CN113765258A - 一种复合多向无铁芯盘式电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合多向无铁芯盘式电机，包括定子绕组，所述定子绕组采用线圈连接而成；电机转子，所述电机转子包括镜像设置的永磁体、设置在所述永磁体上的转子磁轭，所述定子绕组设置在所述永磁体之间；通过采用两组阿尔法线圈连接作为定子绕组，相对传统利茨线圈拥有无铁芯这一特点，可以有效地提高电机的过载能力，增强其功率，相对于传统的具有铁芯的盘式电机，本发明具有重量轻、散热好、功率密度高等特点，且相对现有技术，其噪声大大减小。

Description

一种复合多向无铁芯盘式电机
技术领域
本发明涉及电机设计及制造技术领域，尤其涉及一种复合多向无铁芯盘式电机。
背景技术
随着工业、民用和军工领域快速发展，电气化已成为当今世界发展的主旋律，造就了永磁同步电机广泛的应用。为了适应快速发展要求，需要有更优越性能的电机。电机是电驱动领域的关键核心部件，对电机性能提出更高的要求，重量轻、体积小、高功率密度、高效率、低振动噪声等。而目前永磁同步电机多数采用径向磁场结构，轴向尺寸大，为了提高磁导率，定转子采用硅钢片叠压而成，因此，电机存在重量重、体积大、铁损大、电磁振动噪声大和齿槽脉动等问题。因而，研制高功率密度、低电磁振动噪声和转矩脉动小的永磁同步电机对于工业、民用和军工领域的发展具有重要意义。
为更好适应各领域对电机发展的新需求，本发明盘式电机采用轴向磁通和基于阿尔法绕法无铁芯绕组结构，具有轴向尺寸短、重量轻、无铁芯和无齿槽等特点，拥有重量轻、功率密度高、铁损耗小、效率高、无齿槽脉动转矩和电磁振动噪声小等优势，适合应用于空间、噪声和高转矩/转动惯量比高的特殊场合。因此，本发明盘式电机采用无铁芯定转子特殊结构，响应永磁同步电机应用领域发展新要求，具有很好的研究前景。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有盘式电机存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明目的是提供一种复合多向无铁芯盘式电机。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括定子绕组，所述定子绕组采用线圈连接而成；电机转子，所述电机转子包括镜像设置的永磁体、设置在所述永磁体上的转子磁轭，所述定子绕组设置在所述永磁体之间。
作为本发明所述复合多向无铁芯盘式电机的一种优选方案，其中：包括电机外壳，所述电机外壳包括前端盖以及后端盖，所述定子绕组以及电机转子设置在所述电机外壳内，并且所述电机外壳上设置有贯穿所述前端盖并与所述后端盖连接电机转轴。
作为本发明所述复合多向无铁芯盘式电机的一种优选方案，其中：所述定子绕组与所述电机转子以所述电机转轴为对称轴对称设置在所述电机外壳内部空间内。
作为本发明所述复合多向无铁芯盘式电机的一种优选方案，其中：所述电机转轴通过轴承与所述前端盖以及后端盖连接，并且所述电机转轴与所述电机转子之间设置有转子支架。
作为本发明所述复合多向无铁芯盘式电机的一种优选方案，其中：所述线圈采用两组阿尔法线圈直接连接而成。
作为本发明所述复合多向无铁芯盘式电机的一种优选方案，其中：所述电机转轴与所述后端盖连接处设置有旋变，并且所述电机转轴与所述后端盖连接端为空心设置。
作为本发明所述复合多向无铁芯盘式电机的一种优选方案，其中：所述电机转子采用H结构，所述电机转子内的对称设置的所述永磁体构成一个完整的第一磁场J。
作为本发明所述复合多向无铁芯盘式电机的一种优选方案，其中：所述定子绕组设置在所述永磁体之间，并且通电以后所述定子绕组内的两组互相连接阿尔法线圈构成一个完整的第二磁场M。
作为本发明所述复合多向无铁芯盘式电机的一种优选方案，其中：所述第二磁场M位于所述第一磁场J内，且所述第二磁场M的极性与所述第一磁场J的极性相对应。
本发明的有益效果：本发明采用两组阿尔法线圈连接作为定子绕组，相对传统利茨线圈拥有无铁芯这一特点，可以有效地提高电机的过载能力，增强其功率，相对于传统的具有铁芯的盘式电机，本发明具有重量轻、散热好、功率密度高等特点，且相对现有技术，其噪声大大减小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明复合多向无铁芯盘式电机的噪声试验数据结果折线图。
