CN113872408B - 具有新型磁场调制结构的盘式无铁心永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有新型磁场调制结构的盘式无铁心永磁同步电机，它包括依次穿设在电机转轴上的上端盖、上转子盘、定子绕组盘、下转子盘和下端盖。上、下转子盘结构相同，均为圆环状，其内壁上紧密地固定有若干对扇形的、交替排列的N、S极永磁体；上转子盘内壁上固定的永磁体和下转子盘内壁上固定的永磁体形状、大小相同，相同位置处的永磁体的极性相同，充磁方向相同。所述定子绕组盘由若干个线圈非重叠地围绕电机转轴排列而成，在定子绕组盘的上、下面各设置一块调磁盘，该调磁盘呈圆环状，它由若干对扇形的导磁块和不导磁块围绕电机转轴交替排列而成。本发明具有电机气隙磁场强度强、转矩密度高、电机输出转矩大的优点。

Description

具有新型磁场调制结构的盘式无铁心永磁同步电机
技术领域
本发明涉及一种盘式无铁心永磁同步电机，具体地说，涉及一种具有新型磁场调制结构的盘式无铁心永磁同步电机。
背景技术
如图1、图2所示，传统的盘式无铁心永磁同步电机包括上端盖1、上转子盘2、定子绕组盘3、下转子盘4、下端盖5和电机转轴6；上转子盘2与上端盖1固定，下转子盘4与下端盖5固定；定子绕组盘3位于上转子盘2和下转子盘4之间；上端盖1、上转子盘2、定子绕组盘3、下转子盘4和下端盖5依次穿设在电机转轴6上。上转子盘2的内壁上固定有n对N、S极永磁体21，N、S极永磁体21间隔地、交替排列；同样，下转子盘4的内壁上也固定有n对N、S极永磁体41，N、S极永磁体41也是间隔地、交替排列。定子绕组盘3位于上、下转子盘之间，它由若干个扁平的呈扇形的线圈31，围绕着电机转轴6部分重叠排列而成。
由于盘式电机定子绕组无铁心，故盘式无铁心永磁同步电机具有体积小、结构紧凑、功率密度高等优点，特别适合应用于电动汽车、数控机床、飞轮储能、工业机器人等对性能指标和安装空间要求较高的领域，再加上盘式无铁心永磁同步电机因无铁心化带来的无齿槽转矩、转矩脉动低、振动噪声小等优势，使得盘式无铁心永磁同步电机得到更加广泛地应用。
然而，盘式无铁心永磁同步电机也具有一些缺点，例如气隙磁场强度较弱、漏磁大、谐波多，无法满足特定场合对高转矩密度的要求。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种具有新型磁场调制结构的盘式无铁心永磁同步电机。本发明通过对盘式无铁心永磁同步电机内部结构的改进，将电机气隙磁场中的谐波部分利用起来，转化为有效工作波，提高电机的有效工作磁密度，进而提高盘式无铁心永磁同步电机的气隙磁场强度和转矩密度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种具有新型磁场调制结构的盘式无铁心永磁同步电机，它包括上端盖、上转子盘、定子绕组盘、下转子盘、下端盖和电机转轴；所述上转子盘与所述上端盖固定，所述下转子盘与所述下端盖固定；所述定子绕组盘位于所述上转子盘和下转子盘之间；所述上端盖、上转子盘、定子绕组盘、下转子盘和下端盖依次穿设在所述电机转轴上；
所述上转子盘和所述下转子盘结构相同，均为圆环状，其内壁上紧密地固定有若干对扇形的、交替排列的N、S极永磁体；所述永磁体的形状、大小相同；
