CN110417157B - 一种多相轴向磁通永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相轴向磁通永磁同步电机，包括，转动组件，包括转动件和永磁体，所述永磁体均匀分布固定在所述转动件上，所述永磁体数量的一半构成极对数p；固定组件，包括固定件和绕组，所述固定件上设有槽，其个数为n，所述绕组通过所述槽绕在所述固定件上，所述绕组的相数m大于等于4，并采用星型接法，极对数p、相数m和槽数n满足n＝mp；壳体，将所述转动组件和所述固定组件包覆于其内，所述转动件与所述固定件对齐设置。本发明提供的轴向磁通永磁同步电机采用整数槽多相绕组，当电机中某相绕组发生故障后，可切断该相绕组的通电，其余相仍然可以胜任电动和发电的功能，且性能不会下降太多，有效增加了盘式电机的容错性和安全性。

Description

一种多相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领域，具体涉及一种多相轴向磁通永磁同步电机。

背景技术

轴向磁通永磁同步电机的整体结构紧凑，相较于径向磁场电机，有利于转矩密度的提高。轴向磁通永磁同步电机轴向尺寸短，外径大，机体呈扁平式，常用于轴向尺寸和体积限制较大的应用场合，由于轴向磁通永磁同步电机机体呈扁平式，因此也称为盘式电机。

盘式电机的主要用途是电动和发电，电动的原理为定子绕组通交流电在空间中产生旋转的磁场并和转子产生的磁场相互作用，使转子受力并旋转，发电的原理为转子在外力作用下旋转，其产生的磁场切割定子绕组产生感应电动势。传统盘式电机的相数为三，当三相绕组中有一相发生故障后，电机的电动和发电性能会大幅度下降，当三相绕组中有两相发生故障后，电机将彻底丧失电动能力。因此研究增加电机容错率的技术具有关键意义，但现有技术中，未有提出整数槽多相绕组用于轴向磁通永磁同步电机以提升电机容错率的技术。

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/或现有的轴向磁通永磁同步电机中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明要解决的技术问题是提供了一种多相轴向磁通永磁同步电机，以提高轴向磁通永磁同步电机的容错率。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种多相轴向磁通永磁同步电机，包括，转动组件，包括转动件和永磁体，所述永磁体均匀分布固定在所述转动件上，所述永磁体数量的一半构成极对数p；固定组件，包括固定件和绕组，所述固定件上设有槽，其个数为n，所述绕组通过所述槽绕在所述固定件上，所述绕组的相数m大于等于4，并采用星型接法，极对数p、相数m和槽数n满足n＝mp；以及壳体，将所述转动组件和所述固定组件包覆于其内，所述转动件与所述固定件对齐设置。

作为本发明所述多相轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述绕组有2m个相带。

作为本发明所述多相轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述绕组和所述槽的匹配规律如下：槽数n除以相数m再除以极对数p得到每对极每相槽数q，把所有所述槽按顺序从1开始编号，按这个顺序每个相带从1号槽开始分别依次分配q个槽，直到所述槽分配完为止。

作为本发明所述多相轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述壳体一侧中间设有通孔。

作为本发明所述多相轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述转动组件还包括轴承和转轴，所述固定件与所述壳体固定连接，所述转轴与所述转动件固定连接并穿过所述转动件和所述固定件，所述轴承内圈固定在所述转轴上，外圈固定在所述通孔上，用以支撑所述转轴旋转。

作为本发明所述多相轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述转动件数量至少为2，每个所述转动件上的所述永磁体构成的极对数p相同。

作为本发明所述多相轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述固定件数量至少为2，每个所述固定件上设置的所述槽的数量相同，且绕在所述固定件上的所述绕组的绕制方式相同。

作为本发明所述多相轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：电机的并联支路数大于等于1。

作为本发明所述多相轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述固定件不设有所述槽，即电机使用无槽结构时，视绕组空间中存在虚槽，用以划分相带。

作为本发明所述多相轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述绕组所用的导线包括圆导线或扁导线。

本发明的有益效果：本发明提供的轴向磁通永磁同步电机采用整数槽多相绕组，当电机中某相绕组发生故障后，可切断该相绕组的通电，其余相仍然可以胜任电动和发电的功能，且性能不会下降太多，有效增加了盘式电机的容错性和安全性。

