CN110611379A - 一种模块化的轴向磁通永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模块化的轴向磁通永磁电机。该电机包括定子、双转子和轴承，其中定子包括定子铁心、定子绕组、定子铁心固定销和定子密封板，定子铁心采用模块化结构，定子绕组缠绕于定子铁心的轭部，定子铁心固定销辐射状穿过定子铁心，并固定于固定环上上；定子密封板用于密封定子冷却油，提高冷却效果；转子包括转子背轭和转子永磁体，分别对称安装于定子两侧，转子永磁体固定于转子背轭上，转子背轭内圆周固定于轴承上；双转子与定子之间保持相等的气隙，产生磁场。本发明具有气隙磁密高、定子结构强度高、转矩密度大和冷却效果好的优点，适合于电推进、风力发电和高速飞轮储能场合的应用。

Description

一种模块化的轴向磁通永磁电机

技术领域

本发明涉及轴向磁通永磁电机技术领域，特别是一种模块化的轴向磁通永磁电机。

背景技术

轴向磁通永磁电机又称为盘式电机，相比较传统的径向电机，其具有转矩密度高、轴向长度短、效率高等特点，在电动汽车、风力发电和航空推进系统等场合具有良好的应用前景。但轴向电机的定转子均承受较大的轴向电磁力的作用，其定子制造困难，装配不方便，机械强度差，容易产生变形。

为了解决轴向磁场永磁电机的定子制造和装配的问题，专利CN102315741A公布了一种采用模块化非晶合金定子的轴向永磁电机，其定子模块利用绝缘骨架安装固定，双转子通过紧固件与机壳固定在一起，虽然解决了定子安装的困难，但其定子受到轴向电磁力的问题仍未解决，其不适于大功率应用的场合。美国专利US6838800B2提出了一种径向电机的定子模块化构建技术，大大降低了定子绕组的下线工艺，提高了装配效率；CN1417921A利用美国径向电机的定子模块化技术提出了一种轴向磁永磁电机的定子模块化技术，但该电机存在单边磁拉力的现象，很大程度上限制了其在大功率场合的应用。

在电机结构尺寸一定的前提条件下，提升电机功率密度的方法是提高电机电磁负荷和转速，当转速较高时，较高的频率和磁负荷使得无取向硅钢片的定子铁心产生较大铁耗，使得电机在高速区的效率大大降低，为了降低轴向磁场永磁电机高速运行时铁损，CN201510794930.3公开了一种高饱和磁感应强度的软磁粉芯轴向磁通电机，将定子硅钢片用高饱和磁感应强度的软磁粉芯替代，大大降低了高速去的损耗，但其材料的结构强度较差，使得定子的机械强度大大降低，影响其运行可靠性。

综上所述，尽管轴向磁通永磁电机具有高转矩、高功率密度、轴向长度短等优点，但仍然存在定子结构不稳定、加工制作工艺难度大、气隙磁场谐波含量丰富导致高速去定子铁心损耗大、定子绕组散热性差等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气隙磁密高、定子结构强度高、转矩密度大、冷却效果好的模块化的轴向磁通永磁电机。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种模块化的轴向磁通永磁电机，包括定子、双转子和轴承；

所述定子包括定子铁心、定子绕组、定子铁心固定销和定子密封板；所述定子铁心采用模块化结构，所述定子绕组缠绕于定子铁心的轭部，所述定子铁心固定销辐射状穿过定子铁心，并固定于固定环上；所述定子密封板，用于密封定子冷却油；

所述双转子对称安装于定子两侧，每个转子分别包括转子背轭和转子永磁体，所述转子永磁体固定于转子背轭上，转子背轭内圆周固定于轴承上；所述每个转子与定子之间保持相等的气隙，产生磁场。

进一步地，所述定子铁心采用软磁复合材料即SMC制成，定子铁心沿着圆周方向开有均匀的平底槽，用于放置定子绕组。

进一步地，所述定子铁心采用模块化的结构，由M个定子模块首尾依次连接形成闭合环，M为3的整数倍；所述每块定子模块的首端为凸台状，末端为台阶状的凹槽，用于将相邻定子模块的首端、末端相互匹配安装为一体，并沿着定子铁心圆周方向形成均匀的平底槽，用于绕组下线。

