CN111817521B - 轴向磁场双转子交流电机 - Google Patents

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Abstract

轴向磁场双转子交流电机，涉及电机领域。本发明是为了解决传统的电机不适合要求两个转子转速不相同的场合的问题。本发明所述的轴向磁场双转子交流电机，利用一个电机定子产生两个转向相反、转速不同的磁动势，两个磁动势分别与两个转子磁场相互作用，使两个转子分别沿不同方向、以不同速度旋转，以达到适合两个转子转速不相同场合的目的。本发明可以提高双转子电机的效率与功率密度，简化了推进系统的结构，电机的结构简单、制造成本低、可靠性高。本发明适用于转螺旋桨推进系统中，尤其适合作为水下航行器推进用异向旋转双机械口永磁同步电机使用。

Description

轴向磁场双转子交流电机
技术领域
本发明属于电机领域。
背景技术
水下航行器推进系统主要采用对转螺旋桨，该结构能使得两个螺旋桨在产生水下航行器前行推动力的同时，互相抵消圆周方向产生的旋转力矩，从而有效避免了水下航行器的侧滚现象，保证了航行器的前进姿态，提高了系统的运行效率，驱动方式多采用“常规电机+行星齿轮”，但是，行星齿轮结构使整个系统的可靠性和效率都比较低。
传统的双转子永磁电机是由内转子、外转子和中间共用定子而组成的交流电机，其基本结构及一对极下横截面示意图如图8和图9所示。电机的中间定子通过定子紧固件固定，而内/外转子根据同向旋转和异向旋转选用不同的定位方式。异向旋转双转子永磁电机运行于水下航行器对转螺旋桨推进系统中，能够简化推进系统的结构、减小体积、降低重量和成本、而且没有电刷滑环，运行更加安全可靠。但该电机存在内外转子结构不对称、电磁设计困难、双转子转矩输出不平衡、内外转子和定子散热困难等缺点，因此，它不适合水下航行器等封闭环境内使用，也不适合要求两个转子转速不相同的场合。
发明内容
本发明是为了解决传统的电机不适合要求两个转子转速不相同的场合的问题，现提供轴向磁场双转子交流电机。
轴向磁场双转子交流电机包括三种结构：
第一种结构的轴向磁场双转子交流电机，包括两个转子和一个定子，两个转子和定子同轴设置、且定子位于两个转子之间，定子与两个转子之间均留有气隙，
转子包括金属基盘和多个永磁体，永磁体的表面为扇形或梯形，多个永磁体沿环形均匀排布并固定在金属基盘表面、且永磁体的窄边朝向金属基盘的圆心，永磁体充磁方向为轴向、且相邻的两个永磁体磁极方向相反，
定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的环上缠绕有m相分数槽对称的定子绕组，定子绕组的线圈沿定子铁心的环均匀排布，
两个转子的永磁体极对数P1和P2分别满足如下关系：
Figure BDA0002588259300000011
或
Figure BDA0002588259300000021
设定子铁心每一侧面所设定子绕组中线圈的有效边数为Q，则Q满足如下关系：
Q＝nkm
上述公式中，n和k均为正整数。
第二种结构的轴向磁场双转子交流电机，包括两个转子和一个定子，两个转子和定子同轴设置、且定子位于两个转子之间，定子与两个转子之间均留有气隙，
转子包括金属基盘和多个永磁体，永磁体的表面为扇形或梯形，多个永磁体沿环形均匀排布并固定在金属基盘表面、且永磁体的窄边朝向金属基盘的圆心，永磁体充磁方向为轴向、且相邻的两个永磁体磁极方向相反，
定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的两个侧面分别设有一套分数槽双层定子绕组，两侧面的定子绕组镜像对称设置、且定子绕组中对应相的线圈之间串联，
两个转子的永磁体极对数P1和P2分别满足如下关系：
Figure BDA0002588259300000022
或
Figure BDA0002588259300000023
设定子铁心每一侧面所设定子绕组中线圈的有效边数为2Q，则Q满足如下关系：
Q＝nkm
上述公式中，m为定子绕组的相数、n和k均为正整数。
