CN115498841B - 一种高转矩密度的盘式电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高转矩密度的盘式电机，包括定子组件和转子组件，定子组件和转子组件通过轴向磁通耦合，转子组件包括转子铁芯、第一组磁瓦和第二组磁瓦，第一组磁瓦安装在转子铁芯上、沿同一圆周分布且轴向充磁，第二组磁瓦安装在转子铁芯上、沿同一圆周分布且切向充磁，第一组磁瓦靠近定子组件，第二组磁瓦远离定子组件，第一组磁瓦与第二组磁瓦沿轴向错开一定的距离，第一组磁瓦由N个磁瓦A沿圆周分布，第二组磁瓦由N个磁瓦B沿圆周分布，N是整数，相邻两个磁瓦A的中心线是L，磁瓦B在圆周方向偏移中心线L一个角度α，以使永磁转矩的最大值和磁阻转矩的最大值出现时所对应的电流角之间的电角度差减小，从而提高电机的最大输出转矩。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种高转矩密度的盘式电机。
背景技术
现有的轴向磁场盘式电机，因其功率密度高、重量轻、体积小，被越来越多地得到应用。现有的轴向磁场盘式电机的转子磁钢布置大多采用表贴式磁钢结构产生轴向磁场，但这种表贴式轴向磁场结构，存在如下缺点：1）为了提高气隙磁通密度，要增加表贴磁钢的厚度，且往往增加厚度较多，气隙磁通密度提升不多，这样磁钢的利用率有所下降；2）表贴式轴向磁场结构电机的惯量较大，在有些应用场合，既要力矩大，需要径向尺寸放大，又要惯量控制在一定范围内，两者会发生矛盾，应用受到限制；3）表贴式轴向磁场结构电机，因其定子与转子为很薄的盘式形状，大功率电机的径向尺寸很大，而定子与转子之间的气隙不允许增大太多的情况下，当转子旋转，因存在偏摆，容易造成转子与定子相擦，因而工艺保证措施比较困难，这限制了表贴式轴向磁场电机在大功率上的实际应用。
为解决上述问题，已有人发明了一种切向磁钢结构的轴向磁场永磁盘式电机，具体可参考公开号为：CN106253522A，名称为：一种切向磁钢结构轴向磁场高转矩密度永磁盘式电机的发明专利申请，该申请中转子的永磁体的磁极切向布置，磁钢发出的磁通面积大，可以在气隙形成高的磁通密度，在不增加转子铁芯磁极盘的径向尺寸的条件下，在轴向方向加长永磁体磁钢尺寸以及相应的转子铁芯块轴向长度，进一步提高气隙磁通密度，进而提高了电机的转矩密度和功率密度，该方案虽功率密度较高，但并未利用磁阻转矩，即没有利用切向充磁的磁钢来增加磁阻转矩，没有最大化地增加转矩密度。
针对专利号公开号为：CN106253522A，名称为：一种切向磁钢结构轴向磁场高转矩密度永磁盘式电机的发明专利申请存在的技术问题，公告号为：CN108574386B、名称为：一种新型聚磁式盘式电机的发明专利应运而生，它采用转子磁瓦结构为混合型拓扑结构，即在内围采用径向充磁的磁钢，外围采用切向充磁的磁钢，内围径向充磁的磁钢与外围切向充磁的磁钢位于同一面上，虽然可以大幅利用磁阻转矩，提升转矩密度，但其结构决定了其径向尺寸很大，而定子与转子之间的气隙不允许增大太多的情况下，当转子旋转，因存在偏摆，容易造成转子与定子相擦，因而工艺保证措施比较困难，这限制了表贴式轴向磁场电机在大功率上的实际应用。
针对公告号为：CN108574386B、名称为：一种新型聚磁式盘式电机的发明专利存在转子径向尺寸较大，定子与转子之间的气隙不允许增大太多的情况下，当转子旋转，因存在偏摆，容易造成转子与定子相擦的技术问题，公告号为：CN111541325B、名称为：一种轴向磁场永磁电机组合充磁型永磁体内置式转子提出了一种解决上述问题的新思路：即将轴向充磁的磁钢1A和切向充磁的磁钢2A不分内围和外围，统一布置，只是充磁方向和形状不同，切向充磁的磁钢2A位于相邻两个轴向充磁的磁钢1A的中心线l上，从而构成对称的磁瓦分布。见图1所示的d/q轴矢量分布，假设只存在轴向拓扑结构磁瓦，此时电机d/q轴见图中的投影分量为dR和qR；假设只存在切向拓扑结构磁瓦，此时电机d/q轴见图中的投影分量为dr和qr；最终，在同时存在轴向拓扑结构和切向拓扑结构磁瓦的轴向磁通电机中，d/q轴位置的合成量为di（等于dR和dr之和）和qi（等于qR和qr之和），分别与轴向拓扑结构磁瓦中心线和相邻径向拓扑结构磁瓦中心线重合。
