CN112688522A - 一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机设计领域，具体的是一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构，包括两个转子、一个定子以及机壳。定子包括定子铁心模块、电枢绕组、定子端盖、定子套筒、定子冷却管和分水器，定子端盖和定子套筒分别安装在定子铁心模块的两侧端。转子包括转子铁心、转子永磁体，转子铁心、转子永磁体的外端部嵌放有呈杯型的转子支撑盘，转子铁心、转子永磁体和转子支撑盘的中间位置设置有转轴。机壳包括设置在壳体端部的接线端子和进出水口，进出水口和机壳内部设置的机壳冷却管道相连通。本发明采用双转子分段模块化无轭定子铁心辅以定子、机壳组合冷却方式，可以有效缩短定转子磁通路径长度，降低铁心损耗，减轻电机质量，提高电机效率与功率密度。

Description

一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构

技术领域

本发明涉及电机设计领域，具体的是一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构。

背景技术

相比于常规径向磁场电机，轴向磁场永磁电机具有轴向长度短、转矩大与功率密度高等特点，广泛应用于新能源汽车、风力发电、电梯牵引等。传统的单转子单定子轴向磁场永磁电机通常具有较大的单边磁拉力。为了克服单边磁拉力，轴向磁场永磁电机通常设计为双边结构，即双定子中间转子结构或双转子中间定子结构。其定子可分为有齿槽、无轭、无铁心等形式。其中双转子单定子定子无轭结构近年来受到了广泛关注，因其省去了定子轭部，磁通直接轴向穿过定子与两边转子闭合，磁通路径大大缩短，电机功率密度、效率均得以提升。但齿槽转矩、温升、定子机械结构等方面限制了该电机的广泛应用。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构，从转矩脉动、热管理与热设计、机械结构等方面给出了具体方案，大大提高了电机的功率密度与宽范围运行效率。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构，包括两个转子、一个定子以及设置在定子和转子外端部的机壳，所述定子设置在两个转子之间，定子和转子同轴相连，形成两层平面气隙；

所述定子包括定子铁心模块、电枢绕组、定子端盖、定子套筒、定子冷却管和分水器，定子端盖和定子套筒分别安装在定子铁心模块的两侧端，定子冷却管和分水器安装在定子铁心模块之间，定子冷却管和分水器相连通；

所述转子包括转子铁心、转子永磁体，转子铁心、转子永磁体的外端部嵌放有呈杯型的转子支撑盘，转子铁心、转子永磁体和转子支撑盘的中间位置设置有转轴；

所述机壳包括设置在壳体端部的接线端子和进出水口，进出水口和机壳内部设置的呈螺旋状的机壳冷却管道相连通。

进一步地，所述定子铁心模块沿周向等距排列形成同等数量的定子槽，电枢绕组缠绕在定子铁心中柱上，绕组线圈形成的平面垂直于电机转轴。

进一步地，所述定子铁心模块包括中柱以及轴向两侧的齿冠，齿冠宽度大于中柱宽度且相邻定子铁心模块齿冠间形成平行的槽开口，相邻定子铁心模块中柱间形成定子平行槽，定子中柱与齿冠之间形成过渡的斜肩。

进一步地，同槽两层所述电枢绕组间形成空间用于放置定子冷却管，定子冷却管管体呈矩形且依此轴向排列形成多层排布，水道外壁紧贴电枢绕组，定子冷却管管体呈S形状交替穿梭于定子槽内，且下两层水道与上两层排列相反形成反S形。

进一步地，所述定子端盖、定子套筒组成定子模块机械支撑结构，定子套筒分为径向内、外套筒，定子端盖分为轴向上、下端盖，且定子端盖包含与定子槽同等数量的辐条，辐条与定子模块齿冠、斜肩之间形成间隙配合。

进一步地，所述定子端盖为具有机械强度的非导磁非导电材料，定子套筒材料为铝。

进一步地，所述转子铁心为圆环状且转子永磁体表贴于转子铁心表面并形成轴向励磁，周向相邻的转子永磁体充磁方向相反，转子永磁体沿内径到外径呈现为两次斜极结构。

进一步地，所述定子铁心模块设置为沿半径方向叠压的取向或者无取向硅钢，转子铁心为沿半径方向叠压的无取向硅钢。

进一步地，所述转子支撑盘的内、外径沿周向包含多个预紧螺钉。

本发明的有益效果：

本发明的高功率密度轴向磁场永磁电机结构，采用双转子中间定子，定子无轭结构，大大地减小了磁通路径，减小铁心损耗，减轻定子重量。

本发明采用定子槽内多组冷却管S形交替环绕的方式，辅以机壳螺旋水道，增大定子绕组与定子铁心的换热效率，降低定子温升，提高功率密度；采用双斜极永磁体，减少齿槽转矩，优化转矩脉动；采用组合材料定子支撑结构，在保证机械强度的同时，最大限度减小附加损耗。

