CN114421658B - 一种轴向交错式永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向交错式永磁电机,包括定子与转子,其中:转子可旋转的安装在定子的中心孔中;定子包括定子铁芯和定子绕组,定子铁芯包括多个定子齿,定子绕组缠绕在定子铁芯的定子齿上,相邻定子齿之间的齿距相同,定子铁芯的定子齿采用裂齿结构,定子齿的前端分裂成多个定子小齿,相邻定子齿之间的齿距大于同一定子齿上的相邻定子小齿间的齿距。

Description

一种轴向交错式永磁电机
技术领域
本发明属于电机技术领域,具体涉及一种轴向交错式永磁电机。
背景技术
在管状设备中经常需要用到小径长比电机,例如潜油泵,潜水泵等,这类电机通常对转速的要求不高,但却需要电机具有较高的输出转矩。当前这类电机采用的电机结构类型主要为异步电机和永磁同步电机,少部分采用直流无刷电机和同步磁阻电机。
异步电机和同步磁阻电机由于仅依靠电励磁产生电磁转矩,故其转矩密度较小。而永磁同步电机和直流无刷电机由于同时采用电励磁和永磁体,转矩密度较大,但要想获得更高的转矩密度,只能采用增加定转子极数的方式。由于电机外径较小,增加定子极数会导致定子齿的宽度减小,从而导致定子的结构强度降低,同时也增加了制造上的难度,此外定子槽的宽度同样减小,导致绕线困难。
用于潜油泵和潜水泵的永磁电机或者直流无刷电机多采用永磁体表贴或永磁体内嵌的方式,其中永磁体表贴的方式漏磁小,但结构强度不高,为固定转子表面的永磁体经常还需要在永磁体外部放置保护套,不仅增加了成本和制造上的难度,而且会增加电机的气隙从而导致电机的转矩密度降低;永磁体内嵌的方式则容易使得永磁体的N极和S极通过转子铁芯形成闭合漏磁回路,为削弱漏磁,目前常采用转子设置磁桥的方式,但这种方式会使得磁桥位置的磁密过饱和,铁损增加,另外磁桥部分的铁芯宽度往往很薄,既降低了结构强度,也增加了制造难度。
为此本发明提出了一种轴向交错式永磁电机,其能够在小径长比条件下具备高转矩密度和较高结构强度。
发明内容
为实现本发明之目的,采用以下技术方案予以实现:
一种轴向交错式永磁电机,包括定子与转子,其中:转子可旋转的安装在定子的中心孔中;定子包括定子铁芯和定子绕组,定子铁芯包括多个定子齿,定子绕组缠绕在定子铁芯的定子齿上,相邻定子齿之间的齿距相同,定子铁芯的定子齿采用裂齿结构,定子齿的前端分裂成多个定子小齿,相邻定子齿之间的齿距大于同一定子齿上的相邻定子小齿间的齿距。
所述的轴向交错式永磁电机,其中:定子还包括定子永磁体,所述定子永磁体安装在相邻的定子小齿之间的空隙中。
所述的轴向交错式永磁电机,其中:定子永磁体径向充磁。
所述的轴向交错式永磁电机,其中:转子采用分段式结构,包括多个转子段和圆盘型永磁体,多个转子段与圆盘型永磁体交替排列互相叠压形成转子。
所述的轴向交错式永磁电机,其中:转子的两端均为转子段,转子段为凸极结构,外周设有多个转子齿,中心设有圆孔以放置转轴,圆盘型永磁体中心也设有相同直径的圆孔。
所述的轴向交错式永磁电机,其中:相邻的2个转子段在轴向交错式布置,即任一个转子段的转子齿与其相邻的转子段的转子槽相对,具体的为该转子段的转子齿只与其相邻的左侧和右侧的2个转子段中之一的转子槽完全对应,与另一转子段的转子槽则存在一预定的角度。
所述的轴向交错式永磁电机,其中:圆盘型永磁体轴向充磁,相邻的圆盘型永磁体的充磁方向相反。
所述的轴向交错式永磁电机,其中:转子段的中心圆孔内径与圆盘型永磁体的中心圆孔内径相等,两者均为永磁电机的轴径;转子段的轭厚与圆盘型永磁体的厚度相等。
所述的轴向交错式永磁电机,其中:转子段的每个转子齿上都开有一个瓦片状的安装槽,每个安装槽中都安装有一个永磁体片,永磁体片径向充磁,且相同转子段内的永磁体片的充磁方向相同,相邻转子段内的永磁体片的充磁方向相反。
