CN110417215B - 一种多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机，其具有2个或以上的定子，2个以上的转子，且各个定子的定子槽的槽数以及转子极数完全不同或不完全不同。本发明提出的多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机中，多个定子的槽数不同、多个转子的极数不同，使得每个定子与其相邻的转子等效成的电机具有不同的极槽配合，进而有不同的性能特点，因此可合理选择各定子和槽数和各转子的极数，使各相邻定转子等效的电机的性能相互取长补短。

Description

一种多极槽配合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，特别是一种多极槽配合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，不同的极槽配合可改变电机的绕组因数、效率、齿槽转矩等属性，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转子极数都相同，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。现有技术中，未能提出采用多极槽配合的多定转子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多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机，其利用所述电机中相邻的定子和转子组合成的等效电机具有不同极槽配合的特点完成性能互补，降低转矩脉动和反电势谐波，并改善盘式电机的散热，提高盘式电机的综合性能。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种多极槽配合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≥2，各个所述转子的极数不完全相同或完全不同。
作为本发明所述多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：相邻的所述定子与转子之间产生主磁通，并形成等效电机，所述等效电机沿轴向排列有至少2个，共同形成轴向排列阵。
作为本发明所述多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：任一对相邻的所述等效电机均对称设置。
作为本发明所述多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述定子的数量m与所述转子的数量n相等，且任一对相邻的所述等效电机之间互相衔接；若相邻所述等效电机之间通过一对定子互相衔接，则该一对定子通过定子轭部进行连接；若相邻所述等效电机之间通过一对转子互相衔接，则该一对转子通过转子轭部进行连接。
作为本发明所述多极槽配合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，该定子的定子槽朝内；当所述轴向排列阵的外端为转子时，该转子具有转子轭部。
作为本发明所述多极槽配合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。
作为本发明所述多极槽配合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。
作为本发明所述多极槽配合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。
作为本发明所述多极槽配合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。
作为本发明所述多极槽配合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。
作为本发明所述多极槽配合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。
作为本发明所述多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机的一种优选方案，其中：所述多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机采用多极槽配合设计，使每两个相邻的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、多个转子的极数不同，使得每个定子与其相邻的转子等效成的电机具有不同的极槽配合，进而有不同的性能特点，因此可合理选择各定子和槽数和各转子的极数，使各相邻定转子等效的电机的性能相互取长补短。比如：将噪声较大的电机放在轴向内侧、高转速下主要启用极数少的电机，充分利用了传统的多盘式盘式电机中多定子、多转子的资源，提高了传统的多盘式盘式电机的综合性能。
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为所述多极槽配合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为多组等效电机排列的一种实施方式的示意图。
图4为相邻的等效电机J均对称设置的示意图。
图5为第一个实施方式的示意图。
图6为第二个实施方式中的电机内部结构图。
图7为第二个实施方式中的电机的爆炸图。
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1～7，为本发明的一个实施例，该实施例提供了一种多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机，其利用电机中相邻的定子和转子组合成的等效电机具有不同极槽配合的特点完成性能互补，降低转矩脉动和反电势谐波，并改善盘式电机的散热，提高盘式电机的综合性能。
具体的，如图1，所述多极槽配合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多个定子200和转子300，以及穿插在各个转子300中的转轴400。转轴400可以通过轴承与壳体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≥2，也即转子300数至少为两个，且各个转子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，本发明所述的多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机可等效为多个单定子单转子电机(等效电机J)的组合，共同形成轴向排列阵P。
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J。
如图3所述，在本发明中，相邻的定子200与转子300之间均能够产生各自的主磁通，本发明中的多个主磁通方向不同(或通过现有的隔磁手段)，使得各个主磁通无法融合，因此各个相邻的定子200与转子300之间所产生的各个主磁通彼此互相独立，形成各个独立的等效电机J。该等效电机J沿轴向排列有至少2个，共同形成轴向排列阵P。
进一步的，如图4所示，任一对相邻的等效电机J均对称设置。也即：任一等效电机J的定子200(或转子300)与相邻等效电机J的定子200(或转子 300)互相正对。
较佳的，定子200的数量m与转子300的数量n相等，且任一对相邻的等效电机J之间互相衔接、紧挨，中间没有多余的定子200或转子300。具体为：