第三种结构的轴向磁场双转子交流电机，包括两个转子和一个定子，两个转子和定子同轴设置、且定子位于两个转子之间，定子与两个转子之间均留有气隙，
转子包括金属基盘和多个永磁体，永磁体的表面为扇形或梯形，多个永磁体沿环形均匀排布并固定在金属基盘表面、且永磁体的窄边朝向金属基盘的圆心，永磁体充磁方向为轴向、且相邻的两个永磁体磁极方向相反，
定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的两侧面分别开有Q个沿圆环周向均匀排布的径向通槽、且两侧面上的径向通槽一一正对，每个侧面的径向通槽中嵌有一套分数槽单层定子绕组，两侧面的定子绕组镜像对称设置或交错设置、且对应相的线圈之间串联，两个转子的永磁体极对数P1和P2分别满足如下关系：
Figure BDA0002588259300000031
或
Figure BDA0002588259300000032
Q满足如下关系：
Q＝nkm
上述公式中，m为定子绕组的相数、n和k均为正整数。
上述第一种结构所述的轴向磁场双转子交流电机，定子铁心的两侧面分别开有Q个沿圆环周向均匀排布的径向通槽、且两侧面上的径向通槽一一正对，相互正对的两个径向通槽内共同缠绕有一个环形的线圈、且线圈的两个有效边分别嵌入在所述两个径向通槽内，每个侧面的所有线圈构成一套定子绕组。
上述第二种结构所述的轴向磁场双转子交流电机，定子铁心的两侧面分别开有Q个沿圆环周向均匀排布的径向通槽、且两侧面上的径向通槽一一正对，相邻的两个径向通槽之间为一个齿，每个齿上均缠绕有一个线圈、使得一个径向通槽内嵌有两个线圈的有效边，每个侧面的所有线圈构成一套定子绕组。
上述第三种结构所述的轴向磁场双转子交流电机，相邻的两个径向通槽之间为一个齿，每间隔一个齿上缠绕有一个线圈、使得一个径向通槽内嵌有一个线圈的有效边，每个侧面的所有线圈构成一套定子绕组。
上述三种结构所述的轴向磁场双转子交流电机，转子为表贴永磁体、内嵌永磁体或Halbach永磁体阵列结构。
本发明所述的轴向磁场双转子交流电机，利用一个电机定子产生两个转向相反、转速不同的磁动势，两个磁动势分别与两个转子磁场相互作用，使两个转子分别沿不同方向、以不同速度旋转，以达到适合两个转子转速不相同场合的目的。
本发明可以提高双转子电机的效率与功率密度，简化了推进系统的结构，电机的结构简单、制造成本低、可靠性高。
本发明适用于转螺旋桨推进系统中，尤其适合作为水下航行器推进用异向旋转双机械口永磁同步电机使用。
附图说明
图1为具体实施方式一和五所述的轴向磁场双转子交流电机及其定子的结构示意图，(a)电机、(b)定子；
图2为具体实施方式二所述的轴向磁场双转子交流电机及其定子的结构示意图，(a)电机、(b)定子；
图3为具体实施方式三所述的轴向磁场双转子交流电机及其定子的结构示意图，(a)电机、(b)定子；
图4为具体实施方式六所述的轴向磁场双转子交流电机及其定子的结构示意图，(a)电机、(b)定子；
图5为具体实施方式七所述的轴向磁场双转子交流电机及其定子的结构示意图，(a)电机、(b)定子；
图6为具体实施方式八所述的轴向磁场双转子交流电机及其定子的结构示意图，(a)电机、(b)定子；
图7为具体实施方式一至八所述的轴向磁场双转子交流电机中两个转子的结构示意图；
图8为背景技术中异向旋转双转子永磁电机的轴向截面示意图；
图9为背景技术中异向旋转双转子永磁电机一对极下的横截面示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机，包括两个转子和一个定子，两个转子和定子同轴设置、且定子位于两个转子之间，定子与两个转子之间均留有气隙，
转子包括金属基盘和多个永磁体，永磁体的表面为扇形或梯形，多个永磁体沿环形均匀排布并固定在金属基盘表面、且永磁体的窄边朝向金属基盘的圆心，永磁体充磁方向为轴向、且相邻的两个永磁体磁极方向相反，
定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的两侧面分别开有Q个沿圆环周向均匀排布的径向通槽、且两侧面上的径向通槽一一正对，相互正对的两个径向通槽内共同缠绕有一个环形的线圈、且线圈的两个有效边分别嵌入在所述两个径向通槽内，线圈连接形成m相对称的定子绕组，
