CN114614648A - 能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机，所述永磁电机包括转子、定子和电机冷却通道；所述转子分为上部转子和下部转子，二者分别对称设于定子两端，转子内均匀布设复合型永磁体；所述定子包括上部定子和下部定子，二者通过定子磁轭连接，上部定子和下部定子上均匀对称开设定子齿，上部定子和下部定子两端分别设有上部定子绕组和下部定子绕组；电机冷却通道环绕于定子磁轭外侧。其中，转子由硅钢片叠压而成；定子和定子磁轭整体由硅钢片叠压而成，为磁极磁路提供通道。与现有技术相比，本发明所述永磁电机是一种容易弱磁扩速、可同时正反转，并且还具有高效率、低损耗、稳定性能好的永磁同步电机。

Description

能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，涉及一种容易弱磁扩速、可同时正反转、高效率、低损耗、稳定性好的永磁电机；具体为采用不同永磁材料不同占比串联而成的永磁体和定子磁轭，磁轭外部有冷却通道的双转子能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机。

背景技术

近年来，永磁同步电机以其高效节能、结构简单、灵活的优势而倍受人们青睐，在电动汽车、交通、航天等领域应用广泛；随着社会的快速发展，对永磁同步电机的功能、性能方面的要求也越来越高，例如需要电机自动弱磁调速、双转子双定子电机可单转也可同时正反转、电机在高速运转时稳定性好等。由于永磁体励磁强度不可调节，当电机调速运行至基速以上的恒功率运行区域，必须进行弱磁控制，可以通过调节电流以增加电机的直轴去磁分量达到弱磁增速效果，但是很多电机采用的永磁材料矫顽力大，需要很大的直轴分量电流用来去磁，这样就降低了电机的效率；若永磁体矫顽力低，易于去磁，可能会使剩磁很小，则保证不了电机的转矩，因此设计的电机需易于弱磁且保证电机的转矩。此外，电机实际运行过程中往往需要散热冷却来提高电机运行效率，这就需要设计电机时加上冷却通道这一类散热冷却装置。

中国专利公开号为CN105680649A，名称为“一种轴向径向磁通双凸极永磁电机”采用径向转子与径向定子形成径向磁通以及下轴向转子与下轴向定子、上轴向定子与上轴向转子形成的两组轴向磁通，结合了轴向电机与双凸极电机的优点，转动惯量小、起动转矩大、起动电流小、出力大，增强了运行安全性。但是这种结构使电机的电枢反应小，不利于应用电机的弱磁扩速，特别是在宽转速的应用场合中该电机难以发挥其优势。

中国专利公开号为CN212969397U，名称为“一种弱磁调速永磁同步电机”,该电机具有壳体，壳体中装有转轴、定子和永磁转子，定子固定连接在壳体上，永磁转子套装在转轴上，还包括磁调制环，磁调制环位于永磁转子和定子间，磁调制环包括两个转动连接在转轴上的端环及固定连接在端环间的若干磁调制块，永磁转子的一端固定连接有转子端板，磁调制环的一个端环固定连接在转子端板上，磁调制转子和永磁转子固定在一起；该电机通过调整磁调制转子和永磁转子之间圆周方向相对位置，调节永磁体磁路的短路程度，改变永磁体的漏磁程度能够扩大永磁电机的调速范围，实现电机的弱磁调速，但是该电机没有冷却装置，因此在需要电机长时间工作或者温度相对较高的应用场合难以发挥其优势。

发明内容

解决的技术问题：为了克服现有技术的不足，获得一种容易弱磁扩速、可同时正反转，并且还具有高效率、低损耗、稳定性能好的永磁同步电机；鉴于此，本发明提供了能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机。