因此，本发明具有高功率密度、高效率、轴向长度短等特点，适用于电动汽车、风力发电、电梯牵引等多种场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是本发明整体结构剖面示意图；

图2是本发明永磁电机模型内部结构示意图；

图3是本发明电机转子模型示意图；

图4是本发明电机定子模型示意图；

图中附图标记如下：

定子1，转子2，机壳4，定子铁心模块1-1，电枢绕组1-2，定子端盖1-3，

定子套筒1-4，转子铁心2-1，转子永磁体2-2，转子支撑盘2-3，转轴2-4，预紧螺钉2-5，定子冷却管3-1，分水器3-2，机壳冷却管道4-1，接线端子4-2，进出水口4-3。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构，如图1和2所示，包括两个转子2、一个定子1以及设置在定子1和转子2外端部的机壳4，定子1设置在两个转子2之间，定子1和转子2同轴相连，形成两层平面气隙。机壳4包括设置在壳体端部的接线端子4-2和进出水口4-3，进出水口4-3和机壳4内部设置的呈螺旋状的机壳冷却管道4-1相连通，形成第一水冷结构。

定子1包括定子铁心模块1-1、电枢绕组1-2、定子端盖1-3、定子套筒1-4、定子冷却管3-1和分水器3-2，定子端盖1-3和定子套筒1-4分别安装在定子铁心模块1-1的两侧端，定子冷却管3-1和分水器3-2安装在定子铁心模块1-1之间，定子冷却管3-1和分水器3-2相连通，形成第二水冷结构。

定子铁心模块1-1沿周向等距排列形成同等数量的定子槽，电枢绕组1-2直接缠绕在定子铁心中柱上，绕组线圈形成的平面垂直于电机转轴。定子铁心模块1-1包括中柱以及轴向两侧的齿冠，齿冠宽度大于中柱宽度且相邻定子铁心模块1-1齿冠间形成平行的槽开口，相邻定子铁心模块1-1中柱间形成定子平行槽。定子1中柱与齿冠之间形成过渡的斜肩，以防止磁通在部分位置聚集形成饱和区。

定子端盖1-3、定子套筒1-4组成定子模块机械支撑结构，定子套筒1-4分为径向内、外套筒，定子端盖1-3分为轴向上、下端盖，且定子端盖1-3包含与定子槽同等数量的辐条，辐条与定子模块齿冠、斜肩之间形成间隙配合，用于对定子铁心模块1-1进行限位。在本实施例中，定子铁心模块1-1数为12，定子一侧的端盖沿周向每隔30度分布有辐条。定子端盖1-3为具有一定机械强度的非导磁非导电材料，以减小附加损耗。定子套筒1-4材料为铝，以提供足够的支撑强度。

转子2包括转子铁心2-1、转子永磁体2-2，转子铁心2-1、转子永磁体2-2的外端部嵌放有呈杯型的转子支撑盘2-3，转子铁心2-1、转子永磁体2-2和转子支撑盘2-3的中间位置设置有转轴2-4。同时，转子支撑盘2-3的内、外径沿周向包含多个预紧螺钉2-5，用于限位固定。

转子铁心2-1为圆环状且转子永磁体2-2表贴于转子铁心2-1表面并形成轴向励磁，周向相邻的转子永磁体2-2充磁方向相反。磁场由转子永磁体2-2激发，轴向穿过第一层气隙、定子铁心模块1-1、第二层气隙、经过另一侧转子永磁体2-2，然后经过转子铁心2-1，再经过相邻的转子永磁体2-2，经过类似的轴向路径，形成闭合路径。相比于传统永磁电机，磁通必须同时穿过定子轭与转子轭才能闭合。本发明的轴向磁场永磁电机缩短了磁通路径，使得电机气隙磁密幅值更高。定子铁心模块1-1可以设置为沿半径方向叠压的取向或者无取向硅钢，转子铁心2-1为沿半径方向叠压的无取向硅钢。

