CN115360879A - 一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁同步发电机技术领域，具体是一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，包括转子部分、定子部分、机壳，所述转子部分包括转子支架、不等厚混合Halbach永磁阵列；所述定子部分包括定子支架、模块化定子铁芯、分数槽集中绕组；所述机壳部分包括两侧的轴承、输出机壳、固定机壳，定转子支架、固定机壳、输出机壳均采用3D打印POM材料；转子支架为锥形中空；模块化定子铁芯由硅钢沿径向正反叠压而成。与现有技术相比，本发明所述3D打印轴向磁通发电机轴向尺寸短、体积小、质量小、功率密度高、成本低，可以实现“微风启动，轻风发电”，并且还具有高效率、低损耗、机械强度高、稳定性能好的优点。

Description

一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发 电机

技术领域

本发明涉及永磁同步发电机技术领域，具体是一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机。

背景技术

风能作为发电替代能源的使用正在增加。随着制造技术的不断创新、新材料的发现和完善，轴向磁通永磁发电机在小型风力发电机组中的应用日益增多。这就对小型轴向磁通风力发电机提出了更高的要求，其要有质量小、成本低、功率密度高、效率高、机械强度高、稳定性能好并且可易启动、易发电的特性。

传统的轴向磁通发电机一般采用导磁金属制作转子背铁，永磁体表贴在转子背铁上，定子铁芯采用硅钢片叠压而成，并且定子有磁轭，由于金属密度大，转子质量大，表贴式磁钢稳定性不高，启动扭矩大，发电机启动困难，定子铁芯机械强度不大，并且这样损耗也大，电机功率密度不高，效率低，成本高；采用Halbach永磁阵列的电机，两种充磁方向磁钢的厚度相同，永磁体布满转子圆周，而稀土永磁材料价格昂贵，占据电机成本的大部分，这样电机成本高。

经检索，中国专利公开号为CN214850853U公开了一种盘式无铁芯发电机，该发电机包括圆盘式机壳、永磁式转盘和两组定子绕组组件，永磁式转盘内置于圆盘式机壳内，永磁式转盘配置于转轴，转轴与圆盘式机壳转动连接，两组定子绕组组件对称设于永磁式转盘的两端，定子绕组组件固定于圆盘式机壳的内壁，若干扇片均布与永磁式转盘的圆周面，若干进风孔分布于圆盘式机壳的两个端面，若干出风孔分布于该圆盘式机壳的圆周面，能够增加机壳内的进气量，提高冷却效率。但是该电机无铁芯，气隙长度大，电机功率密度不高，效率低，并且需要更多永磁材料构建磁场，成本高。

另外，经检索，中国专利公开号为CN109690926A公开了轴向磁通发电机，该发电机包括两个磁环，线圈环，磁环和线圈环具有公共轴线；两个磁环限定围绕公共轴线的、延伸跨越两个磁环之间的间隙的多个磁场，线圈环在所述间隙中具有围绕公共轴线的一系列线圈，使得来自所述磁场的磁通量线切割多匝线圈，由此当磁环相对线圈环旋转时，在线圈中生产感应电流；其优点在于线圈包括缠绕的扁平带状导体。但是该发电机为多盘机构，永磁体贴在金属上，所需永磁材料多，发电机质量大，启动困难，效率低，成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的技术方案是：一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，包括转子部分、定子部分和机壳部分，所述转子部分包括两侧转子支架和，所述转子支架和的中空内侧分别放置两部分不等厚混合Halbach永磁阵列和，所述转子支架和背侧剩余部分灌封有灌封胶；