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为本发明提供的一种实施例中多相轴向磁通永磁同步电机整体结构示意图；

图2为本发明提供的一种实施例中多相轴向磁通永磁同步电机2对极转动组件结构示意图；

图3为本发明提供的一种实施例中多相轴向磁通永磁同步电机整体结构示意图；

图4为本发明提供的一种实施例中多相轴向磁通永磁同步电机四相电机驱动电路图；

图5为本发明提供的一种实施例中多相轴向磁通永磁同步电机4相2对极8槽绕组和槽的分配；

图6为本发明提供的一种实施例中多相轴向磁通永磁同步电机A相绕组绕法；

图7为本发明提供的一种实施例中多相轴向磁通永磁同步电机36槽定子结构示意图。

图8为本发明提供的一种实施例中多相轴向磁通永磁同步电机六相星型连接示意图。

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。

实施例1

参照图1～图3，本发明提供了一种多相轴向磁通永磁同步电机，包括转动组件100、固定组件200和壳体300，其中，转动组件100包括转动件101和永磁体102，永磁体102均匀分布固定在转动件101上，永磁体102的磁极数量的一半构成极对数p，这里p为自然数；固定组件200包括固定件201和绕组202，固定件201上设有槽201a，其个数为n，绕组202通过槽201a绕在固定件201上，绕组202的相数m大于等于4，并采用星型接法，极对数p、相数m和槽数n满足n＝mp；壳体300将转动组件100和固定组件200包覆于其内，转动件101与固定件201对齐设置。

本实施例中，转动件101本质上相当于转子铁芯，其上固定贴有永磁体102，永磁体102的磁极为N极和S极，两者成对安装，一个N极永磁体102和一个S极永磁体102构成1个极对数。当永磁体102的数量较多时，N极和S极永磁体102相间排列。

固定件201本质上相当于定子支架，固定件201和绕组202组成的固定组件200相当于电机定子，转动件101和固定件201整体都为环状结构，固定件201上设的槽201a用于绕制绕组202，槽201a的个数为槽数，槽数n为正整数。绕组202的组数至少为4，即相数m大于等于4，且m为正整数。绕组202采用星型接法，当绕组202中某相发生故障后，外部控制器可控制电源切断故障相的供电，其余相的绕组202可继续工作。m≥4的目的是为了防止有绕组的某相发生故障后仍有足够的其它相仍然能够继续工作，增加轴向磁通永磁同步电机的容错率。

参照图4，为四相八桥全桥变频器主回路电路，当其中某相发生故障时，控制器可切断故障相的供电，其他相可以不受影响，变频器的中间直流母线电压Udc仍然正常输出。

所谓整数槽绕组是指绕组的每对极每相槽数为整数，相应的，分数槽绕组是指绕组的每对极每相槽数为分数。极对数p、相数m和槽数n三者满足关系式：n＝mp，从上式中可以看出，槽数n中有因数p和m，而p和m为正整数，因此，槽数n除以相数m再除以转子的极对数p后所得的结果q必为整数，即槽数n符合多相电机的整数槽要求。对于同一型号电机，采用分数槽双层绕组或整数槽单层绕组，其产品性能均能达到设计要求，但前者嵌线复杂，指适合小批量生产，而后者嵌线工艺简单，槽内没有层间绝缘，槽的利用率高，因同一槽内没有异相线圈，槽内不存在相间击穿，其可靠性大大提高，适合工厂规模性生产。

壳体300为电机外壳，将电机定子和转子等置于其内，起保护和支撑作用，使电机能够平稳安全工作。

需要说明的是，转子的励磁方式包括，但不限于，永磁体励磁或电励磁，本实施例中选择的是永磁体励磁。

实施例2

参照图1～图3，本发明提供了一种多相轴向磁通永磁同步电机，包括转动组件100、固定组件200和壳体300，其中，转动组件100包括转动件101和永磁体102，永磁体102均匀分布固定在转动件101上，永磁体102的磁极数量的一半构成极对数p，这里p为自然数；固定组件200包括固定件201和绕组202，固定件201上设有槽201a，其个数为n，绕组202通过槽201a绕在固定件201上，绕组202的相数m大于等于4，并采用星型接法，极对数p、相数m和槽数n满足n＝mp；壳体300将转动组件100和固定组件200包覆于其内，转动件101与固定件201对齐设置。

