CN111641307A - 一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机，包括：两个转子和一个位于两个转子中间的定子；所述两转子内壁与所述定子外壁之间均设置有气隙，两个气隙距离相等且长度根据需求轴向调节；所述转子的铁心表面镶嵌有永磁体，所述永磁体被配置为月牙状态以实现磁链和反电动势的正弦化。该电机采用轴向磁通结构，具有高转矩密度、高功率密度、高效率以及高集成度等优点，散热性能优越，气隙磁场长度轴向可调且不受转子铁心厚度的影响，电机转轴不存在轴向磁拉力，轴承不受磁拉力影响，可有效增加电机可靠性和机械寿命。

Description

一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机

技术领域

本公开属于电机设备技术领域，尤其涉及一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机。

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。

高速电机具有体积小、转速高、功率密度大、动态响应迅速等诸多优点，并且可以直接与负载相连，省去了变速齿轮装置，进一步缩小整个驱动系统的体积和重量并提高传动效率，因此广泛应用于电动汽车、飞轮储能、高速磨床等工业领域中。

目前传统高速电机的研究主要集中于高速感应电机、高速永磁电机以及高速开关磁阻电机，但是，各类传统电机在高速应用场合中具备一定优点的同时本身存在诸多不足：

高速感应电机转子结构简单、转动惯量低、耐高温，能在高速条件下长时间运行，且易启动，易制造，成本较低。但其功率因数较低，叠片转子在高速工况下端环易损坏，实心转子涡流损耗较大，导致电机功率因数和效率低下。

高速永磁电机体积小，结构简单灵活，启动转矩大，效率和功率因数较高，有较宽的调速范围且可靠性较好。根据永磁体的位置不同，永磁电机又可分为表贴式、表面镶嵌式和内置式。表贴式永磁电机永磁体位于转子表面，为承受高速运行时巨大的离心力，必须采用转子护套以保护永磁体，导致一定的散热困难。

表面镶嵌式永磁电机永磁体镶嵌在转子铁心表面，无需护套，机械鲁棒性优于表贴式永磁电机，适合高速运转，同时由于凸极效应产生磁阻转矩，可进一步提升电机总的输出转矩。内置式永磁电机永磁体完全嵌入转子铁心中，机械强度最优，但转子结构复杂，制造成本较高。

因此，在高速领域应用中，表面镶嵌式永磁电机是一个折中的选择。高速开关磁阻电机具有结构简单、坚固耐用、成本低廉、绕组端部短及耐高温等优点，效率优于感应电机但低于永磁电机，且运行噪声高，转矩脉动及转子机械振动大，转子风摩损耗高，同时还需要精确的转子位置信息以控制转矩和电流，控制系统较为复杂。

通过上述分析可以看出，在高速工况下，永磁电机相较于其他两种类型的电机其综合性能更优异，现已成为高速电机领域的研究热点之一。根据电机拓扑结构的不同，永磁电机又可分为径向磁通、轴向磁通和横向磁通结构，传统高速永磁电机的优化设计一般都是基于径向磁通结构，无法从根本上解决电机散热性能差、齿槽转矩高以及效率低的缺点，因此在电动汽车等新型高速应用领域中难以取得很大进展。

横向磁通结构作为一种新型拓扑结构，具有转矩密度高的优点，但同时也具有漏磁较大和功率因数低的缺点，而且其所需电力电子变换器容量比传统电机大。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机,轴向磁通电机具有更高的转矩密度和功率密度、更好的散热能力和更紧凑的结构，对于空间有限的高速应用场合来说，轴向磁通电机具有更大的优势。

