CN112994389A - 一种轴向-径向磁通永磁电机结构 - Google Patents

一种轴向-径向磁通永磁电机结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及永磁电机技术领域，尤其涉及一种轴向‑径向磁通永磁电机结构，其中，第一外转子和第二外转子分别设置在定子盘的两侧并与定子盘同轴设置，内转子与定子盘同轴设置并穿过定子盘的内孔分别与第一外转子和第二外转子相连，在定子与转子之间设置有调磁组件；定子盘包括定子铁芯和定子绕组，第一外转子和第二外转子结构相同包括外转子铁芯和第一永磁体，内转子包括内转子铁芯和第二永磁体，调磁组件包括多个U型导磁块。通过内转子上的第二永磁体提供了径向能量传递路径，提高了电机的转矩密度；调磁组件中采用U型导磁块作为调磁结构，实现了定转子不同极对数，可以在低速大转矩且对转矩平稳性要求很高的场合应用。

Description

一种轴向-径向磁通永磁电机结构
技术领域
本发明涉及永磁电机技术领域，尤其涉及一种轴向-径向磁通永磁电机结构。
背景技术
永磁电机具备气隙磁场易于调节、调磁量小且运行效率高、转矩密度大的优势，具有很高的研究价值。电机的转矩密度与转矩脉动为电机设计两个重要的指标，由于定子开槽造成的齿槽转矩是转矩脉动的重要来源，提高转矩密度和降低转矩脉动尤为关键。
永磁电机按照磁通路径可分径向、轴向和横向磁通永磁电机，其中轴向磁通永磁电机具有功率密度高，轴向长度短的特点，可应用于低速大转矩的场合。在永磁电机的具体应用中，其转速与极数成反比，在频率一定时只能增加极数得到较低的转速，但相应的电机体积也相应增大。通过在定转子间增加调磁结构，可以改变气隙磁场分布，使气隙磁场空间谐波旋转速度发生变化实现变速传动，这种磁场调制方式传递效率高，且没有机械接触，可靠性较高。
鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种轴向-径向磁通永磁电机结构，使其更具有实用性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种轴向-径向磁通永磁电机结构，通过轴向和径向两个能量传递的路径，配合导磁块的磁场调制作用，可以提升电机的转矩密度 。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种轴向-径向磁通永磁电机结构，包括：定子盘、第一外转子、第二外转子和内转子，所述第一外转子和所述第二外转子分别设置在所述定子盘的两侧并与所述定子盘同轴设置，所述内转子与所述定子盘同轴设置并穿过所述定子盘的内孔分别与所述第一外转子和所述第二外转子相连，在所述定子盘分别与所述第一外转子、所述第二外转子和所述内转子之间设置有调磁组件；
所述定子盘包括定子铁芯和定子绕组，所述第一外转子和所述第二外转子结构相同且对称设置，均包括外转子铁芯和第一永磁体，所述内转子包括内转子铁芯和第二永磁体，所述调磁组件包括多个U型导磁块；
所述定子铁芯、所述外转子铁芯和所述内转子铁芯均设置为圆环形结构，所述定子绕组设置为多匝线圈且沿周向包覆在所述定子铁芯的外圈，所述第一永磁体设置有多个且沿周向排列在所述外转子铁芯朝向所述定子盘的一侧，所述第二永磁体设置有多个且沿周向排列在所述内转子铁芯的外圈，所述U型导磁块设置在所述定转子之间且与定转子之间均设置有空气间隙。
进一步地，多个所述U型导磁块沿周向均匀分布在定转子之间。
进一步地，所述U型导磁块包括对称设置的两个径向导磁块和连接两所述径向导磁块的轴向导磁块；
两所述径向导磁块分别设置在所述定子盘与所述第一外转子和所述第二外转子之间，所述轴向导磁块设置在所述定子盘与所述内转子之间。
进一步地，多个所述第一永磁体沿周向均匀排列，且所述第一永磁体设置为扇形体并沿径向设置在所述外转子铁芯上，所述第一永磁体的周向宽度随所述外转子铁芯的延伸方向而增加；