具体地，绕组202有2m个相带，绕组202和槽201a的匹配规律如下：槽数n除以相数m再除以极对数p得到每对极每相槽数q，把所有所述槽201a按顺序从1开始编号，按这个顺序每个相带从1号槽开始分别依次分配q个槽，直到槽201a分配完为止。

电机的相带是指：每极下同一相绕组所连续占据的定子槽数即相带。具体地，槽201a分配给每相的规律如下：首先计算每对极每相槽数q，即把槽数除以相数再除以转子极对数，其次把所有槽按顺序从1开始编号，参照图5，假设定子为4相2对极8槽结构，绕组的4相分别为A相、B相、C相和D相，由于每相的有效边有正负之分，因此有4×2＝8个相带，分别为A、B、C、D、A’、B’、C’、D’，按这个顺序每个相带从1号槽开始分别分配q个槽，若每个相带都分配到槽而槽还有剩余，则继续从A相带开始分配槽，直到所有槽分配完为止，这里q＝8/4/2＝1，即每个相带分配1个槽。这样分配以保证每相所占的槽201a以及绕组202的绕制方法满足绕组202通交流电后产生旋转的磁场。

进一步地，壳体300一侧中间设有通孔301，转动组件100还包括轴承103和转轴104，固定件201与壳体300固定连接，转轴104与转动件101固定连接并穿过所述转动件101和固定件201，轴承103内圈固定在转轴104上，外圈固定在通孔301上，用以支撑转轴104旋转。

较佳地，轴承103有2个，另一个设于另一侧的壳体300中间，即电机壳体300两侧对称设置有轴承103，降低了电机转动件101和转轴104再旋转时的摩擦力，降低了电机的损耗，提高电机的使用寿命。

本实施例以多相轴向磁通永磁同步电机单定子单转子结构详细说明，固定件201上设置的槽201a的个数n为36，即定子槽数为36，绕组202相数m为6，即为六相电机，转子极对数p为2。因此每对极每相槽数为36/2/6＝3，每个相带占有3个槽201a，一共有6×2＝12个相带，绕组202采用单层叠绕组，以绕组202匝数为1，A相为例，槽201a分配给每相的规律和绕组202的绕制方式如下：

A相带分配的槽的编号为1、2、3，A’相带分配的槽编号为19、20、21，则A相绕组的导线首先在1和19号槽内绕1匝，然后在2和20号槽内绕1匝，最后在3和21号槽内绕1匝，在21号槽的出线端和其他相的出线端相连，形成星型连接，其他相的绕组绕制方法和A相相同，这里不一一说明。这样分配以保证每相所占的槽201a以及绕组202的绕制方法满足绕组202通交流电后产生旋转的磁场。

实施例3

参照图2、图6～图8，本发明提供了一种多相轴向磁通永磁同步电机，包括转动组件100、固定组件200和壳体300，其中，转动组件100包括转动件101和永磁体102，永磁体102均匀分布固定在转动件101上，永磁体102的磁极数量的一半构成极对数p，这里p为自然数；固定组件200包括固定件201和绕组202，固定件201上设有槽201a，其个数为n，绕组202通过槽201a绕在固定件201上，绕组202的相数m大于等于4，并采用星型接法，极对数p、相数m和槽数n满足n＝mp，绕组202有2m个相带，绕组202和槽201a的匹配规律如下：槽数n除以相数m再除以极对数p得到每对极每相槽数q，把所有所述槽201a按顺序从1开始编号，按这个顺序每个相带从1号槽开始分别依次分配q个槽，直到槽201a分配完为止；壳体300将转动组件100和固定组件200包覆于其内，转动件101与固定件201对齐设置，壳体300一侧中间设有通孔301，转动组件100还包括轴承103和转轴104，固定件201与壳体300固定连接，转轴104与转动件101固定连接并穿过所述转动件101和固定件201，轴承103内圈固定在转轴104上，外圈固定在通孔301上，用以支撑转轴104旋转。

进一步地，转动件101数量至少为2，每个转动件101上的永磁体102构成的极对数p相同。需要说明的是，即当转子的数量大于1时，每个转子的大小和形状完全相同，其上永磁体102的磁极性质、数量和分布等也相同。如1定子2转子结构，1个定子位于2个转子之间。此时，可保证各转子上的永磁体102形成的磁场相互匹配，形成增强的合成磁场。

