CN112510946A - 航空航天领域用高功率密度轴横向磁通外转子永磁电机 - Google Patents

航空航天领域用高功率密度轴横向磁通外转子永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种航空航天领域用高功率密度轴横向磁通外转子永磁电机，所述轴横向磁通外转子永磁电机包括轴横向磁通复合外转子、“凹”字形铁芯复合内定子和气隙，其中：轴横向磁通复合外转子包括轴向磁路转子和横向磁路转子；轴向磁路转子对称分布于“凹”字形铁芯复合内定子两侧；横向磁路转子沿外圆周分布且位于“凹”字形铁芯复合内定子外侧；“凹”字形铁芯复合内定子包括复合式定子铁芯和集中式定子绕组；复合式定子铁芯由多个“凹”字形铁芯拼装而成；集中式定子绕组斜跨绕过每个“凹”字形铁芯，集中式定子绕组端部与横向磁路耦合输出转矩。该电机具有体积小、重量轻等优点，可以满足航空航天等领域的性能需求。

Description

航空航天领域用高功率密度轴横向磁通外转子永磁电机
技术领域
本发明涉及一种永磁电机，具体涉及一种高功率密度的轴横向磁通外转子永磁电机。
背景技术
在磁路形式方面，轴向磁通的永磁电机具有轴向长度短、输出转矩大等优点，因而在功率密度方面具有优势；横向磁通的永磁电机磁路特殊，具有电磁负荷相互解耦、绕组安置灵活的特点。在电机结构方面，外转子电机具有转动惯量大、功率密度高的特点。因此，这几种形式的电机在对功率密度要求较高的航空航天领域都得到了广泛的应用。但随着航空航天领域对功率密度要求的进一步提高，在电机新型材料未取得重大进展的情况下，传统几种结构的永磁电机已逐渐难以满足更高功率密度的应用需求。在此背景下，将轴向磁通和横向磁通的磁路形式以及外转子的结构形式进行结合，综合发挥其优势，对提高电机功率密度具有较好的前景。就目前的技术和现有产品，尚无一种高功率密度的轴横向磁通外转子的永磁电机。
发明内容
本发明的目的是通过特殊永磁磁路设计、定转子拓扑设计和特殊绕组设计，提供一种航空航天领域用高功率密度轴横向磁通外转子永磁电机。该电机不存在定子铁芯轭部，并且绕组端部与横向磁路耦合而输出功率，在功率密度方面具有较大潜力，在满足航空航天等领域对高功率密度电机的应用需求方面具有优势。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种航空航天领域用高功率密度轴横向磁通外转子永磁电机，包括轴横向磁通复合外转子、“凹”字形铁芯复合内定子和气隙，其中：
所述轴横向磁通复合外转子包括轴向磁路转子和横向磁路转子；
所述轴向磁路转子为双转子结构，双转子结构对称分布于“凹”字形铁芯复合内定子两侧，双转子结构与“凹”字形铁芯复合内定子之间构成轴向磁路气隙，“凹”字形铁芯复合内定子两侧的转子端面上分别安置有形成轴向磁路的轴向磁钢，同一转子上相邻轴向磁钢磁性相反，相对两个转子上轴向相对的轴向磁钢磁性相反；
所述横向磁路转子沿外圆周分布且位于“凹”字形铁芯复合内定子外侧，横向磁路转子与内定子之间构成横向磁路气隙，横向磁路转子上左右两侧安置有形成横向磁路的两排横向磁钢，同一排上相邻横向磁钢磁性相反，两排轴向相对的横向磁钢磁性相反，且横向磁钢极性与相近的轴向磁钢极性相同；
所述“凹”字形铁芯复合内定子包括复合式定子铁芯和集中式定子绕组；
所述复合式定子铁芯由多个“凹”字形铁芯拼装而成；
所述集中式定子绕组为节距为1的双层绕组形式，集中式定子绕组斜跨绕过每个“凹”字形铁芯，外径侧的绕组端部安置在“凹”字形铁芯的中间凹槽内，集中式定子绕组端部与横向磁路耦合输出转矩。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明设计了一种可以满足较高功率密度需求的轴横向磁通结构的永磁盘式电机，适用于航空飞行器的驱动系统。
2、电机拓扑中增加了横向磁路与定子绕组耦合，提高了电机输出功率。
3、采用了外转子无定子铁芯轭部的结构，降低了电机的重量。
4、该电机作为电动汽车或航空飞行器的驱动单元，具有体积小、重量轻等优点，可以满足航空航天等领域的性能需求。
附图说明
图1为轴横向磁通外转子永磁电机的结构示意图，(a)立体图，(b)剖视图，(c)爆炸图；
图2为轴向磁路等效示意图；
图3为轴横向磁路示意图；
图4为通电运行输出转矩。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种航空航天领域用高功率密度轴横向磁通外转子永磁电机，如图1所示，所述轴横向磁通外转子永磁电机包括轴横向磁通复合外转子、“凹”字形铁芯复合内定子和气隙，其中：
所述轴横向磁通复合外转子包括轴向磁路转子1和横向磁路转子2；
所述轴向磁路转子1为双转子结构，双转子结构对称分布于“凹”字形铁芯复合内定子两侧，双转子结构与“凹”字形铁芯复合内定子之间构成轴向磁路气隙，“凹”字形铁芯复合内定子两侧的转子端面上分别安置有形成轴向磁路的轴向磁钢3，同一转子上相邻轴向磁钢3磁性相反，相对两个转子上轴向相对的轴向磁钢3磁性相反；
所述横向磁路转子2沿外圆周分布且位于“凹”字形铁芯复合内定子外侧，横向磁路转子2与内定子之间构成横向磁路气隙，横向磁路转子2上左右两侧安置有形成横向磁路的两排横向磁钢4，同一排上相邻横向磁钢4磁性相反，两排轴向相对的横向磁钢4磁性相反，且横向磁钢4极性与相近的轴向磁钢3极性相同；
所述“凹”字形铁芯复合内定子包括复合式定子铁芯和集中式定子绕组5；
所述复合式定子铁芯由多个“凹”字形铁芯6拼装而成，“凹”字形铁芯5的数量由定子齿数决定，每个“凹”字形铁芯6等同于一个定子齿，所有“凹”字形铁芯6由轻质材料的支撑结构连接而成，复合式定子铁芯不存在轭部；
所述集中式定子绕组5为节距为1的双层绕组形式，集中式定子绕组5斜跨绕过每个“凹”字形铁芯6，外径侧的绕组端部安置在“凹”字形铁芯6的中间凹槽内，集中式定子绕组5端部与横向磁路耦合输出转矩，从而提高电机整体输出转矩和功率密度。
通常，轴向磁路可以等效成二维平面进行分析，等效后的轴向磁路示意图如图2所示。由图2可知，轴向磁路的主磁通从左侧横向磁路转子2的N极出发，经过气隙、“凹”字形铁芯6、气隙到达右侧横向磁路转子2的S极。主磁通横穿整个定子齿，省却了定子铁芯轭部，降低了电机重量。集中式定子绕组5的节距为1，斜跨过定子齿。当绕组中通入电流后，定子槽内的绕组有效长度部分，在轴向磁场的作用下产生安培力，形成旋转转矩。
选取图1结构示意图的剖视图，可以作为轴横向混合磁路示意图，如图3所示。由图3可知，横向磁路的主磁通由横向磁路转子2左侧的N极出发，经过气隙、“凹”字形铁芯6、气隙回到横向磁路转子2右侧的S极。当集中式定子绕组5通入电流后，“凹”字形铁芯6凹槽内的绕组端部，在横向磁场的作用下产生安培力，形成旋转转矩。最终，轴向磁路和横向磁路产生的转矩合成为电机输出转矩。
值得注意的是，横向磁路和轴向磁路相近的磁钢需要磁性相同，否则会形成磁路短路，使电机无法产生输出转矩。
本发明适用于航空航天领域的飞行器小型驱动系统，功率一般不小于40kW，最高转速一般不超过8000rpm，功率密度要求不低于3kW/kg。
本发明中，为了防止磁路短路，支撑“凹”字形铁芯6的轻质材料部件须采用不导磁材料。
本发明中，轴横向磁通外转子永磁电机的运行原理如下：
主体是都是通过定子上的三相绕组通以对称三相电流产生旋转磁势，与转子永磁产生的磁势相互作用，从而实现转子的同步运动并输出转矩。特别之处在于电机中增加了横向磁路与定子三相绕组的端部耦合，提高了输出转矩和功率密度。
实施例：
本实施例所设计的轴横向磁通结构的永磁盘式电机最大尺寸直径为200mm，径向长度为80mm，定转子铁心之间气隙为1mm。在6000rpm时，电机额定输出转矩高于70Nm，输出功率达到45kW，电机核心重量约为11kg，功率密度约为4.1kW/kg。相比于同等尺寸的传统轴向磁通盘式电机，输出功率提高40％以上，功率密度提高了30％以上，达到了预期的设计效果。通电运行时的电机输出转矩如图4所示。

