CN113169682A - 电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有永磁体的电机，它可以为电动机或发电机提供高转矩密度和高功率密度，该电机包括转子和定子，转子与定子具有螺旋形状，定子位于转子内部。转子包含至少两个不同极性的永磁体组件，在定子周围形成螺旋；定子含有铁心和螺旋缠绕在铁心上的三相绕组，这种结构允许几乎整个绕组参与扭矩产生。利用铁心内部的冷却液进行冷却可以消除绕组整个长度上的热量，从而大大提高了工作效率。

Description

电机
技术领域
本发明涉及电机领域，特别是涉及具有永磁体以及具有螺旋结构的定子和转子的电动机或发电机，能够提供高转矩密度和高功率密度。
背景技术
电机驱动设备有多种应用领域，其性能很大程度上取决于电机本身的重量。例如包括飞机螺旋桨电机，航天器设备，风力涡轮机，汽车车轮内的电力传动系统等。设计和制造具有高功率密度和高性能的电动机是一种趋势。
本发明的最接近的现有技术是美国专利号20040194286中披露的电动机，该电动机包括：由至少两个具有不同极性的永磁体组件组成的转子，以及三相绕组螺旋缠绕在铁心上的定子。而这台机器的缺点是，由于机壳内部的定子和转子单元布置的人机工程学程度低，以及永磁体的形状，导致电机结构的尺寸大、重量重，不利于在不降低扭矩值的情况下减少电机的质量。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种电机，该电机通过优化转子和定子的结构设计，提供技术改进的可能性，这将允许增加电机的转矩密度。
本申请提供了一种电机，该电机包括由至少两个具有不同极性的永磁体组件组成的转子，以及一个位于转子内部的定子，该定子具有铁心和螺旋缠绕在铁心上的三相绕组，其中永磁体在定子周围形成螺旋，螺旋的每一部分包括至少一个极性相同的永磁体。
首先，所述的技术结果之所以能够实现，是因为永磁体在定子周围形成一个密集的螺旋，结合螺旋缠绕在铁芯上的定子绕组，可以缩短磁路，从而增加了转子永磁体与定子铁心上螺旋绕组之间的间隙的张力强度。
在一些实施方式中，三相绕组由每相三个独立的线圈表示，在每个线圈上施加正弦或梯形AC电压，相位差120°，其中每相包含至少一根导线，为减少涡流，三相绕组覆盖整个铁心的表面。
在一些实施方式中，转子上的永磁体数量应为偶数，其中永磁体组件包含至少一个极对，并且永磁体组件由永磁体支架支撑。
在一些实施方式中，所述螺旋排布的永磁体与螺旋绕组的数量之比为2：6，其中永磁体支架由铁磁钢制成。
进一步的，所述永磁体组件为Halbach永磁体组件，其中螺旋排布的永磁体与螺旋绕组的数量之比为4：6，永磁体支架由的材料由本申请人实验选出，包含铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维、塑料。
在一些实施方式中，所述永磁体组件中的永磁体通过粘合剂相互连接，并且与永磁体支架粘接。
在一些实施方式中，每个相的线圈的截面一般为圆形或方形。
在一些实施方式中，在铁心内形成用于冷却液流动的通道，并且铁心本身由各向异性的硅钢片叠压而成、或由各向同性的硅钢片叠压而成、或无定形的层状箔、或高磁导率材料、或绝缘的粉末状软磁体复合材料制成。
在一些实施方式中，三相绕组的导电部分的材料包括铜、银、铝、碳纳米管、镍、钢，而如果三相绕组的导电部分是由铝制成的，那么它的绝缘是由微弧氧化的陶瓷制成的。
在一些实施方式中，其中连接三相绕组线圈的材料是环氧树脂、或增强环氧树脂、或聚酰亚胺。
在一些实施方式中，铁心上的插槽的高度可以为绝缘三相绕组中每相的导电部分高度的0％至100％，而三相绕组线圈至少部分位于插槽中。
进一步的，所述电机以环形的形式制成。
