CN112688453A - 一种端部绕组磁通电机 - Google Patents

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张何
施博闻
克里斯·吉拉德
李静
张晓晨
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Abstract

本发明公开了一种端部绕组磁通电机，用以轴向连接在传统电机的端部，传统电机的定子绕组包含凸出于定子端部的端部绕组，该端部绕组磁通电机包括端部延伸件、转子轭和磁钢；端部延伸件的一端与所述定子连接，端部绕组绕设在端部延伸件上，以使得所述端部延伸件与定子共用一个绕组；转子轭设在端部延伸件远离定子的一端，且转子轭和转子与同一电机轴相连；磁钢设在端部延伸件与转子轭之间，且磁钢与所述转子轭相连，磁钢与所述端部延伸件之间留有间隙。本发明公开的一种端部绕组磁通电机，通过该模式利用了电机的端部绕组，提高了电机的功率密度，提高了端部绕组的散热能力，增加了电机的“转矩电流比”。

Description

一种端部绕组磁通电机
技术领域
本发明涉及电机领域，具体地说是一种端部绕组磁通电机。
背景技术
电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。电机的转子一般套放在定子中，通过定子与转子的相对转动实现电磁转换。考虑一种常见的情况，圆筒形定子绕有定子绕组；圆柱形转子套放在定子中，长度与定子相近；定子绕组处于定子端部的部分称为端部绕组。端部绕组突出于定子端部，并且形状弯曲，在主磁场中不承担任何作用，且会产生额外铜损，漏感，造成工作效率的浪费，同时，工作中端部绕组的工作温度要比本体高。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明提出了一种端部绕组磁通电机，通过该模式利用了电机的端部绕组，提高了电机的功率密度，提高了端部绕组的散热能力，增加了电机的“转矩电流比”。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：提供一种端部绕组磁通电机，用以轴向连接在传统电机的端部，所述传统电机包括定子和转子，所述转子插装在所述定子中；所述定子上安装有定子绕组，所述定子绕组包含凸出于定子端部的端部绕组，所述端部绕组磁通电机包括端部延伸件、转子轭和磁钢；所述端部延伸件的一端与所述定子连接，所述端部绕组绕设在端部延伸件上，以使得所述端部延伸件与定子共用一个绕组；所述转子轭设在端部延伸件远离定子的一端，且所述转子轭和转子与同一电机轴相连；所述磁钢设在端部延伸件与转子轭之间，且所述磁钢与所述转子轭相连，所述磁钢与所述端部延伸件之间留有间隙。
采用以上结构后，本发明的结构与现有技术相比具有以下优点：
在端部绕组磁通电机中，可以将端部绕组磁通电机作为传统电机的延伸，端部绕组磁通作为新的定子，端部绕组作为新的定子绕组，转子轭作为新的转子，磁钢作为新的转子磁钢，每一组端部绕组磁通-磁钢-转子轭-磁钢-端部绕组磁通构成一个电机中的磁回路，整体构成一个新的电机，又充分利用了传统电机中未能被充分利用的端部绕组，以此提高电机的功率密度和增加电机的转矩电流比。
作为改进的，所述端部延伸件近所述定子的一端设有通孔或开口，所述端部绕组通过通孔或开口绕设在所述端部延伸件上，且该端部延伸件伸出于定子的一端高于所述端部绕组凸出于定子的高度。此改进结构使得端部绕组与端部延伸件连接后结构更加的紧凑、牢固，性能更加的稳定。