Claims (5)

1.一种航空航天领域用高功率密度轴横向磁通外转子永磁电机，其特征在于所述轴横向磁通外转子永磁电机包括轴横向磁通复合外转子、“凹”字形铁芯复合内定子和气隙，其中：
所述轴横向磁通复合外转子包括轴向磁路转子和横向磁路转子；
所述轴向磁路转子为双转子结构，双转子结构对称分布于“凹”字形铁芯复合内定子两侧，双转子结构与“凹”字形铁芯复合内定子之间构成轴向磁路气隙，“凹”字形铁芯复合内定子两侧的转子端面上分别安置有形成轴向磁路的轴向磁钢，同一转子上相邻轴向磁钢磁性相反，相对两个转子上轴向相对的轴向磁钢磁性相反；
所述横向磁路转子沿外圆周分布且位于“凹”字形铁芯复合内定子外侧，横向磁路转子与内定子之间构成横向磁路气隙，横向磁路转子上左右两侧安置有形成横向磁路的两排横向磁钢，同一排上相邻横向磁钢磁性相反，两排轴向相对的横向磁钢磁性相反，且横向磁钢极性与相近的轴向磁钢极性相同；
所述“凹”字形铁芯复合内定子包括复合式定子铁芯和集中式定子绕组；
所述复合式定子铁芯由多个“凹”字形铁芯拼装而成；
所述集中式定子绕组为双层绕组形式，集中式定子绕组斜跨绕过每个“凹”字形铁芯，外径侧的绕组端部安置在“凹”字形铁芯的中间凹槽内，集中式定子绕组端部与横向磁路耦合输出转矩。
2.根据权利要求1所述的航空航天领域用高功率密度轴横向磁通外转子永磁电机，其特征在于所述轴横向磁通外转子永磁电机的功率不小于40kW，最高转速不超过8000rpm，功率密度不低于3kW/kg。
3.根据权利要求1所述的航空航天领域用高功率密度轴横向磁通外转子永磁电机，其特征在于所述“凹”字形铁芯由轻质材料的支撑结构连接而成。
4.根据权利要求1所述的航空航天领域用高功率密度轴横向磁通外转子永磁电机，其特征在于所述轻质材料采用不导磁材料。
5.根据权利要求1所述的航空航天领域用高功率密度轴横向磁通外转子永磁电机，其特征在于所述集中式定子绕组的节距为1。
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