然而，对于本领域技术人员而言，明显的，描述声称的电动机器的主要特征的列出实施例只是示例性的，不是限制和/或排他性的。本文档中给出的插图上元素的尺寸、比例、形状和轮廓是示意性的，并且可能在机器的实施例中有所不同，这取决于设计和所需的功能。
附图说明
图1a，1b，1c-分别为转子和定子为圆形、轴向和径向配置的电动机的横向截面图。
图2-本发明的一种电动机的分解图。
图3-永磁体组件和永磁体支架的纵向截面分解图。
图4-本发明的Halbach永磁体排列的纵向截面图。
图5-本发明的标准类型永磁体组件的纵向截面图。
图6-定子的分解图。
图7-三相绕组螺旋缠绕的示意图。
图8-具有一般圆形截面的线圈的示意图。
图9-具有一般方形截面的线圈的示意图。
图10a，10b，10c，10d-具有插槽的铁心结构示意图。
图11-单极永磁体结构的示意图。
如下将结合具体实施案例对附图进行具体说明。
具体实施方式
描述以下实施例以辅助对本申请的理解，实施例不是也不应当以任何方式解释为限制本申请的保护范围。在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
在图1А至图1C中，示出了发明的三个实施例。三种配置具有相同的建造结构，但是具有转子(1)和定子(2)的不同形状：圆形结构、轴向结构和径向结构。
图2显示了一台电机的分解横截面图，包括：永磁体支架(4)，在转子(1) 内的定子(2)，铁心(5)，铁心内的通道(6)能够供冷却液流动，三相绕组(7)螺旋缠绕在铁心上，侧面(8)和底部(9)是电动机外壳的壁体，传动轴(10)通过轴承(11)和(12)固定在电动机的内部，传动轴的旋转运动是由转子(1)传输的。
图3显示了永磁体组件(3)和永磁体支架(4)的纵向截面分解图。
图4显示了Halbach永磁体组件(3)排列的纵向截面图，其中箭头表示永磁体组件(3)中磁铁的极性。所有永磁体具有相同的形状，但是具有四个不同的极性，两个径向(13)、(14)和两个切向(15)、(16)。因此，磁场集中在永磁体组件的一侧，且永磁体组件的另一侧被抑制。铁磁材料的使用对于永磁体支架(4)中的磁路来说是不必要的。Halbach永磁体组件排列的永磁体的最小数量是4个，最大的数量不受限制。
图5显示了标准排列类型磁体组件(3)的纵向截面图，其中箭头表示永磁体组件(3)中磁铁的极性。在标准永磁铁组件(3)的情况下，只使用两个相对的径向极性(17)和(18)。在这种情况下，永磁体支架(4)应由铁磁材料构成磁场。永磁体的数量至少是Halbach排列类型永磁体组件的两倍。永磁体的最小数量为2个，最大数量不限。
图6显示了定子的分解图，包含铁心(5))，首先，三相绕组(7)形成刚性框架，其次，包括铁心中有用于冷却液流动的通道(此图中未示出)，其中形成的用于循环冷却液流动的通道(图中未示出)，第三，永磁体的磁场为环形。图6还示出了，元件(19)包括能供冷却液流动的输入(20)和输出 (21)的通道，该通道连接着铁心(5)，并沿着定子连接针(22)的外围布置，将定子固定在电机壳体内。
图7显示了三相绕组螺旋缠绕(23)的视图，其中每个线圈(23)连接到一个控制器(图中没有显示)，该控制器依次激励相绕组，从而使转子相对于定子旋转。每个线圈(23)上的每个螺旋的匝数等于转子永磁体中的极数。理论上，最小的数量为2个，最大值仅受电机设计的限制。
线圈在每个相中的横截面的形状一般都是圆形的(图8)。和正方形(图 9)。为了减少导体内部涡流造成的损失，应使用Litz型导线，该导线包含很多导电的电线(24)。三相绕组在铁心上的螺旋形状使其能够达到很高的空间系数，并完全用于转矩产生。
图10a、10b、10c和10d显示了在铁心上铺设三相绕组的插槽(25)的示范性配置的视图，其中它们的高度可以在绝缘三相绕组的导电部分的0％到 100％平滑地变化。
图11显示单极永磁体结构的一般视图。
电机运行方式如下：.