多个所述第二永磁体沿周向均匀排列，且所述第二永磁体设置为瓦片状包覆在所述内转子铁芯的外圈，所述第二永磁体沿周向和轴向的宽度均保持不变。
进一步地，在所述第一外转子和所述第二外转子上的第一永磁体均轴向充磁且方向相对，所述第二永磁体径向充磁；
所述第一永磁体和所述第二永磁体在周向对齐设置，且相邻设置的两永磁体之间相隔一个极距分布。
进一步地，设置所述第一外转子、所述第二外转子和所述内转子所包含的极对数为Pr，设置所述定子盘所包含的极对数为Ps，设置所述U型导磁块的个数为Z，且满足如下关系：
Z=Ps+Pr。
进一步地，所述第一永磁体内嵌于所述外转子铁芯的表面，所述第二永磁体内嵌于所述内转子铁芯的表面。
进一步地，所述定子铁芯的外表面设置为光滑面，所述定子绕组内外径端部沿着轴向方向。
本发明的有益效果为：在本发明中，相较于双转子轴向永磁电机增加了一个内转子，并在内转子的周向外表面上对齐两侧的外转子上的第一永磁体设置第二永磁体，提供了径向能量传递路径，提高了电机的转矩密度；
转子上永磁体的个数等于转子的极对数，调磁组件的个数为定子极对数和转子极对数之和，本发明中的永磁电机结构能够减少转子中永磁体的用量，提高永磁材料的利用率；
定子铁芯的外表面设置为光滑面，并未对应定子绕组开槽，消除了齿槽转矩，降低了电机的转矩脉动；
调磁组件中采用U型导磁块作为调磁结构，实现了定转子不同极对数，可以在低速大转矩且对转矩平稳性要求很高的场合应用。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为本发明实施例中轴向-径向磁通永磁电机的结构示意图；
图2为本发明实施例中轴向-径向磁通永磁电机的结构爆炸图；
图3为本发明实施例轴向-径向磁通永磁电机的主视图；
图4为图1中A处的局部结构放大图；
图5为图3中B处的局部结构放大图；
图6为本发明实施例中U型导磁块的结构示意图；
图7为本发明实施例中轴向-径向磁通永磁电机的磁路示意图。
附图标记：1、定子盘；11、定子铁芯；12、定子绕组；2、第一外转子；21、外转子铁芯；22、第一永磁体；3、第二外转子；4、内转子；41、内转子铁芯；42、第二永磁体；5、调磁组件；51、U型导磁块；511、径向导磁块；512、轴向导磁块。
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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一 个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元 件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用 的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目 的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的 术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1至图7所示的轴向-径向磁通永磁电机结构，包括定子盘1、第一外转子2、第二外转子3和内转子4，第一外转子2和第二外转子3分别设置在定子盘1的两侧并与定子盘1同轴设置，内转子4与定子盘1同轴设置并穿过定子盘1的内孔分别与第一外转子2和第二外转子3相连，在定子盘1分别与第一外转子2、第二外转子3和内转子4之间设置有调磁组件5；定子盘1包括定子铁芯11和定子绕组12，第一外转子2和第二外转子3结构相同且对称设置，均包括外转子铁芯21和第一永磁体22，内转子4包括内转子铁芯41和第二永磁体42，调磁组件5包括多个U型导磁块51；定子铁芯11、外转子铁芯21和内转子铁芯41均设置为圆环形结构，定子绕组12设置为多匝线圈且沿周向包覆在定子铁芯11的外圈，定子铁芯11的外表面设置为光滑面，定子绕组12内外径端部沿着轴向方向设置，具体的，其中每一匝线圈所在的平面均穿过定子铁芯11的轴心线，第一永磁体22设置有多个且沿周向设置在外转子铁芯21朝向定子盘1的一侧，第二永磁体42设置有多个且沿轴向设置在内转子铁芯41的外圈，U型导磁块51设置在定转子之间且与定转子之间均设置有空气间隙。
