CN112152409A - 一种无轭定/转子铁心轴向磁通永磁电机 - Google Patents

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Abstract

一种无轭分块定/转子铁心轴向磁通永磁电机，所述的定子组件中：定子组件包括定子架、分块电枢和轴向挡块，轴向挡块设置在两个分块电枢之间的夹爪上，轴向挡块为使得分块电枢的定子铁心在轴向(AX)上与定子架不发生相对位移的结构，电机的物理气隙均匀；本发明具体优点如下：本发明电磁气隙等于物理气隙，相对于传统YASA结构轴向磁通永磁电机而言，漏抗小，交、直轴电感提高约1.5倍，能抑制电流谐波，提高电机运行性能。本发明的永磁体用量节省10%~20%；永磁体为标准的矩形，永磁体成本低。本发明的一种无轭定/转子铁心轴向磁通永磁电机的定子采用绝缘固封材料和机械结构轴向定位的双重轴向固定方式，电机机械可靠性高。

Description

一种无轭定/转子铁心轴向磁通永磁电机
技术领域
本发明属于轴向磁通永磁电机技术领域，尤其涉及宽调速范围和高可靠性的内置磁钢的无轭分块电枢轴向磁通永磁电机。
背景技术
无轭分块电枢(YASA)轴向磁通永磁电机功率密度高、效率高，其拓扑结构为双转子和单定子，其转子通常采用永磁体表贴式结构(如专利[申请号CN 201611046485.3])，结构简单，但其存在一些问题：1)电机的电磁气隙(物理气隙+永磁体厚度)大，励磁电感小、漏感大，交、直轴电感较小，不利于滤除变频器输出的电流谐波，引起永磁体涡流损耗、降低电机转矩性能、弱磁调速范围窄；2)定子轴向固定不可靠，一般都采用树脂类绝缘材料将定子各零部件固封为一体(如专利[申请号CN 201780042882.X和专利[申请号CN201611046485.3]等)，当电机温升过高时，树脂类绝缘材料会发生软化，会发生定子零部件松脱现象；3)异形(扇形)永磁体成本高。内置磁钢轴向磁通电机电磁气隙等于物理气隙，能够提高电机的交、直轴电感和抑制电流谐波。但是，在轴向磁通永磁电机中，很难在卷绕的转子铁心内部加工出内置磁极的槽，因此在轴向磁通电机中较少有采用内置磁钢的转子结构。
为了实现电机的电磁气隙等于物理气隙，专利(申请号CN201810319634.1)提到一种聚磁式轴向磁通电机，其转子外层采用切向充磁磁钢，两块磁钢间夹有铁心，但是，该专利的电机是双定子和单转子拓扑结构，定、转子的设计方法和制造工艺与无轭分块电枢(YASA)轴向磁通永磁电机(双转子和单定子结构)差别极大，两种电机转子结构的设计方法互为借鉴的意义不大，同时，该专利也没有提到电机的工程设施方法。
因此，设计一种电磁气隙小、定子铁心轴向限位可靠的YASA结构轴向磁通永磁电机，进一步提高YASA结构轴向磁通永磁电机的电感和弱磁能力是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容：
发明目的：本发明提供一种小电磁气隙的轴向磁通电机，其提高了轴向磁通永磁电机的电感、改善电机的弱磁能力和提高电机运行性能；目的是解决传统YASA结构轴向磁通永磁电机定子铁心轴向固定不可靠的问题，提高电机可靠性；解决轴向磁通永磁电机异形磁钢(一般为扇形，或带凸台的梯形)价格高的问题，降低轴向磁通永磁电机的造价，
技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：
一种无轭分块定/转子铁心轴向磁通永磁电机，所述电机由左转子盘组件(1)、右转子盘组件(2)、定子组件(3)、转筒(4)、转轴(5)和轴承(6)组成；定子组件(3)夹装于左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)之间，定子组件(3)与左转子盘组件(1)之间以及定子组件(3)与右转子盘组件(2)间均有平面气隙，转筒(4)套在定子组件(3)外侧并将左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)连接，使左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)相对于定子组件(3)能同步转动,其特征在于：
