CN111614220B - 低转矩脉动高速轴向磁通表贴式永磁电机 - Google Patents

Abstract

本公开提出了低转矩脉动高速轴向磁通表贴式永磁电机，包括：轴向布置的两个转子及位于两个转子之间的定子，两个转子与定子之间的距离不等，即两个转子与定子之间的气隙长度不等。高速轴向磁通永磁电机的结构使转子受到的离心力和电磁拉应力方向正交，即永磁体护套部分不影响轴向有效气隙长度，永磁体及其护套的设计更加具有多样性，有利于找到最佳设计方案。

Description

低转矩脉动高速轴向磁通表贴式永磁电机

技术领域

本公开属于电机技术领域，尤其涉及低转矩脉动高速轴向磁通表贴式永磁电机。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

高速电机正因为具有高功率密度，高效率，体积小，重量小等优点，被广泛应用于各类工业产品中。在一些电动汽车引擎系统中，可采用高速电机与涡轮增压器的涡轮、压缩机叶轮同轴设置。电动汽车在启动和换挡时刻，若废气流中能量不足，高速电机可作为一台电动机将压缩机加速至所需的速度，从而减少了涡轮滞后，提高了驾驶性能。而在排气过程中若有残余能量时，高速电机又可作为一台发电机运行以吸收能量。回收的能量可以进一步用于供应车辆的电力负荷，提高动力传动系统效率。在飞轮储能系统中，传统的飞轮(电机)具有外径大，体积大，功率密度小等缺点，而现代飞轮被设计成小外径，高转速的电机以充分减小整个储能系统的体积，提高功率密度，现代飞轮电机既可以是负载又可以作为原动机，且均运行在高速范围。现代飞轮储能系统相比应用于混合动力汽车的三元锂电池化学电池具有更高功率密度，更加紧凑的结构，更高的效率，更长的使用寿命，更宽的工作温度范围。威廉姆斯混合动力公司(Williams Hybrid Power)目前已开发了一台40krpm，120kW的飞轮(高速电机)，被应用于保时捷911G13R。美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮储能系统把一辆克莱斯勒LHS汽车改成电动汽车，单次续航可达600km。在一些高精密加工车床中，需要机床主轴提供至少100krpm以上转速，同时对驱动主轴有着转速稳定，低振动，紧凑体积(高功率密度)等高标准要求，而传统的感应电机带增速齿轮箱系统由于具有传动间隙，振动噪音，庞大系统体积等缺点已经完全无法适应于该类应用。除了以上所述应用，高速电机还被广泛应用于涡轮分子泵，航空压缩机，燃油泵等各个领域，应用前景广泛。

但是高速电机运行工况复杂，如高转子速度导致转子表面离心力大，高功率密度导致高损耗密度等问题，高速电机对电机拓扑结构、转子机械强度、损耗及效率、冷却结构等方面有更高的要求，这使得高速电机难以实现优良的综合性能。

传统的高速电机可以是高速感应电机，高速磁阻电机和传统高速永磁电机(径向磁通电机)。其中，高速感应电机转子结构比较简单，可承受较大离心力，耐高温但是转子损耗大，导致电机功率因数和效率低；高速磁阻电机包括开关磁阻电机和同步磁阻电机，其转子结构简单，机械强度高，但高速磁阻电机具有高转矩脉动、机械振动大和噪音大等缺点。高速永磁电机(径向磁通电机)尽管具有功率密度大，功率因数和效率高等优点，但是转子结构的机械强度与永磁体护套的存在限制了性能的提升。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了低转矩脉动高速轴向磁通表贴式永磁电机，结构紧凑且不影响电机的有效气隙长度。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

低转矩脉动高速轴向磁通表贴式永磁电机，包括：

轴向布置的两个转子及位于两个转子之间的定子，两个转子与定子之间的距离不等，即两个转子与定子之间的气隙长度不等。

进一步的技术方案，所述定子包括定子铁心和定子绕组，所述定子铁心为圆环套筒状铁心，不包含定子齿或其相应的槽，即无槽定子结构

进一步的技术方案，所述定子绕组采用扁平绕线，绕线为超高导电率、导热性能好的碳纤维复合铜线，均匀紧密地缠绕在所述定子铁心的表面上。

进一步的技术方案，多个扁平线圈在定子周围空间定向，三相绕组在空间上呈120度对称排列，构成电机的电磁相位关系。

进一步的技术方案，所述转子由端盘、永磁体和永磁体护套组成，每块永磁体规格相同并均匀分布，紧贴在所述端盘的圆面上构成表贴式永磁转子，永磁体护套安置于端盘表面剩余空间。