作为一种实施例结构，所述端部延伸件包括若干L型齿和磁导环，若干所述L型齿沿着定子周向均布排列，所述端部绕组绕设在各个相邻L型齿构成的间隙中，且所述L型齿的水平段沿径向穿设在所述端部绕组中，所述L型齿的竖直段围设在所述端部绕组的外侧；所述磁导环套设在所述转子上，且所述磁导环与L型齿的水平段相平齐。
再改进的，所述L型齿远离定子的一端设有朝着转子中心轴方向延伸的凸出部；所述磁钢设置在所述凸出部与所述转子轭之间。此改进结构中设置的凸出部可以使L型齿正对更大面积的磁钢，导通更多的磁感线，由此来达到磁路的合理分布，并且该凸出部还能起到减少端部绕组磁力泄露的作用。
优选的，所述的磁钢包括若干扇环形磁块，若干所述磁块绕着定子轴线方向圆周排列成环形结构。
再改进的，所述端部延伸件近定子的一端与定子端面之间以及所述磁导环与转子端面之间均设有环状的隔磁层。此改进机构中设置的隔磁层可以起到减少漏磁现象，保证磁力的稳定。
作为另一种实施例结构，所述端部延伸件包括若干U型齿，若干所述U型齿沿着定子周向均布排列，所述U型齿的水平底边沿定子径向连接在定子的端部，所述U型齿的两条竖边沿定子轴向设置；所述端部绕组绕设在各相邻U型齿构成的间隙中。
优选的，所述磁钢包括两个分别与U型齿两条竖边的端部对应的磁环，每个所述的磁环均包括若干绕着定子轴线方向圆周排列的扇环形磁块。
再改进的，所述端部延伸件近定子的一端与定子之间设有环状的隔磁层。
再改进的，每个所述的扇环形磁块包括多个小磁体，多个所述小磁体沿其径向分层依次贴合连接在一起，每相邻的两个小磁体沿周向朝着同一个方向等角度错位设置。
上述具体的改进结构所产生的相应的技术效果，在具体实施方式中作具体说明。
附图说明
图1是本发明的端部绕组磁通电机实施例一的结构示意图。
图2是本发明的端部绕组磁通电机实施例一的另一状态结构示意图。
图3是本发明的端部绕组磁通电机实施例结构中的L型齿的结构图。
图4是本发明的端部绕组磁通电机的实施例二的结构示意图。
图5是本发明的端部绕组磁通电机的实施例一的剖视结构简图。
图6是本发明的端部绕组磁通电机的实施例二的剖视结构简图。
图7是本发明中的扇环形磁块的小磁体偏斜结构简图。
图8是本发明中的扇环形磁块的小磁体偏斜结构正视图。
图9是本发明中端部绕组磁通电机实施例三结构中齿槽转矩与小磁体偏斜角度的关系图。
图10是本发明中端部绕组磁通电机实施例三结构中转矩脉动小磁体偏斜角度的关系图。
图11是本发明中端部绕组磁通电机实施例三结构中电压波形图与是否存在偏斜角的关系图。
其中，01-传统电机；
1-定子，2-端部绕组，3a-U型齿，3b-L型齿，4-转子轭，5-磁钢，5.1-扇环形磁块，5.1.1-小磁体，6-磁导环，7-转子，8-凸出部，9-隔磁层
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心轴”、“端部”、“端面”、“底边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
基础实施例：
本发明公开了一种端部绕组磁通电机，用以轴向连接在传统电机01的端部，并且该端部绕组磁通电机与传统电机01公用一个电机轴，以使得该传统电机01与端部绕组磁通电机变成一个全新的电机，在不增加额外绕组的情况下，提升电机性能。
此结构中，传统电机01包括定子1和转子7，并且转子7插装在所述定子1中；定子 1上安装有定子绕组，该定子绕组包括端部绕组2，即整个定子绕组中凸出于定子1端部的部分。