所述的定子组件(3)中：定子组件(3)包括定子架(301)、分块电枢(302)和轴向挡块(303)，轴向挡块(303)设置在两个分块电枢(302)之间的夹爪(3011)上，轴向挡块(303)为使得分块电枢(302)的定子铁心(3021)在轴向(AX)上与定子架(301)不发生相对位移的结构，电机的物理气隙均匀；
所述的左转子盘组件(1)、右转子盘组件(2)和定子组件(3)均为没有磁轭的结构，左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)中的组合转子铁心为分块的齿状，分块电枢(302)中的定子铁心(3021)也是分块的齿状；
所述的电机电磁气隙等于物理气隙。
左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)都包含底盘(101)、组合转子铁心(102)、组合永磁体(103)、磁极固定架(104)、外压圈(105)和内压圈(106)；
组合转子铁心(102)套装在磁极固定架(104)上；组合永磁体(103)夹装在相邻组合转子铁心(102)间；底盘(101)置于组合转子铁心(102)的一侧，外压圈(105)和内压圈(106)分别压装在磁极固定架(104)的外圆周和内圆周侧，底盘(101)、磁极固定架(104)、外压圈(105)和内压圈(106)形成一个完整的转子盘组件；底盘(101)、磁极固定架(104)、外压圈(105)和内压圈(106)均为不导磁材质。
分块电枢(302)包括定子铁心(3021)和线圈(3022)，定子铁心(3021)的轴向(AX)方向的上下两端均有向两侧横向突出的、与轴向挡块(303)相配合的齿肩(30211)。
定子架(301)的夹爪(3011)的相关轴向(AX)上下两个端面上均设置有滑槽(3012)，轴向挡块(303)能在滑槽(3012)中滑动；分块电枢(302)置于两个夹爪(3011)之间的“U”型槽内，沿着夹爪(3011)轴向(AX)端面的上下两个滑槽(3012)各推入轴向挡块(303)，轴向挡块(303)的两个边顶在定子铁心(3021)的齿肩(30211)底部，实现分块电枢(302)的轴向(AX)定位。
轴向挡块(303)为不导磁材料；定子组件(3)采用绝缘固封材料进行固封，形成定子组件整体。
优点效果：
本发明具体优点如下：
1)本发明的一种无轭定/转子铁心轴向磁通永磁电机采用内置永磁体，电磁气隙等于物理气隙，相对于传统YASA结构轴向磁通永磁电机而言，漏抗小，交、直轴电感提高约1.5倍，能抑制电流谐波，提高电机运行性能。
2)本发明的一种无轭定/转子铁心轴向磁通永磁电机的永磁体用量节省10％～20％；永磁体为标准的矩形，永磁体成本低。
3)本发明的一种无轭定/转子铁心轴向磁通永磁电机的定子采用绝缘固封材料和机械结构轴向定位的双重轴向固定方式，电机机械可靠性高。
附图说明：
图1是本发明的无轭定/转子铁心轴向磁通永磁电机三维图；
图2是本发明的转子盘组件图；
图3是本发明的转子盘组件爆炸图；
图4是本发明的组合转子铁心+组合永磁体图；
图5是本发明的定子组件图；
图6是本发明的定子架图；
图7是本发明的分块电枢+轴向挡块图；
图8是本发明的定子铁心图；
图9是本发明的无轭定/转子铁心轴向磁通永磁电机气隙示意图；
图10是本发明的传统YASA结构轴向磁通永磁电机气隙示意图；
附图标记说明：
1.左转子盘组件；2.右转子盘组件；3.定子组件；4.转筒；5.转轴；6.轴承(6)；101.底盘(101)、102.组合转子铁心；103.组合永磁体；104.磁极固定架；105.内压圈；106.外压圈；107.紧固钉；301.定子架；302.分块电枢；303.轴向挡块；1021.分体转子铁心A；1022.分体转子铁心B；1023.“T”型槽；1031.永磁体A；1032.永磁体B；3011.夹爪；3012.滑槽；3021.定子铁心；3022.线圈；30211.齿肩。
图中的箭头C表示充磁方向；图中的箭头R表示径向；图中的M表示凸型槽；图中的箭头AX表示轴向；字母PA表示物理气隙；字母EA表示电磁气隙；字母PM表示永磁体；字母RY表示转子轭。
具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：
