CN115360878A - 一种单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机，涉及旋翼飞行器、无人机等驱动电机技术领域，包括机壳，所述机壳内同轴串联有至少三个单相电机，每个所述单相电机均具有独立的单相绕组，相邻两个所述单相电机之间相位差120°；所述机壳两端分别固定设置有转子端板；所述单相电机的转轴两端通过轴承活动设置于所述转子端板内侧。本发明提供的单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机，每个单相电机具有独立的单相绕组，避免了相与相之间的互感和磁耦合问题，降低了绕组间的交叉饱和，提升了电机的转矩密度。

Description

一种单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机

技术领域

本发明涉及旋翼飞行器、无人机等驱动电机技术领域，特别是涉及一种单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机。

背景技术

旋翼飞行器、无人机等电机驱动对象的运动具有小功率、体积小和重量轻的特点，对功率密度提出了更高要求。传统的电机结构采用径向电机或者轴向盘式永磁电机，径向电机轴向长度长，但功率密度相比于轴向电机小，轴向电机因为轴向长度小，不适用于长径较大的安装场合，必须采用多级串联的共轴方式叠加转矩，达到提升功率的效果。因此推进系统需要高速和高功率额定值，并受到空间、重量和效率等限制。

轴向磁场永磁电机由于其薄饼形状，紧凑的结构和高功率密度，是圆柱形径向磁通永磁电机的一种有吸引力的替代产品。内置式和表贴式是两种主要的转子磁路结构，而在轴向磁场永磁电机中，一般都采用永磁体表贴式结构。由于其轴向长度短且结构紧凑，AFPM适用于空间有限的一些特殊应用场合。考虑到飞机电力推进系统对电机效率和转矩密度的更高要求，AFPM电机由于其高转矩密度、高效率和高紧凑性，在过去几十年中吸引了越来越多的研究工作者。

虽然传统三相AFPM电机已经基本能够满足旋翼飞行器和无人机的部分要求，但仍存在一些挑战，如AFPM电机轴向长度小、三相绕组间存在电磁耦合损耗大以及三相电机相绕组之间接触短路故障导致的容错性等。

专利201720918191.9提出一种盘式串联电机，包括轴承、电机轴、油封盖、定子盘、螺丝、定子磁极、磁极、转子、外壳、传感器后盖、分度盘组成的电机结构。专利201720918191.9提供一种共轴电机及无人飞行器，包括安装板、主轴、第一电机总成、第二电机总成、第一浆座和第二浆座，第一电机总成包括与安装板连接的第一轴承座、安装在第一轴承座上的第一硅钢片、与主轴的第一端连接的第一机壳、安装在第一机壳内的第一磁体和连接在轴承座与主轴之间的第一轴承组，第一磁体位于第一硅钢片的周向上，第二电机总成包括第二机壳、与安装板连接的第二轴承座、安装在第二轴承座上的第二硅钢片、连接在第二机壳和主轴之间的第二轴承组和安装在第二机壳内的第二磁体，第二磁体位于第二硅钢片的周向上，第一浆座和第二浆座分别与主轴的第二端、第二机壳连接。该共轴电机及无人飞行器均具有结构简单的优点。但这两种电机中，虽然采用共轴串联的结构，但因为三相绕组存在磁耦合问题，交叉饱和问题的影响，相绕组之间有接触短路等问题，容错能力较低，仍需要进一步改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机，以解决上述现有技术存在的问题，每个电机具有独立的单相绕组，避免了相与相之间的互感和磁耦合问题，降低了绕组间的交叉饱和，提升了电机的转矩密度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机，包括机壳，所述机壳内同轴串联有至少三个单相电机，三个单相电机同轴串联，彼此独立、组合工作，形成三相电机，每个所述单相电机均具有独立的单相绕组，相邻两个所述单相电机之间相位差120°，形成三相旋转磁场；所述机壳两端分别固定设置有转子端板；所述单相电机的转轴两端通过轴承活动设置于所述转子端板内侧。本发明这种新型同轴电机拓扑结构可以解决在一些应用场合长径比比较大的空间安装要求；解决传统的三相或多相永磁电机串联结构可能会受到极槽数配合的约束问题；消除传统三相电机绕组电磁耦合的影响，提高电机的容错性；进一步提高适用于旋翼机和无人机的功率密度，减小体积和重量。