为了有效控制电机温升，本发明采用了绕组水冷与机壳水冷组合的水冷方式。如图2和图4所示，定子冷却管3-1管体呈矩形且依此轴向排列形成多层排布，在本实施例中，同槽两层电枢绕组1-2间形成空间用于放置定子冷却管3-1，定子冷却管3-1管体呈矩形且依此轴向排列形成四层排布，水道外壁紧贴电枢绕组1-2。定子冷却管3-1管体呈S形状交替穿梭于定子槽内，且下两层水道与上两层排列相反形成反S形，使得电机定子绕组温度均匀分布，防止绕组局部温升过高。

如图3所示，转子永磁体2-2沿内径到外径呈现为两次斜极结构，为了表述斜极方向转折处与内外半径之间的关系，引入参数T，且T＝(R_a-R_i)/(R_o-R_i)。其中，R_a为斜极方向转折处对应的半径。优选的，倾斜角度接近一个槽距，且T＝0.4。优选的，转子永磁体2-2沿周向或径向可以分多段以减小永磁体涡流损耗。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构，包括两个转子(2)、一个定子(1)以及设置在定子(1)和转子(2)外端部的机壳(4)，其特征在于，所述定子(1)设置在两个转子(2)之间，定子(1)和转子(2)同轴相连，形成两层平面气隙；

所述定子(1)包括定子铁心模块(1-1)、电枢绕组(1-2)、定子端盖(1-3)、定子套筒(1-4)、定子冷却管(3-1)和分水器(3-2)，定子端盖(1-3)和定子套筒(1-4)分别安装在定子铁心模块(1-1)的两侧端，定子冷却管(3-1)和分水器(3-2)安装在定子铁心模块(1-1)之间，定子冷却管(3-1)和分水器(3-2)相连通；

所述转子(2)包括转子铁心(2-1)、转子永磁体(2-2)，转子铁心(2-1)、转子永磁体(2-2)的外端部嵌放有呈杯型的转子支撑盘(2-3)，转子铁心(2-1)、转子永磁体(2-2)和转子支撑盘(2-3)的中间位置设置有转轴(2-4)；

所述机壳(4)包括设置在壳体端部的接线端子(4-2)和进出水口(4-3)，进出水口(4-3)和机壳(4)内部设置的呈螺旋状的机壳冷却管道(4-1)相连通。

2.根据权利要求1所述的一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构，其特征在于，所述定子铁心模块(1-1)沿周向等距排列形成同等数量的定子槽，电枢绕组(1-2)缠绕在定子铁心中柱上，绕组线圈形成的平面垂直于电机转轴。

3.根据权利要求1或2所述的一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构，其特征在于，所述定子铁心模块(1-1)包括中柱以及轴向两侧的齿冠，齿冠宽度大于中柱宽度且相邻定子铁心模块(1-1)齿冠间形成平行的槽开口，相邻定子铁心模块(1-1)中柱间形成定子平行槽，定子(1)中柱与齿冠之间形成过渡的斜肩。

4.根据权利要求3所述的一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构，其特征在于，同槽两层所述电枢绕组(1-2)间形成空间用于放置定子冷却管(3-1)，定子冷却管(3-1)管体呈矩形且依此轴向排列形成多层排布，水道外壁紧贴电枢绕组(1-2)，定子冷却管(3-1)管体呈S形状交替穿梭于定子槽内，且下两层水道与上两层排列相反形成反S形。

5.根据权利要求1所述的一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构，其特征在于，所述定子端盖(1-3)、定子套筒(1-4)组成定子模块机械支撑结构，定子套筒(1-4)分为径向内、外套筒，定子端盖(1-3)分为轴向上、下端盖，且定子端盖(1-3)包含与定子槽同等数量的辐条，辐条与定子模块齿冠、斜肩之间形成间隙配合。

6.根据权利要求1或5所述的一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构，其特征在于，所述定子端盖(1-3)为具有机械强度的非导磁非导电材料，定子套筒(1-4)材料为铝。

7.根据权利要求1所述的一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构，其特征在于，所述转子铁心(2-1)为圆环状且转子永磁体(2-2)表贴于转子铁心(2-1)表面并形成轴向励磁，周向相邻的转子永磁体(2-2)充磁方向相反，转子永磁体(2-2)沿内径到外径呈现为两次斜极结构。

8.根据权利要求1所述的一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构，其特征在于，所述定子铁心模块(1-1)设置为沿半径方向叠压的取向或者无取向硅钢，转子铁心(2-1)为沿半径方向叠压的无取向硅钢。

9.根据权利要求1所述的一种高功率密度轴向磁场永磁电机结构，其特征在于，所述转子支撑盘(2-3)的内、外径沿周向包含多个预紧螺钉(2-5)。

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