CN111884368B - 轴向磁场电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向磁场电机，属于电机领域。其包括机壳，机壳内设置有转子组件、前定子组件和后定子组件。转子组件的转子盘上设置有多个磁钢组件，每个磁钢组件包括设置在转子盘内侧的内磁钢和设置在转子盘外侧的外磁钢，同一个磁钢组件的内磁钢和外磁钢的磁极方向相反；前定子组件和后定子组件均包括多个成环形排列的定子单元，定子单元通过支撑结构支撑固定，定子单元包括U型磁芯，U型磁芯的内侧端面对准内磁钢的环形，U型磁芯的外侧端面对准外磁钢的环形，U型磁芯上设置有线圈绕组。本发明降低了定子轭部的重量和铁损；降低转子重量，减小了转子转动惯量；可以大大缩短电机的轴向尺寸。

Description

轴向磁场电机

技术领域

本发明涉及电机领域，特别是指一种轴向磁场电机。

背景技术

轴向磁场电机，又称轴向磁通电机或盘式电机，其定子组件和转子组件为盘式结构。轴向磁场电机的气隙是平面型的，气隙磁场是轴向的，其具有结构紧凑、体积小、重量轻、转矩密度高、转子转动惯量小的优点。

轴向磁场电机通常具有以下几种结构方式：1、单转子单定子：一个定子组件和一个转子组件(单面气隙)；2、双转子单定子：两个转子组件，中间一个定子组件(双面气隙)；3、单转子双定子：两个定子组件，中间一个转子组件(双面气隙)；4、多转子多定子：多个定子组件和多个转子组件互相穿插(多面气隙)。

图1示出了一种典型结构的单转子双定子轴向磁场电机，其中间为一个转子组件，两边为两个定子组件。转子组件包括转子盘1’和设置在转子盘1’上的一圈永磁体(磁钢)2’，定子组件包括定子轭部3’和设置在定子轭部3’上的一圈定子铁芯4’，所有的定子铁芯4’共用一个公共的定子轭部3’，定子铁芯4’上设置有线圈绕组5’。

图2示出了图1所示的单转子双定子轴向磁场电机的磁回路，这种结构的电机由于转子盘不参与导磁，因此可以将转子盘设置成非导磁材料，也就是说转子无轭部。但是，其定子轭部参与导磁，必须是铁轭等导磁材料，这就导致电机在运行时，定子轭部产生铁损，并且定子轭部还会增加电机的重量。

中国专利文献CN107408875A公开了一种无磁轭分段电枢的轴向磁通电机，其省略掉了定子轭部，显著减轻了重量和铁损。但是该专利是双转子单定子的轴向磁场电机，不适用于单转子双定子的轴向磁场电机。并且，该专利的转子轭部参与导磁，不能更进一步的减轻重量和消除铁损，也不适用于转子无轭部的单转子双定子的轴向磁场电机。

由上述可知，对于转子无轭部的单转子双定子的轴向磁场电机，如何减小定子轭部的铁损以及重量，现有技术中并未有解决的技术方案。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种轴向磁场电机，本发明降低了定子轭部的重量和铁损；降低转子重量，减小了转子转动惯量；可以大大缩短电机的轴向尺寸。

本发明提供技术方案如下：

一种轴向磁场电机，包括机壳，所述机壳内设置有转子组件、前定子组件和后定子组件，所述前定子组件和后定子组件分别设置在转子组件的前侧面和后侧面，其中：

所述转子组件包括转子盘和转子轴，所述转子盘与转子轴连接，所述转子盘上设置有多个磁钢组件，每个磁钢组件包括设置在转子盘内侧的内磁钢和设置在转子盘外侧的外磁钢，所述内磁钢和外磁钢分别在转子盘上排列成环形，同一个磁钢组件的内磁钢和外磁钢的中心位于转子盘的同一个半径上，同一个磁钢组件的内磁钢和外磁钢的磁极方向相反；

所述前定子组件和后定子组件均包括多个成环形排列的定子单元，所述前定子组件的定子单元通过第一支撑结构支撑固定，所述后定子组件的定子单元通过第二支撑结构支撑固定，所述定子单元包括U型磁芯，所述U型磁芯的内侧端面对准内磁钢的环形，所述U型磁芯的外侧端面对准外磁钢的环形，所述U型磁芯上设置有线圈绕组。

进一步的，所述转子盘包括内支撑环、圆环筋板、外固定环和多个径向筋板，多个径向筋板设置在内支撑环上并向外侧延伸，所述外固定环设置在所述径向筋板的末端，所述圆环筋板设置在内支撑环和外固定环之间并与所有径向筋板连接；