图2为本发明复合多向无铁芯盘式电机的整体结构示意图。
图3为本发明复合多向无铁芯盘式电机的整体结构爆炸示意图。
图4为本发明复合多向无铁芯盘式电机的整体结构剖面图。
图5为本发明复合多向无铁芯盘式电机电机转子与定子绕组之间磁场效果示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例1
参照图2～4，提供了一种复合多向无铁芯盘式电机的整体结构示意图，如图1，一种复合多向无铁芯盘式电机包括定子绕组100，定子绕组100采用线圈101连接而成；
具体的，本发明主体结构包括电机转子200，电机转子200包括镜像设置的永磁体201、设置在永磁体201上的转子磁轭202，定子绕组100设置在永磁体201之间。
进一步的，定子绕组100定子通过胶体固定于壳体内，不能发生相对转动，定子的数量为1。定子为无铁芯12槽，各槽内可以通过串联或并联方式设置定子绕组数，各相内槽间通过串并联连接，以便于通电时激发磁场产生磁通。各个槽绕组绕完全相同，在开模或生产时可以预先进行合理设置；转子与转轴固定，并能够与转轴一同相对于定子进行旋转，转子的数量设为2，两个转子的极数相等。
实施例2
参照图2～5，该实施例不同于第一个实施例的是：包括电机外壳300，电机外壳300包括前端盖301以及后端盖302，定子绕组100以及电机转子200设置在电机外壳300内，并且电机外壳300上设置有贯穿前端盖301并与后端盖302连接电机转轴303。
具体的，定子绕组100与电机转子200以电机转轴303为对称轴对称设置在电机外壳300内部空间内。
进一步的，电机转轴303通过轴承304与前端盖301以及后端盖302连接，并且电机转轴303与电机转子200之间设置有转子支架203，转子支架203用于支撑连接电机转子200，并将其与电机转轴303进行连接；电机转轴303与后端盖302连接处设置有旋变305，旋变305则是用于感知电机转轴303的转动偏差及转速，并且电机转轴303与后端盖302连接端为空心设置，将电机转轴303后端设置成空心则可以有效地减轻电机整体重量，并且减小噪声的产生。
更进一步的，线圈101采用两组阿尔法线圈连接而成，定子绕组100采用阿尔法绕线方式进行分布缠绕，单个绕组上下两层，上下两层连接通过机械工艺斜跨加工，无需焊接；并且两组阿尔法线圈的连接即可在通电后构成一个完整的电磁场，具有相应的磁场N/S极，改变电流的流向即可改变该电磁场的方向；
电机转子200采用45°Halbach结构，励磁方式采用永磁体201励磁。转子的极数为10极，永磁体201表贴转子磁轭202，Halbach结构部分磁轭厚度会比磁钢部位厚些，Halbach结构为相邻磁极提供磁路，减弱转子磁轭202背部磁通，具有聚磁作用。电机转子200内的对称设置的永磁体201构成一个完整的第一磁场J，定子绕组100设置在永磁体201之间，并且通电以后定子绕组100内的两组互相连接阿尔法线圈101构成一个完整的第二磁场M，第二磁场M位于第一磁场J内，且第二磁场M的极性与第一磁场J的极性相对应，即第一磁场J中的的N/S极与第二磁场的S/N极相对应，从而达到一个磁钢与线圈相吸的效果；
因此由定子绕组100构成第二磁场M，电机转子200的永磁体201为对称设置在第二磁场M两侧的第一磁场J，值得注意的是，无论是通过改变定子绕组100中的电流方向还是改变永磁体201的本身磁极方向，需要将第一磁场J与第二磁场M相交处的磁极保持为同极，从而达到第二磁场M两侧的第一磁场J对第二磁场M的“挤压”作用，从而提高其聚磁效果。
具体的工作原理及优势如下：所述负荷多向无铁芯盘式电机包括壳体300、固定于壳体300内定子绕组100、沿轴向排列的两组电机转子200、以及与两转子穿插的电机转轴303、电机前后端盖和旋变305；转轴通过轴承304与后端盖302连接，且一端外伸出前端盖301，另外一端与旋变305连接。电机转轴303沿电机的轴向设置，并能够发生相对的周向转动，定子通过胶体固定于壳体300内，不能发生相对转动，定子的数量为1；定子为无铁芯12槽，各槽内可以通过串联或并联方式设置定子绕组数，各相内槽间通过串并联连接，以便于通电时激发磁场产生磁通。各个槽绕组绕完全相同，在开模或生产时可以预先进行合理设置；定子绕组采用阿尔法绕线方式进行分布缠绕，单个绕组上下两层，上下两层连接通过机械工艺斜跨加工，无需焊接；转子与转轴固定，并能够与转轴一同相对于定子进行旋转。转子的数量设为2，两个转子的极数相等。