所述上转子盘内壁上固定的永磁体和相同位置处的所述下转子盘内壁上固定的永磁体极性相同，充磁方向相同；
所述定子绕组盘呈圆环状，它由若干个扁平的呈扇形的线圈非重叠地围绕电机转轴排列而成；
在所述定子绕组盘的上、下面各设置一块调磁盘，该调磁盘呈圆环状，它由若干对扇形的导磁块和不导磁块围绕电机转轴交替排列而成；构成所述调磁盘的各导磁块形状、大小相同；
所述调磁盘与所述定子绕组盘紧密贴合，彼此之间没有气隙；所述调磁盘与所述上转子盘和所述下转子盘之间存在气隙，气隙厚度为0.8mm～1.5mm。
优选地，构成所述调磁盘的导磁块和不导磁块的个数Z＝Pr+Ps，其中，Pr为上、下转子盘内壁上的永磁体形成的空间磁场极对数，Ps为定子绕组盘线圈通电后形成的空间磁场极对数。
优选地，所述上、下转子盘内壁上的永磁体形成的空间磁场极对数Pr/所述定子绕组盘线圈通电后形成的空间磁场极对数Ps的比值为5～10。
优选地，构成所述调磁盘的扇形导磁块的弧度为360°/Z*(0.6～0.8)；构成调磁盘的扇形导磁块的厚度为1.5～3mm。
优选地，构成所述调磁盘的导磁块、不导磁块和所述上、下转子盘内壁上固定的永磁体的外径尺寸、内径尺寸相同；所述上、下转子盘的外径≥所述永磁体的外径，所述上、下转子盘的内径≤所述永磁体的内径。
优选地，构成所述调磁盘的各导磁块和所述上、下转子盘的材质相同，均为高饱和磁密软磁合金；固定在所述上、下转子盘内壁上的各永磁体材质相同均为钕铁硼。
本发明与传统盘式无铁芯永磁同步电机相比，具有如下优点：
1、电机气隙磁场强度强、转矩密度高。
由于本发明在定子绕组盘与上、下转子盘之间分别增设了一块调磁盘，通过调磁盘调制定子绕组盘与上、下转子盘之间的磁场，将定子绕组盘与上、下转子盘之间的气隙磁场中一部分谐波转化为有效工作波。将上、下转子盘永磁体产生的极对数为Pr的主极磁场进行进一步调制，调制出Z-Pr＝Ps的有效工作磁场，极大地提高了盘式无铁心永磁同步电机的有效工作磁密，提高了电机气隙磁场强度，进而提高了电机的转矩密度，使电机的输出转矩增大。
2、电机输出转矩大、电机性能高。
由于本发明上、下转子盘内壁上固定的永磁体彼此之间紧密排列，与传统的盘式无铁芯永磁同步电机上、下转子盘内壁上的永磁体彼此间隔设置相比，永磁体极弧系数变大，电机输出转矩增大，电机性能高；且装配工艺简单，省去定位工装。
3、定子线圈铜耗低、电机效率高。
由于构成本发明定子绕组盘的扇形线圈非重叠地围绕电机转轴排列，与传统的盘式无铁心永磁同步电机定子绕组盘上的线圈部分重叠围绕电机转轴排列的方式相比，线圈端部长度大大缩减，电阻减小，铜耗降低，降低了温升，电机效率提高，且各线圈的排布、线圈的设计更灵活。
附图说明
图1为传统的盘式无铁心永磁同步电机内部结构示意图；
图2为传统的盘式无铁心永磁同步电机上下转子盘和定子绕组盘分解结构示意图；
图3为本发明盘式无铁心永磁同步电机内部结构示意图；
图4为本发明盘式无铁心永磁同步电机上下转子盘和定子绕组盘分解结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。