1、若相邻等效电机J通过一对定子200互相正对并衔接，则该一对定子 200之间通过环状的定子轭部203进行连接，形成一体；
2、若相邻等效电机J通过一对转子300互相正对并衔接，则该一对转子 300之间通过环状的共用转子轭部302进行连接，形成一体。
进一步的，如图4，当轴向排列阵P的外端为定子200时，该定子200的定子槽201朝内(定子轭部203朝外)。如图4，当轴向排列阵P的外端为转子300时，该转子300的外侧具有转子轭部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的转子轭部302上，该圆盘结构为转子轭部302)，本发明中，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。在本发明中，轴向排列阵P的两端均为定子200或均为转子300，当然也可以是一定子200与一转子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＝4、转子300的数量n＝4，轴向排列阵P的两端均为定子200，轴向排列阵P沿轴向依次排列为：定子200——转子300——转子300——定子200——定子200 ——转子300——转子300——定子200。各个定子200的槽数不同，各个转子 300的极数不同；轴向排列阵P中互相邻近的定子200之间均通过各自的定子轭部203贴合；轴向排列阵P中互相邻近的转子300之间均通过各自的转子轭部302连接成一体。各组相邻的定子200与转子300之间均能够形成各自的闭合回路的主磁通磁力线。由于各个转子300的极数不同，在同一时刻定转子产生的磁场方向不同，且在空间上不对齐，因此各组的主磁通磁力线不能互相融合，分别独立存在，只有相邻的定子200和转子300之间形成磁力线回路，而轭部相连的2个定子200或转子300激发的磁场不产生磁力线回路。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、如图6、7，基于第一种实施方式中的轴向排列阵P的排列规则，本实施方式取“定子200的数量m＝2、转子300的数量n＝2”作为第二个实施方式，则轴向排列阵P沿轴向依次排列为：定子200——转子300——转子300——定子200。设定2个定子200分别为12槽定子和9槽定子，2个转子300分别为 8极永磁转子和6极永磁转子。
具体的，所述多极槽配合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。
2个定子200和2个转子300在壳体100内沿轴向排列形成轴向排列阵P，轴向排列阵P的两端均为定子200，2个转子300被夹在两个定子200之间。2 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。
轴向排列阵P最外端的两个定子200分别为12槽定子和9槽定子，该2 个定子200的内侧面上分别具有12个周向分布的定子槽201和9个周向分布的定子槽201，两个定子200的外侧为定子轭部203。定子槽201之间形成外凸的齿部202，定子槽201内设置绕组。
中间的2个转子300分别为8极永磁转子和6极永磁转子，该2个转子300 分别沿周向分布有8个永磁体301和6个永磁体301。因此，轴向排列阵P的排列顺序可以为：12槽定子——8极永磁转子——6极永磁转子——9槽定子，则所述多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机可以等效为一个8极12槽盘式电机与一个6极9槽盘式电机的组合式盘式电机，其中，8极12槽的槽数更多，散热更好，6极9槽的槽数少使得其电频率低，因此铁损耗低，通过两者的结合能够实现整体电机的性能互补，提高综合性能。
由于本发明中，定子数和转子数均可以设置多个，且各个定子的槽数以及各个转子的极数均可以完全不同或不完全不同、能够形成具有不同极槽配合的等效电机，进而有不同的性能特点，因此可以利用各个等效电机具有不同极槽配合的特点完成多个等效电机之间的性能互补，降低转矩脉动和反电势谐波，并改善盘式电机的散热，提高盘式电机的综合性能。
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。
综上所述，本发明的所述的电机中的多个定子的槽数不同、多个转子的极数不同，使得每个定子与其相邻的转子等效成的电机具有不同的极槽配合，进而有不同的性能特点，因此可合理选择各定子和槽数和各转子的极数，使各相邻定转子等效的电机的性能相互取长补短。比如：将噪声较大的电机放在轴向内侧、高转速下主要启用极数少的电机，充分利用了传统的多盘式盘式电机中多定子、多转子的资源，提高了传统的多盘式盘式电机的综合性能。
此外，由于多个定子的槽数和以及多个转子的极数均可改变，使可行的极槽配合更多，具有所有由于极数槽数不同带来的优点，如在使用场合上槽数或极数多有缺点时，电机变为少槽数和极数的，反之亦然。在槽数极数远配合和近配合上，也可以通过变换来选择。由于任一等效电机的单个模块可以由不同盘的极数槽数配合，再加之实际盘式电机还可以由多个这样的模块组合，因此能够更具柔性。
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 (8)

1.一种多极槽配合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≥2，各个所述转子(300)的极数不完全相同或完全不同；
相邻的所述定子(200)与转子(300)之间产生主磁通，并形成等效电机(J)，所述等效电机(J)沿轴向排列有至少2个，共同形成轴向排列阵(P)。
2.如权利要求1所述的多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：任一对相邻的所述等效电机(J)均对称设置。
3.如权利要求1或2所述的多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述定子(200)的数量m与所述转子(300)的数量n相等，且任一对相邻的所述等效电机(J)之间互相衔接；
若相邻所述等效电机(J)之间通过一对定子(200)互相衔接，则该一对定子(200)通过定子轭部(203)进行连接；
若相邻所述等效电机(J)之间通过一对转子(300)互相衔接，则该一对转子(300)通过转子轭部(302)进行连接。
4.如权利要求3所述的多极槽配合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)的定子槽(201)朝内；
当所述轴向排列阵(P)的外端为转子(300)时，该转子(300)的外侧具有转子轭部(302)。
5.如权利要求1、2或4任一所述的多极槽配合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)。
6.如权利要求1所述的多极槽配合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。
7.如权利要求1所述的多极槽配合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。
8.如权利要求1、2、4、6或7任一所述的多极槽配合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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