所述内支撑环、圆环筋板和多个径向筋板形成第一组安装位，所述内磁钢安装在第一组安装位上；所述外固定环、圆环筋板和多个径向筋板形成第二组安装位，所述外磁钢安装在第二组安装位上。

进一步的，所述内磁钢的外侧面上开设有第一定位槽，所述内磁钢的内侧面上设置有定位台阶，所述定位台阶的前侧面与内磁钢的前侧面形成台阶状，所述定位台阶的后侧面与内磁钢的后侧面形成台阶状；

所述圆环筋板的内侧面上设置有第一定位凸起，所述内支撑环的前侧面上位于内支撑环的外侧面处开设有凹槽；所述第一定位槽与第一定位凸起配合，所述定位台阶的后侧面与所述凹槽配合，转子轴或者安装在转子轴上的圆环形零件将定位台阶的前侧面压紧；

所述内磁钢的形状为扇环形，所述内磁钢的厚度与转子盘的厚度相同，所述内磁钢与转子盘的连接处通过胶水填充。

进一步的，所述外磁钢的左侧面和右侧面上开设有第二定位槽，所述径向筋板位于圆环筋板外侧的部分上设置有第二定位凸起，所述外磁钢从外侧插进所述第二组安装位，所述第二定位槽与所述第二定位凸起配合，所述外固定环套在所述径向筋板的末端；

所述径向筋板的末端设置有限位台阶，所述外固定环的内侧设置有限位槽，所述限位台阶和限位槽配合；

所述外磁钢的形状为扇环形，所述外磁钢的厚度与转子盘的厚度相同，所述外磁钢与转子盘的连接处通过胶水填充。

进一步的，所述U型磁芯由硅钢片叠压成，所述U型磁芯的外侧端面上设置有由软磁复合材料制成的极靴，所述极靴的端面的形状和面积与外磁钢相适应，所述U型磁芯的内侧端面的形状和面积与内磁钢相适应。

进一步的，所述第一支撑结构包括第一环形安装板和第二环形安装板，所述第一环形安装板上开设有一圈第一定位孔和一圈第二定位孔，所述第二环形安装板上开设有一圈第三定位孔；前定子组件的定子单元的外侧端面安装在第一定位孔内，前定子组件的定子单元的内侧端面安装在第二定位孔内，前定子组件的定子单元的轭部安装在第三定位孔内，所述第一环形安装板和第二环形安装板之间灌胶固封，并留出前定子组件的内圆，所述第一环形安装板和第二环形安装板装配在机壳上。

进一步的，所述机壳包括后机壳，所述第二支撑结构包括第三环形安装板和所述后机壳，所述第三环形安装板上开设有一圈第四定位孔和一圈第五定位孔，所述后机壳上开设有一圈第六定位孔；所述后定子组件的定子单元的外侧端面安装在第四定位孔内，所述后定子组件的定子单元的内侧端面安装在第五定位孔内，所述后定子组件的定子单元的轭部安装在第六定位孔内，所述第三环形安装板和后机壳之间灌胶固封，并留出后定子组件的内圆，所述第三环形安装板装配在后机壳上。

进一步的，所述前定子组件的内圆中设置有制动器，所述后机壳上设置有编码器和/或旋转变压器。

进一步的，前定子组件和后定子组件在圆周方向上偏转一定角度。

进一步的，所述U型磁芯与线圈绕组接触的位置处设置有绝缘层，所述极靴与线圈绕组之间设置有绝缘层；所述U型磁芯的外侧端面上设置有定位凸台，所述极靴上设置有定位口，所述定位口套在定位凸台上，所述极靴通过胶水与U型磁芯的外侧端面固定。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的内外磁钢沿径向分布，能够更充分利用空间。

2、本发明的定子和转子的设置方式，使得定子组件单元模块化，定子单元只有其自身的单独的小轭部，多个定子单元不再具有公共的轭部，降低了定子轭部产生的铁损，对磁场能量的利用率高，并且减少了电机的重量。

3、本发明的转子采用盘式结构省去硅钢片或者钢结构，大大降低转子重量，减小了转子转动惯量，提升电机的响应速度。并且，本发明是单转子双定子的轴向磁场电机，相较于双转子电机，转子盘的材质为非导磁材料，省去转子轭部导磁结构，减小了支撑结构重量。

4、本发明的前定子组件和后定子组件由多个U型的定子单元排列一圈组成，定子单元组装完成后前定子组件和后定子组件的内圆留出一部分空间，该空间可以利用起来，安装轴承以及制动器和编码器等，可以大大缩短电机的轴向尺寸。

