CN110323906B - 一种混合槽数的轴向磁通永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合槽数的轴向磁通永磁同步电机，其具有2个或以上的定子，1个以上的转子，且各个定子的定子槽的槽数完全不同或不完全不同。本发明提出的混合槽数的轴向磁通永磁同步电机中，不同的定子采用不同的槽数，使得每个定子的绕组因数和散热能力等属性存在不同，因此可通过合理配置各所述定子槽数提升电机的性能，例如减小电动势和磁动势的谐波影响，优化散热结构等。

Description

一种混合槽数的轴向磁通永磁同步电机

技术领域

本发明涉及电机设计与制造技术领域，特别是一种混合槽数的轴向磁通永磁同步电机。

背景技术

电机是一种以磁场为媒介进行电能和机械能相互转换的机电设备，具体到盘式同步电机(即轴向磁通永磁同步电机，属于同步电机这一大类；“同步”是指定子磁场和转子磁场在电机稳态运行时旋转的速度是一致的)的结构上讲，就是电机在电动状态下定子和转子都产生磁场，这两个磁场相互作用，使定子和转子之间有力的作用，最终使得转子与转轴旋转起来；电机在发电状态下，转子通过外力作用进行旋转，转子产生的磁场切割定子绕组，在绕组中产生感应电动势，从而产生电能。磁场相互作用产生转矩通俗地讲，就是磁场产生的磁力线有向最短路径收缩的趋势，

盘式电机的定子和转子皆为圆盘状，因此盘式电机的结构扁平紧凑、功率密度高，还可制成多盘结构以进一步提高空间利用率和电机性能。

电机中定子槽数与转子极数之间的关系称为极槽配合，在转子极数不变的情况下改变定子槽数可改变电机的绕组因数、效率等属性，所述属性对电机的性能有很大影响。传统的盘式电机每个定子的槽数和绕组方式都相同，这使得每个定子和转子等效成的电机的属性都相同，无法产生不同定子之间的性能互补，不利于提高多盘式电机的整体性能。而现有技术中，未能提出采用混合槽数的多定子盘结构以改进盘式电机性能的技术。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有的盘式电机中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明其中的一个目的是提供一种混合槽数的轴向磁通永磁同步电机，其利用多个定子之间槽数的不同完成性能互补，降低转矩脉动和反电势谐波，并改善电机的散热，提高电机的综合性能。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种混合槽数的轴向磁通永磁同步电机，其包括壳体、设置于所述壳体内并沿其轴向进行排列的定子和转子，以及穿插在各个所述转子中且一端外伸出所述壳体的转轴；所述定子固定于所述壳体内，其数量m≥2，且各个所述定子的定子槽槽数完全不同或不完全不同；所述转子与转轴固定，并能够相对于所述定子进行旋转，所述转子的数量n≥1，且当所述转子的数量n≥2时，各个所述转子的极数相等。

作为本发明所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：相邻两个所述转子之间的所有定子共同形成定子组件；相邻两个所述定子之间的所有转子共同形成转子组件；所述定子组件与所述转子组件沿轴向间隔交替排列，共同形成轴向排列阵。

作为本发明所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：各个所述定子组件包括1个定子，且各个所述转子组件包括1个转子；所述定子与所述转子沿轴向间隔交替排列，共同形成轴向排列阵。

作为本发明所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：当所述轴向排列阵的外端为定子时，该定子的内侧面上具有定子槽，其余定子的两侧面上均设置有所述定子槽；当所述轴向排列阵的外端为转子时，该转子具有转子轭部。

作为本发明所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述轴向排列阵的两端均为定子或均为转子。

作为本发明所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述定子通过绕组通电激发磁场，所述转子通过绕组通电或永磁体激发磁场。

作为本发明所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述转轴在旋转时，所述定子和转子产生的磁力线沿轴向穿过不位于所述轴向排列阵两端的所述定子和/或转子，并流经位于所述轴向排列阵两端的所述定子和转子的轭部，形成磁力线回路。

作为本发明所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：单个所述定子的定子槽槽数为绕组的相数的整数倍，并且大于所述转子的极数；所述转子的极数为偶数。

作为本发明所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述定子的绕组采用分数槽集中式绕组。

作为本发明所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：不同的所述定子的绕组方式和绕组匝数完全不同或不完全不同。