所述定子部分包括在两个转子部分中间的定子支架、模块化定子铁芯和分数槽集中绕组，所述定子铁芯绕好线圈后固定在定子支架上；

所述机壳部分包括最外侧的输出机壳、固定机壳以及两个机壳上的轴承和。

优选的，所述两部分不等厚混合Halbach永磁阵列和与两个转子支架和相连接，无转子磁轭，两个所述转子支架和均采用3D打印POM材料。

优选的，所述两部分不等厚混合Halbach永磁阵列和均采用7对极，两侧的永磁体阵列相对着的轴向充磁磁钢为NS极相对；所述轴向充磁磁钢为梯形，且为钕铁硼N35材料，周向充磁磁钢为方形，且为钕铁硼N25材料；所述轴向充磁磁钢的厚度大于周向充磁磁钢的厚度。

优选的，所述两部分转子支架和为锥形中空结构，且两部分转子支架和的厚度均大于永磁体的厚度；中空的锥形对着定子的一侧内外径小于永磁体的内径，另一侧的内外径大于永磁体的外径，所述灌封胶灌封两部分转子支架和背对着定子的一侧；两部分转子支架和的内径为轴承的内径，所述转子部分固定在轴上。

优选的，所述模块化定子铁芯有12个，且采用硅钢材料沿径向正反叠压而成，电机无定子磁轭。

优选的，所述分数槽集中绕组有12个节距为1的线圈，且12个线圈分别绕在各个模块化定子铁芯上。

优选的，所述定子支架采用3D打印POM材料，12根支撑棱柱将定子支架分为12个空卡口，所述模块化定子铁芯绕好线圈后由卡口固定在定子支架上，所述卡口的剩余部分密封有软化点为65℃的热熔胶棒；所述定子支架的内径大于轴承的内径，所述定子支架的外径与输出机壳的耳朵外径相同，所述定子支架外径侧开有8个螺栓孔，所述定子支架固定在机壳上。

优选的，所述输出机壳和固定机壳均采用3D打印POM材料，并且在内径处各装配一个轴承和。

优选的，所述输出机壳上开有4个扇形通风孔。

优选的，两个所述机壳相对着的耳朵和与定子支架有相同的外径，三者的螺栓孔的位置、大小相同，所述固定机壳背着定子侧的耳朵外径大于内侧耳朵的外径，且固定机壳背着定子侧的耳朵上开有四个螺栓孔。

本发明通过改进在此提供一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，与现有技术相比，具有如下改进及优点：

其一：本发明的转子支架、定子支架、机壳均采用3D打印POM材料，使得电机精度更高，质量更轻，成本更低，使该发电机可以实现“微风启动、轻风发电”；

其二：本发明的发电机结构为双外转子单定子，保磁拉力平衡，定子无磁轭，转子部分采用Halbach永磁阵列，无转子磁轭，定子损耗小，没有转子背铁的涡流损耗，电机具有更高的功率密度和效率；

其三：本发明通过将两部分转子采用不等厚混合Halbach永磁阵列，两侧永磁体阵列相对着的轴向充磁磁钢为NS极相对；轴向充磁磁钢使用钕铁硼N35材料，周向充磁磁钢使用钕铁硼N25材料；轴向充磁磁钢比周向充磁磁钢厚度大一些，这样增强了气隙磁密，改善了气隙磁密波形的正弦性，降低了成本，降低了转子部分的质量；

其四：本发明将两个转子支架均设置为锥形中空结构，厚度较永磁体厚度大一些；中空的锥形对着定子的一侧内外径比永磁体内外径小一些，另一侧的内外径比永磁体内外径大一些，放置完永磁体后，使用灌封胶灌封转子支架背对着定子的一侧；这样增大了电机运行时的机械稳定性；

其五：本发明的模块化定子铁芯采用硅钢材料沿径向正反叠压而成，较传统的硅钢片叠压有更大的机械强度，发电机极槽配合为14极12槽，为一个分数槽单元电机，削弱了齿谐波，减少齿槽转矩；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，降低了铜耗，提高了电机效率，各个线圈端部没有重叠，不必设相间绝缘，降低了经济成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释：