所述的轴向交错式永磁电机,其中圆盘型永磁体两侧的转子段分别磁化为N极和S极,其中磁化为N极的转子段的转子齿上的永磁体片为N极,磁化为S极的转子段的转子齿上的永磁体片为S极。
所述的轴向交错式永磁电机,其中:设定子的定子齿的数量为Ps,所分裂的小齿的数量为Z,转子齿的数量为Pr,则定子齿的个数为Ps=3|Z-Pr|,|Z-Pr|为定子绕组的极对数,通常取1或者2。
所述的轴向交错式永磁电机,其中:转子的多个转子段中,中间部分的转子段的长度是转子两端转子段长度的2倍。
附图说明
图1是轴向交错式永磁电机的结构爆炸图;
图2是轴向交错式永磁电机定子的正向视图和爆炸图;
图3是轴向交错式永磁电机的转子结构图;
图4是轴向交错式永磁电机各段转子的转子齿错开角度关系图;
图5是轴向交错式永磁电机分段转子的叠压结构示意图;
图6是轴向交错式永磁电机的转子段和圆盘型永磁体的尺寸关系示意图;
图7是轴向交错式永磁电机转子中间部分的结构示意图和爆炸图;
图8是轴向交错式永磁电机分段转子中圆盘型永磁体和转子齿中永磁体充磁方向的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-7,对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示,本发明的轴向交错式永磁电机主要包括定子1与转子2,转子2可旋转的安装在定子1的中心孔中。
如图2所示,定子1主要包括定子铁芯3,定子绕组4和定子永磁体7,其中定子绕组4采用三相集中绕组。定子铁芯3包括多个定子齿5,相邻定子齿5之间的齿距相同,定子齿5的数量为3的整数倍,图2中以6个定子齿为例。定子铁芯3的定子齿5采用裂齿结构,定子齿5的前端分成多个定子小齿6,每个定子齿5的小齿数大于等于2,相邻定子齿5之间的齿距大于同一定子齿5上的相邻定子小齿6的齿距;定子永磁体7安装在相邻的定子小齿6之间的空隙处,定子永磁体7径向充磁,且充磁方向相同。定子绕组4缠绕在定子齿5上。所述定子永磁体7用于增强磁场强度,同时提高了定子空间的利用率。
转子2采用分段式结构,包括多个转子段8和圆盘型永磁体9,多个转子段8与圆盘型永磁体9交替排列互相叠压形成转子2,且转子2的两端为转子段8。转子段8为凸极结构,转子段8外周设有多个转子齿,中心设有圆孔以放置转轴;圆盘型永磁体9中心也设有相同大小的圆孔。圆盘型永磁体9的厚度为定子外径的1/70-1/30,优选1/50。
相邻的两个转子段8在轴向呈交错式布置,即某转子段的转子齿与其相邻转子段的转子槽相对,如图3所示;但要注意的是转子段的转子齿只与其左侧和右侧的相邻2个转子段之一的的转子槽完全对应,与其另一相邻转子段的转子槽则不完全对应,而是互相错开一个角度θ,如图4所示,这样处理有利于减小电机的齿槽转矩,互相错开的角度与电机的定转子极数的配合以及转子的分段数有关,但不会超过转子齿弧度的1/3,一般来说θ的范围为2度-6度,优选的为4度;转子中的圆盘型永磁体9轴向充磁,相邻圆盘型永磁体9的充磁方向相反,即相邻圆盘式永磁在轴向呈现N,S,N,S的交替式分布,如图5所示。
转子段8的中心圆孔内径Rs1应与圆盘型永磁体9的中心圆孔内径r相等,两者均为永磁电机的轴径;转子段8的轭厚Re1应圆盘型永磁体9的厚度h相等,如图6所示。圆盘型永磁体9较薄,有利于叠压,同时轴向充磁更为容易,转子段轭厚与永磁体厚度相等的好处在于使转子空间的利用率和永磁体的利用率均较高。
转子段8的每个转子齿上都开有一个瓦片状安装槽11,瓦片状安装槽11为弧形槽,上弧长与下弧长相同;每个安装槽11中都安装有一个永磁体片10,如图7所示。永磁体片10径向充磁,且相同转子段中永磁体片的充磁方向相同,相邻转子段中永磁体片的充磁方向相反;由于转子段8与圆盘型永磁体9的叠压结构,且圆盘型永磁体9轴向充磁,因此圆盘型永磁体9会将其两侧的转子段8分别磁化为N极和S极,其中磁化为N极的转子段的转子齿上的永磁体片10为N极,磁化为S极的转子段的转子齿上的永磁体片10为S极,如图8所示。