进一步地，所述定子铁心的圆环内部和外部分别设置有内固定环和外固定环，内固定环和外固定环均采用铝合金固定环；所述内固定环的外表面、外固定环的内表面分别设置均匀分布的凹槽，用于固定定子绕组的端部。

进一步地，所述定子铁心轭部开有多个圆形通孔，内固定环和外固定环上分别开设与所述圆形通孔位置对应的螺纹状圆孔；所述定子铁心固定销穿过定子铁心轭部的圆形通孔，两端分别固定于内固定环和外固定环的螺纹状圆孔，以加强定子结构强度。

进一步地，所述内固定环、外固定环的两个端面分别设置定子密封板，所述定子密封板采用不导磁不导电的环氧材料制成，定子铁心设置于定子密封板内。

进一步地，所述定子铁心固定销的材料为陶瓷或者不锈钢，形状为圆柱体，两端设置有螺纹，用于与内固定环和外固定环匹配以拧紧固定。

进一步地，所述定子密封板内填充有冷却油，定子铁心和定子绕组采用浸油冷却的方式进行冷却。

进一步地，所述转子背轭的厚度根据转子永磁体的利用率确定，所述转子永磁体采用轴向充磁的方式。

进一步地，所述转子永磁体先进行轴向分段，再利用胶粘接成整体，进行整体轴向充磁。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：(1)定子铁心采用模块化的结构，简化了绕组的下线工艺，提高了槽满率，提升了电机的电负荷，提高了电机的转矩/功率密度；(2)定子上安装有与定子模块数目相等的定子铁心固定销，呈辐条状，降低了定子铁心在轴向方向上的应力，提高了整个定子铁心的机械强度；(3)整个定子铁心和定子绕组浸入冷却液中，并进行有效密封，提高了散热效率，增强了电机的热稳定性；(4)转子永磁体采用海尔贝克阵列(Halbach)和轴向分段的方式，提高了气隙磁密的同时，减小了永磁体的涡流损耗，提高了电机的运行效率。

附图说明

图1是本发明模块化轴向磁通永磁电机的结构示意图。

图2是本发明中定子铁心和定子绕组的结构示意图。

图3是本发明单个定子的结构示意图。

图4是本发明中定子铁心固定销的结构示意图。

图5是本发明中内支撑环的结构示意图。

图6是本发明中外支撑环的结构示意图。

图7是本发明中双转子的结构示意图。

图中标号：1-转子背轭，2-转子永磁体，3-定子密封板，4-轴承，5-定子铁心固定销，6-定子绕组，7-内固定环，8-外固定环，9-定子铁心。

具体实施方式

结合图1～图7，本发明模块化的轴向磁通永磁电机，包括定子、双转子和轴承4；

所述定子包括定子铁心9、定子绕组6、定子铁心固定销5和定子密封板3；所述定子铁心9采用模块化结构，所述定子绕组6缠绕于定子铁心9的轭部，所述定子铁心固定销5辐射状穿过定子铁心9，并固定于固定环上；所述定子密封板3，用于密封定子冷却油；

所述双转子对称安装于定子两侧，每个转子分别包括转子背轭1和转子永磁体2，所述转子永磁体2固定于转子背轭1上，转子背轭1内圆周固定于轴承4上；所述每个转子与定子之间保持相等的气隙，产生磁场。

作为一种具体示例，所述定子铁心9采用软磁复合材料即SMC制成，定子铁心9沿着圆周方向开有均匀的平底槽，用于放置定子绕组6。

作为一种具体示例，所述定子铁心9采用模块化的结构，由M个定子模块首尾依次连接形成闭合环，M为3的整数倍；所述每块定子模块的首端为凸台状，末端为台阶状的凹槽，用于将相邻定子模块的首端、末端相互匹配安装为一体，并沿着定子铁心9圆周方向形成均匀的平底槽，用于绕组下线。所述定子铁心9采用模块化的结构，简化了绕组的下线工艺，提高了槽满率，提升了电机的电负荷，提高了电机的转矩/功率密度；