图1是本发明的结构爆炸图；

图2是本发明的部分磁路示意图；

图3是本发明的永磁体结构示意图；

图4是本发明的输出机壳侧转子支架俯视结构示意图；

图5是本发明的定子支架俯视结构示意图；

图6是本发明的绕组连接示意图；

图7是本发明的输出机壳俯视结构示意图；

图8是本发明的固定机壳俯视结构示意图。

附图标记说明：

转子部分1、输出机壳侧转子支架1-1、固定机壳侧转子支架1-2、输出机壳侧不等厚混合Halbach永磁阵列1-3、固定机壳侧不等厚混合Halbach永磁阵列1-4、输出机壳侧转子支架锥形中空部分1-1-1、输出机壳侧相邻的两个轴向充磁永磁体1-3-1与1-3-1’、中间的周向充磁永磁体1-3-2、固定机壳侧与之相对着的两个轴向充磁永磁体1-4-1与1-4-1’、中间的周向充磁永磁体1-4-2、定子部分2、定子支架2-1、定子分数槽集中绕组2-2、模块化定子铁芯2-3、定子支架棱柱2-1-1、定子支架上的固定螺栓2-1-2、两个相邻的模块化定子铁芯2-3-1与2-3-1’、机壳部分3、输出机壳3-1、固定机壳3-2、输出机壳侧轴承3-3、固定机壳侧轴承3-4、输出机壳侧耳朵3-1-1、输出机壳侧耳朵上的固定螺栓3-1-2、输出机壳侧通风孔3-1-3、固定机壳侧固定电机的耳朵3-2-1、固定机壳侧固定定子支架的耳朵3-2-2、固定机壳侧固定电机螺栓3-2-3、固定机壳侧固定定子支架螺栓3-2-4。

具体实施方式

下面对本发明进行详细说明，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。

本发明通过改进在此提供一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，本发明的技术方案是：

如图1-图8所示，一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，包括转子部分1、定子部分2、机壳部分3。

转子部分1包括两侧转子支架1-1和1-2，转子支架1-1和1-2的圆锥形中空分别放置两部分不等厚混合Halbach永磁阵列1-3和1-4，转子支架1-1和1-2背侧剩余部分使用灌封胶灌封；

定子部分2包括在两个转子中间的定子支架2-1、模块化定子铁芯2-3、分数槽集中绕组2-2，定子铁芯绕好线圈后固定在定子支架2-1上；

机壳部分3包括最外侧的输出机壳3-1、固定机壳3-2以及两个机壳上的轴承3-3和3-4。

两个转子支架1-1和1-2、定子支架2-1、两个机壳3-1和3-2均采用3D打印POM材料。

转子部分1无磁轭，两个转子支架1-1和1-2为锥形中空结构，厚度较永磁体厚度大一些；中空的锥形对着定子的一侧内外径比永磁体内外径小一些，另一侧的内外径比永磁体内外径大一些，放置完永磁体后，使用灌封胶灌封转子支架1-1和1-2背对着定子的一侧；两部分转子支架1-1和1-2的内径为轴承的内径，转子部分1固定在轴上，随轴转动；两部分不等厚混合Halbach永磁阵列1-3和1-4均采用7对极，两侧的永磁体阵列相对着的轴向充磁磁钢极性相反；轴向充磁磁钢为梯形，使用钕铁硼N35材料，周向充磁磁钢为方形，使用钕铁硼N25材料；轴向充磁磁钢比周向充磁磁钢厚一点。

定子部分2无磁轭，模块化定子铁芯2-3有12个，采用硅钢材料沿径向正反叠压而成，分数槽集中绕组2-2有12个节距为1的线圈，分别绕在各个模块化定子铁芯2-3上；定子支架2-1有12根支撑棱柱2-1-1将其分为12个空卡口，模块化定子铁芯2-3绕好线圈后由卡口固定在定子支架2-1上，卡口的剩余部分使用软化点为65℃的热熔胶棒熔化密封；定子支架2-1的内径比轴承内径稍大一些，外径与输出机壳3-1的耳朵3-1-1外径相同，外径侧开有8个螺栓孔2-1-2，定子支架2-1固定在机壳上。