固定件201数量至少为2，每个固定件201上设置的槽201a的数量相同，且绕在固定件201上的绕组202的绕制方式相同。需要说明的是，即当定子的数量大于1时，每个定子的大小和形状也完全相同，绕组202的数量和绕制方式也相同。如2定子1转子结构，1个转子在2个定子之间，或3定子2转子结构等结构，定子和转子相间排列。此时，保证定子上绕组202的相数相同。

需要说明的是，当电机为多定子和多转子结构时，位于定子中间的转子，其上两侧都可设置永磁体102，且两侧完全对称设置；位于转子中间的定子，其上两侧都可设置相同数量的槽201a和绕组202，且两侧也完全对称设置，这样可使轴向磁通永磁同步电机的轴向距离缩短，提高电机的空间使用效率，同时，可降低电机气隙，减少漏磁，提高电机效率。

较佳地，电机的并联支路数大于等于1。电动机的并联支路是指每相绕组能够并联所行成的支路数，并联时要求每个支路的匝数和线规相同。扩大并联支路数可以进行分流，使电机在功率较大时也可以进行分流，提高电机的使用范围，同时，并联支路的存在可以确保电机的绕组202绕法不受并联支路数的限制。

应当说明的是，固定件201不设有槽201a，即电机使用无槽结构时，视绕组空间中存在虚槽，用以划分相带。即绕组202按照一定的方式绕制，最终绕制的结构与有槽201a时的结构和形状相同，虚槽实际并不存在，只是与有槽201a时的实槽相对应。

在一些精密的应用场合，对电机的转矩平滑性具有很高的要求，对电机的振动、噪声也有较高要求。普通电机铁芯开槽，绕组布置在槽内，开槽使电机气隙磁导发生变化，在永磁电机中导致即使空载都存在的齿槽转矩，造成转矩波动，对高精度伺服系统带来困难。无槽轴向磁通永磁同步电机由于定子铁芯不开槽，直接消除了产生齿槽转矩的根源，是高精度伺服控制的重要手段，。无槽电机除了具有消除齿槽转矩的作用，还具有消除开槽引起轴向电磁激振力的作用，消除了电机槽频的轴向电磁激振力，对于减振也非常有利。

一般地，绕组202所用的导线包括圆导线或扁导线，但并不限于圆导线或扁导线，其他形状导线也同样适用。绕组202的材料同样也包括，但不限于，铝或铜导线。优选使用圆形铜导线和铝导线。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

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 (1)

1.一种多相轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：包括，

包括转动组件(100)、固定组件(200)和壳体(300)，其中，转动组件(100)包括转动件(101)和永磁体(102)，永磁体(102)均匀分布固定在转动件(101)上，永磁体(102)的磁极数量的一半构成极对数p，这里p为自然数；固定组件(200)包括固定件(201)和绕组(202)，固定件(201)上设有槽(201a)，其个数为n，绕组(202)通过槽(201a)绕在固定件(201)上，绕组(202)的相数m大于等于4，并采用星型接法，极对数p、相数m和槽数n满足n＝mp，绕组(202)有2m个相带，绕组(202)和槽(201a)的匹配规律如下：槽数n除以相数m再除以极对数p得到每对极每相槽数q，把所有所述槽(201a)按顺序从1开始编号，按这个顺序每个相带从1号槽开始分别依次分配q个槽，直到槽(201a)分配完为止；壳体(300)将转动组件(100)和固定组件(200)包覆于其内，转动件(101)与固定件(201)对齐设置，壳体(300)一侧中间设有通孔(301)，转动组件(100)还包括轴承(103)和转轴(104)，固定件(201)与壳体(300)固定连接，转轴(104)与转动件(101)固定连接并穿过所述转动件(101)和固定件(201)，轴承(103)内圈固定在转轴(104)上，外圈固定在通孔(301)上，用以支撑转轴(104)旋转；

转动件(101)数量至少为2，每个转动件(101)上的永磁体(102)构成的极对数p相同；

固定件(201)数量至少为2，每个固定件(201)上设置的槽( 201a) 的数量相同，且绕在固定件(201)上的绕组(202)的绕制方式相同。

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