附图说明

图1为现有技术的单转子双定子轴向磁场电机的结构示意图；

图2为现有技术的单转子双定子轴向磁场电机的磁回路示意图；

图3为本发明的轴向磁场电机的外部结构示意图；

图4为本发明的轴向磁场电机的剖视图；

图5为本发明的轴向磁场电机的定子和转子总成(带线圈绕组)的结构示意图；

图6为本发明的本发明的轴向磁场电机的定子和转子总成(不带线圈绕组)的结构示意图；

图7-8为转子组件的结构示意图；

图9为转子盘的前侧面的结构示意图；

图10为转子盘的后侧面的结构示意图；

图11为定子单元的结构示意图；

图12为定子单元的爆炸图；

图13为本发明的轴向磁场电机的磁回路示意图；

图14为转子盘的内支撑环、圆环筋板和径向筋板的结构示意图；

图15为转子盘的外固定环的结构示意图；

图16-18为内磁钢的结构示意图；

图19-20为外磁钢的结构示意图；

图21为转子盘的组装示意图；

图22为前定子组件和第一支撑结构的爆炸图；

图23为后定子组件和第二支撑结构的爆炸图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

在详细描述本发明之前，先对本发明涉及的各个方位进行如下定义：

1、本发明所述的“内”和“外”是基于径向上与电机转轴(即转子轴)的距离而定的，径向上靠近电机转轴为“内”，径向上远离电机转轴为“外”，本发明中与“内”和“外”有关的方位参见本条定义。

2、本发明所述的“前”和“后”是基于轴向上与电机负载的距离而定的，靠近负载一侧为“前侧”，远离负载一侧为“后侧”，如图3、4所示。本发明中与“前”和“后”有关的方位参见本条定义，例如图9所示为转子盘的“前侧面”，图10所示为转子盘的“后侧面”。

3、本发明所述的“左”和“右”为图19中的左右，这是一个相对方位，对应到图9中，从左到右为顺时针方向，本发明中与“左”和“右”有关的方位参见本条定义。

本发明实施例提供一种轴向磁场电机，如图3-12所示，包括机壳500，机壳500内设置有转子组件100、前定子组件200和后定子组件300，前定子组件200和后定子组件300设置在转子组件100的前侧面和后侧面，其中：

转子组件100包括转子盘1和转子轴2，转子盘1与转子轴2连接，转子盘1的材质为非导磁材料，使得转子无磁轭，转子盘1的材质优选为铝合金。

转子盘1上设置有多个磁钢组件3，每个磁钢组件3包括设置在转子盘1内侧的内磁钢4和设置在转子盘1外侧的外磁钢5，也就是说，本发明在转子盘上的径向上设置了两块磁钢。内磁钢4与电机转轴(也就是转子轴2)垂直的两个面(也就是内磁钢的前侧面和后侧面)是内磁钢4的磁极，外磁钢5与电机转轴垂直的两个面(也就是外磁钢的前侧面和后侧面)是外磁钢5的磁极。

内磁钢4和外磁钢5分别在转子盘4上排列成环形，其中：所有内磁钢4在转子盘4上按照第一环形排列，所有外磁钢5在转子盘上4按照第二环形排列，由于内磁钢4在内侧，外磁钢5在外侧，因此第一环形的半径小于第二环形的半径。

同一个磁钢组件3的内磁钢4和外磁钢5的中心位于转子盘1的同一个半径上，同一个磁钢组件3的内磁钢4和外磁钢5的磁极方向相反，同一个磁钢组件3的内磁钢4和外磁钢5与前定子组件200和后定子组件300形成磁回路。

前定子组件200和后定子组件300均包括多个成环形排列的定子单元400，前定子组件的定子单元通过第一支撑结构支撑固定，后定子组件的定子单元通过第二支撑结构支撑固定。

每个定子单元400均包括U型磁芯6，U型磁芯6上设置有线圈绕组7，U型磁芯6的内侧端面8(也就是定子单元的内侧磁极)对准内磁钢4形成的环形，与内磁钢4配合形成气隙，U型磁芯6的外侧端面9(也就是定子单元的外侧磁极)对准外磁钢5形成的环形，与外磁钢5配合形成气隙。

现有技术中的单转子双定子轴向磁场电机，由于定子具有公共的定子轭部，该轭部较厚，导致磁极与轭部的安装固定较为复杂，定子面的平面度不容易保证，电机在运行时，定子轭部产生铁损，对磁场能量的利用率低，并且定子轭部还会增加电机的重量。

本发明的轴向磁场电机主要由前定子组件、后定子组件、转子组件三部分组成，U型定子单元构成前定子组件和后定子组件。每个定子单元上有定子线圈绕组，线圈绕组彼此相连最后形成三相引出线为电动机或者发电机提供对外接口。定子单元用支撑结构支撑固定。