输出机壳3-1上开有4个扇形通风孔3-1-3，两个机壳相对着的耳朵3-1-1和3-2-2与定子支架2-1有相同的外径，三者的螺栓孔的位置、大小相同，用以固定。固定机壳背着定子侧的固定电机的耳朵3-2-1有更大的外径，上面开有四个螺栓孔3-2-3，较内侧耳朵螺栓孔径稍大一些，用以将电机固定。

工作原理：

如图1所示，为电机的整体结构爆炸图，该发电机为双外转子单定子结构，14极12槽，为一个分数槽单元电机。转子部分将Halbach阵列与转子无磁轭结合在一起，定子部分采用无磁轭模块化定子铁芯，每块定子铁芯皆由硅钢材料沿径向正反叠压而成，增大机械强度，转子支架、定子支架、机壳为3D打印POM材料，减小损耗，降低电机质量和经济成本，该发电机具有高功率密度和高效率，并可以“轻风启动，微风发电”。

如图2所示，为电机的部分磁路示意图，磁通从固定机壳侧轴向充磁磁钢1-4-1出发，经过固定机壳侧气隙、模块化定子铁芯2-3-1、输出机壳3-1侧气隙、输出机壳3-1侧轴向充磁磁钢1-3-1、输出机壳3-1侧周向充磁磁钢1-3-2、相邻的输出机壳3-1侧轴向充磁磁钢1-3-1’，在经输出机壳3-1侧气隙、模块化定子铁芯2-3-1’、固定机壳侧气隙、固定机壳侧轴向充磁磁钢1-4-1’、固定机壳侧周向充磁磁钢1-4-2，回到固定机壳侧轴向充磁磁钢1-4-1，由此形成一个闭合回路。

如图3和图4所示，为电机的永磁体结构示意图和输出机壳3-1侧转子支架俯视结构示意图，轴向充磁永磁体1-3-1为梯形，厚度较方形的周向充磁永磁体1-3-2大一些；输出机壳3-1侧转子支架1-1内有锥形中空结构1-1-1，中空的锥形对着定子的一侧内外径比永磁体内外径小一些，另一侧的内外径比永磁体内外径大一些，放置完永磁体后，使用灌封胶灌封转子支架背对着定子的一侧，固定机壳侧转子有相同的结构，这样增大电机运行时的机械稳定性。

如图5所示，为电机的定子支架定子支架2-1俯视结构示意图，定子支架2-1有12根支撑棱柱2-1-1将其分为12个空卡口，模块化定子铁芯由硅钢材料沿径向正反叠压而成，增大定子铁芯的机械强度，每个模块化定子铁芯绕好线圈后由卡口固定在定子支架，卡口的剩余部分使用软化点为65℃的热熔胶棒熔化密封；定子支架内径比轴承内径稍大一些，外径与输出机壳3-1的耳朵3-1-1外径相同，外径侧开有8个螺栓孔2-1-2，定子支架固定在机壳上。

如图6所示，为电机的绕组连接示意图，该电机为14极12槽的分数槽单元电机，相数为3，并联支路数取1，即每相绕组由4个定子线圈串联而成。

如图7和图8所示，为电机的输出机壳3-1俯视结构示意图和固定机壳3-2俯视结构示意图，输出机壳3-1上开有4个扇形通风孔3-1-3，两个机壳相对着的耳朵3-1-1和3-2-2与定子支架2-1有相同的外径，三者的螺栓孔的位置、大小相同，用以固定。固定机壳3-2背着定子侧的固定电机的耳朵3-2-1有更大的外径，上面开有四个螺栓孔3-2-3，较内侧耳朵螺栓孔径稍大一些，用以将电机固定。