进一步的技术方案，所述永磁体形状为橄榄球形，使得磁链具有低谐波畸变程度，进而有效降低转矩脉动。

进一步的技术方案，还包括转轴，两个转子及位于两个转子之间的定子通过转轴连接。

进一步的技术方案，所述定子铁心由硅钢片轴向叠压而成。

进一步的技术方案，两块相邻且磁极相反的永磁体关于转轴中心对称。

进一步的技术方案，永磁体护套紧贴在转子端盘的表面上并与永磁体紧密接触，其外径与转子端盘相同。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

(1)高速轴向磁通永磁电机永磁体基于橄榄球形进行优化设计，实现磁链和反电动势的正弦化，这可以极大降低气隙磁场谐波，不仅有利于削弱转矩脉动，减小振动噪声，而且有效降低电流纹波引起的高频损耗，提高效率。考虑到永磁体的成本进行优化设计，可以提升转矩/永磁体用量比例，节约稀土资源。永磁体形状优化设计后在转子表面产生的剩余空间用于护套安装，结构紧凑且转动惯量具有可调性。

(2)高速轴向磁通永磁电机的结构使转子受到的离心力和电磁拉应力方向正交，即永磁体护套部分不影响轴向有效气隙长度，永磁体及其护套的设计更加具有多样性，有利于找到最佳设计方案。

(3)高速轴向磁通永磁电机的转子永磁体护套不影响有效气隙长度，即不影响电机的电磁性能，因此永磁体及护套厚度可根据需要随意调节。在电机轴向面积已经确定的情况下，通过改变转子铁心厚度和轴向长度调节其转动惯量，从而降低由于转子质量不平衡引起的电机振动及能量损失，进而改善电机的振动噪声和动态响应性能，拓宽电机的应用场合。

(4)高速轴向磁通永磁电机的定子铁心部分采用无槽结构，设计简单，加工便捷且损耗低，无齿槽转矩从而有效降低振动噪声。

(5)高速轴向磁通永磁电机的定子绕组采用扁平绕线技术，与传统圆线相比，在相同空间的前提下，采用扁平绕线可以绕制更多匝数，得到更高功率密度；在散热方面，扁线与扁线之间和定子铁心之间的接触面大，热阻小，导热性能更好。另外采用扁平绕线的端部绕组较小，有利于提升效率，同时，扁线比圆线刚度更好，有利于抑制振动噪音。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开电机的定子结构及绕组相分布示意图。

图2是本公开电机的结构爆炸示意图。

图中：1.上永磁转子；2.转轴；3.定子；3-1定子铁心；3-2定子绕组；4.下永磁转子；4-1.永磁体护套；4-2.橄榄球形永磁体；5.转子端盘。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种新型低转矩脉动高速轴向磁通表贴式永磁电机，主要由上永磁转子1，下永磁转子4和定子3构成，定子3在上永磁转子1和下永磁转子4中间。

参见图1，本公开定子3包括定子铁心3-1和定子绕组3-2，所述定子铁心3-1采用无槽定子结构，仅由硅钢片轴向叠压而成。定子绕组3-2为三相绕组，使用扁平绕线沿定子铁心3-1圆周的垂直方向均匀缠绕在定子铁心3-1上。图中“+”代表每相绕组的进线方向，“-”代表每相绕组的出线方向，A、B、C分别代表定子绕组3-2的三相，每相间隔60°机械角度。定子绕组3-2的每相内的分布形式可改变，此处的每相绕组的分布只做说明使用。

参见图2，本公开提出一种新型低转矩脉动高速轴向磁通表贴式永磁电机，转子为双转子结构，位于定子的两侧。转子为轴向双层结构，包括转轴2，固定于转轴上的转子端盘5。永磁体4-2采用基于橄榄球形的多样化设计，其固定在转轴2上并紧贴在转子端盘5的表面上，两块相邻且磁极相反的永磁体关于转轴2中心对称，通过对橄榄球形永磁体进行优化设计使磁链和反电势趋向正弦化，极大降低气隙磁密的谐波含量，不仅有效降低转矩脉动，削弱振动噪声，而且提高了电机运行效率。永磁体护套4-1紧贴在转子端盘5的表面上并与永磁体4-2紧密接触，其外径与转子端盘5相同。

需要说明的是，永磁体为一个N级和一个S级，单个永磁体的上下弧线为两个不同椭圆弧线。传统椭圆形永磁体结构产生的反电动势波形较常规环形永磁体结构的正弦化程度要高，但是在该电机还达不到要求，因此要对该形状进行优化，本公开PM形状的优化是通过一个叠加在椭圆形状上的椭圆曲线完成的，选取两个椭圆的长轴为变量，使用拉丁超立方体抽样(LHS)方法对设计变量生成样本，对所有样品进行三维有限元分析，计算反电动势的THD，采用克里格法优化和遗传算法求得最优解，并用有限元结果验证了优化结果，最终确定优化后橄榄球状永磁体。