技术方案：能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机，所述永磁电机包括转子、定子和电机冷却通道；所述转子分为上部转子和下部转子，二者分别对称设于定子两端，转子内均匀布设复合型永磁体；所述定子包括上部定子和下部定子，二者通过定子磁轭连接，上部定子和下部定子上均匀对称开设定子齿，上部定子和下部定子两端分别设有上部定子绕组和下部定子绕组；电机冷却通道环绕于定子磁轭外侧。其中，转子由硅钢片叠压而成；定子和定子磁轭整体由硅钢片叠压而成，为磁极磁路提供通道。

优选的，所述转子和定子之间留有空隙。

优选的，转子内均匀布设10个复合型永磁体，复合型永磁体为扇形，且由铝镍钴永磁材料和钕铁硼永磁材料串联而成。复合型永磁体采用厌氧胶固定，电机高速运转时离心力大，其内嵌安放于转子中，电机稳定性能会更好。

优选的，复合型永磁体分为上部永磁体和下部永磁体，二者相对面磁性相同，每个转子的磁极磁通不会跨过磁轭到另一部分定子中，整个电机相当于两个轴向磁通永磁电机。

优选的，铝镍钴永磁材料与定子相对，钕铁硼永磁材料的用量一般高于镍钴永磁材料用量。使用Maxwell软件仿真实验，对同一复合型永磁体，当上下两部分永磁体的材料全为铝镍钴时气隙磁密为67mT，全为钕铁硼时气隙磁密为300mT；当上下两部分永磁体体积相同且材料分别为铝镍钴和钕铁硼时的气隙磁密为160mT；当上下两部分永磁体体积比1：2且材料分别为铝镍钴和钕铁硼时的气隙磁密为225mT，故一般以此种方案为优选。具体为：每个复合型永磁体采用不同永磁材料不同占比的串联，对着定子的一面采用矫顽力低、剩磁密度高的铝镍钴永磁材料，其在永磁体中占比相对低一些，这样与使用一般永磁材料的电机相比减少了弱磁扩速阶段的电枢绕组直轴去磁电流，容易弱磁扩速。每个复合型永磁体嵌入转子的一面采用矫顽力大、剩磁密度高的钕铁硼永磁材料，其在永磁体中占比相对高一些，这样电机的交直轴电感大，扭矩大，保证了电机的转矩；永磁体与转子铁心底部之间留有一定余量，以便磁通通过，减少磁动势损耗。

优选的，上部定子绕组和下部定子绕组缠绕和连接方式均相同，其中上部定子绕组采用正序ABC分相、下部定子绕组采用负序ACB分相，每个线圈节距为1，线圈缠绕在每个定子齿上。整个电机结构相当于两个轴向磁通永磁电机，当上部定子绕组对应三相通电，而下部定子绕组的BC两相互换通电，A相正常对应通电，这时电机能够实现同时正转，同理，也可实现电机的同时反转。

优选的，各定子齿之间为槽，上部定子和下部定子均包含12个槽，且每极每相槽数为0.4。这样设计的分数槽减少了槽绝缘占据的空间，提高了槽满率，增加了绕组的短距和分布效应，改善了反电动势波形的正弦性，降低齿槽转矩和转矩波动。同时，缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度，减少用铜量，各个线圈端部没有重叠，不必设相间绝缘，降低了经济成本；可以使用专用绕线机进行机械绕线，直接将线圈绕在定子齿上，取代传统嵌线工艺，提高工效。

优选的，上部定子绕组和下部定子绕组均采用分数槽集中绕组。

优选的，所述电机冷却通道包括环状通道和卡合在环状通道上的环状盖板，环状通道通过螺栓固定在定子磁轭上，环状通道和定子磁轭之间的间隙采用有机硅导热灌封胶密封，以便导热冷却。

优选的，环状通道内封装水或冷却液，具体为：可在环状通道上开进水口和出水口，向其中通水或冷却液，皆可以为电机散热冷却，保证电机的安全运行，提高电机的运行效率。

有益效果：

1.本发明所述的永磁电机相当于两个分数槽单元电机，具有分数槽电机的特点，减少了槽绝缘占据的空间，提高了槽满率，增加了绕组的短距和分布效应，改善了反电动势波形的正弦性，降低齿槽转矩和转矩波动，可以灵活应用于工业生产与电器制造中。