如图3、图4所示，本发明公开的具有新型磁场调制结构的盘式无铁心永磁同步电机包括上端盖7、上转子盘8、定子绕组盘9、下转子盘10、下端盖11和电机转轴12；上转子盘8与上端盖7固定，下转子盘10与下端盖11固定；定子绕组盘9位于上转子盘8和下转子盘10之间；上端盖7、上转子盘8、定子绕组盘9、下转子盘10和下端盖11依次穿设在电机转轴12上。
上转子盘8为圆环状，其内壁上紧密地固定有若干对扇形的、交替排列的N、S极永磁体81；下转子盘10与上转子盘8结构相同，下转子盘10也为圆环状，其内壁上紧密地固定有若干对扇形的、交替排列的N、S极永磁体101；上转子盘内壁上固定的永磁体81和下转子盘内壁上固定的永磁体101形状、大小相同，相同位置处的永磁体81和101极性相同，充磁方向相同。
定子绕组盘9位于上、下转子盘之间，呈圆环状，它可以是PCB绕组盘，也可以是绕线式绕组盘，即它由若干个扁平的呈扇形的线圈91非重叠地围绕电机转轴排列而成。
本发明在定子绕组盘9的上、下面各设置一块调磁盘92，该调磁盘92呈圆环状，它由Z对扇形的导磁块和不导磁块围绕电机转轴紧密地交替排列而成。构成调磁盘的各导磁块和不导磁块形状、大小相同。
当上、下转子盘内壁上的永磁体形成的空间磁场极对数为Pr，定子绕组盘线圈通电后形成的空间磁场极对数为Ps时，构成调磁盘92的导磁块和不导磁块的个数Z＝Pr+Ps。
在本发明较佳实施例中，上、下转子盘内壁上固定的N、S永磁体形成的空间磁场极对数Pr＝10；定子绕组盘上的非重叠的集中式线圈通电后，其形成的空间磁场极对数Ps＝2；故，调磁盘92由12个导磁块和12个不导磁块紧密地交替排列而成，构成调磁盘92的导磁块和不导磁块的个数Z＝Pr+Ps＝10+2＝12。
对于盘式无铁心永磁同步电机来说，其有效的工作磁密幅值Btot＝Bσonv+P×Bmodu，其中Bcomv为主波磁密，Bmodu为调制磁密，P为上、下转子盘内壁上的永磁体形成的空间磁场极对数Pr/定子绕组盘线圈通电后形成的空间磁场极对数Ps的比值即极比。显然，极比P越大，磁密越高，电机的输出性能越强，然而，极比P太大会使转子盘上的永磁体过多，这给制作工艺增加了难度同时漏磁增多，电机性能增加并不明显，因此，极比P的取值范围为5～10。在本发明较佳实施例中，Pr＝10，Ps＝2，极比P＝5。
为提高盘式无铁心永磁同步电机的输出转矩，本发明对构成调磁盘的扇形导磁块的弧度θ0和厚度h进行了有限元分析计算发现：构成调磁盘的扇形导磁块的弧度与导磁块的个数Z有关，通常，扇形导磁块的弧度θ0＝360°/Z*(0.6～0.8)，扇形导磁块的厚度h＝1.5～3.0mm。在本发明较佳实施例中，构成调磁盘的扇形导磁块的弧度θ0＝18°；厚度h＝2mm。
上、下两个调磁盘92与定子绕组盘9紧密贴合，彼此之间没有气隙；上、下两个调磁盘92与上、下转子盘之间有气隙，气隙厚度为0.8mm～1.5mm。
构成调磁盘的导磁块、不导磁块和上、下转子盘内壁上固定的永磁体的外径尺寸、内径尺寸相同；上、下转子盘的外径大于等于永磁体的外径，上、下转子盘的内径小于等于永磁体的内径。各导磁块和上、下转子盘的材质相同，均为高饱和磁密软磁合金，固定在上、下转子盘内壁上的各永磁体大小相同，材质相同均为钕铁硼。
由于本发明在定子绕组盘与上、下转子盘之间分别增设了一块调磁盘，通过调磁盘调制定子绕组盘与上、下转子盘之间的磁场，将定子绕组盘与上、下转子盘之间的气隙磁场中一部分谐波转化为有效工作波。将上、下转子盘永磁体产生的极对数为Pr的主极磁场，进一步调制，调制出Z-Pr＝Ps的有效工作磁场，极大地提高了盘式无铁心永磁同步电机的有效工作磁密，提高了电机气隙磁场强度，进而提高了电机的转矩密度，使电机的输出转矩增大。