一种无轭分块定/转子铁心轴向磁通永磁电机，所述电机由左转子盘组件(1)、右转子盘组件(2)、定子组件(3)、转筒(4)、转轴(5)和轴承(6)组成；定子组件(3)夹装于左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)之间，定子组件(3)与左转子盘组件(1)之间以及定子组件(3)与右转子盘组件(2)间均有平面气隙，转筒(4)套在定子组件(3)外侧并将左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)连接，使左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)相对于定子组件(3)能同步转动,其特征在于：
所述的定子组件(3)中：定子组件(3)包括定子架(301)、分块电枢(302)和轴向挡块(303)，轴向挡块(303)设置在两个分块电枢(302)之间的夹爪(3011)上，轴向挡块(303)为使得分块电枢(302)的定子铁心(3021)在轴向(AX)上与定子架(301)不发生相对位移的结构，电机的物理气隙均匀；
所述的左转子盘组件(1)、右转子盘组件(2)和定子组件(3)均为没有磁轭的结构，左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)中的组合转子铁心为分块的齿状，分块电枢(302)中的定子铁心(3021)也是分块的齿状；
所述的电机电磁气隙等于物理气隙。
左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)都包含底盘(101)、组合转子铁心(102)、组合永磁体(103)、磁极固定架(104)、外压圈(105)和内压圈(106)；
组合转子铁心(102)套装在磁极固定架(104)上；组合永磁体(103)夹装在相邻组合转子铁心(102)间；底盘(101)置于组合转子铁心(102)的一侧，外压圈(105)和内压圈(106)分别压装在磁极固定架(104)的外圆周和内圆周侧，底盘(101)、磁极固定架(104)、外压圈(105)和内压圈(106)形成一个完整的转子盘组件；底盘(101)、磁极固定架(104)、外压圈(105)和内压圈(106)均为不导磁材质。
分块电枢(302)包括定子铁心(3021)和线圈(3022)，定子铁心(3021)的轴向(AX)方向的上下两端均有向两侧横向突出的、与轴向挡块(303)相配合的齿肩(30211)。
定子架(301)的夹爪(3011)的相关轴向(AX)上下两个端面上均设置有滑槽(3012)，轴向挡块(303)能在滑槽(3012)中滑动；分块电枢(302)置于两个夹爪(3011)之间的“U”型槽内，沿着夹爪(3011)轴向(AX)端面的上下两个滑槽(3012)各推入轴向挡块(303)，轴向挡块(303)的两个边顶在定子铁心(3021)的齿肩(30211)底部，实现分块电枢(302)的轴向(AX)定位。
轴向挡块(303)为不导磁材料；定子组件(3)采用绝缘固封材料进行固封，形成定子组件整体。
下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，一种无轭分块定/转子铁心轴向磁通永磁电机，所述电机由左转子盘组件(1)、右转子盘组件(2)、定子组件(3)、转筒(4)、转轴(5)和轴承(6)组成；定子组件(3)夹装于左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)之间，定子组件(3)与左转子盘组件(1)之间以及定子组件(3)与右转子盘组件(2)间均有平面气隙，转筒(4)套在定子组件(3)外侧并将左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)连接，使左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)相对于定子组件(3)能同步转动,
如图5、7和8所示，所述的定子组件(3)中：定子组件(3)包括定子架(301)、分块电枢(302)和轴向挡块(303)，轴向挡块(303)设置在两个分块电枢(302)之间的夹爪(3011)上，轴向挡块(303)为使得分块电枢(302)的定子铁心(3021)在轴向(AX)上与定子架(301)不发生相对位移的结构，电机的物理气隙均匀(如图9所示)；