作为上述实施例的优选，多个U型导磁块51沿周向均匀分布在定转子之间，具体的，U型导磁块51包括对称设置的两个径向导磁块511和连接两径向导磁块511的轴向导磁块512；两径向导磁块511分别设置在定子盘1与第一外转子2和第二外转子3之间，轴向导磁块512设置在定子盘1与内转子4之间。径向导磁块511设置为扇形结构，且沿径向自内而外宽度逐渐增加。
如图1和图2所示，本申请所公开的永磁电机结构包括定子盘1、转子组件和调磁组件5，转子组件包括同轴转动的第一外转子2、第二外转子3和内转子4，第一外转子2、第二外转子3对称设置在定子盘的两侧，内转子4穿过定子盘1的内孔且其两端分别与第一外转子2和第二外转子3固定连接。在定子与转子之间设置有调磁组件5，且调磁组件5设置为沿周向均匀设置的多个U型导磁块51。具体的，沿电机的轴向上，U型导磁块51与定子盘1和转子组件之间均存在空气间隙。
相较于双转子轴向永磁电机增加了一个内转子，并在内转子的周向外表面上对齐两侧的外转子上的第一永磁体设置第二永磁体，提供了径向能量传递路径。如图7所示，磁通从第一外转子2上第一永磁体22和第二外转子3上的第一永磁体22对向充磁，轴向穿过气隙与调磁组件5后到达定子铁芯11。同时，对应位置处内转子4的第二永磁体42产生的磁通径向穿过气隙与调磁组件5后到达定子铁芯11。三个永磁体源发出的磁通均指向定子铁芯11，而后磁通被挤压至周向，在半个极距后转分成两条轴向磁路和一条径向磁路。其中两条轴向磁路分别轴向穿过气隙和U型导磁块51后，分别进入两个外转子铁芯21并形成轴向磁通闭合磁路。径向磁路穿过气隙和U型导磁块51后通过内转子铁芯41闭合形成径向磁路。由于定子绕组内外径端部沿着轴向方向，磁通匝链定子绕组12并产生周期变化的磁链。
作为上述实施例的优选，多个第一永磁体22沿周向均匀设置，且第一永磁体22设置为扇形并沿径向设置在外转子铁芯21上且沿周向均匀排列，第一永磁体22的周向宽度随外转子铁芯21的延伸方向而增加；多个第二永磁体42沿周向均匀排列，且第二永磁体42设置为瓦片状包覆在内转子铁芯41的外圈，第二永磁体42沿周向和轴向的宽度均保持不变。具体的，在第一外转子2和第二外转子3上的第一永磁体22均轴向充磁且方向相对，第二永磁体42径向充磁；第一永磁体22和第二永磁体42在周向对齐设置，且相邻设置的两永磁体之间相隔一个极距分布。第一永磁体22内嵌于外转子铁芯21的表面，第二永磁体42内嵌于内转子铁芯41的表面。
在具体实施过程中，第一外转子2和第二外转子3上的第一永磁体22轴向充磁且方向相对。内转子4上的第二永磁体42径向充磁且同向。且三部分转子的永磁体在周向对齐，同一转子上相邻永磁体相隔一个极距分布。
作为上述实施例的优选，设置第一外转子2、第二外转子3和内转子4所包含的极对数为Pr，设置定子盘1所包含的极对数为Ps，设置U型导磁块51的个数为Z，且满足如下关系：Z=Ps+Pr。设置定子盘1、转子组件和调磁组件5的角速度分别为ωs、ωr和ω，当满足如下关系，ωr=[Zω/(Z-Ps) ]- [Psωs/(Z-Ps)]。
在具体实施过程中，U型导磁块51可以作为旋转部件，也可以作为固定部件。当 U型导磁块51作为固定部件时，即ω=0，定转子间的角速度满足如下关系：ωr=- Psωs/(Z-Ps)。
作为上述实施例的优选，为保证磁路路径，定子铁芯、外转子铁芯均为硅钢卷绕或复合软磁材料压铸而成。内转子铁芯为硅钢沿轴向叠压而成。导磁块为硅钢沿径向叠压或复合软磁材料压铸而成。