转子组件位于两个定子组件中间位置，在转子盘的径向上设置内磁钢和外磁钢两块磁钢，U型定子单元使径向方向可以存在两个对准转子内外磁钢的区域，前后两个定子组件的U型定子单元的外侧磁极和内侧磁极分别与内磁钢和外磁钢配合，形成的磁回路如图13所示。定子三相引出线通电时，转子盘上的磁钢受到电磁力的作用产生牵引力，可以带动转子轴旋转。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的内外磁钢沿径向分布，能够更充分利用空间。

2、本发明的定子和转子的设置方式，使得定子组件单元模块化，定子单元只有其自身的单独的小轭部48，多个定子单元不再具有公共的轭部，降低了定子轭部产生的铁损，对磁场能量的利用率高，并且减少了电机的重量。

3、本发明的转子采用盘式结构省去硅钢片或者钢结构，大大降低转子重量，减小了转子转动惯量，提升电机的响应速度。并且，本发明是单转子双定子的轴向磁场电机，相较于双转子电机，转子盘的材质为非导磁材料，省去转子轭部导磁结构，减小了支撑结构重量。

4、现有的永磁电机一般是整块实心定子和转子，定子和转子部分需要占据专门的轴向空间，其他零部件的安装，例如轴承以及一些场合要求使用的制动器和编码器等需要在轴向上继续占据新的空间，导致电机轴向长度增长。本发明的前定子组件和后定子组件由多个U型的定子单元排列一圈组成，定子单元组装完成后前定子组件和后定子组件的内圆留出一部分空间，该空间可以利用起来，安装轴承以及制动器和编码器等，可以大大缩短电机的轴向尺寸。

本发明并不限制内磁钢和外磁钢在转子盘上的固定方式，可以通过胶水粘接固定，螺钉连接固定，内嵌固定等多种固定方式。如图7-10，14-21所示，其中一个优选的示例如下：

转子盘1包括内支撑环10、圆环筋板11、外固定环12和多个径向筋板13，多个径向筋板13设置在内支撑环10上并向外侧延伸，外固定环12设置在径向筋板13的末端，圆环筋板11设置在内支撑环10和外固定环12之间并与所有径向筋板13连接。

优选的，内支撑环、圆环筋板和多个径向筋板是一体成型的结构，可以是一体铸造成型，也可以是对整个圆盘形结构切削得到。外固定环与一体成型的内支撑环、圆环筋板和多个径向筋板是分体结构，两者装配在一起。

内支撑环10用于与转子轴2连接，并为转子盘1提供最基础的支撑，圆环筋板11和径向筋板12为转子盘1提供支撑，并为内磁钢4提供安装基础，内支撑环10、圆环筋板11和多个径向筋板13形成第一组安装位14，内磁钢4安装在第一组安装位14上；外固定环12、圆环筋板11和多个径向筋板13形成第二组安装位15，外磁钢5安装在第二组安装位15上。

其中，内磁钢4的外侧面16上开设有第一定位槽17，内磁钢4的内侧面18上设置有定位台阶19，定位台阶19的前侧面20与内磁钢4的前侧面21形成台阶状，定位台阶19的后侧面40与内磁钢4的后侧面22形成台阶状。

与内磁钢4的结构对应的，圆环筋板11的内侧面上设置有第一定位凸起24，内支撑环10的前侧面25上位于内支撑环10的外侧面26处开设有凹槽27。

在安装内磁钢4时，将内磁钢4从转子盘1的前侧面斜向外侧插进第一组安装位14，使得内磁钢4的第一定位槽17与圆环筋板11的第一定位凸24起对接配合。因为内磁钢为斜插进转子盘，所以转子盘与内磁钢的左右两侧要留有一些空间，组装后会有缝隙。

同样为保证内磁钢4内侧能平稳安装到转子盘1上，安装后内磁钢4的内侧与转子盘之间也会有缝隙，此时可用内磁钢4的定位台阶19来定位，定位台阶19的后侧面21与凹槽27配合，转子轴2或者安装在转子轴2上的圆环形零件28将定位台阶19的前侧面20压紧，以此完成完整定位。

使用转子轴将定位台阶的前侧面压紧时，转子轴上带有凸出的环形台阶(环形台阶与转子轴是一体的)，环形台阶将定位台阶的前侧面压紧。使用安装在转子轴上的圆环形零件将定位台阶的前侧面压紧时，圆环形零件与转子轴是分体的两个部件，圆环形零件加热后套在转子轴上，圆环形零件冷却后收缩，与转子轴形成过盈配合。

缝隙处可用胶水填充，固化后的胶水也可以防止内磁钢活动并能减少内磁钢受到旋转方向电磁力对转子盘的冲击。转子盘1的内支撑环10上设置有用于与转子轴2连接的安装孔29，用螺栓固定带圆环形零件28和螺纹孔的转子轴2，转子轴2压紧内磁钢4，起到主要固定作用。