电机的电磁转矩由永磁转矩与磁阻转矩合成而得，从而有效利用磁阻转矩增加电机的转矩密度，经计算，该结构永磁转矩的最大值所对应的电流角与磁阻转矩的最大值所对应的电流角之间的电角度差为45°（具体地，永磁转矩的最大值所对应的电流角出现在0°，磁阻转矩的最大值所对应的电流角出现在45°），由于永磁转矩的最大值所对应的电流角与磁阻转矩的最大值所对应的电流角之间的电角度差相对较大，使得无法实现电机的电磁转矩的更高密度的输出以获得更高的转矩密度。
发明内容
本发明的目的是提供一种高转矩密度的盘式电机，能解决现有技术中带混合型磁瓦拓扑结构的转子的盘式电机轴向充磁的磁钢和切向充磁的磁钢布置构成对称的磁瓦分布，导致永磁转矩的最大值所对应的电流角与磁阻转矩的最大值所对应的电流角之间的电角度差相对较大，无法实现电机的电磁转矩的更高密度输出的技术问题。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
本发明的目的是提供一种高转矩密度的盘式电机，盘式电机包括定子组件和转子组件，定子组件和转子组件通过轴向磁场耦合，转子组件包括转子铁芯、第一组磁瓦和第二组磁瓦，第一组磁瓦安装在转子铁芯上、沿同一圆周分布且轴向充磁，第二组磁瓦安装在转子铁芯上、沿同一圆周分布且切向充磁，第一组磁瓦靠近定子组件，第二组磁瓦远离定子组件，第一组磁瓦与第二组磁瓦沿轴向错开一定的距离L3，第一组磁瓦由N个磁瓦A沿圆周均匀分布，第二组磁瓦由N个磁瓦B沿圆周均匀分布，N是整数，相邻两个磁瓦A的中心线是L1，磁瓦B的中心线L2与中心线L1在圆周方向上错开，以使永磁转矩的最大值和磁阻转矩的最大值出现时所对应的电流角之间的电角度差减小，从而提高电机的最大输出转矩。
优选地，所述磁瓦B的中心线L2与所述中心线L1在圆周方向上错开形成一个角度α。
优选地，磁瓦A的截面是扇形，磁瓦B的截面是方形。
优选地，所述转子铁芯包括环状上端板、环状下端板、若干铁块部和若干连接部，若干连接部位于环状上端板与环状下端板之间用于连接环状上端板和环状下端板，若干连接部沿周向均匀分布，在环状上端板和环状下端板之间的相邻两个连接部之间形成第一安装槽，磁瓦A分别嵌入到第一安装槽中；环状下端板沿轴向往下凸出若干个铁块部，若干个铁块部沿周向均匀分布，相邻两个铁块部之间形成第二安装槽，磁瓦B分别嵌入到第二安装槽中。
优选地，每一个磁瓦A的两侧分别与相邻的连接块部之间留有间隙以形成第一气隙磁障，于磁瓦A与第二安装槽的顶部之间形成第二气隙磁障。
优选地，每一个所述连接部上设置有沿所述转子铁芯的径向方向延伸的通孔以形成第三气隙磁障。
优选地，第一组磁瓦由8个磁瓦A沿圆周均匀分布，第二组磁瓦由8个磁瓦B沿圆周均匀分布。
优选地，所述磁瓦B的中心线L2与所述中心线L1在圆周方向上错开形成一个角度α的范围在6°-7°之间，永磁转矩的最大值和磁阻转矩的最大值出现时所对应的电流角之间电角度差的范围在7.5°-12.5°之间。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1）本发明提供高转矩密度的盘式电机，通过在圆周方向偏移磁瓦B，使每一个磁瓦B的中心线L2与每两个相邻的磁瓦A形成的中心线L1之间形成一个角度α，使得磁瓦分布不对称，使电机的d/q轴发生偏移，从而使永磁转矩的最大值和磁阻转矩的最大值出现时的所对应的电流角之间的电角度差减小，即永磁转矩的最大值和磁阻转矩的最大值出现时的所对应的电流角相互逼近，从而可充分利用电机的各转矩分量，提高电机输出的电磁转矩密度，进而提升电机的转矩密度和功率密度。
2）本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明
图1是为现有技术提供的磁瓦对称分布时轴向磁通永磁同步电机的d/q轴的示意图；