作为本发明所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述定子采用混合槽数设计，不同的所述定子的槽数完全不同或不完全不同，使每个所述定子和所述转子等效形成的单个电机的绕组因数等属性有差别，因此可通过合理选择不同所述定子的槽数以提升电机的性能，所述性能包括，但不限于，对5次、7次等阶次的电动势与磁动势谐波的抑制和定子的温升散热优化。

本发明的有益效果：本发明的所述的电机中的多个定子的槽数不同，因此可以通过选择合适的槽数进行配合排列，使得每个定子和与其相邻的转子等效成的单个等效电机具有不同的优缺点，相互取长补短。比如，不同的电机工况下给每个定子分配的功率不同使电机的整体效率最高，将散热能力更好的定子放置在轴向最外端并主要启用它们，充分利用了多盘式电机中多定子的资源，提高了电机的综合性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机的剖面图。

图2为一个定子和一个转子生成的主磁通磁力线示意图。

图3为定子组件和转子组件排列的一种实施方式的示意图。

图4为轴向排列阵两端为定子的结构示意图。

图5为第一个实施方式的示意图。

图6为第二个实施方式的示意图。

图7为所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机的内部结构图。

图8为所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机的爆炸图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

参照图1～8，为本发明的一个实施例，该实施例提供了一种混合槽数的轴向磁通永磁同步电机，其利用多个定子之间槽数的不同完成性能互补，降低转矩脉动和反电势谐波，并改善电机的散热，提高电机的综合性能。

具体的，如图1，所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机包括外部的筒状壳体100、设置于壳体100内并沿其轴向进行排列的定子200和转子300，以及穿插在各个转子300中的转轴400。转轴400通过轴承与壳体100连接，且一端外伸出壳体100。转轴400沿电机的轴向设置，并能够发生相对的周向转动。

定子200固定于壳体100内，不能发生相对转动。定子200的数量设为m，且m≥2(m为正整数)，也即定子200数至少为两个。

各个定子200的侧面上具有定子槽201，定子槽201内可以设置定子绕组，以便于通电时激发磁场产生磁通。各个定子200上的定子槽201槽数完全不同或不完全不同，在开模或生产时可以预先进行合理设置。定子绕组可以采用现有的绕组方式进行分布缠绕，如分数槽集中式绕组等。不同的定子200的绕组方式和绕组匝数可以完全不同或不完全不同。

转子300与转轴400固定，并能够与转轴400一同相对于定子200进行旋转。转子300的数量设为n，且n≥1，也即转子300数可以为1个，也可以是多个。当转子300的数量n≥2时，各个转子300的极数相等。

基于上述，壳体100内的定子200和转子300可以沿轴向排列多个，其中相邻的定子200和转子300之间相互作用可电动或发电，因此多盘电机可等效为多个单定子单转子电机的组合。

需要注意的是：单个定子200的定子槽201槽数为绕组的相数的整数倍，并且大于转子300的极数；转子300的极数为偶数。

转子300的励磁方式包括但不限于永磁体励磁或电励磁，即本发明中的转子300可以通过永磁体或绕组通电激发磁场。转子300的极数为转子300上固定永磁体的数量或者凸极的个数。当通过绕组通电激发磁场时，极数为凸极的个数；当通过永磁体激发磁场时，极数为永磁体的数量。

如图2，现有的盘式电机中包括一个固定的定子200以及一个能够相对定子200转动的转子300，定子200的定子槽201槽数以及转子300的极数确定。相邻定子槽201之间为齿部202，衔接各个齿部202的外围环形结构为定子轭部203。定子槽201内设置绕组，当绕组通电，齿部202内形成主磁通，如图2，磁力线经过齿部202，穿过中间的气隙，再通过邻近的两个永磁体301进行穿进穿出，最终形成闭合回路的路线即为主磁通的磁力线。由于磁力线有向最短路径收缩的趋势，因此转子300会受力进行旋转。基于此，一个转子300与其相邻的一个定子200互相作用即可等效为一个等效电机。

进一步的，如图3所述，本发明设定：相邻两个转子300之间的所有定子200共同形成定子组件D；相邻两个定子200之间的所有转子300共同形成转子组件Z；则定子组件D与转子组件Z沿轴向间隔交替排列，共同形成轴向排列阵P。

因此，定子组件D为任意一对相邻两个转子300之间所有定子200的“捆绑”组合，任一处的定子组件D可以包含单独的1个定子200或者多个并列紧挨设置的定子200。其中各个定子200槽数完全不同或不完全不同。