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。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种轴向-径向磁通永磁电机结构，其特征在于，包括：定子盘（1）、第一外转子（2）、第二外转子（3）和内转子（4），所述第一外转子（2）和所述第二外转子（3）分别设置在所述定子盘（1）的两侧并与所述定子盘（1）同轴设置，所述内转子（4）与所述定子盘（1）同轴设置并穿过所述定子盘（1）的内孔分别与所述第一外转子（2）和所述第二外转子（3）相连，在所述定子盘（1）分别与所述第一外转子（2）、所述第二外转子（3）和所述内转子（4）之间设置有调磁组件（5）；
所述定子盘（1）包括定子铁芯（11）和定子绕组（12），所述第一外转子（2）和所述第二外转子（3）结构相同且对称设置，均包括外转子铁芯（21）和第一永磁体（22），所述内转子（4）包括内转子铁芯（41）和第二永磁体（42），所述调磁组件（5）包括多个U型导磁块（51）；
所述定子铁芯（11）、所述外转子铁芯（21）和所述内转子铁芯（41）均设置为圆环形结构，所述定子绕组（12）设置为多匝线圈且沿周向包覆在所述定子铁芯（11）的外圈，所述第一永磁体（22）设置有多个且沿周向排列在所述外转子铁芯（21）朝向所述定子盘（1）的一侧，所述第二永磁体（42）设置有多个且沿周向排列在所述内转子铁芯（41）的外圈，所述U型导磁块（51）设置在定转子之间且与定转子之间均设置有空气间隙。
2.根据权利要求1所述的轴向-径向磁通永磁电机结构，其特征在于，多个所述U型导磁块（51）沿周向均匀分布在定转子之间。
3.根据权利要求2所述的轴向-径向磁通永磁电机结构，其特征在于，所述U型导磁块（51）包括对称设置的两个径向导磁块（511）和连接两所述径向导磁块（511）的轴向导磁块（512）；
两所述径向导磁块（511）分别设置在所述定子盘（1）与所述第一外转子（2）和所述第二外转子（3）之间，所述轴向导磁块（512）设置在所述定子盘（1）与所述内转子（4）之间。
4.根据权利要求1所述的轴向-径向磁通永磁电机结构，其特征在于，多个所述第一永磁体（22）沿周向均匀排列，且所述第一永磁体（22）设置为扇形体并沿径向设置在所述外转子铁芯（21）上，所述第一永磁体（22）的周向宽度随所述外转子铁芯（21）的延伸方向而增加；
多个所述第二永磁体（42）沿周向均匀排列，且所述第二永磁体（42）设置为瓦片状包覆在所述内转子铁芯（41）的外圈，所述第二永磁体（42）沿周向和轴向的宽度均保持不变。
5.根据权利要求4所述的轴向-径向磁通永磁电机结构，其特征在于，在所述第一外转子（2）和所述第二外转子（3）上的第一永磁体（22）均轴向充磁且方向相对，所述第二永磁体（42）径向充磁；
所述第一永磁体（22）和所述第二永磁体（42）在周向对齐设置，且相邻设置的两永磁体之间相隔一个极距分布。
6.根据权利要求5所述的轴向-径向磁通永磁电机结构，其特征在于，设置所述第一外转子（2）、所述第二外转子（3）和所述内转子（4）所包含的极对数为Pr，设置所述定子盘（1）所包含的极对数为Ps，设置所述U型导磁块（51）的个数为Z，且满足如下关系：
Z=Ps+Pr。
7.根据权利要求5所述的轴向-径向磁通永磁电机结构，其特征在于，所述第一永磁体（22）内嵌于所述外转子铁芯（21）的表面，所述第二永磁体（42）内嵌于所述内转子铁芯（41）的表面。
8.根据权利要求1所述的轴向-径向磁通永磁电机结构，其特征在于，所述定子铁芯（11）的外表面设置为光滑面，所述定子绕组（12）内外径端部沿着轴向方向。
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