本发明的内磁钢主要由机械结构固定，辅助用胶水填充，比主要由胶水固定更可靠，安全系数更高，装配方便，生产效率更高。

外磁钢5的左侧面30和右侧面31上开设有第二定位槽33，外磁钢5的前侧面41和后侧面42是外磁钢5的磁极。径向筋板13位于圆环筋板11外侧的部分上设置有第二定位凸起23，外磁钢5从外侧插进第二组安装位15，第二定位槽33与第二定位凸起23配合，然后将外固定环12套在径向筋板13的末端。

外磁钢左右两侧第二定位槽方便与转子盘径向筋板上凸出的第二定位凸起连接，用于外磁钢的轴向定位。外固定环用于外磁钢的径向定位，外固定环的张紧力可以将外磁钢对第二定位凸起的挤压力缓冲的整个转子盘上，消除应力集中的问题。外磁钢与转子盘的连接处可用胶水填充，固化后的胶水也可以防止外磁钢活动并能减少外磁钢受到旋转方向电磁力对转子盘的冲击。

本发明的外磁钢主要由机械结构固定，辅助用胶水填充，比主要由胶水固定更可靠，安全系数更高，装配方便，生产效率更高。

优选的，外磁钢5的内侧面32上也开设有第二定位槽33，圆环筋板11的外侧面上也设置有第二定位凸起23。主要作用是通过圆环筋板外侧面上的第二定位凸起给转子盘径向上更多的空间，提高转子盘的结构强度，同时也起到一定的对外磁钢的轴向定位作用。

本发明的径向筋板13的末端设置有限位台阶34，外固定环12的内侧设置有限位槽35，限位台阶34和限位槽35配合。

外固定环与径向筋板采用过盈配合，外固定环加热后套在径向筋板的末端，使得外固定环的限位槽与径向筋板的限位台阶配合。外固定环冷却后收缩，与径向筋板形成过盈配合，同时胶水还起到辅助固定外固定环的作用。本发明采用过盈配合与胶水固封的方式固定外固定环，而不采用螺钉固定的方式。由于径向筋板的末端的空间极其有限，采用螺钉固定很难实现，并且螺钉是铁磁材料，会影响磁场的正弦性，产生谐波。本发明的固定方式简单方便，容易实现，不会对磁场产生影响。

本发明的内磁钢和外磁钢的形状均为扇环形，内磁钢和外磁钢的厚度均与转子盘的厚度相同。

本发明不限制第一定位槽、第二定位槽、第一定位凸起和第二定位凸起的结构，优选的，第一定位槽和第二定位槽均为V形槽，第一定位凸起和第二定位凸起均为V形棱边凸起。

本发明中转子盘在安装内外磁钢的位置处设有凸起的棱边(第一定位凸起和第二定位凸起)，这些棱边与V型槽配合，以此固定内外磁钢。并在内磁钢安装位置处设计了定位台阶，用额外的盘状结构(转子轴或圆环形零件)压住定位台阶。内外磁钢完全固定完成后用胶水补充缝隙，用来作为辅助固定。

具体的，内磁钢和外磁钢安装到转子盘上的过程如下：

1、将外磁钢从外侧插进第二组安装位，使得第二定位槽与第二定位凸起配合。

2、将加热后的外固定环套在径向筋板的末端，使得外固定环的限位槽与径向筋板的限位台阶配合。外固定环冷却后收缩，与径向筋板形成过盈配合。如此，完成外磁钢的定位。

3、将内磁钢从转子盘的前侧面斜向外侧插进第一组安装位，使得第一定位槽与第一定位凸起配合，定位台阶的后侧面与凹槽配合。

4、在内磁钢和外磁钢与转子盘的接触处涂胶水。

5、使用两个平面工装将转子盘和磁钢一起夹紧，找平磁钢的平面度，加热使得胶水固化。

6、组装整个电机时，通过转子轴或者安装在转子轴上的圆环形零件将定位台阶的前侧面压紧。如此，完成内磁钢的定位。

本发明的转子盘采用上述结构和组装方式后，具有以下优点：

1)内磁钢和外磁钢主要由机械结构固定，辅助用胶水填充固定，在工业生产中也会更快、更准确的定位磁钢的位置，转子盘组装更容易实现。

2)在电机运行的过程中即使胶水脱落也不会影响内磁钢、外磁钢与转子盘的相对位置，更不会造成扫膛等电机事故，提高了电机的安全系数。

3)在保证每块磁钢能提供的磁通量的情况下，V形棱边凸起可以留给转子盘径向上更多的空间，提高转子盘的结构强度。

4)安装时V型槽与转子盘结合面通过挤压配合，无需多余的工装，用两个可以保证平面的工装就能很好定位内外磁钢的平面度。

5)在有限的空间上，内外磁钢与转子盘的厚度是一样的，比起贴在钢板上的转子结构存在较大的优势：减少了转子组件的厚度；增加了磁钢能提供的磁能，使永磁体磁钢不容易退磁；减小了漏磁；转子盘的铝合金的非导磁材料环绕在磁钢周围，增加了阻尼系数，让电机有了一定的异步起动能力。