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：

一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机，包括：

两个转子和一个位于两个转子中间的定子；

所述两转子内壁与所述定子外壁之间均设置有气隙，两个气隙距离相等且长度根据需求轴向调节；

所述转子的铁心表面镶嵌有永磁体，所述永磁体被配置为月牙状态以实现磁链和反电动势的正弦化。

进一步的技术方案，还包括一转轴，两转子呈镜像对称安装于定子两侧的转轴上并随轴转动。

进一步的技术方案，所述定子由铁心和绕组组成，所述定子铁心表面为无槽结构，所述绕组为三相束状绕组。

进一步的技术方案，所述三相束状绕组中每相包括两个矩形束状线圈，共六个线圈均缠绕在定子轭上，每个绕组线圈均匀间隔60°机械角度。

优选的，所述绕组的绕线为超高导电率、导热性能好的碳纤维复合铜线。

优选的，所述绕线扁平绕制在定子轭上。

进一步的技术方案，所述定子及转子铁心均采用超薄硅钢片，沿转轴方向叠压而成。

进一步的技术方案，两个转子结构相同，均由铁心和两块永磁体组成，永磁体形状为月牙状，两块永磁体呈对称分布镶嵌在转子铁心表面。

优选的，所述永磁体采用钐钴材料。

进一步的技术方案，所述转子铁心形状为圆盘状，两块永磁体以转轴为中心呈对称分布且极性相反，即一块为永磁体N极，另一块为永磁体S极。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1.本公开技术方案中该电机采用轴向磁通结构，具有高转矩密度、高功率密度、高效率以及高集成度等优点，散热性能优越，气隙磁场长度轴向可调且不受转子铁心厚度的影响，电机转轴不存在轴向磁拉力，轴承不受磁拉力影响，可有效增加电机可靠性和机械寿命。

2.本公开技术方案该电机转子为表面镶嵌式永磁转子，无需护套，结构简单且机械鲁棒性较好，同时由于电机凸极效应，转子d、q轴电感不同产生附加磁阻转矩，与永磁转矩叠加后可显著提高电机总的输出转矩。

3.本公开技术方案该电机转子永磁体形状为月牙形，能够实现磁链和反电动势波形接近理想正弦化，从而有效削弱转矩脉动和气隙磁场谐波，抑制电机振动噪声，同时可提高转矩密度，减少永磁体用量，降低制造成本。

4.本公开技术方案该电机定子铁心采用无槽结构，可完全消除齿槽转矩，抑制振动噪声，提高电机运行效率。绕组为三相束状绕组并采用扁平绕制方式，与传统的圆线绕组相比，散热性能优越，端部整齐无需绑扎，易于制造可降低生产成本。

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为本公开电机的结构正视图；

图2为本公开电机的结构剖面示意图；

图3为本公开电机的结构爆炸示意图；

图4为本公开电机的永磁转子示意图；

图5为本公开电机的中间定子示意图；

图中：1.第一转子；2.第二转子；3.转子铁心；4.永磁体N极；5.永磁体S极；6.定子；7.定子铁心；8.定子绕组；9.气隙；10.转轴。

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高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机，主要由第一转子1、第二转子2、定子6和转轴10组成，所述第一转子1和第二转子2沿转轴10呈镜像对称安装在定子6两侧，定子6与两转子之间均有相同轴向长度的气隙9。

第一转子1和第二转子2规格相同，均由转子铁心3和两块永磁体组成，转子铁心3形状为圆盘状，两块永磁体以转轴为中心呈对称分布且极性相反，即一块为永磁体N极4，另一块为永磁体S极5。永磁体N极4和永磁体S极5规格相同，形状均为月牙状，镶嵌在转子铁心3表面构成表面镶嵌式永磁转子。

该电机第一转子、定子及第二转子沿转轴方向轴向排列，且两转子与定子间均有相同宽度的气隙，气隙中含有磁通，其方向沿轴向分布，因此称为轴向磁通结构。

定子6包括定子铁心7和定子绕组8，定子铁心7为环形铁心并采用无槽结构，定子绕组8为三相绕组，每相包括两个矩形束状线圈，共六个线圈均采用扁平绕制方法缠绕在定子轭上，每个绕组线圈均匀间隔60°机械角度。

结合附图详细说明：

参见图1，本公开电机沿转轴方向由左向右依次是第一转子1、气隙9、定子6、气隙9和第二转子2，气隙9长度可根据具体需求轴向调节，且不受转子及永磁体厚度的影响。

参见图2和图3，本公开电机定子6由定子铁心7和定子绕组8组成，定子绕组8包括六个通电线圈，每个线圈间隔60°机械角度均匀缠绕在定子铁心7上；第一转子1和第二转子2规格相同，均由转子铁心3、永磁体N极4和永磁体S极5组成，两转子以定子6为中心呈镜像对称关系，安装在同一转轴10上用于共同输出。

参见图4，本公开电机转子含有两块极性相反的永磁体，即永磁体N极4和永磁体S极5，两块永磁体以转轴为中心对称镶嵌在转子铁心3表面构成表面镶嵌式永磁转子，在电机高速运行时无需护套，且由于d、q轴电感不相等产生附加磁阻转矩，磁阻转矩可与永磁转矩叠加从而提高电机总的输出转矩；永磁体形状经优化设计为月牙状，可实现磁链和反电动势的正弦化，有效削弱转矩脉动和振动噪声，保证电机平稳、高效、可靠运行。