具体的，端部绕组磁通电机包括端部延伸件、转子轭4和磁钢5；其中端部延伸件的一端与定子1连接，至于端部延伸件与定子的连接方式可以是粘结也可以是铆接、螺接灯连接形式，只要能够实现端部延伸件的一端与定子1的端部固定连接在一起即可。并且，端部绕组2绕设在端部延伸件上，以使得该端部延伸件与定子1共用一个绕组，不需要额外增加新的绕组，使得结构更加简单。转子轭4设在端部延伸件远离定子1的一端，且转子轭4和转子7与同一电机轴02相连；磁钢5设在端部延伸件与转子轭4之间，且磁钢5 与所述转子轭4相连，磁钢5与所述端部延伸件之间留有间隙，工作时连接电机轴的转子轭4带动磁钢5与端部延伸件发生相对转动，从而实现电磁转换。
上述结构中，可以将端部绕组磁通电机作为传统电机01的延伸，端部绕组磁通作为新的定子，端部绕组作为新的定子绕组，转子轭作为新的转子，磁钢作为新的转子磁钢，每一组端部绕组磁通-磁钢-转子轭-磁钢-端部绕组磁通构成一个电机中的磁回路，整体构成一个新的电机，又充分利用了传统电机中未能被充分利用的端部绕组，以此提高电机的功率密度和增加电机的转矩电流比。
上述结构中，进一步的，端部延伸件近所述定子1的一端设有通孔或开口(图中未示出)，端部绕组2通过通孔或开口绕设在端部延伸件上，且该端部延伸件伸出于定子的一端高于所述端部绕组2凸出于定子1的高度，保证端部绕组2绕设穿过端部延伸件后的限位稳定性。
当该端部延伸件上开设通孔时，那么在缠绕定子绕组时，端部绕组部分就是穿过端部延伸件的通孔后，然后回绕设置，使得端部绕组与端部延伸件连接成一体结构。
当该端部延伸件上设置开口时，在缠绕定子绕组时，涉及到端部绕组部分就是限位绕设在端部延伸件的开口中，保证两部分结构的定位稳定。
文中术语“端部延伸件”是指在传统电机定子1的基础，在定子1端部延伸出去的部分，作用是包纳端部绕组2，端部延伸件形状没有特别规定，但应满足以下几个条件：一，沿定子1轴向的长度高于端部绕组2突出于定子1的高度；二，能够参与构成磁回路，如与磁钢5、转子轭4一同构成磁回路。除此之外，端部延伸件应具有较好的导磁性，本领域技术人员应当理解，具体的导磁性需根据电机中定子和转子的导磁特性选择标准进行选择。文中所述“磁导环”指包含高磁导率材料的材料制成的环，如钢、硅钢、R4K-R15K高磁导率材料。
实施例一：
如图1、2、5所示，在基础实施例的基础上，本实施例对端部延伸件的结构做了具体展开描述；具体的，端部延伸件包括若干L型齿3b和磁导环6，若干L型齿3b沿着定子 1周向均布排列，端部绕组2绕设在各个相邻L型齿3b构成的间隙中，且L型齿3b的水平段沿径向穿设在端部绕组2中，L型齿3b的竖直段围设在端部绕组2的外侧；磁导环6 套设在转子上，并且磁导环6与L型齿3b的水平段部分相平齐。
具体的，如图3所示，在各个L型齿3b远离定子1的一端分别设有朝着转子7中心轴方向延伸的凸出部8；具体的，该凸出部8与L型齿3b为一体式结构，并且磁钢5设置在凸出部8与所述转子轭4之间。
其中，磁钢5包括若干扇环形磁块5.1，若干磁块5.1绕着定子1轴线方向圆周排列成环形结构。端部延伸件近定子1的一端与定子1端面之间以及磁导环6与转子7端面之间均设有环状的隔磁层9，以实现较少漏磁现象的发生，提高磁力稳定性。具体的，此结构中隔磁层包括两个环型的隔磁环，并且两个隔磁环分别设置在L型齿3b的水平段部分与定子1端面之间以及磁导环6余转子7的端面之间，充分保证降低磁力泄露，保持磁路稳定性。更加具体的，此结构中，每两个相邻的扇环形磁块5.1的磁极相反。
工作原理：在端部绕组磁通电机中，可以将端部绕组磁通电机作为传统电机的延伸， L型齿3b作为新的定子，端部绕组2作为新的定子绕组，转子轭4作为新的转子，磁钢5作为新的转子磁钢，参照附图5中箭头所示方向，具体的磁回路路径为：以其中一个磁块5.1为起点，经过转子轭5，到达另一个与其相邻的磁块5.1，经过一个L型定子后，到达磁导环6，然后又回到另一个与其相邻的L型定子，最后回到磁钢A，形成一个封闭的磁回路，从而使得该整体构成一个新的电机；并且此结构中充分利用了传统电机中未能被充分利用的端部绕组2，以此提高电机的功率密度和增加电机的转矩电流比。