6)本发明组装出来的转子盘装配可以做到较好的平面度，转子盘组装到转子轴上也能很好的保证垂直度。

本发明中，相邻两个内磁钢的磁极方向可以相同也可以相反，相邻两个外磁钢的磁极方向可以相同也可以相反，这与定子组件的绕线方式有关。优选的，相邻两个内磁钢的磁极方向相反，相邻两个外磁钢的磁极方向相反。

作为本发明的一种改进，如图11、12所示，U型磁芯6由硅钢片叠压成，U型磁芯6的外侧端面9上设置有由软磁复合材料制成的极靴36，极靴36的端面的形状和面积与外磁钢5相适应，U型磁芯6的内侧端面8的形状和面积与内磁钢4相适应。本发明所述的相适应是指形状和面积大小基本相同。

由前述，本发明通过互相独立的U型的定子单元解决了公共的定子轭部的问题，但是还存在以下问题：

现有定子多为硅钢片一种材料作为铁芯，对于一些特殊的结构，硅钢片的叠片形式很难制作，甚至是做不出来，本发明的U型的定子单元就遇到了这样的问题。

由于外磁钢是一个大的扇环面，内磁钢是一个小的扇环面，外磁钢的面积大于内磁钢的面积，为使得定子单元与内磁钢和外磁钢配合，U型磁芯的外侧端面最好为大的扇环形，内侧端面最好为小的扇环形(也可以不是扇环形，只要其面积能够覆盖内磁钢即可)，即U型磁芯的外侧端面的面积应该大于内侧端面的面积。但是，由于硅钢片只能二维导磁的特性，由硅钢片叠片形式制作不出来外侧端面(大扇环形)面积大于内侧端面面积的U型磁芯。

为解决这一问题，本发明在由硅钢片叠片形式的U型磁芯的外侧端面上设置由SMC制成的极靴，极靴的形状与面积大小与外磁钢相适应，大于U型磁芯的外侧端面的面积。SMC具有三维导磁的特性，可以压制成任意的形状，因此较大面积的SMC与外磁钢配合，利用其三维导磁特性将外磁钢的磁力线收集并收束到U型磁芯上。

SMC具有三维导磁的特性，可以压制成任意的形状，理论上也可以全部使用SMC制作本发明的定子单元，但是SMC的导磁性能没有硅钢片好，全部使用SMC会导致磁密度过低，很难胜任电机的需求。因此本发明不是全部使用SMC制作定子单元，而是使用硅钢片制作U型磁芯，利用硅钢片的高导磁性，使用SMC制作极靴，利用SMC的三维导磁性收集磁力线。一般定子极靴中的磁密要小于其他定子导磁部位，所以本发明中用到的SMC极靴即使导磁性能没有硅钢片好，也完全能够胜任。

因此，本发明的定子单元的结构充分利用硅钢片的高导磁性和SMC的三维导磁性，解决了径向方向的面积变化的问题，使定子单元在径向方向可以存在两个不同面积的端面，对准转子的不同面积的内外磁钢。

本发明中，线圈绕组7与U型磁芯6之间需要做绝缘处理，因此，在U型磁芯6与线圈绕组7接触的位置处设置有绝缘层，优选的，U型磁芯6与线圈绕组7接触到的位置均用绝缘包裹。本发明先将漆包线绕制成线圈绕组，固定成型后，再将线圈绕组套在包有绝缘层的U型磁芯上。

极靴36与线圈绕组7也不能接触，因此，在极靴36与线圈绕组7之间设置有绝缘层。

为固定U型磁芯6和极靴36，U型磁芯6的外侧端面9上设置有定位凸起37，极靴36上设置有定位口38，定位口38套在定位凸起37上，极靴36通过胶水与U型磁芯6的外侧端面9固定。这种定位和固定方式简单方便。定位凸起37和定位口38的形状均优选为矩形。

当然，SMC极靴也可以做成整块，没有定位口，可以用胶水直接贴在U型磁芯上。

为了不妨碍定子组件内圆中安装制动器、编码器、旋转变压器等设备，线圈绕组7设置在U型磁芯6的外侧的臂上。

极靴36可根据外磁钢5的形状和大小调整尺寸，极靴36的形状优选为扇环形，与外磁钢5的形状配合。

本发明U型磁芯6的部分或全部棱边39倒角，尤其是安装线圈绕组7的部分，倒角可以防止划伤线圈绕组7。

前定子组件和后定子组件中，各个定子单元的线圈绕组可根据设计要求分为正向绕法和反向绕法，即顺时针绕制和逆时针绕制。

作为本发明的另一种改进，如图22所示，第一支撑结构包括第一环形安装板43和第二环形安装板44，第一环形安装板43上开设有一圈第一定位孔45和一圈第二定位孔46，第二环形安装板44上开设有一圈第三定位孔47。