可选的，所述机壳两端分别环设有螺孔阵列，所述转子端板外缘环设有螺母阵列，所述螺母阵列的螺母能够与相对应的所述螺孔阵列的螺孔螺纹固定连接。

可选的，所述单相电机包括定子铁心，所述定子铁心的槽内嵌设有电枢绕组，所述定子铁心两侧分别固定设置有一个转子盘，三个单相电机的六个转子盘同轴安装在转轴上。

可选的，所述转子盘包括套设于所述转轴上的转子铁心，所述转子铁心靠近所述定子铁心的一侧固定环设有多个永磁体，位于同一所述转子铁心上的相邻两个所述永磁体之间极性相反，且所述定子铁心两侧相对应的所述永磁体极性相反。

可选的，所述电枢绕组采用集中扁线绕组，在很大程度上提高了槽满率，减少了交流损耗和涡流损耗，也可以采用分布绕组。

可选的，所述永磁体采用表贴式的安装方式贴在所述转子铁心一侧的表面；所述定子铁心采用无轭结构。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明将三个单相电机串联在同一根转轴上，彼此独立、组合工作。三个电机绕组分别为A单相绕组、B单相绕组、C单相绕组，分别通入三相电流，由于三相绕组相互独立，彼此之间没有由电磁耦合带来的损耗，且规避了相绕组之间短路的问题，提高了电机的容错性。三个电机轴向排列，彼此之间互差120°，形成三相旋转磁动势，由于单相电机产生的转矩近似为正弦波，三个互差120°的正弦波转矩进行叠加，就可以得到所需转矩。相比于传统的三相表贴式轴向磁场永磁电机结构，电机的转矩/功率密度更高，解决了电机轴向长度比较大的安装场合，单相轴向电机自身减少了单相绕组之间的互感和交叉饱和，解决了单相绕组之间的接触，提高了相间绕组短路问题等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机结构示意图；

图2为本发明单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机的单相电机剖面示意图；

图3为本发明磁路走向示意图；

图4为本发明单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机去除机壳后的结构示意图；

图5为本发明单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机的单相电机结构示意图；

图6为本发明单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机不同实施例中采用分布绕组结构示意图；

图7为采用分布绕组的单相电机结构示意图；

附图标记说明：100-单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机，1-转轴，2-转子铁心，3-电枢绕组，4-转子端板，5-永磁体，6-轴承，7-机壳，8-螺母阵列，9-定子铁心，10-定子支架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机，以解决上述现有技术存在的问题，每个电机具有独立的单相绕组，避免了相与相之间的互感和磁耦合问题，降低了绕组间的交叉饱和，提升了电机的转矩密度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明提供一种单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机100，包括机壳7，机壳7内同轴串联有至少三个单相电机，三个单相电机同轴串联，彼此独立、组合工作，形成三相电机，每个单相电机均具有独立的单相电枢绕组，相邻两个单相电机之间相位差120°，形成三相旋转磁场，轴向方向上三个单相电机，即A相绕组单相电机、B相绕组单相电机、C相绕组单相电机串联排列，同轴运行，单相绕组之间的电磁耦合，消除了单相绕组互感的影响，损耗降低，提高了电机的效率和转矩密度；机壳7两端分别环设有螺孔阵列，转子端板4外缘环设有螺母阵列8，螺母阵列8的螺母能够与相对应的螺孔阵列的螺孔螺纹固定连接，旋拧螺母使两个转子端板4与已耦合两部件紧固；单相电机的转轴1两端通过轴承6活动设置于转子端板4内侧。本发明这种新型同轴电机拓扑结构可以解决在一些应用场合长径比比较大的空间安装要求；解决传统的三相或多相永磁电机串联结构可能会受到极槽数配合的约束问题；消除传统三相电机绕组电磁耦合的影响，提高电机的容错性；进一步提高适用于旋翼机和无人机的功率密度，减小体积和重量。

单相电机包括采用无轭结构的定子铁心9，定子铁心9通过定子支架10套设于转轴1上，定子铁心9的槽内嵌设有电枢绕组3，电枢绕组3采用集中扁线绕组，在很大程度上提高了槽满率，减少了交流损耗和涡流损耗，定子铁心9两侧分别固定设置有一个转子盘，三个单相电机的六个转子盘同轴安装在转轴1上。