图2是为本发明提供的定子组件与转子组件的立体结构示意图；
图3是为本发明提供的定子组件与转子组件的主视结构示意图；
图4是为本发明提供的磁瓦A与磁瓦B的分布结构示意图；
图5是为本发明提供的转子铁芯的立体结构示意图；
图6是为本发明提供的转子组件的立体结构示意图；
图7是为图6提供的A部分的放大结构示意图；
图8是为本发明提供的磁瓦不对称分布时轴向磁通永磁同步电机的d/q轴的示意图；
图9是为本发明提供的电机Park变换向量图；
图10是为本发明提供的磁瓦B未偏移时的转矩成分图；
图11是为本发明提供的磁瓦B偏移后的转矩成分图；
图12是为本发明提供的磁瓦B未偏移时的转矩成分图（电机极数p为8）；
图13是为本发明提供的磁瓦B偏移后的转矩成分图（电机极数p为8）。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
如图2至图4所示，本实施例提供的是一种高转矩密度的盘式电机，包括定子组件10和转子组件20，定子组件10和转子组件20通过轴向磁场耦合，转子组件20包括转子铁芯1、第一组磁瓦2和第二组磁瓦3，第一组磁瓦2安装在转子铁芯1上、沿同一圆周分布且轴向充磁，第二组磁瓦3安装在转子铁芯1上、沿同一圆周分布且切向充磁，第一组磁瓦2靠近定子组件10，第二组磁瓦3远离定子组件10，第一组磁瓦2与第二组磁瓦3沿轴向上下间隔分布，以使第一组磁瓦2与第二组磁瓦3沿轴向错开一定的距离L3，第一组磁瓦2由N个磁瓦A21沿圆周均匀分布，第二组磁瓦3由N个磁瓦B 31沿圆周均匀分布，N是整数，相邻两个磁瓦A21的中心线是L1，磁瓦B的中心线L2与中心线L1在圆周方向上错开形成一个角度α，以使永磁转矩的最大值和磁阻转矩的最大值出现时所对应的电流角之间的电角度差减小，从而提高电机的最大输出转矩，通过在圆周方向偏移磁瓦B 31，使每一个磁瓦B 31的中心线L2与每两个相邻的磁瓦A 21形成的中心线L1之间形成一个角度α，使得磁瓦分布不对称，使电机的d/q轴发生偏移，从而使永磁转矩的最大值和磁阻转矩的最大值出现时的所对应的电流角之间的电角度差减小，即永磁转矩的最大值和磁阻转矩的最大值出现时所对应的电流角相互逼近，从而可充分利用电机的各转矩分量，提高电机输出的电磁转矩密度，进而提升电机的转矩密度和功率密度。
针对磁瓦对称分布时，即磁瓦B 31未发生偏移时，无法实现电机的电磁转矩的更高密度的输出以获得更高的转矩密度的具体的分析过程如下：
见图9的电机PARK变换向量图。
d/q轴磁链方程：
λd和λq分别代表d/q轴磁链，Ld和Lq分别代表d/q轴电感，id和iq分别代表是d/q轴电流，λpm代表永磁磁链。
电压方程：
Vd和Vq分别代表定子电压的d/q轴分量，R代表定子一相电阻，ω是电机角速度，t代表时间。
电机电磁转矩方程：
T_EM代表电机总电磁转矩，P是轴向磁通电机极数。
电磁转矩方程同时可表述为：
其中，T_PM为永磁转矩分量，T_RE为磁阻转矩分量，分别记作：
又记作：
其中，γ代表电流角度。
根据以上公式，可绘制磁瓦B未偏移时的电磁转矩合成图，见图10。根据以上公式可以算出永磁转矩T_PM的最大值在γ=0°时，而磁阻转矩T_RE的最大值出现在γ=45°时，即永磁转矩T_PM最大值和磁阻转矩T_RE最大值的电流角之间的电角度差为45°，由于永磁转矩T_PM的最大值所对应的电流角与磁阻转矩T_RE的最大值所对应的电流角之间的电角度差相对较大，使得无法充分利用电机永磁转矩T_PM的成分和磁阻转矩T_RE的成分，从而无法实现电机的电磁转矩的更高密度的输出以获得更高的转矩密度。
而在本实施例中，当磁瓦B 31发生偏移之后，使得磁瓦分布不对称，即主磁通路径由原来的对称拓扑结构变为不对称拓扑结构，此时，d/q轴在会在原d/q轴的基础上发生偏移，见图8。