两个转子的永磁体极对数P1和P2分别满足如下关系：
P1＝(2mkq+1)P
P2＝(2mkq-1)P
定子绕组基波磁动势极对数P和Q之间满足如下关系：
Q＝2mqP
上述公式中，q为每极定子绕组基波磁动势所对应的每相槽数、k为正整数。
本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机，具有单一电功率输入端口(即：一套绕组)和两个独立机械功率输出端口(两个转子)。一个转子上设有10个永磁体，另一个转子上设有14个永磁体，由于两个转子的极对数不同，因此，只需在电机定子绕组中通入一组三相对称交流电，即可实现两个转子的异速异向旋转。因此，在实际应用时，两个转子分别与各自的负载同轴连接，两个转子转速不同、转向相反，即可达到异速异向的双机械量输出的目的。
具体实施方式二：参照图2和图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机，包括两个转子和一个定子，两个转子和定子同轴设置、且定子位于两个转子之间，定子与两个转子之间均留有气隙，
转子包括金属基盘和多个永磁体，永磁体的表面为扇形或梯形，多个永磁体沿环形均匀排布并固定在金属基盘表面、且永磁体的窄边朝向金属基盘的圆心，永磁体充磁方向为轴向、且相邻的两个永磁体磁极方向相反，
定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的两侧面分别开有Q个沿圆环周向均匀排布的径向通槽、且两侧面上的径向通槽一一正对，Q为4的倍数，连续的4个径向通槽组成一个槽组、每个槽组中的径向通槽互不共享，每个槽组中缠绕有一个环形的线圈、且线圈的两个有效边分别嵌入在槽组中位于最外侧的两个径向通槽中，两侧面对应相的线圈中线沿周向相差360电角度、且对应相线圈之间串联，每个侧面的线圈构成一套三相定子绕组，
两个转子的永磁体极对数P1和P2分别满足如下关系：
P1＝(6kq+1)P
P2＝(6kq-1)P
定子绕组基波磁动势极对数P和Q之间满足如下关系：
Q＝6qP
上述公式中，q为每极定子绕组基波磁动势所对应的每相槽数、k为正整数。
本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机，具有单一电功率输入端口(即：一套绕组)和两个独立机械功率输出端口(两个转子)。一个转子上设有10个永磁体，另一个转子上设有14个永磁体，由于两个转子的极对数不同，因此，只需在电机定子绕组中通入一组三相对称交流电，即可实现两个转子的异速异向旋转。因此，在实际应用时，两个转子分别与各自的负载同轴连接，两个转子转速不同、转向相反，即可达到异速异向的双机械量输出的目的。
具体实施方式三：参照图3和图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机，包括两个转子和一个定子，两个转子和定子同轴设置、且定子位于两个转子之间，定子与两个转子之间均留有气隙，
转子包括金属基盘和多个永磁体，永磁体的表面为扇形或梯形，多个永磁体沿环形均匀排布并固定在金属基盘表面、且永磁体的窄边朝向金属基盘的圆心，永磁体充磁方向为轴向、且相邻的两个永磁体磁极方向相反，
定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的两侧面分别开有Q个沿圆环周向均匀排布的径向通槽、且两侧面上的径向通槽一一正对，Q为4的倍数，连续的4个径向通槽组成一个槽组，将4个径向通槽顺次排号为1、2、3、4，每个槽组中的第1、2个径向通槽分别与其相邻的前一个槽组中第3、4个径向通槽重叠，每个槽组中缠绕有一个环形的线圈、且线圈的两个有效边分别嵌入在槽组中位于最外侧的两个径向通槽中，两侧面对应相的线圈镜像对称、且对应相线圈之间串联，每个侧面的线圈构成一套整数槽单层整距绕组，
两个转子的永磁体极对数P1和P2分别满足如下关系：
P1＝(2mkq+1)P
P2＝(2mkq-1)P