在该实施例子中，永磁体形状经优化设计为月牙状，在最初方案采用的是常规环形永磁体结构，经有限元仿真分析其反电动势的波形为矩形。为了实现反电动势波形接近正弦形，以削弱转矩脉动和气隙磁场谐波，本公开采用遗传算法优化永磁体的形状，并利用有限元仿真验证结果的正确性，最终确定为月牙形永磁体结构。

参见图5，本公开电机定子铁心7为环形盘状，转轴10通过其轴心与两转子相连；定子绕组8为三相束状绕组，采用扁平绕制方式，均匀缠绕在定子铁心7轭上，图5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8的三相，每相间隔60°机械角度。采用扁平绕制技术，绕组端部整齐无需绑扎，结构简单，散热性能优越。

该电机定子绕组部分通入由三相逆变器经脉宽调制的三相交流电后，定子绕组会产生旋转磁场，永磁体转子在旋转磁场的作用下，产生与定子旋转磁场方向相同的永磁转矩，同时该电机转子为表面镶嵌式永磁转子，其转子d、q轴电感不相等，由于凸极效应会产生磁阻转矩，永磁转矩与磁阻转矩共同组成该电机总的输出转矩。当电机输出转矩超过负载转矩及转子的摩擦转矩时，电机便开始向外做功，并不断地加速直至达到同步速。

本公开电机定子铁心和两转子铁心均采用超薄硅钢片，沿转轴方向叠压而成，工艺简单制造成本低；鉴于钐钴材料高剩磁磁密，且能承受较高的工作温度条件，永磁体采用钐钴材料，剩磁磁密高且耐高温，非常适合高速运行工况；定子绕线采用超高导电率、高导热率的碳纤维复合铜扁线，可显著降低电机损耗，提升散热性能及运行效率。

该电机采用轴向磁通结构，气隙长度轴向可调，结构更加紧凑，散热性能优越，具有更高的转矩密度、功率密度和效率，从根本上解决了径向磁通电机散热性不好、铁心利用率高、齿槽转矩大等缺点。该电机主要由两个同规格的表面镶嵌式永磁转子和一个中间定子构成，永磁体镶嵌在转子铁心表面，无需护套，可降低涡流损耗，同时充分利用转子d、q轴电感不相等所产生的磁阻转矩与永磁转矩相叠加，从而增加电机总的输出转矩；永磁体形状经特殊优化设计为月牙形，可实现磁链和反电动势的正弦化，从而降低气隙磁场谐波和转矩脉动，抑制振动噪声，且减少永磁体的用量，降低制造成本；两个转子用于同一个轴输出，这种结构拥有双气隙结构，电机转轴不存在轴向磁拉力，轴承不受磁拉力影响，可有效增加电机可靠性和机械寿命；定子铁心采用无槽结构，设计简单且无齿槽转矩，能有效降低损耗并抑制振动噪声，绕组采用扁平绕线技术，相较于传统圆线绕组，绕组端部较小，易于制造且散热性能好，可有效提升效率并抑制振动噪声。

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 (10)

1.一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机，其特征是，包括：

两个转子和一个位于两个转子中间的定子；

所述两转子内壁与所述定子外壁之间均设置有气隙，两个气隙距离相等且长度根据需求轴向调节；

所述转子的铁心表面镶嵌有永磁体，所述永磁体被配置为月牙状态以实现磁链和反电动势的正弦化。

2.如权利要求1所述的一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机，其特征是，还包括一转轴，两转子呈镜像对称安装于定子两侧的转轴上并随轴转动。

3.如权利要求1所述的一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机，其特征是，所述定子由铁心和绕组组成，所述定子铁心表面为无槽结构，所述绕组为三相束状绕组。

4.如权利要求3所述的一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机，其特征是，所述三相束状绕组中每相包括两个矩形束状线圈，共六个线圈均缠绕在定子轭上，每个绕组线圈均匀间隔60°机械角度。

5.如权利要求3或4所述的一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机，其特征是，所述绕组的绕线为超高导电率、导热性能好的碳纤维复合铜线。

6.如权利要求5所述的一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机，其特征是，所述绕线扁平绕制在定子轭上。

7.如权利要求1所述的一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机，其特征是，所述定子及转子铁心均采用超薄硅钢片，沿转轴方向叠压而成。

8.如权利要求1所述的一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机，其特征是，两个转子结构相同，均由铁心和两块永磁体组成。

9.如权利要求8所述的一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机，其特征是，所述永磁体采用钐钴材料。

10.如权利要求8所述的一种高速表面镶嵌式双转子轴向磁通永磁电机，其特征是，两块永磁体以转轴为中心呈对称分布且极性相反，即一块为永磁体N极，另一块为永磁体S极。

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