对于磁瓦B 31偏移之后的轴向磁通电机，假设只存在磁瓦A 21，此时，电机d/q轴见图8中的投影分量为dR和qR，与磁瓦B 31未偏移前一样，dR和qR分别重合于磁瓦A 21中心线L4和相邻两个磁瓦A 21中心线L1；假设只存在磁瓦B 31，此时，由于此时磁瓦B 31偏移，磁瓦B 31偏移之后的d/q轴见图8中的投影分量为dr和qr，dr和qr与两条中心线不再重合；最终，在同时存在磁瓦A 21和磁瓦B 31的轴向磁通电机中，d/q轴位置见图8中合成量为d2（等于dR和dr之和）和q2（等于qR和qr之和），合成之后的d2和q2不再分别与磁瓦A 21中心线L4和相邻两个磁瓦A 21中心线L1重合，而是产生了一定的偏移角度α。
偏移角度α代表d/q轴的实际偏移量，而电角度的偏移量αe可以表示为：
其中，p为电机极数。
磁瓦B 31偏移之后的转矩分量公式可以记为：
将偏移量αe的表达式代入其中，偏移之后的转矩分量公式可以化简为：
与磁瓦B 31的未偏移前的公式相比，可以知道永磁转矩和磁阻转矩都在原来的基础上发生了变化，磁瓦B 31的偏移带来的相位差使得永磁转矩最大值和磁阻转矩最大值的电流角相互逼近，见附图11。
所述磁瓦B的中心线L2与中心线L1在圆周方向上错开形成的角度α可通过模拟仿真获得或者实验获得或者通过数学模型计算获得；例如：当采用实验获得获得磁瓦B 31的中心线L2在圆周方向偏移中心线L1的角度α时，具体的做法如下：设定当电机的永磁转矩分量达到最大值T_PM MAX时所对应的电流角为转子组件20的原点，设定多个角度α，如0.5°、1°、1.5°、2°等，如此类推，对每一个角度α进行试验，并测量电机的磁阻转矩分量达到最大值T_RE MAX时所对应的电流角，若磁阻转矩分量达到最大值T_RE MAX时所对应的电流角与永磁转矩分量达到最大值T_PM MAX时所对应的电流角之间的差值小于45°，则可认为当前试验的角度α为一个优选角度；多次试验，若获得磁阻转矩分量达到最大值T_RE MAX时所对应的电流角与永磁转矩分量达到最大值T_PM MAX时所对应的电流角之间的差值最小时，则可认为当前试验的角度α为磁瓦B 31的中心线L2在圆周方向偏移中心线L1的最佳角度。
需说明的是，当通过模拟仿真实验计算获取磁瓦B 31的中心线L2在圆周方向偏移中心线L1的角度α时，需先确定电机的槽数、极数、内外径、定子铁芯的高度、转子铁芯的高度、磁瓦A的厚度、磁瓦A的极弧系数和磁瓦B的厚度等参数。
磁瓦A 21的截面是扇形，磁瓦B 31的截面是方形。
如图5至图7所示，所述转子铁芯1包括环状上端板11、环状下端板12、若干铁块部13和若干连接部14，若干连接部14位于环状上端板11与环状下端板12之间用于连接环状上端板11和环状下端板12，若干连接部14沿周向均匀分布，在环状上端板11和环状下端板12之间的相邻两个连接部14之间形成第一安装槽4，磁瓦A 21分别嵌入到第一安装槽4中；环状下端板12沿轴向往下凸出若干个铁块部13，若干个铁块部13沿周向均匀分布，相邻两个铁块部13之间形成第二安装槽5，磁瓦B 31分别嵌入到第二安装槽5中，转子铁芯1是采用整块的钢或者铸铁或者SMC等原材料制得的。
如图7所示，作为一个优选方案，每一个磁瓦A 21的两侧分别与相邻的连接块部之间留有间隙以形成第一气隙磁障6，于磁瓦A 21与第二安装槽5的顶部之间形成第二气隙磁障7；每一个所述连接部14上设置有沿所述转子铁芯1的径向方向延伸的通孔以形成第三气隙磁障8；各个气隙屏障能相互配合，有效减小漏磁。
作为一个具体方案，假设电机极数p为8，即第一组磁瓦2由8个磁瓦A 21沿圆周均匀分布，第二组磁瓦3由8个磁瓦B 31沿圆周均匀分布，在此状态下，通过模拟仿真实验获得或者通过数学模型计算获得所述磁瓦B 31的中心线L2与所述中心线L1在圆周方向上错开形成一个角度α的范围在6°-7°之间，永磁转矩的最大值和磁阻转矩的最大值出现时所对应的电流角之间电角度差的范围在7.5°-12.5°之间。具体的参数选定及模拟结果可参表1：