如果气隙磁场的正弦度好，那么反电动势波形的正弦度也好。因此，优化气隙磁场的谐波，可以通过反电动势波形体现。本公开采用对永磁体形状进行优化设计，使气隙磁场的正弦化程度提高。

本公开具有一根转轴，定子在两个相同规格的转子之间，上永磁转子与所述定子之间的气隙长度大于所述的下永磁转子与所述定子之间的气隙长度。本公开的转轴以竖直方向放置。

上述技术方案的优点在于，根据麦克斯韦张量法，所述下永磁转子因为具有更短气隙长度，磁感应强度更大，对所述定子吸引力更大，可以抵消所述上永磁转子和所述定子所受到的重力。

作为一种实施方案，定子包括定子铁心和定子绕组。所述定子铁心为圆环套筒状铁心，不包含定子齿或其相应的槽，即无槽定子结构，消除齿槽转矩从而有效降低振动噪声；所述定子绕组采用扁平绕线，绕线为超高导电率、导热性能好的碳纤维复合铜线，均匀紧密地缠绕在所述定子铁心的表面上，多个扁平线圈在定子周围空间定向，三相绕组在空间上呈120度对称排列，构成电机的电磁相位关系。

上述技术方案的优点在于，所述定子绕组采用了扁平绕线使得端部较小，易于制造与绕制且有良好的散热性能，具有较高刚度，减小电机绕组的振动噪声，从而提升电机整体性能。

作为一种实施方案，转子由端盘、永磁体和永磁体护套组成，永磁体形状为橄榄球形，每块永磁体规格相同并均匀分布，紧贴在所述端盘的圆面上构成表贴式永磁转子，永磁体护套安置于端盘表面剩余空间。永磁体形状基于橄榄球形进行优化设计，使气隙磁链趋于正弦化。

端盘相当于径向磁通电机转子的铁心，其圆盘表面贴有永磁体及永磁体护套。护套位置为圆盘表面除永磁体外的空间，厚度与永磁体相当，其作用是抵消永磁体在高速运行状态下产生的离心力，防止因受力过大造成永磁体的脱落。

上述技术方案的优点在于，永磁体橄榄球形可以使得磁链具有低谐波畸变程度，进而有效降低转矩脉动，同时永磁体形状优化设计提高了电机的转矩密度并降低了制造成本。

本公开实施例子通过采用轴向磁通结构使轴向有效气隙长度可调且不受永磁体护套影响、体积紧凑和散热性能优越；定子采用无槽定子结构消除齿槽转矩减小振动噪声；定子绕组通过使用扁线绕线技术提高散热性能和效率；转子永磁体通过形状优化设计实现磁链和反电动势的正弦化，使电机具有低谐波畸变、低振动噪声、高效率等优点。护套安装在转子表面除形状优化设计后的永磁体外的剩余空间上，结构紧凑且不影响电机的有效气隙长度。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (6)

1.低转矩脉动高速轴向磁通表贴式永磁电机，其特征是，包括：

轴向布置的两个转子及位于两个转子之间的定子，两个转子与定子之间的距离不等，即两个转子与定子之间的气隙长度不等；

所述转子包括端盘及永磁体，每块永磁体规格相同并均匀分布，紧贴在所述端盘的圆面上构成表贴式永磁转子，高速轴向磁通永磁电机的结构使转子受到的离心力和电磁拉应力方向正交；所述转子还包括永磁体护套，永磁体护套安置于端盘表面剩余空间；

所述定子包括定子铁心和定子绕组，所述定子铁心为圆环套筒状铁心，不包含定子齿或其相应的槽，即无槽定子结构；

所述定子绕组采用扁平绕线，绕线为超高导电率、导热性能好的碳纤维复合铜线，均匀紧密地缠绕在所述定子铁心的表面上；

所述永磁体形状为橄榄球形，磁链和反电动势呈正弦化，使得磁链具有低谐波畸变程度，进而有效降低转矩脉动。

2.如权利要求1所述的低转矩脉动高速轴向磁通表贴式永磁电机，其特征是，多个扁平绕线在定子周围空间定向，三相绕组在空间上呈120度对称排列，构成电机的电磁相位关系。

3.如权利要求1 所述的低转矩脉动高速轴向磁通表贴式永磁电机，其特征是，还包括转轴，两个转子及位于两个转子之间的定子通过转轴连接。

4.如权利要求1 所述的低转矩脉动高速轴向磁通表贴式永磁电机，其特征是，所述定子铁心由硅钢片轴向叠压而成。

5.如权利要求 1 所述的低转矩脉动高速轴向磁通表贴式永磁电机，其特征是，两块相邻且磁极相反的永磁体关于转轴中心对称。

6.如权利要求1所述的低转矩脉动高速轴向磁通表贴式永磁电机，其特征是，所述永磁体护套紧贴在转子端盘的表面上并与永磁体紧密接触，其外径与转子端盘相同。

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