实施例二：
在实施例一的基础上，本实施例唯一的区别就是将每个扇环形磁块5.1分成多个小磁体5.1.1，并且多个小磁体5.1.1沿其径向分层依次贴合连接在一起，每相邻的两个小磁体5.1.1沿周向朝着同一个方向等角度错位设置。
具体的，本实施例中以，三十六槽八极V型内部磁体为电机模型，额定速度设为2800rpm，额定扭矩为120Nm为例，作出仿真模拟分析。并且此结构中每一个扇环形磁块 5.1包括三个小磁体5.1.1，并且每两个相邻的小磁体5.1.1沿一定的角度偏斜设计，具体的，参照附图7、8所示，每一块小磁体5.1.1的跨度角度为α，相邻的两个小磁铁5.1.1 的机械角度偏斜角为θ；经过模拟测试后发现，当任意两个小磁铁5.1.1的机械角偏斜角θ为12.67°时，齿槽转矩扭矩脉动均达到最优值，参照附图10所示。
另外的，参照附图11可知，当三个小磁铁5.1.1之间增加偏斜之后，能够活着更加完整的正弦电压波形图。所以综上可知，将每相邻的两个小磁体5.1.1沿周向朝着同一个方向等角度错位设置后能够使得端部绕组系统电机获得更优的性能。
实施例三：
在实施例一的基础上，对端部延伸件的另一种结构形式作出以下描述：
参照附图4、6所示，端部延伸件包括若干U型齿3a，若干U型齿3a沿着定子1周向均布排列，U型齿3a的水平底边沿定子1径向连接在定子1的端部，U型齿3a的两条竖边沿定子1轴向设置；端部绕组2绕设在各相邻U型齿3a构成的间隙中。
此结构中，同样的，磁钢5包括两个分别与U型齿3a两条竖边的端部对应的磁环，每个磁环均包括若干绕着定子1轴线方向圆周排列的扇环形磁块5.1。更加具体的，每两个相邻的扇环形磁块5.1磁极相反，并且每两个沿径向内外对应的两个扇环形磁块5.1的磁极也相反。
此结构中，在端部延伸件近定子1的一端与定子1之间设有环状的隔磁层9。具体的，该隔磁层9设置在U型齿3a的水平底边与定子1的端部之间。
除此之外，此结构中还可以看出U型齿3a远离定子1轴线的一边较靠近定子1轴线更厚，由此来达到磁路的合理分布以及达到保障器件安全的效果。
工作原理：本实施例中的工作原理与实施例一基本相同，唯一的区别就是磁回路的路线有所区别，具体的，参照附图6中箭头方向，本实施例中的主磁回路路径为：以径向位于外部的磁环(外部的扇环形磁块5.1)为起点，经过转子轭5，到达内部的磁环(内部的扇环形磁块5.1)，然后经过U型齿3a，最终回到外部磁环(外部的扇环形磁块5.1)，形成一个封闭的磁回路。本实施例中，每一个U型齿3a均能构成一个磁回路。
此结构中，除了上述的主磁路路径，还会存在副磁路情况，即每一个外部的起始扇环形磁块5.1除了到达对其相对的内部的扇环形磁块5.1外，还有一部分磁力会朝着与其相邻的外部的扇环形磁块5.1传递，形成另一个副磁路路线，由于此结构中主要考虑主磁路的路径情况，所以此处不再继续展开说明。
U型齿3a的设计在另一方面还保障了端部绕组2的散热。
实施例四：
在实施例一至三任意一个实施例的基础上，在传统电机01的两端均设置相应的磁通绕组电机，其余结构大体相同，已获得更加稳定的新型电机。
工作方式：原转子、转子磁钢以及磁钢5和转子轭4构成新的转子，一同固定在电机轴上，原定子、定子绕组和端部延伸件一同构成新的定子，按照传统的电机工作方式工作。
与现有技术相比，这些实施例的有益效果是：提出了新型电机“端部绕组磁通电机”，并且把该电机与传统径向磁通电机进行电磁与机械的链接，共享一套绕组和一套轴。通过该模式利用了电机的端部绕组，提高了电机的功率密度，提高了端部绕组的散热能力，增加了电机的“转矩电流比”。