实验证明，相同尺寸(外径Φ85mm，内径Φ30mm)的传统结构的盘式无铁心永磁同步电机，经有限元分析计算，电机空载气隙磁密基波幅值为0.52T，相电流5A时，输出转矩0.45Nm；本发明公开具有新型磁场调制结构的盘式无铁心永磁同步电机，电机空载气隙磁密基波幅值为0.5T，调制波磁密幅值为0.06T，总有效工作磁密幅值为0.5T+5*0.06＝0.8T，相电流5A时，输出转矩0.6Nm。本发明电机空载气隙磁密基波幅值是传统结构的盘式无铁心永磁同步电机空载气隙磁密基波幅值的1.5倍，输出转矩是传统结构的盘式无铁心永磁同步电机输出转矩的1.33倍，电机气隙磁场强度和转矩密度均有显著的提高。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种具有新型磁场调制结构的盘式无铁心永磁同步电机，它包括上端盖、上转子盘、定子绕组盘、下转子盘、下端盖和电机转轴；所述上转子盘与所述上端盖固定，所述下转子盘与所述下端盖固定；所述定子绕组盘位于所述上转子盘和下转子盘之间；所述上端盖、上转子盘、定子绕组盘、下转子盘和下端盖依次穿设在所述电机转轴上；
所述上转子盘和所述下转子盘结构相同，均为圆环状，其内壁上紧密地固定有若干对扇形的、交替排列的N、S极永磁体；所述永磁体的形状、大小相同；
所述上转子盘内壁上固定的永磁体和相同位置处的所述下转子盘内壁上固定的永磁体极性相同，充磁方向相同，其特征在于：
所述定子绕组盘呈圆环状，它由若干个扁平的呈扇形的线圈非重叠地围绕电机转轴排列而成；
在所述定子绕组盘的上、下面各设置一块调磁盘，该调磁盘呈圆环状，它由若干对扇形的导磁块和不导磁块围绕电机转轴交替排列而成；构成所述调磁盘的各导磁块形状、大小相同；
所述调磁盘与所述定子绕组盘紧密贴合，彼此之间没有气隙；所述调磁盘与所述上转子盘和所述下转子盘之间存在气隙，气隙厚度为0.8mm～1.5mm；
构成所述调磁盘的导磁块和不导磁块的个数Z＝Pr+Ps，其中，Pr为上、下转子盘内壁上的永磁体形成的空间磁场极对数，Ps为定子绕组盘线圈通电后形成的空间磁场极对数；
所述上、下转子盘内壁上的永磁体形成的空间磁场极对数Pr/所述定子绕组盘线圈通电后形成的空间磁场极对数Ps的比值为5～10；
构成所述调磁盘的扇形导磁块的弧度为360°/Z*(0.6～0.8)；
构成调磁盘的扇形导磁块的厚度为1.5～3mm。
2.根据权利要求1所述的具有新型磁场调制结构的盘式无铁心永磁同步电机，其特征在于：构成所述调磁盘的导磁块、不导磁块和所述上、下转子盘内壁上固定的永磁体的外径尺寸、内径尺寸相同；
所述上、下转子盘的外径≥所述永磁体的外径，所述上、下转子盘的内径≤所述永磁体的内径。
3.根据权利要求2所述的具有新型磁场调制结构的盘式无铁心永磁同步电机，其特征在于：构成所述调磁盘的各导磁块和所述上、下转子盘的材质相同，均为高饱和磁密软磁合金；
固定在所述上、下转子盘内壁上的各永磁体材质相同均为钕铁硼。
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