转子组件Z为任意一对相邻两个定子200之间所有转子300的“捆绑”组合，任一处的转子组件Z可以包含单独的1个转子300或者多个并列紧挨设置的转子300。各个转子300的极数相等。

进一步的，如图3，当轴向排列阵P的外端为定子200时，该定子200的内侧面上具有定子槽201(外侧为定子轭部203)，其余定子200的两侧面上均设置有定子槽201(中间为定子轭部203)。如图4，当轴向排列阵P的外端为转子300时，该转子300具有转子轭部302(该转子300具体结构为：多级的永磁体301呈周向环形分布固定在圆盘结构上，该圆盘结构为转子轭部302)，此处转子轭部302的作用是给主磁通提供一个高磁导率(由材料决定)的通道形成回路，同时加强转子300的机械强度；定子轭部203的作用也是如此，此处不赘述。较佳的，轴向排列阵P的两端均为定子200或均为转子300。

一、在第一个实施方式中，如图5所示，本发明取定子200的数量m＝2、转子300的数量n＝1，且一个转子300被夹在两个定子200之间(也即中间的转子300自成一个单独的转子组件Z，两侧的定子200也各自为一个单独的定子组件D)。中间的转子300能够与其两侧的定子200分别形成闭合回路的主磁通磁力线；由于两侧的磁场在空间上对齐，在同一时刻定转子产生的磁场方向相同，因此互相融合，共同形成能够穿过中间转子300的主磁通磁力线。该主磁通的磁力线经过一端定子200的齿部202、定转子之间的气隙、中间转子300上的永磁体301、另一端定子200的齿部202及其定子轭部203，然后再回程穿过中间的邻近的另一片永磁体301，最终进入始端定子200的定子轭部203中，形成闭合回路。所述转子300产生的磁力线切割定子200的绕组产生反电势，定子200产生的磁场和转子300产生的磁场相互作用产生转矩。

二、在第二个实施方式中，如图6所示，本发明取定子200的数量m＝3、转子300的数量n＝2，各个转子300的极数相同。本实施方式中优选各个定子组件D仅包括1个定子200，且各个转子组件Z仅包括1个转子300，则定子200与转子300即可沿轴向间隔交替排列，共同形成轴向排列阵P。依照上述，相邻的定子200与转子300之间均可形成一个闭合回路的主磁通磁力线，由于各个转子300的极数相同，在同一时刻定转子产生的磁场方向相同，因此各个邻近的主磁通互相融合，共同形成能够穿过中间各个定子200和转子300的主磁通磁力线。具体的，该主磁通的磁力线经过一端定子200的齿部202，并穿过中间的所有定子200和转子300及其之间的气隙，然后进入另一端定子200的齿部202及其定子轭部203，接着再回程穿过中间的邻近的另一片永磁体301，最终进入始端定子200的定子轭部203中，形成贯穿的一整条闭合回路。

综上所述，当各个转子300的极数相同，定转子产生的磁场在空间上对齐，各个邻近的主磁通即可互相融合。也即，转轴400与转子300在旋转时，定子200和转子300产生的主磁通磁力线沿轴向穿过不位于轴向排列阵P两端的定子200和转子300，并流经位于轴向排列阵P两端的定子200和转子300的轭部，形成磁力线回路。

三、如图7、8，基于第二种实施方式(3个定子200和2个转子300间隔交替排列结构)，本实施方式设定3个定子200分别为2个12槽定子和1个9槽定子，2个转子300均为8极永磁转子。该实施方式作为第三种实施方式。

具体的，所述混合槽数的轴向磁通永磁同步电机包括一个筒状壳体100，壳体100的两端固定有端盖101，端盖101可以通过螺栓与壳体100两端连接。

壳体100内安装有一根轴向的转轴400，转轴400的两端可以通过轴承与对应端的端盖101进行连接，转轴400的一端穿出端盖101，作为输出端。

3个定子200和2个转子300在壳体100内间隔排列，形成轴向排列阵P，轴向排列阵P的两端为定子200。3个定子200均固定于壳体100内，不可转动、2个转子300固定在转轴400上，能够与转轴400一同发生转动。

较佳的，轴向排列阵P最外端的两个定子200均为12槽定子，该定子200的内侧面上具有12个周向分布的定子槽201，外侧为定子轭部203；正中间的一个定子200为9槽定子，该定子200的两侧面上对称设置有9个周向分布的定子槽201，而中间部分为定子轭部203。定子槽201之间形成外凸的齿部202，定子槽201内设置绕组。