以上仅就发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种端部绕组磁通电机，用以轴向连接在传统电机(01)的端部，所述传统电机(01)包括定子(1)和转子(7)，所述转子(7)插装在所述定子(1)中；所述定子(1)上安装有定子绕组，所述定子绕组包含凸出于定子(1)端部的端部绕组(2)，其特征在于：所述端部绕组磁通电机包括端部延伸件、转子轭(4)和磁钢(5)；所述端部延伸件的一端与所述定子(1)连接，所述端部绕组(2)绕设在端部延伸件上，以使得所述端部延伸件与定子(1)共用一个绕组；所述转子轭(4)设在端部延伸件远离定子(1)的一端，且所述转子轭(4)和转子(7)与同一电机轴(02)相连；所述磁钢(5)设在端部延伸件与转子轭(4)之间，且所述磁钢(5)与所述转子轭(4)相连，所述磁钢(5)与所述端部延伸件之间留有间隙。
2.根据权利要求1所述的端部绕组磁通电机，其特征在于：所述端部延伸件近所述定子(1)的一端设有通孔或开口，所述端部绕组(2)通过通孔或开口绕设在所述端部延伸件上，且该端部延伸件伸出于定子的一端高于所述端部绕组(2)凸出于定子(1)的高度。
3.根据权利要求1所述的端部绕组磁通电机，其特征在于：所述端部延伸件包括若干L型齿(3b)和磁导环(6)，若干所述L型齿(3b)沿着定子(1)周向均布排列，所述端部绕组(2)绕设在各个相邻L型齿(3b)构成的间隙中，且所述L型齿(3b)的水平段沿径向穿设在所述端部绕组(2)中，所述L型齿(3b)的竖直段围设在所述端部绕组(2)的外侧；所述磁导环(6)套设在所述转子上，且所述磁导环(6)与L型齿(3b)的水平段相平齐。
4.根据权利要求3所述的端部绕组磁通电机，其特征在于：所述L型齿(3b)远离定子(1)的一端设有朝着转子(7)中心轴方向延伸的凸出部(8)；所述磁钢(5)设置在所述凸出部(8)与所述转子轭(4)之间。
5.根据权利要求4所述的端部绕组磁通电机，其特征在于：所述的磁钢(5)包括若干扇环形磁块(5.1)，若干所述磁块(5.1)绕着定子(1)轴线方向圆周排列成环形结构。
6.根据权利要求3至5任意一项所述的端部绕组磁通电机，其特征在于：所述端部延伸件近定子(1)的一端与定子(1)端面之间以及所述磁导环(6)与转子(7)端面之间均设有环状的隔磁层(9)。
7.根据权利要求1所述的端部绕组磁通电机，其特征在于：所述端部延伸件包括若干U型齿(3a)，若干所述U型齿(3a)沿着定子(1)周向均布排列，所述U型齿(3a)的水平底边沿定子(1)径向连接在定子(1)的端部，所述U型齿(3a)的两条竖边沿定子(1)轴向设置；所述端部绕组(2)绕设在各相邻U型齿(3a)构成的间隙中。
8.根据权利要求6所述的端部绕组磁通电机，其特征在于：所述磁钢(5)包括两个分别与U型齿(3a)两条竖边的端部对应的磁环，每个所述的磁环均包括若干绕着定子(1)轴线方向圆周排列的扇环形磁块(5.1)。
9.根据权利要求1或7或8所述的端部绕组磁通电机，其特征在于：所述端部延伸件近定子(1)的一端与定子(1)之间设有环状的隔磁层(9)。
10.根据权利要求5或8所述的端部绕组磁通电机，其特征在于：每个所述的扇环形磁块(5.1)包括多个小磁体(5.1.1)，多个所述小磁体(5.1.1)沿其径向分层依次贴合连接在一起，每相邻的两个小磁体(5.1.1)沿周向朝着同一个方向等角度错位设置。
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