前定子组件200的定子单元400的外侧端面(也就是定子单元400的外侧磁极，也是U型磁芯6的外侧端面9)安装在第一定位孔45内，定子单元的外侧端面9包括SMC极靴36时，SMC极靴36一并安装在第一定位孔45内。前定子组件200的定子单元400的内侧端面(也就是定子单元的内侧磁极，也是U型磁芯6的内侧端面8)安装在第二定位孔46内。前定子组件200的定子单元400的轭部48安装在第三定位孔47内。

然后在第一环形安装板43和第二环形安装板44之间灌胶固封，并留出前定子组件的内圆。即灌胶固封时，只灌胶固封定子单元的部分，多个定子单元形成的内部内圆处不灌胶。最后将第一环形安装板43和第二环形安装板44装配在机壳上，完成前定子组件的各个定子单元的安装和定位。

本发明通过第一环形安装板对前定子组件的定子单元的两个磁极进行固定支撑，通过第二环形安装板对前定子组件的定子单元的轭部进行固定支撑，并通过灌胶的方式进行固封，能够很好地固定支撑前定子组件，并保证每个定子单元的装配精度。

如图23所示，本发明的机壳包括后机壳49，第二支撑结构包括第三环形安装板50和此后机壳49，第三环形安装板50上开设有一圈第四定位孔51和一圈第五定位孔52，后机壳49上开设有一圈第六定位孔53。

后定子组件300的定子单元400的外侧端面(也就是定子单元的外侧磁极，也是U型磁芯6的外侧端面9)安装在第四定位孔51内，定子单元400的外侧端面9包括SMC极靴36时，SMC极靴36一并安装在第四定位孔51内。后定子组件300的定子单元400的内侧端面(也就是定子单元的内侧磁极，也是U型磁芯6的内侧端面8)安装在第五定位孔52内。后定子组件300的定子单元400的轭部48安装在第六定位孔53内。

然后在第三环形安装板50和后机壳49之间灌胶固封，并留出后定子组件的内圆。即灌胶固封时，只灌胶固封定子单元的部分，多个定子单元形成的内部内圆处不灌胶。最后将第三环形安装板50装配在后机壳49上，完成后定子组件的各个定子单元的安装和定位。

本发明通过第三环形安装板对后定子组件的定子单元的两个磁极进行固定支撑，通过后机壳对后定子组件的定子单元的轭部进行固定支撑，并通过灌胶的方式进行固封，能够很好地固定支撑后定子组件，充分利用机壳的结构，并保证每个定子单元的装配精度。

前述的第一定位孔至第五定位孔优选为通孔，第六定位孔优选为沉孔。

本发明的轴向磁场电机还包括制动器58、编码器和/或旋转变压器，其中，制动器设置在前定子组件的内圆中，编码器和/或旋转变压器设置在后机壳上，前定子组件的内圆和后定子组件的内圆中还可以设置轴承等，充分利用定子组件的内圆空间，大大减少电机的轴向长度。

机壳500除了包括后机壳49外还包括前端盖54和前机壳55，后机壳49和前机壳55的连接处设置有止口结构，后机壳和前机壳通过螺栓56固定，前端盖54和前机壳55的连接处设置有止口结构，前端盖54和前机壳55通过螺钉57固定。前端盖、后机壳和前机壳采用止口结构与螺栓、螺钉固定的方式进行连接，其定位精度高。尤其是后机壳与前机壳的连接可以保证前定子组件和后定子组件的固定连接精度。

本发明在安装前定子组件和后定子组件时，定子组件和后定子组件在圆周方向上偏转一定角度。例如前定子组件保持原位置，后定子组件沿圆周方向旋转一定角度，从而达到斜槽的效果，用以削弱电机齿槽转矩，降低电机转矩脉动。

本发明的轴向磁场电机为单转子双定子轴向磁场电机，尤其适用于伺服电机。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种轴向磁场电机，其特征在于，包括机壳，所述机壳内设置有转子组件、前定子组件和后定子组件，所述前定子组件和后定子组件分别设置在转子组件的前侧面和后侧面，其中：