作为一种具体示例，所述定子铁心9的圆环内部和外部分别设置有内固定环7和外固定环8，内固定环7和外固定环8均采用铝合金固定环；所述内固定环7的外表面、外固定环8的内表面分别设置均匀分布的凹槽，用于固定定子绕组6的端部。

作为一种具体示例，所述定子铁心9轭部开有多个圆形通孔，内固定环7和外固定环8上分别开设与所述圆形通孔位置对应的螺纹状圆孔；所述定子铁心固定销5穿过定子铁心9轭部的圆形通孔，两端分别固定于内固定环7和外固定环8的螺纹状圆孔，以加强定子结构强度。所述定子铁心9上安装有与定子模块数目相等的定子铁心固定销5，呈辐条状，降低了定子铁心9在轴向方向上的应力，提高了整个定子铁心9的机械强度作为一种具体示例，所述内固定环7、外固定环8的两个端面分别设置定子密封板3，所述定子密封板3采用不导磁不导电的环氧材料制成，定子铁心9设置于定子密封板3内。

作为一种具体示例，所述定子铁心固定销5的材料为陶瓷或者不锈钢，形状为圆柱体，两端设置有螺纹，用于与内固定环7和外固定环8匹配以拧紧固定。

作为一种具体示例，所述定子密封板3内填充有冷却油，定子铁心9和定子绕组6采用浸油冷却的方式进行冷却。整个定子铁心9和定子绕组6浸入冷却液中，并进行有效密封，提高了散热效率，增强了电机的热稳定性。

作为一种具体示例，所述转子背轭1的厚度根据转子永磁体2的利用率确定，所述转子永磁体2采用轴向充磁的方式。

作为一种具体示例，所述转子永磁体2先进行轴向分段，再利用胶粘接成整体，进行整体轴向充磁。转子永磁体2采用海尔贝克阵列(Halbach)和轴向分段的方式，提高了气隙磁密的同时，减小了永磁体的涡流损耗，提高了电机的运行效率。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

结合图1，本发明模块化轴向磁通永磁电机，为9槽8极集中绕组结构，包括定子、双转子和轴承4；

所述定子包括定子铁心9、定子绕组6、定子铁心固定销5和定子密封板3，其定子铁心9整体结构如图2所示，整个定子铁心9圆环包括N个定子模块，其中N为可被3整除的正整数，本实施例中N＝9，每个定子模块的结构如图3所示，先将每个定子绕组6缠绕于单个定子模块上，再将N个定子模块首尾依次连接形成闭合圆环，如图2所示。

由于定子置于双转子中间，当电机在高速运行时，转子发生动态偏心或者静态偏心时，两侧的气隙会不对称，整个定子铁心9承受较大的轴向电磁力的作用，因此定子铁心9需要在轴向方向上加以约束，同时半径方向给予保护。如图3所示，轴向磁场永磁电机定子铁心9，两侧面开有不同的槽，其右侧为凸台形状，其左侧为具有阶梯的凹槽状，为了安装工艺和放置定子绕组的需求，定子铁心9轭部左右对称的开有平底的矩形槽。在定子铁心9块的轭部开有圆孔，插入定子铁心固定销5，如图4所示，可以将定子铁心9在两侧实施轴向约束，阻止定子铁心9因为轴向电磁力而产生位移。

结合图5、图6，所述内固定环7和外固定环8在圆周方向分别开有N个半径与定子铁心固定销5相同的带螺纹的圆孔，定子铁心固定销5从外固定环8侧螺纹孔插入转子永磁体2后拧紧到定子铁心固定销5支撑内固定环7的圆周方向的螺孔上，从而使定子铁心固定销5两头分别固定在内固定环7和外固定环8，防止定子铁心9发生轴向变形，起到保护定子铁心9的作用。