所述的左转子盘组件(1)、右转子盘组件(2)和定子组件(3)均为没有磁轭的结构，左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)中的组合转子铁心为分块的齿状，分块电枢(302)中的定子铁心(3021)也是分块的齿状；(所提的这种电机，定、转子无需磁轭，从而实现了分块齿，可以降低电机的重量、降低电机的漏磁，降低电机的铁耗，提高电机的功率密度。)
所述的电机电磁气隙等于物理气隙。(如图9所示)所述电机的组合转子铁心(102)的一侧表面与定子铁心(3021)的表面直接相正对，两个铁心表面间的间隙是磁场能量交换的场所，该气隙称为电磁气隙，也是保证电机能够可靠旋转的物理气隙，即电机电磁气隙等于物理气隙(传统的电机(如图10)，与定子铁心(3021)相正对的是永磁体(PM)，永磁体(PM)贴在转子轭(RY)上，该种电机的物理气隙是永磁体(PM)的一侧表面与定子铁心(3021)直接相正对的表面间的间隙；而磁场能量交换的场所是转子轭(RY)一侧距离定子铁心(3021)的表面，将转子轭(RY)一侧表面与定子铁心(3021)表面间的间隙称为电磁气隙。)
如图2和3所示，左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)都包含底盘(101)、组合转子铁心(102)、组合永磁体(103)、磁极固定架(104)、外压圈(105)和内压圈(106)和紧固钉(107)组成；
组合转子铁心(102)套装在磁极固定架(104)上；组合永磁体(103)夹装在相邻组合转子铁心(102)间；底盘(101)置于组合转子铁心(102)的一侧，内压圈(105)和外压圈(106)分别压装在组合转子铁心(102)的外圆周和内圆周侧，用紧固钉(107)将底盘(101)、磁极固定架(104)、外压圈(105)和内压圈(106)形成一个完整的转子盘组件；底盘(101)、磁极固定架(104)、外压圈(105)和内压圈(106)均为不导磁材质。
如图6所示，定子架(301)的外围设置多个夹爪(3011)，多个夹爪(3011)沿定子架(301)的外圆周均匀分布，夹爪(3011)的长度方向与定子架(301)的径向方向一致(即定子架(301)与夹爪(3011)呈轮毂样的放射状)；分块电枢(302)设置在相邻的两个夹爪(3011)之间的“U”型槽内；
分块电枢(302)包括定子铁心(3021)和线圈(3022)，定子铁心(3021)的轴向(AX)方向的上下两端均有向两侧横向突出的、与轴向挡块(303)相配合的齿肩(30211)；定子铁心(3021)经过绝缘处理后，其上缠绕有线圈(3022)。
定子架(301)的夹爪(3011)的相关轴向(AX)上下两个端面上均设置有滑槽(3012)，轴向挡块(303)能在滑槽(3012)中滑动；分块电枢(302)后置于两个夹爪(3011)之间的“U”型槽内，沿着夹爪(3011)轴向(AX)端面的上下两个滑槽(3012)各推入轴向挡块(303)，轴向挡块(303)的两个边顶在定子铁心(3021)的齿肩(30211)底部(就是齿肩(30211)压住轴向挡块(303)的两个边，如图7所示)，实现分块电枢(302)的轴向(AX)定位。
轴向挡块(303)为不导磁材料；定子组件(3)采用绝缘固封材料进行固封，形成定子组件整体。
组合转子铁心(102)包括多个分体转子铁心单元，组成组合转子铁心(102)和组合永磁体(103)的子单元数量不限于两个，可以选择3，4，5，…等自然数，
转子铁心单元由硅钢片沿直径方向一层层叠压而成，分体转子铁心单元上设置有用来套装于磁极固定架(104)上的“T”型槽(1023)，；(本实施例中分体转子铁心单元包括分体转子铁心A(1021)和分体转子铁心B(1022)，)；组合转子铁心(102)沿磁极固定架(104)均布套装后，相邻组合转子铁心(102)间形成一“凸”型槽M(沿着R(径向)方向看)，“凸”型槽M内、外两个部分为标准矩形(就是两个能够容纳标准的四棱柱(也叫长方体或正方体)的空间)，“凸”型槽M用来盛放组合永磁体(103)。
组合永磁体(103)由矩形(就是长方体、正方体或者叫四棱柱)的多个永磁体单元构成，(本实施例中多个永磁体为永磁体A(1031)和永磁体B(1032))，多个永磁体单元的高度(沿轴向(AX)方向)相同，多个永磁体单元的宽度(沿充磁方向C)依次递减，构成了能够容纳进“凸”型槽M内的“凸”字型组合永磁体(103)。