本发明涉及电动机，特别涉及有槽和无槽的电动机和发电机。这种电动机的工作原理是基于作用在磁场的导体上的洛伦兹力。转子(1)的永磁体组件 (3)在三相绕组(7)内产生集中的交变磁场，所述三相绕组螺旋的缠绕在定子内的铁心(5)上。永磁体的数量是偶数，并且成对放置，并保持相等的距离。转子(1)的极数取决于电动机的尺寸及其应提供的转矩。磁场通过定子 (2)中的铁心(5)循环。定子(2)的三相绕组(7)包括三个线圈(23)，其中每个线圈都提供相位差120°的正弦或梯形AC电压，定子(2)的线圈(23)的电流由转子(1)磁场内的交流电压产生切向洛伦兹力，使转子旋转。在电流变化期间，转子(1)根据磁体的两个磁极旋转。要操作电机，可以使用PMSM (永磁同步电动机)的标准控制器。
多达95％的线圈，除了它们的上部外，都处在磁场中，并参与转矩的产生。对于所有现有的电动机，电动机的建议设计具有最大可能的活动和静止的工作绕组部分比率。将插槽的高度从0改变到绕组线的直径，可以创建多种电机型号。由于铁心的损耗小，无槽电机可以实现高功率密度，而有槽电机可以在低速时实现高扭矩。
因此，本发明是一种电机，该电机的结构设计将提供机会，以实现一个技术成果，包括优化转子和定子单元设计，这将增加电机的扭矩密度。

Claims (21)

1.一种电机，包括一个转子，所述转子由至少两个具有不同极性的永磁体组件组成，还包括一个定子，所述定子位于转子内部，所述定子具有铁心和螺旋缠绕在铁心上的三相绕组，其特征在于，所述永磁体在定子周围形成螺旋。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述三相绕组覆盖整个铁心表面。
3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述螺旋排布的永磁体与螺旋绕组的数量之比为2：6。
4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述永磁体组件为Halbach永磁体组件，其中所述螺旋排布的永磁体与螺旋绕组的数量之比为4：6。
5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述转子上的永磁体数量为偶数。
6.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述永磁体组件由永磁体支架支撑。
7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述永磁体支架由铁磁钢制成。
8.根据权利要求4或6所述的电机，其特征在于，所述永磁体支架的材料包括：铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维、或塑料。
9.根据权利要求1至8任一所述的电机，其特征在于：所述三相绕组由每相三个独立的线圈组成，每个线圈均能提供相位差120°的正弦或梯形AC电压。
10.根据权利要求1至8任一所述的电机，其特征在于，每个相包括至少一根导线，该导线的配置能减少涡流。
11.根据权利要求9所述的电机，其特征在于，所述每个相的线圈的截面为圆形或方形。
12.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述铁心内部形成用于冷却液流动的通道。
13.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述永磁体组件中的永磁体通过粘合剂相互连接，并与永磁体支架粘接。
14.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述铁心由各向异性的硅钢片叠压而成，或由各向同性的硅钢片叠压而成，或由无定形的层状箔、或高磁导率材料、或绝缘的粉末状软磁体复合材料制成。
15.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，从所述连接三相绕组线圈材料是环氧树脂、或增强环氧树脂、或聚酰亚胺。
16.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述三相绕组的导电部分的材料包括：铜、银、铝、碳纳米管、镍、或钢。
17.根据权利要求16所述的电机，其特征在于，所述三相绕组的导电部分是由铝制成的，所述三相绕组的绝缘是由微弧氧化的陶瓷制成的。
18.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述永磁体组件包括至少一个极对。
19.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述铁心上设置有插槽，插槽的高度为绝缘三相绕组中每相的导电部分高度的0％至100％。
20.根据权利要求19所述的电机，其特征在于，所述三相绕组线圈至少部分位于插槽中。
21.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机以环形的形式制成。
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