2个转子300为轴向投影对齐的两个8极永磁转子，该转子300沿周向分布有8个永磁体301。因此轴向排列阵P的排列顺序为：12槽定子——8极永磁转子——9槽定子——8极永磁转子——12槽定子。

由于本发明中，定子数和转子数均可以设置多个，且各个定子的槽数完全不同或不完全不同(混合槽数设计)、各个转子的极数完全相同，因此可以利用多个定子之间槽数的不同完成性能互补，降低转矩脉动和反电势谐波，并改善电机的散热，提高电机的综合性能。

具体原理为：不同的极槽配合意味着不同的每极每相槽数q。q为整数就称该电机为整数槽电机；q为小数就称该电机为分数槽电机。整数槽电机的优势为绕组电感小、电枢反应磁动势谐波含量小；分数槽电机的优势为绕组电阻小，可减小铜耗进而增加效率，绕组短距效应、分布效应好，可改善反电势波形的正弦性，齿槽转矩小，可降低转矩脉动。其次，槽数较多的定子的散热能力普遍好于槽数较少的定子，其原因为槽数多的定子中绕组和定子铁芯的接触面积更大，绕组产生的热量更容易被定子铁芯带走。

本发明的所述的电机中的多个定子的槽数不同，因此可以通过选择合适的槽数进行配合排列，使得每个定子和与其相邻的转子等效成的单个等效电机具有不同的优缺点，相互取长补短。比如，不同的电机工况下给每个定子分配的功率不同使电机的整体效率最高，将散热能力更好的定子放置在轴向最外端并主要启用它们，充分利用了多盘式盘式电机中多定子的资源，提高了多盘式盘式电机的综合性能。

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限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种混合槽数的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：包括壳体(100)、设置于所述壳体(100)内并沿其轴向进行排列的定子(200)和转子(300)，以及穿插在各个所述转子(300)中且一端外伸出所述壳体(100)的转轴(400)；

所述定子(200)固定于所述壳体(100)内，其数量m≥2，且各个所述定子(200)的定子槽(201)槽数完全不同或不完全不同；不同的所述定子(200)的绕组方式和绕组匝数完全不同或不完全不同；

所述转子(300)与转轴(400)固定，并能够相对于所述定子(200)进行旋转，所述转子(300)的数量n≥1，且当所述转子(300)的数量n≥2时，各个所述转子(300)的极数相等；

相邻两个所述转子(300)之间的所有定子(200)共同形成定子组件(D)；相邻两个所述定子(200)之间的所有转子(300)共同形成转子组件(Z)；所述定子组件(D)与所述转子组件(Z)沿轴向间隔交替排列，共同形成轴向排列阵(P)；各个所述定子组件(D)包括1个定子(200)，且各个所述转子组件(Z)包括1个转子(300)；所述定子(200)与所述转子(300)沿轴向间隔交替排列，共同形成轴向排列阵(P)。

2.如权利要求1所述的混合槽数的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：当所述轴向排列阵(P)的外端为定子(200)时，该定子(200)的内侧面上具有定子槽(201)，其余定子(200)的两侧面上均设置有所述定子槽(201)；

当所述轴向排列阵(P)的外端为转子(300)时，该转子(300)具有转子轭部(302)。

3.如权利要求2所述的混合槽数的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述轴向排列阵(P)的两端均为定子(200)或均为转子(300)。

4.如权利要求1或3所述的混合槽数的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述定子(200)通过绕组通电激发磁场，所述转子(300)通过绕组通电或永磁体激发磁场。

5.如权利要求4所述的混合槽数的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述转轴(400)在旋转时，所述定子(200)和转子(300)产生的磁力线沿轴向穿过不位于所述轴向排列阵(P)两端的所述定子(200)和/或转子(300)，并流经位于所述轴向排列阵(P)两端的所述定子(200)和转子(300)的轭部，形成磁力线回路。

6.如权利要求1、3或5任一所述的混合槽数的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：单个所述定子(200)的定子槽(201)槽数为绕组的相数的整数倍，并且大于所述转子(300)的极数；所述转子(300)的极数为偶数。

7.如权利要求1、3或5任一所述的混合槽数的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述定子(200)的绕组采用分数槽集中式绕组。

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