定子绕组基波磁动势极对数P和Q之间满足如下关系：
Q＝2mqP
上述公式中，m为定子绕组的相数、q为每极定子绕组基波磁动势所对应的每相槽数、k为正整数。
本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机，具有单一电功率输入端口(即：一套绕组)和两个独立机械功率输出端口(两个转子)。一个转子上设有10个永磁体，另一个转子上设有14个永磁体，由于两个转子的极对数不同，因此，只需在电机定子绕组中通入一组三相对称交流电，即可实现两个转子的异速异向旋转。因此，在实际应用时，两个转子分别与各自的负载同轴连接，两个转子转速不同、转向相反，即可达到异速异向的双机械量输出的目的。
具体实施方式四：本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机，包括两个转子和一个定子，两个转子和定子同轴设置、且定子位于两个转子之间，定子与两个转子之间均留有气隙，
转子包括金属基盘和多个永磁体，永磁体的表面为扇形或梯形，多个永磁体沿环形均匀排布并固定在金属基盘表面、且永磁体的窄边朝向金属基盘的圆心，永磁体充磁方向为轴向、且相邻的两个永磁体磁极方向相反，
定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的环上缠绕有m相分数槽对称的定子绕组，定子绕组的线圈沿定子铁心的环均匀排布，
两个转子的永磁体极对数P1和P2分别满足如下关系：
Figure BDA0002588259300000071
或
Figure BDA0002588259300000072
设定子铁心每一侧面所设定子绕组中线圈的有效边数为Q，则Q满足如下关系：
Q＝nkm
上述公式中，n和k均为正整数。
本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机，具有单一电功率输入端口(即：一套绕组)和两个独立机械功率输出端口(两个转子)。一个转子上设有10个永磁体，另一个转子上设有14个永磁体，由于两个转子的极对数不同，因此，只需在电机定子绕组中通入一组三相对称交流电，即可实现两个转子的异速异向旋转。因此，在实际应用时，两个转子分别与各自的负载同轴连接，两个转子转速不同、转向相反，即可达到异速异向的双机械量输出的目的。
具体实施方式五：参照图1和图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机与具体实施方式一所述的轴向磁场双转子交流电机的区别在于，本实施方式中，两个转子的永磁体极对数P1和P2分别满足如下关系：
Figure BDA0002588259300000081
或
Figure BDA0002588259300000082
Q满足如下关系：
Q＝nkm
上述公式中，n和k均为正整数。
本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机，具有单一电功率输入端口(即：一套绕组)和两个独立机械功率输出端口(两个转子)。一个转子上设有10个永磁体，另一个转子上设有14个永磁体，由于两个转子的极对数不同，因此，只需在电机定子绕组中通入一组三相对称交流电，即可实现两个转子的异速异向旋转。因此，在实际应用时，两个转子分别与各自的负载同轴连接，两个转子转速不同、转向相反，即可达到异速异向的双机械量输出的目的。
具体实施方式六：参照图4和图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机，包括两个转子和一个定子，两个转子和定子同轴设置、且定子位于两个转子之间，定子与两个转子之间均留有气隙，
转子包括金属基盘和多个永磁体，永磁体的表面为扇形或梯形，多个永磁体沿环形均匀排布并固定在金属基盘表面、且永磁体的窄边朝向金属基盘的圆心，永磁体充磁方向为轴向、且相邻的两个永磁体磁极方向相反，
定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的两个侧面分别设有一套分数槽双层定子绕组，两侧面的定子绕组镜像对称设置、且定子绕组中对应相的线圈之间串联，