设定子1的定子齿5的数量为Ps,全部定子齿所分裂的小齿6的总数量为Z,转子2转子齿的数量为Pr,则定子齿5的数量应为Ps=3|Z-Pr|,定子绕组4的极对数为|Z-Pr|,通常情况下|Z-Pr|取1或者取2,且使Pr的值较大。Pr的值越大,转子极数越多,而定子绕组的极对数相对固定,|Z-Pr|通常取1或者2,这样电机的极比更大(极比为Pr/|Z-Pr|),便能够在相同的磁负荷与电负荷条件下产生更大的电磁转矩。
转子2中的多个转子段8中,中间部分的转子段8的长度应为转子2两端部转子段8长度的2倍,这样可以使圆盘型永磁体对其两端转子转的磁化程度基本相同,这是因为中间转子段被其左右两块圆盘型永磁体磁化,而两端的转子段仅由一块永磁体磁化;如图3所示;中间转子铁芯8的长度通常应为圆盘型永磁体9厚度的5倍左右,原因在于圆盘型永磁体通常为钕铁硼,而转子段又由硅钢片叠压而成,硅钢片在轴向存在一定的空气隙,这些空气隙导致圆盘型永磁体对转子段靠近其的硅钢片磁化程度较高,远离其的硅钢片磁化程度较低,因此圆盘型永磁体对其两端转子段的磁化式不均匀的,因此,若该比值过小,导致转子段的磁化程度过于饱和,圆盘型永磁体的利用不够充分;若该值过大,则导致远离圆盘型永磁体的转子段中的部分硅钢片磁化程度较低,转子段中硅钢片的利用不够充分;气隙长度通常在0.1mm~1mm之间取值,综合考虑分段转子和圆盘型永磁体的机械强度和制造难度,圆盘型永磁体的厚度不应小于1mm,此外,转子2的总长度和转子2外径的比值通常取5左右,过大则容易发生扫膛现象。
通过本发明,能够使电机在小径长比条件下具有较高的转矩密度与较高的机械强度,为潜油泵,潜水泵以及其它需要小径长比高转矩电机的设备提供了新的技术选择。

Claims (3)

1.一种轴向交错式永磁电机,包括定子与转子,其特征在于:转子可旋转的安装在定子的中心孔中;定子包括定子铁芯和定子绕组,定子铁芯包括多个定子齿,定子绕组缠绕在定子铁芯的定子齿上,相邻定子齿之间的齿距相同,定子铁芯的定子齿采用裂齿结构,定子齿的前端分裂成多个定子小齿,相邻定子齿之间的齿距大于同一定子齿上的相邻定子小齿间的齿距,设定子的定子齿的数量为Ps,所分裂的小齿的数量为Z,转子齿的数量为Pr,则定子齿的个数为Ps=3|Z-Pr|,|Z-Pr|为定子绕组的极对数,定子永磁体安装在相邻的定子小齿之间的空隙处,定子永磁体径向充磁,且充磁方向相同;转子采用分段式结构,包括多个转子段和圆盘型永磁体,多个转子段与圆盘型永磁体交替排列互相叠压形成转子,相邻的2个转子段在轴向交错式布置,即任一个转子段的转子齿与其相邻的转子段的转子槽相对,具体的为该转子段的转子齿只与其相邻的左侧和右侧的2个转子段中之一的转子槽完全对应,与另一转子段的转子槽则存在一预定的角度;圆盘型永磁体轴向充磁,相邻的圆盘型永磁体的充磁方向相反;转子段的轭厚与圆盘型永磁体的厚度相等;转子段的每个转子齿上都开有一个瓦片状的安装槽,每个安装槽中都安装有一个永磁体片,永磁体片径向充磁,且相同转子段内的永磁体片的充磁方向相同,相邻转子段内的永磁体片的充磁方向相反;其中圆盘型永磁体两侧的转子段分别磁化为N极和S极,其中磁化为N极的转子段的转子齿上的永磁体片为N极,磁化为S极的转子段的转子齿上的永磁体片为S极;转子的多个转子段中,中间部分的转子段的长度是转子两端转子段长度的2倍。
2.根据权利要求1所述的轴向交错式永磁电机,其特征在于:定子还包括定子永磁体。
3.根据权利要求2所述的轴向交错式永磁电机,其特征在于:定子永磁体径向充磁。
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