转子盘包括套设于转轴1上的转子铁心2，转子铁心2靠近定子铁心9的一侧固定环设有多个永磁体5，如图2所示，位于同一转子铁心2上的相邻两个永磁体5之间极性相反，且定子铁心9两侧相对应的永磁体5极性相反，永磁体5采用表贴式的安装方式贴在转子铁心2表面，进行轴向充磁，且相邻永磁体5按N极和S极方向交替排列。如图3所示，电机的整体磁路走向为：从N极永磁体出发经过气隙、穿过定子铁心，然后经过气隙到达另一个转子盘上的S极永磁体，然后经过转子铁心到N极永磁体，之后同样经过气隙、定子铁心、S极永磁体，经过转子盘回到N极永磁体，形成闭合磁路。

于不同的实施例中，本发明可优化参数众多，适用于轴向长度较大的安装场合，如旋翼飞行器等。例如如图6和图7所示，其他结构不变的前提下，电枢绕组3可以采用分布绕组的结构形式。通过优化可提高气隙磁密幅值和正弦度、电机的转矩和功率等。本发明可优化的参数还包括，轴向永磁体极弧系数、厚度、永磁体材料，定转子铁心的轴向长度、内外径尺寸、材料等，因此在体积和重量方面设计更加灵活，结构优化空间大。对各参数确定其取值范围后，可对永磁体用量、气隙磁密幅值、气隙磁密正弦度、交直轴电感等结果进行优化，得到最优设计方案。此外，本发明通过单相多级同轴组成三相永磁电机的排列方式，使径向长度大大增加，在旋翼飞行器、电动飞机等安装场合应用广泛。

本发明的轴向磁场永磁电机与传统三相电机相比，电机槽内漏磁更小。采用单相多级同轴组合的方法形成三相磁场，采用扁线绕组，定子无轭铁心，磁路通过转子铁心，永磁体，定子铁心形成完整回路，增大主磁通，减小漏磁。本发明的轴向磁场永磁电机解决了相间绕组短路问题，提高电机容错率。

在单相多级同轴串联的电机结构中，每个电机有独立的单相绕组，电机直接留有一定的空隙，解决了相间绕组之间的接触以及相绕组之间的短路问题，容错率提高。本发明的轴向磁场永磁电机和传统的三相轴向磁通永磁电机表贴式结构相比对应反电势的谐波畸变率更小。本发明通过单相多级同轴组成三相永磁电机的排列方式，自身消除了相绕组之间的互感和交叉饱和，实现高正弦度气隙磁密，气隙磁密谐波更小，因此对应反电势的谐波畸变率更小。

本发明适用于三相或者多相电机的拓扑结构，例如：五相电机，六相电机等；电机之间留有一定的空隙，解决了相间绕组之间的接触以及相绕组之间的短路问题，提高了容错能力。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机，其特征在于：包括机壳，所述机壳内同轴串联有至少三个单相电机，每个所述单相电机均具有独立的单相绕组，相邻两个所述单相电机之间相位差120°；所述机壳两端分别固定设置有转子端板；所述单相电机的转轴两端通过轴承活动设置于所述转子端板内侧。

2.根据权利要求1所述的单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机，其特征在于：所述机壳两端分别环设有螺孔阵列，所述转子端板外缘环设有螺母阵列，所述螺母阵列的螺母能够与相对应的所述螺孔阵列的螺孔螺纹固定连接。

3.根据权利要求1所述的单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机，其特征在于：所述单相电机包括定子铁心，所述定子铁心的槽内嵌设有电枢绕组，所述定子铁心两侧分别固定设置有一个转子盘。

4.根据权利要求3所述的单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机，其特征在于：所述转子盘包括套设于所述转轴上的转子铁心，所述转子铁心靠近所述定子铁心的一侧固定环设有多个永磁体，位于同一所述转子铁心上的相邻两个所述永磁体之间极性相反，且所述定子铁心两侧相对应的所述永磁体极性相反。

5.根据权利要求3所述的单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机，其特征在于：所述电枢绕组采用集中扁线绕组或分布绕组。

6.根据权利要求4所述的单相多级同轴串联轴向磁通永磁电机，其特征在于：所述永磁体采用表贴式的安装方式贴在所述转子铁心一侧的表面；所述定子铁心采用无轭结构。

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