本发明电机的优势为绕组电感小、电枢反应磁动势谐波含量小；电机的优势为绕组槽满率高，铜耗小进而增加效率，分布效应规则，反电势波形的正弦性，齿槽转矩低。其次，槽满率高且规整的定子绕组的散热能力普遍优于传统利茨线的定子，其原因为槽满率高的定子中绕组线与线接触面大，绕组产生的热量更容易被传导相邻线，进而传导至电机壳体。
实施例3
电机噪声试验，参照图1，对照组采用常见5V电机，实验条件为水下3米深度，在相同背景条件下，5V电机水下500Hz-12kHz频带内总声功率为146.1dB(折算总声源级为136dB)；而我方电机输入电压为300V，高于5V电机，在600rpm时，100Hz-50kHz频带内总声源级为102dB。
可以预见的是，在同等试验背景下，我方电机在输入电压远高于对照组电机的情况下，并且频带长度长于对照组电机的情况下，其频带内总声源级102dB远小于对照组的136dB，因此可以得出我方电机在降噪方面相对于现有电机取得了显而易见的优化效果。
实施例4
电机过载能力试验，参照图2，转速2000rpm负载100KW工况时，定子相电流电密达到80A/mm2在此工况下，电机并未出现饱和情况。
加载多大电流实验结果如下表所示：其中第一格为输出扭矩，第二格为电机转速，第三格为输出功率。因此在热容量允许的情况下，电机输出机械功率与电流电密成正比关系，并且我方电机采用无铁芯构造，因此其不会受到常规含铁芯电机铁芯本身所存在磁饱和情况的限制，所以我方电机的过载能力相对常规电机也有巨大优势。
表1：
输出扭矩 电机转速 输出功率
490.11N.M 1971.4rpm 100.76kw
重要是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的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，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种复合多向无铁芯盘式电机，其特征在于：包括，
定子绕组(100)，所述定子绕组(100)采用线圈(101)连接而成；
电机转子(200)，所述电机转子(200)包括镜像设置的永磁体(201)、设置在所述永磁体(201)上的转子磁轭(202)，所述定子绕组(100)设置在所述永磁体(201)之间。
2.如权利要求1所述的复合多向无铁芯盘式电机，其特征在于：包括电机外壳(300)，所述电机外壳(300)包括前端盖(301)以及后端盖(302)，所述定子绕组(100)以及电机转子(200)设置在所述电机外壳(300)内，并且所述电机外壳(300)上设置有贯穿所述前端盖(301)并与所述后端盖(302)连接电机转轴(303)。
3.如权利要求2所述的复合多向无铁芯盘式电机，其特征在于：所述定子绕组(100)与所述电机转子(200)以所述电机转轴(303)为对称轴对称设置在所述电机外壳(300)内部空间内。
4.如权利要求3所述的复合多向无铁芯盘式电机，其特征在于：所述电机转轴(303)通过轴承(304)与所述前端盖(301)以及后端盖(302)连接，并且所述电机转轴(303)与所述电机转子(200)之间设置有转子支架(203)。
5.如权利要求1～4任一所述的复合多向无铁芯盘式电机，其特征在于：所述线圈(101)采用两组阿尔法线圈直接连接而成。
6.如权利要求5所述的复合多向无铁芯盘式电机，其特征在于：所述电机转轴(303)与所述后端盖(302)连接处设置有旋变(305)，并且所述电机转轴(303)与所述后端盖(302)连接端为空心设置。
7.如权利要求6所述的复合多向无铁芯盘式电机，其特征在于：所述电机转子(200)采用Halbach结构，所述电机转子(200)内的对称设置的所述永磁体(201)构成一个完整的第一磁场(J)。
8.如权利要求7所述的复合多向无铁芯盘式电机，其特征在于：所述定子绕组(100)设置在所述永磁体(201)之间，并且通电以后所述定子绕组(100)内的两组互相连接阿尔法线圈(101)构成一个完整的第二磁场(M)。
9.如权利要求8所述的复合多向无铁芯盘式电机，其特征在于：所述第二磁场(M)位于所述第一磁场(J)内，且所述第二磁场(M)的极性与所述第一磁场(J)的极性相对应。
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