当子单元数量≥2时，相邻组合转子铁心(102)间形成了阶梯型槽(从转子内径往外径方向看)，组合永磁体(103)也为阶梯型；组成组合转子铁心(102)和组合永磁体(103)的子单元数量必须相同。
该电机的电磁气隙等于物理气隙，相对于表贴式转子轴向磁通永磁电机，励磁电感大、漏感小，交、直轴电感数值提高1.3～1.8倍左右。
该电机相比传统表贴式转子结构轴向磁通电机的永磁体用量节省10％～20％。

Claims (5)

1.一种无轭分块定/转子铁心轴向磁通永磁电机，所述电机由左转子盘组件(1)、右转子盘组件(2)、定子组件(3)、转筒(4)、转轴(5)和轴承(6)组成；定子组件(3)夹装于左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)之间，定子组件(3)与左转子盘组件(1)之间以及定子组件(3)与右转子盘组件(2)间均有平面气隙，转筒(4)套在定子组件(3)外侧并将左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)连接，使左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)相对于定子组件(3)能同步转动,其特征在于：
所述的定子组件(3)中：定子组件(3)包括定子架(301)、分块电枢(302)和轴向挡块(303)，轴向挡块(303)设置在两个分块电枢(302)之间的夹爪(3011)上，轴向挡块(303)为使得分块电枢(302)的定子铁心(3021)在轴向(AX)上与定子架(301)不发生相对位移的结构，电机的物理气隙均匀；
所述的左转子盘组件(1)、右转子盘组件(2)和定子组件(3)均为没有磁轭的结构，左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)中的组合转子铁心为分块的齿状，分块电枢(302)中的定子铁心(3021)也是分块的齿状；
所述电机的组合转子铁心(102)的一侧表面与定子铁心(3021)的表面直接相正对，两个铁心表面间的间隙是磁场能量交换的场所，该气隙称为电磁气隙，也是保证电机能够可靠旋转的物理气隙，即电机电磁气隙等于物理气隙。
2.根据权利要求1所述的一种无轭分块定/转子铁心轴向磁通永磁电机，其特征在于:左转子盘组件(1)和右转子盘组件(2)都包含底盘(101)、组合转子铁心(102)、组合永磁体(103)、磁极固定架(104)、外压圈(105)和内压圈(106)；
组合转子铁心(102)套装在磁极固定架(104)上；组合永磁体(103)夹装在相邻组合转子铁心(102)间；底盘(101)置于组合转子铁心(102)的一侧，内压圈(105)和外压圈(106)分别压装在磁极固定架(104)的外圆周和内圆周侧，底盘(101)、磁极固定架(104)、外压圈(105)和内压圈(106)形成一个完整的转子盘组件；底盘(101)、磁极固定架(104)、外压圈(105)和内压圈(106)均为不导磁材质。
3.根据权利要求1所述的一种无轭分块定/转子铁心轴向磁通永磁电机，其特征在于:
分块电枢(302)包括定子铁心(3021)和线圈(3022)，定子铁心(3021)的轴向(AX)方向的上下两端均有向两侧横向突出的、与轴向挡块(303)相配合的齿肩(30211)。
4.根据权利要求3所述的一种无轭分块定/转子铁心轴向磁通永磁电机，其特征在于:
定子架(301)的夹爪(3011)的相关轴向(AX)上下两个端面上均设置有滑槽(3012)，轴向挡块(303)能在滑槽(3012)中滑动；分块电枢(302)置于两个夹爪(3011)之间的“U”型槽内，沿着夹爪(3011)轴向(AX)端面的上下两个滑槽(3012)各推入轴向挡块(303)，轴向挡块(303)的两个边顶在定子铁心(3021)的齿肩(30211)底部，实现分块电枢(302)的轴向(AX)定位。
5.根据权利要求4所述的一种无轭分块定/转子铁心轴向磁通永磁电机，其特征在于:轴向挡块(303)为不导磁材料；定子组件(3)采用绝缘固封材料进行固封，形成定子组件整体。
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