所述转子组件包括转子盘和转子轴，所述转子盘与转子轴连接，所述转子盘上设置有多个磁钢组件，每个磁钢组件包括设置在转子盘内侧的内磁钢和设置在转子盘外侧的外磁钢，所述内磁钢和外磁钢分别在转子盘上排列成环形，同一个磁钢组件的内磁钢和外磁钢的中心位于转子盘的同一个半径上，同一个磁钢组件的内磁钢和外磁钢的磁极方向相反；

所述前定子组件和后定子组件均包括多个成环形排列的定子单元，所述前定子组件的定子单元通过第一支撑结构支撑固定，所述后定子组件的定子单元通过第二支撑结构支撑固定，所述定子单元包括U型磁芯，所述U型磁芯的内侧端面对准内磁钢的环形，所述U型磁芯的外侧端面对准外磁钢的环形，所述U型磁芯上设置有线圈绕组；

所述转子盘包括内支撑环、圆环筋板、外固定环和多个径向筋板，多个径向筋板设置在内支撑环上并向外侧延伸，所述外固定环设置在所述径向筋板的末端，所述圆环筋板设置在内支撑环和外固定环之间并与所有径向筋板连接；

所述内支撑环、圆环筋板和多个径向筋板形成第一组安装位，所述内磁钢安装在第一组安装位上；所述外固定环、圆环筋板和多个径向筋板形成第二组安装位，所述外磁钢安装在第二组安装位上；

所述内磁钢的外侧面上开设有第一定位槽，所述内磁钢的内侧面上设置有定位台阶，所述定位台阶的前侧面与内磁钢的前侧面形成台阶状，所述定位台阶的后侧面与内磁钢的后侧面形成台阶状；

所述圆环筋板的内侧面上设置有第一定位凸起，所述内支撑环的前侧面上位于内支撑环的外侧面处开设有凹槽；所述第一定位槽与第一定位凸起配合，所述定位台阶的后侧面与所述凹槽配合，所述内磁钢与转子盘的连接处通过胶水填充，转子轴或者安装在转子轴上的圆环形零件将定位台阶的前侧面压紧；

所述外磁钢的左侧面和右侧面上开设有第二定位槽，所述径向筋板位于圆环筋板外侧的部分上设置有第二定位凸起，所述外磁钢从外侧插进所述第二组安装位，所述第二定位槽与所述第二定位凸起配合，所述外固定环套在所述径向筋板的末端，所述外磁钢与转子盘的连接处通过胶水填充；

所述径向筋板的末端设置有限位台阶，所述外固定环的内侧设置有限位槽，所述限位台阶和限位槽配合。

2.根据权利要求1所述的轴向磁场电机，其特征在于，所述U型磁芯由硅钢片叠压成，所述U型磁芯的外侧端面上设置有由软磁复合材料制成的极靴，所述极靴的端面的形状和面积与外磁钢相适应，所述U型磁芯的内侧端面的形状和面积与内磁钢相适应。

3.根据权利要求2所述的轴向磁场电机，其特征在于，所述第一支撑结构包括第一环形安装板和第二环形安装板，所述第一环形安装板上开设有一圈第一定位孔和一圈第二定位孔，所述第二环形安装板上开设有一圈第三定位孔；前定子组件的定子单元的外侧端面安装在第一定位孔内，前定子组件的定子单元的内侧端面安装在第二定位孔内，前定子组件的定子单元的轭部安装在第三定位孔内，所述第一环形安装板和第二环形安装板之间灌胶固封，并留出前定子组件的内圆，所述第一环形安装板和第二环形安装板装配在机壳上。

4.根据权利要求3所述的轴向磁场电机，其特征在于，所述机壳包括后机壳，所述第二支撑结构包括第三环形安装板和所述后机壳，所述第三环形安装板上开设有一圈第四定位孔和一圈第五定位孔，所述后机壳上开设有一圈第六定位孔；所述后定子组件的定子单元的外侧端面安装在第四定位孔内，所述后定子组件的定子单元的内侧端面安装在第五定位孔内，所述后定子组件的定子单元的轭部安装在第六定位孔内，所述第三环形安装板和后机壳之间灌胶固封，并留出后定子组件的内圆，所述第三环形安装板装配在后机壳上。

5.根据权利要求4所述的轴向磁场电机，其特征在于，所述前定子组件的内圆中设置有制动器，所述后机壳上设置有编码器和/或旋转变压器。

6.根据权利要求4所述的轴向磁场电机，其特征在于，前定子组件和后定子组件在圆周方向上偏转一定角度。

7.根据权利要求2所述的轴向磁场电机，其特征在于，所述U型磁芯与线圈绕组接触的位置处设置有绝缘层，所述极靴与线圈绕组之间设置有绝缘层；所述U型磁芯的外侧端面上设置有定位凸台，所述极靴上设置有定位口，所述定位口套在定位凸台上，所述极靴通过胶水与U型磁芯的外侧端面固定。

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