2.本发明所述的两个定子铁心与它们中间的定子磁轭整体由硅钢片叠压而成，减少涡流损耗，磁轭为磁极磁路提供通道，保证每个转子的磁极磁通不会跨过磁轭到另一部分定子中，使整个电机相当于两个轴向磁通永磁电机。

3.本发明所述的两个定子绕组均采用分数槽集中绕组，两个定子绕组连接与缠绕方式相同，仅是分相不同，上部分定子绕组采用正序ABC分相，下部分定子绕组采用负序ACB分相，适当的换相通电可实现电机的同时正反转；线圈节距为1，缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度，减少用铜量，各个线圈端部没有重叠，不必设相间绝缘，降低了经济成本；可以使用专用绕线机进行机械绕线，直接将线圈绕在定子齿上，取代传统嵌线工艺，提高工效。

4.本发明所述的双转子部分包括定子铁心上下两侧的转子铁心和嵌入其中的复合型永磁体，每个转子皆与定子有一定的气隙；电机高速运转时离心力大，永磁体由厌氧胶固定嵌入转子中，电机的稳定性能更好。

5.本发明所述的复合型永磁体由不同材料不同占比的永磁材料串联而成，在对着定子铁心的一面采用矫顽力低、剩磁密度高的铝镍钴永磁材料，其相对占比低，这样放置与使用一般永磁材料的永磁电机相比减少了弱磁扩速阶段的电枢绕组的直轴去磁电流，容易弱磁扩速；在嵌入转子的一面采用矫顽力大、剩磁密度高的钕铁硼永磁材料，其占比相对高，这样电机的交直轴电感大，扭矩大，保证了电机的转矩。两者的具体占比需要根据弱磁和磁场的优化目标来进行设计。

6.本发明电机采用的冷却装置由环状通道和环状盖板共同构成，环状通道通过螺栓固定在定子磁轭上，采用有机硅导热灌封胶密封其与磁轭的缝隙，有机硅导热灌封胶具有高导热、强耐热的性能，便于将电机的热量传导出来；环状通道内有卡口，环状盖板比环状通道稍窄一些，可以直接卡在环状通道上；可以在冷却通道上开进水口和出水口，往冷却通道里通水，也可以在冷却通道内封装冷却液，皆可以为电机散热冷却，保证电机的安全运行，提高电机的运行效率。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的部分磁路示意图；

图3是本发明的定子绕组展开示意图；

图4是本发明的上部分转子俯视透明结构示意图；

图5是本发明的永磁体结构示意图；

图6是本发明的冷却通道结构示意图。

其中，转子1、上部转子1-1、下部转子1-2、复合型永磁体1-3、铝镍钴永磁材料1-3-1、钕铁硼永磁材料1-3-2、上部永磁体1-3-3、下部永磁体1-3-4、相邻的上部永磁体1-3-5、相邻的下部永磁体1-3-6、定子2、上部定子2-2、下部定子2-3、定子齿2-4、定子磁轭2-5、上部定子绕组2-1、下部定子绕组2-6、电机冷却通道3、环状通道3-1、螺栓3-1-1、环状盖板3-2。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机，所述永磁电机包括转子1、定子2和电机冷却通道3；所述转子1分为上部转子1-1和下部转子1-2，二者分别对称设于定子2两端，转子1内均匀布设复合型永磁体1-3；所述定子2包括上部定子2-2和下部定子2-3，二者通过定子磁轭2-5连接，上部定子2-2和下部定子2-3上均匀对称开设定子齿2-4，上部定子2-2和下部定子2-3两端分别设有上部定子绕组2-1和下部定子绕组2-6；电机冷却通道3环绕于定子磁轭2-5外侧。