两个转子的永磁体极对数P1和P2分别满足如下关系：
Figure BDA0002588259300000083
或
Figure BDA0002588259300000084
设定子铁心每一侧面所设定子绕组中线圈的有效边数为2Q，则Q满足如下关系：
Q＝nkm
上述公式中，m为定子绕组的相数、n和k均为正整数。
具体的，定子铁心的两侧面分别开有Q个沿圆环周向均匀排布的径向通槽、且两侧面上的径向通槽一一正对，相邻的两个径向通槽之间为一个齿，每个齿上均缠绕有一个线圈、使得一个径向通槽内嵌有两个线圈的有效边，每个侧面的所有线圈构成一套定子绕组。
本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机，具有单一电功率输入端口(即：一套绕组)和两个独立机械功率输出端口(两个转子)。一个转子上设有10个永磁体，另一个转子上设有14个永磁体，由于两个转子的极对数不同，因此，只需在电机定子绕组中通入一组三相对称交流电，即可实现两个转子的异速异向旋转。因此，在实际应用时，两个转子分别与各自的负载同轴连接，两个转子转速不同、转向相反，即可达到异速异向的双机械量输出的目的。
具体实施方式七：参照图5和图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机，包括两个转子和一个定子，两个转子和定子同轴设置、且定子位于两个转子之间，定子与两个转子之间均留有气隙，
转子包括金属基盘和多个永磁体，永磁体的表面为扇形或梯形，多个永磁体沿环形均匀排布并固定在金属基盘表面、且永磁体的窄边朝向金属基盘的圆心，永磁体充磁方向为轴向、且相邻的两个永磁体磁极方向相反，
定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的两侧面分别开有Q个沿圆环周向均匀排布的径向通槽、且两侧面上的径向通槽一一正对，每个侧面的径向通槽中嵌有一套分数槽单层定子绕组，两侧面的定子绕组镜像对称设置、且对应相的线圈之间串联，
两个转子的永磁体极对数P1和P2分别满足如下关系：
Figure BDA0002588259300000091
或
Figure BDA0002588259300000092
Q满足如下关系：
Q＝nkm
上述公式中，m为定子绕组的相数、n和k均为正整数。
进一步的，相邻的两个径向通槽之间为一个齿，每间隔一个齿上缠绕有一个线圈、使得一个径向通槽内嵌有一个线圈的有效边，每个侧面的所有线圈构成一套定子绕组。
本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机，具有单一电功率输入端口(即：一套绕组)和两个独立机械功率输出端口(两个转子)。一个转子上设有10个永磁体，另一个转子上设有14个永磁体，由于两个转子的极对数不同，因此，只需在电机定子绕组中通入一组三相对称交流电，即可实现两个转子的异速异向旋转。因此，在实际应用时，两个转子分别与各自的负载同轴连接，两个转子转速不同、转向相反，即可达到异速异向的双机械量输出的目的。
具体实施方式八：参照图6和图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的轴向磁场双转子交流电机与具体实施方式七所述的轴向磁场双转子交流电机的区别在于，本实施方式中，两侧面的定子绕组交错设置。
上述具体实施方式一至具体实施方式八所述的轴向磁场双转子交流电机中，转子为表贴永磁体、内嵌永磁体或Halbach永磁体阵列结构。

Claims (7)

1.轴向磁场双转子交流电机，包括两个转子和一个定子，两个转子和定子同轴设置、且定子位于两个转子之间，定子与两个转子之间均留有气隙，
其特征在于，
转子包括金属基盘和多个永磁体，永磁体的表面为扇形或梯形，多个永磁体沿环形均匀排布并固定在金属基盘表面、且永磁体的窄边朝向金属基盘的圆心，永磁体充磁方向为轴向、且相邻的两个永磁体磁极方向相反，