由此可见，当电机极数p为8时，α为6.7°，永磁转矩在电角度γ为10°时取得最大值，而磁阻转矩在电角度γ为20°时取得最大值，此时，永磁转矩最大值和磁阻转矩最大值的电流角差值为10°，小于磁瓦B 31未偏移时二者最大值出现电角度差值，使得永磁转矩和磁阻转矩的较大值的区间能够更加重合，提高了永磁转矩和磁阻转矩合成之后的最大电磁转矩。换句话说，偏移之后，通过永磁转矩和磁阻转矩能够合成的最大电磁转矩大于未偏移前，电机在采用MTPA（最大转矩控制算法）等控制算法时，能够得到的最大电磁转矩较大，电机转矩密度提高。
当电机极数p为8时，磁瓦B未偏移时的转矩成分图可见图12。
当电机极数p为8时，磁瓦B偏移后的转矩成分图可见图13。
需说明的是，图10至图13中，T_PM MAX为永磁转矩分量的最大值，T_RE MAX为磁阻转矩分量的最大值，T_EM MAX为由永磁转矩分量的最大值T_PM MAX与磁阻转矩分量的最大值T_RE MAX为合成所得的电机总电磁转矩的最大值。
以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高转矩密度的盘式电机，包括定子组件（10）和转子组件（20），定子组件（10）和转子组件（20）通过轴向磁场耦合，其特征在于：转子组件（20）包括转子铁芯（1）、第一组磁瓦（2）和第二组磁瓦（3），第一组磁瓦（2）安装在转子铁芯（1）上、沿同一圆周分布且轴向充磁，第二组磁瓦（3）安装在转子铁芯（1）上、沿同一圆周分布且切向充磁，第一组磁瓦（2）靠近定子组件（10），第二组磁瓦（3）远离定子组件（10），第一组磁瓦（2）与第二组磁瓦（3）沿轴向错开一定的距离L3，第一组磁瓦（2）由N个磁瓦A（21）沿圆周均匀分布，第二组磁瓦（3）由N个磁瓦B（31）沿圆周均匀分布，N是整数，相邻两个磁瓦A（21）的中心线是L1，磁瓦B（31）的中心线L2与中心线L1在圆周方向上错开，以使永磁转矩的最大值和磁阻转矩的最大值出现时所对应的电流角之间的电角度差减小，从而提高电机的最大输出转矩；
所述转子铁芯（1）包括环状上端板（11）、环状下端板（12）、若干铁块部（13）和若干连接部（14），若干连接部（14）位于环状上端板（11）与环状下端板（12）之间用于连接环状上端板（11）和环状下端板（12），若干连接部（14）沿周向均匀分布，在环状上端板（11）和环状下端板（12）之间的相邻两个连接部（14）之间形成第一安装槽（4），磁瓦A（21）嵌入到第一安装槽（4）中；环状下端板（12）沿轴向往下凸出若干个铁块部（13），若干个铁块部（13）沿周向均匀分布，相邻两个铁块部（13）之间形成第二安装槽（5），磁瓦B（31）嵌入到第二安装槽（5）中。
2.根据权利要求1所述的一种高转矩密度的盘式电机，其特征在于：所述磁瓦B（31）的中心线L2与所述中心线L1在圆周方向上错开形成一个角度α。
3.根据权利要求2所述的一种高转矩密度的盘式电机，其特征在于：磁瓦A（21）的截面是扇形，磁瓦B（31）的截面是方形。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种高转矩密度的盘式电机，其特征在于：每一个磁瓦A（21）的两侧分别与相邻的连接部（14）之间留有间隙以形成第一气隙磁障（6），于磁瓦A（21）与第二安装槽（5）的顶部之间形成第二气隙磁障（7）。
5.根据权利要求4所述的一种高转矩密度的盘式电机，其特征在于：每一个所述连接部（14）上设置有沿所述转子铁芯（1）的径向方向延伸的通孔以形成第三气隙磁障（8）。
6.根据权利要求5所述的一种高转矩密度的盘式电机，其特征在于：第一组磁瓦（2）由8个磁瓦A（21）沿圆周均匀分布，第二组磁瓦（3）由8个磁瓦B（31）沿圆周均匀分布。
7.根据权利要求6所述的一种高转矩密度的盘式电机，其特征在于：所述磁瓦B（31）的中心线L2与所述中心线L1在圆周方向上错开形成的角度α的范围在6°-7°之间，永磁转矩的最大值和磁阻转矩的最大值出现时所对应的电流角之间电角度差的范围在7.5°-12.5°之间。
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