所述转子1和定子2之间留有空隙。

转子1内均匀布设10个复合型永磁体1-3，复合型永磁体1-3为扇形，且由铝镍钴永磁材料1-3-1和钕铁硼永磁材料1-3-2串联而成。

复合型永磁体1-3分为上部永磁体1-3-3和下部永磁体1-3-4，二者相对面磁性相同。

铝镍钴永磁材料1-3-1与定子2相对，钕铁硼永磁材料1-3-2的用量高于镍钴永磁材料1-3-1用量。

上部定子绕组2-1和下部定子绕组2-6缠绕和连接方式均相同，其中上部定子绕组2-1采用正序ABC分相、下部定子绕组2-6采用负序ACB分相，每个线圈节距为1，线圈缠绕在每个定子齿2-4上。

各定子齿2-4之间为槽，上部定子2-2和下部定子2-3均包含12个槽，且每极每相槽数为0.4。

上部定子绕组2-1和下部定子绕组2-6均采用分数槽集中绕组。

所述电机冷却通道3包括环状通道3-1和卡合在环状通道3-1上的环状盖板3-2，环状通道3-1通过螺栓3-1-1固定在定子磁轭2-5上，环状通道3-1和定子磁轭2-5之间的间隙采用有机硅导热灌封胶密封。

环状通道3-1内封装水或冷却液。

所述能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机的工作原理为：

如图1和3所示，为电机的结构爆炸图和定子绕组展开示意图，整个电机结构相当于两个10极12槽的轴向磁通永磁电机，每极每相槽数为0-4，两个绕组均采用分数槽集中绕组，线圈节距为1，并联支路数为2，图3只画出了两个绕组的A相连接图，给出了各个线圈在槽里具体的分相，其他两相采用同样的连接方法。当上部定子绕组2-1三相对应通电而下部定子绕组2-6不通电时，电机正转，同理，当下部定子绕组2-6三相对应通电而上部定子绕组2-1不通电时，电机反转；由于两部分定子绕组仅是分相不同，若将上部定子绕组2-1的BC两相互换即与下部定子绕组2-6完全相同，因此当上部定子绕组2-1对应三相通电，而下部定子绕组2-6的BC两相互换通电，A相仍正常对应通A相电，这时将实现两个轴向磁通永磁电机结构的同时正转，同理，当上部定子绕组2-1的BC两相互换通电，A相仍正常对应通A相电，下部定子绕组2-6对应三相通电，这时将实现两个轴向磁通永磁电机结构的同时反转。

如图2所示，为电机的部分磁路示意图，电机整体相当于两个轴向磁通永磁电机，有上下两部分磁路，上部分磁通从内嵌入上部永磁体1-3-3出发经过气隙、上部定子齿、定子磁轭2-5、上部定子齿、气隙、相邻的上部永磁体1-3-5、上部转子背铁1-1、回到内嵌入上部永磁体1-3-3，形成一个闭合回路。同理，下部分磁通从内嵌入下部永磁体1-3-4出发经过气隙、下部定子齿、定子磁轭2-5、下部定子齿、气隙、相邻的下部永磁体1-3-6、下部转子背铁1-2、回到内嵌入下部永磁体1-3-4，形成一个闭合回路。

如图4所示，为电机的上部转子1-1的俯视透明结构示意图，下部转子1-2结构与此相同，上部永磁体1-3-3呈扇形经厌氧胶固定内嵌入上部转子1-1中，下部永磁体1-3-4采用同样方法固定安放并与上部永磁体1-3-3对称排列；复合型永磁体1-3嵌入转子铁心的一面即钕铁硼永磁材料面，与转子铁心的底部留有一定的余量，以便为磁通提供通路；电机高速运转时离心力大，永磁体嵌入转子中，电机稳定性能更好。