定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的环上缠绕有m相分数槽对称的定子绕组，定子绕组的线圈沿定子铁心的环均匀排布，
两个转子的永磁体极对数P1和P2分别满足如下关系：
Figure FDA0003841403470000011
或
Figure FDA0003841403470000012
设定子铁心每一侧面所设定子绕组中线圈的有效边数为Q，则Q满足如下关系：
Q＝nkm
上述公式中，n和k均为正整数；
在电机定子绕组中通入一组三相对称交流电，实现两个转子的异速异向旋转。
2.轴向磁场双转子交流电机，包括两个转子和一个定子，两个转子和定子同轴设置、且定子位于两个转子之间，定子与两个转子之间均留有气隙，
其特征在于，
转子包括金属基盘和多个永磁体，永磁体的表面为扇形或梯形，多个永磁体沿环形均匀排布并固定在金属基盘表面、且永磁体的窄边朝向金属基盘的圆心，永磁体充磁方向为轴向、且相邻的两个永磁体磁极方向相反，
定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的两个侧面分别设有一套分数槽双层定子绕组，两侧面的定子绕组镜像对称设置、且定子绕组中对应相的线圈之间串联，
两个转子的永磁体极对数P1和P2分别满足如下关系：
Figure FDA0003841403470000013
或
Figure FDA0003841403470000021
设定子铁心每一侧面所设定子绕组中线圈的有效边数为2Q，则Q满足如下关系：
Q＝nkm
上述公式中，m为定子绕组的相数、n和k均为正整数；
在电机定子绕组中通入一组三相对称交流电，实现两个转子的异速异向旋转。
3.轴向磁场双转子交流电机，包括两个转子和一个定子，两个转子和定子同轴设置、且定子位于两个转子之间，定子与两个转子之间均留有气隙，
其特征在于，
转子包括金属基盘和多个永磁体，永磁体的表面为扇形或梯形，多个永磁体沿环形均匀排布并固定在金属基盘表面、且永磁体的窄边朝向金属基盘的圆心，永磁体充磁方向为轴向、且相邻的两个永磁体磁极方向相反，
定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的两侧面分别开有Q个沿圆环周向均匀排布的径向通槽、且两侧面上的径向通槽一一正对，每个侧面的径向通槽中嵌有一套分数槽单层定子绕组，两侧面的定子绕组镜像对称设置或交错设置、且对应相的线圈之间串联，
两个转子的永磁体极对数P1和P2分别满足如下关系：
Figure FDA0003841403470000022
或
Figure FDA0003841403470000023
Q满足如下关系：
Q＝nkm
上述公式中，m为定子绕组的相数、n和k均为正整数；
在电机定子绕组中通入一组三相对称交流电，实现两个转子的异速异向旋转。
4.根据权利要求1所述的轴向磁场双转子交流电机，其特征在于，定子铁心的两侧面分别开有Q个沿圆环周向均匀排布的径向通槽、且两侧面上的径向通槽一一正对，相互正对的两个径向通槽内共同缠绕有一个环形的线圈、且线圈的两个有效边分别嵌入在所述两个径向通槽内，每个侧面的所有线圈构成一套定子绕组。
5.根据权利要求2所述的轴向磁场双转子交流电机，其特征在于，定子铁心的两侧面分别开有Q个沿圆环周向均匀排布的径向通槽、且两侧面上的径向通槽一一正对，相邻的两个径向通槽之间为一个齿，每个齿上均缠绕有一个线圈、使得一个径向通槽内嵌有两个线圈的有效边，每个侧面的所有线圈构成一套定子绕组。
6.根据权利要求3所述的轴向磁场双转子交流电机，其特征在于，相邻的两个径向通槽之间为一个齿，每间隔一个齿上缠绕有一个线圈、使得一个径向通槽内嵌有一个线圈的有效边，每个侧面的所有线圈构成一套定子绕组。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的轴向磁场双转子交流电机，其特征在于，转子为表贴永磁体、内嵌永磁体或Halbach永磁体阵列结构。
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