由于电机在负载运行时，定子绕组6承受较大的轴向电磁力的作用，为了防止定子由于轴向电磁力而产生较大的变形，内固定环7外侧和外固定环8内侧开有矩形的开口槽，用以放置并固定定子绕组6的端部，使得整个定子的机械强度更高。

轴向磁通永磁电机的转矩/功率密度受电磁负荷的影响较大，为了提高电机的电负荷，提高整个电机的散热效率，将整个电机的定子浸入冷却油中。为了保证电机的安全稳定运行，需要对整个定子结构进行密封处理，内固定环7和外固定环8的两侧分布安装有定子密封板3，整个冷却油置于定子密封板3中。

图7为本发明的实施转子结构示意图，先将单块转子永磁体2进行轴向分段，并用永磁体胶进行粘接，再进行整体充磁。提高了气隙磁密的同时，减小了永磁体的涡流损耗，提高了电机的运行效率。

Claims (10)

1.一种模块化的轴向磁通永磁电机，其特征在于，包括定子、双转子和轴承(4)；

所述定子包括定子铁心(9)、定子绕组(6)、定子铁心固定销(5)和定子密封板(3)；所述定子铁心(9)采用模块化结构，所述定子绕组(6)缠绕于定子铁心(9)的轭部，所述定子铁心固定销(5)辐射状穿过定子铁心(9)，并固定于固定环上；所述定子密封板(3)，用于密封定子冷却油；

所述双转子对称安装于定子两侧，每个转子分别包括转子背轭(1)和转子永磁体(2)，所述转子永磁体(2)固定于转子背轭(1)上，转子背轭(1)内圆周固定于轴承(4)上；所述每个转子与定子之间保持相等的气隙，产生磁场。

2.根据权利要求1所述的模块化的轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述定子铁心(9)采用软磁复合材料即SMC制成，定子铁心(9)沿着圆周方向开有均匀的平底槽，用于放置定子绕组(6)。

3.根据权利要求1或2所述的模块化的轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述定子铁心(9)采用模块化的结构，由M个定子模块首尾依次连接形成闭合环，M为3的整数倍；所述每块定子模块的首端为凸台状，末端为台阶状的凹槽，用于将相邻定子模块的首端、末端相互匹配安装为一体，并沿着定子铁心(9)圆周方向形成均匀的平底槽，用于绕组下线。

4.根据权利要求3所述的模块化的轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述定子铁心(9)的圆环内部和外部分别设置有内固定环(7)和外固定环(8)，内固定环(7)和外固定环(8)均采用铝合金固定环；所述内固定环(7)的外表面、外固定环(8)的内表面分别设置均匀分布的凹槽，用于固定定子绕组(6)的端部。

5.根据权利要求4所述的模块化的轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述定子铁心(9)轭部开有多个圆形通孔，内固定环(7)和外固定环(8)上分别开设与所述圆形通孔位置对应的螺纹状圆孔；所述定子铁心固定销(5)穿过定子铁心(9)轭部的圆形通孔，两端分别固定于内固定环(7)和外固定环(8)的螺纹状圆孔，以加强定子结构强度。

6.根据权利要求4或5所述的模块化的轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述内固定环(7)、外固定环(8)的两个端面分别设置定子密封板(3)，所述定子密封板(3)采用不导磁不导电的环氧材料制成，定子铁心(9)设置于定子密封板(3)内。

7.根据权利要求6所述的模块化的轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述定子铁心固定销(5)的材料为陶瓷或者不锈钢，形状为圆柱体，两端设置有螺纹，用于与内固定环(7)和外固定环(8)匹配以拧紧固定。

8.根据权利要求1、2、4、5或7所述的模块化的轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述定子密封板(3)内填充有冷却油，定子铁心(9)和定子绕组(6)采用浸油冷却的方式进行冷却。

9.根据权利要求1、2、4、5或7所述的模块化的轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述转子背轭(1)的厚度根据转子永磁体(2)的利用率确定，所述转子永磁体(2)采用轴向充磁的方式。

10.根据权利要求1、2、4、5或7所述的模块化的轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述转子永磁体(2)先进行轴向分段，再利用胶粘接成整体，进行整体轴向充磁。