如图5所示，为电机的永磁体结构示意图，材料占比低、剩磁密度高的铝镍钴永磁材料1-3-1位于对着定子铁心的一面，因为其矫顽力低，所以这样放置与使用一般永磁材料的永磁电机相比减少了弱磁扩速阶段的电枢绕组的直轴去磁电流，容易弱磁扩速；在嵌入转子的一面采用矫顽力大、剩磁密度高的钕铁硼永磁材料1-3-2，其占比相对高一些，这样电机的交直轴电感大，扭矩大，保证了电机的转矩。两种材料的具体占比需要根据弱磁和磁场的优化目标来进行设计。

如图6所示，为电机的冷却通道结构示意图，环状通道3-1通过螺栓3-1-1固定在定子磁轭2-5上，它们之间的缝隙采用有机硅导热灌封胶密封，有机硅导热灌封胶具有高导热、强耐热的性能，电机运行时可将定子的热量传导至电机冷却通道3，可以在电机冷却通道3上开进水口和出水口，往环状通道3-1里通水，也可以在环状通道3-1内封装冷却液，皆可以为电机散热冷却，保证电机的安全运行，提高电机的运行效率。

Claims (10)

1.能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机，其特征在于，所述永磁电机包括转子(1)、定子(2)和电机冷却通道(3)；所述转子(1)分为上部转子(1-1)和下部转子(1-2)，二者分别对称设于定子(2)两端，转子(1)内均匀布设复合型永磁体(1-3)；所述定子(2)包括上部定子(2-2)和下部定子(2-3)，二者通过定子磁轭(2-5)连接，上部定子(2-2)和下部定子(2-3)上均匀对称开设定子齿(2-4)，上部定子(2-2)和下部定子(2-3)两端分别设有上部定子绕组(2-1)和下部定子绕组(2-6)；电机冷却通道(3)环绕于定子磁轭(2-5)外侧。

2.根据权利要求1所述的能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机，其特征在于，所述转子(1)和定子(2)之间留有空隙。

3.根据权利要求1所述的能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机，其特征在于，转子(1)内均匀布设10个复合型永磁体(1-3)，复合型永磁体(1-3)为扇形，且由铝镍钴永磁材料(1-3-1)和钕铁硼永磁材料(1-3-2)串联而成。

4.根据权利要求1或3所述的能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机，其特征在于，复合型永磁体(1-3)分为上部永磁体(1-3-3)和下部永磁体(1-3-4)，二者相对面磁性相同。

5.根据权利要求3所述的能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机，其特征在于，铝镍钴永磁材料(1-3-1)与定子(2)相对，钕铁硼永磁材料(1-3-2)的用量高于镍钴永磁材料(1-3-1)用量。

6.根据权利要求1所述的能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机，其特征在于，上部定子绕组(2-1)和下部定子绕组(2-6)缠绕和连接方式均相同，其中上部定子绕组(2-1)采用正序ABC分相、下部定子绕组(2-6)采用负序ACB分相，每个线圈节距为1，线圈缠绕在每个定子齿(2-4)上。

7.根据权利要求1所述的能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机，其特征在于，各定子齿(2-4)之间为槽，上部定子(2-2)和下部定子(2-3)均包含12个槽，且每极每相槽数为0.4。

8.根据权利要求1所述的能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机，其特征在于，上部定子绕组(2-1)和下部定子绕组(2-6)均采用分数槽集中绕组。

9.根据权利要求1所述的能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机，其特征在于，所述电机冷却通道(3)包括环状通道(3-1)和卡合在环状通道(3-1)上的环状盖板(3-2)，环状通道(3-1)通过螺栓(3-1-1)固定在定子磁轭(2-5)上，环状通道(3-1)和定子磁轭(2-5)之间的间隙采用有机硅导热灌封胶密封。

10.根据权利要求1所述的能够同时正反转的轴向磁通弱磁扩速永磁电机，其特征在于，环状通道(3-1)内封装水或冷却液。

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