(SMC)制成；永磁体4采用永磁材料制成；转子铁心1也即第一转子铁心11和第二转子铁心12，与软磁体5采用硅钢片叠压制成；电枢绕组3采用集中式双层绕组。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的定子无磁轭轴向磁通永磁电机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种定子无磁轭轴向磁通永磁电机，其特征在于，包括同轴的定子和转子，所述转子包括对称设于所述定子两侧的第一转子和第二转子，所述第一转子和所述第二转子分别包括用以与转轴同轴连接的空心环状的第一转子铁心(11)和第二转子铁心(12)，所述第一转子铁心(11)和所述第二转子铁心(12)朝向所述定子的端面均沿圆周交替设有永磁体(4)与软磁体(5)，所述永磁体(4)与所述软磁体(5)的极弧系数比大于1，所述永磁体(4)包括分别设于所述第一转子铁心(11)和所述第二转子铁心(12)的第一永磁体(41)和第二永磁体(42)，所述软磁体(5)包括分别设于所述第一转子铁心(11)和所述第二转子铁心(12)的第一软磁体(51)与第二软磁体(52)，所述第一永磁体(41)和所述第二永磁体(42)斜对角排列，所述第一软磁体(51)和所述第二软磁体(52)斜对角排列。
2.根据权利要求1所述的定子无磁轭轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述定子包括多个绕有电枢绕组(3)的模块化定子铁心(2)，多个所述模块化定子铁心(2)沿圆周环状分布且依次首尾连接构成所述定子。
3.根据权利要求1所述的定子无磁轭轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述永磁体(4)与所述软磁体(5)的厚度相同。
4.根据权利要求1所述的定子无磁轭轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述永磁体(4)采用永磁材料制成。
5.根据权利要求1所述的定子无磁轭轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述第一转子铁心(11)、所述第二转子铁心(12)与所述软磁体(5)采用硅钢片叠压制成。
6.根据权利要求1所述的定子无磁轭轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述永磁体(4)的极弧系数为0.9，所述软磁体(5)的极弧系数为0.75。
7.根据权利要求2所述的定子无磁轭轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述模块化定子铁心(2)采用软磁复合材料制成。
8.根据权利要求2所述的定子无磁轭轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述电枢绕组(3)采用集中式双层绕组。
9.根据权利要求2所述的定子无磁轭轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述定子由12个所述模块化定子铁心(2)组成，所述定子具体为无磁轭定子。
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