上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机,包括转子部分(1)、定子部分(2)和机壳部分(3)，其特征在于，所述转子部分(1)包括两侧转子支架(1-1)和(1-2)，所述转子支架(1-1)和(1-2)的中空内侧分别放置两部分不等厚混合Halbach永磁阵列(1-3)和(1-4)，所述转子支架(1-1)和(1-2)背侧剩余部分灌封有灌封胶；

所述定子部分(2)包括在两个转子部分(1)中间的定子支架(2-1)、模块化定子铁芯(2-3)和分数槽集中绕组(2-2)，所述定子铁芯绕好线圈后固定在定子支架(2-1)上；

所述机壳部分(3)包括最外侧的输出机壳(3-1)(3-1)、固定机壳(3-2)以及两个机壳上的轴承(3-3)和(3-4)。

2.根据权利要求1所述的一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，其特征在于，所述两部分不等厚混合Halbach永磁阵列(1-3)和(1-4)与两个转子支架(1-1)和(1-2)相连接，无转子磁轭，两个所述转子支架(1-1)和(1-2)均采用3D打印POM材料。

3.根据权利要求1所述的一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，其特征在于，所述两部分不等厚混合Halbach永磁阵列(1-3)和(1-4)均采用7对极，两侧的永磁体阵列相对着的轴向充磁磁钢为NS极相对；所述轴向充磁磁钢为梯形，且为钕铁硼N35材料，周向充磁磁钢为方形，且为钕铁硼N25材料；所述轴向充磁磁钢的厚度大于周向充磁磁钢的厚度。

4.根据权利要求1所述的一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，其特征在于，所述两部分转子支架(1-1)和(1-2)为锥形中空结构，且两部分转子支架(1-1)和(1-2)的厚度均大于永磁体的厚度；中空的锥形对着定子的一侧内外径小于永磁体的内径，另一侧的内外径大于永磁体的外径，所述灌封胶灌封两部分转子支架(1-1)和(1-2)背对着定子的一侧；两部分转子支架(1-1)和(1-2)的内径为轴承的内径，所述转子部分(1)固定在轴上。

5.根据权利要求1所述的一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，其特征在于，所述模块化定子铁芯(2-3)有12个，且采用硅钢材料沿径向正反叠压而成，电机无定子磁轭。

6.根据权利要求1所述的一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，其特征在于，所述分数槽集中绕组(2-2)有12个节距为1的线圈，且12个线圈分别绕在各个模块化定子铁芯(2-3)上。

7.根据权利要求1所述的一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，其特征在于，所述定子支架(2-1)采用3D打印POM材料，12根支撑棱柱(2-1-1)将定子支架(2-1)分为12个空卡口，所述模块化定子铁芯(2-3)绕好线圈后由卡口固定在定子支架(2-1)上，所述卡口的剩余部分密封有软化点为65℃的热熔胶棒；所述定子支架(2-1)的内径大于轴承的内径，所述定子支架(2-1)的外径与输出机壳(3-1)(3-1)的耳朵(3-1-1)外径相同，所述定子支架(2-1)外径侧开有8个螺栓孔(2-1-2)，所述定子支架(2-1)固定在机壳上。

8.根据权利要求1所述的一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，其特征在于，所述输出机壳(3-1)(3-1)和固定机壳(3-2)均采用3D打印POM材料，并且在内径处各装配一个轴承(3-3)和(3-4)。

9.根据权利要求1所述的一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，其特征在于，所述输出机壳(3-1)(3-1)上开有4个扇形通风孔(3-1-3)。

10.根据权利要求1所述的一种采用混合不等厚Halbach永磁阵列的双转子轴向磁通发电机，其特征在于，两个所述机壳相对着的耳朵(3-1-1)和(3-2-2)与定子支架(2-1)有相同的外径，三者的螺栓孔的位置、大小相同，所述固定机壳(3-2)背着定子侧的耳朵(3-2-1)外径大于内侧耳朵的外径，且固定机壳(3-2)背着定子侧的耳朵(3-2-1)上开有四个螺栓孔(3-2-3)。

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