CN115664063A - 一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机 - Google Patents

Abstract

本申请属于电机技术领域，具体涉及一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机，包括定子和转子，定子包括定子盘和沿周向依次排列在定子盘下部的相电枢单元，转子包括转子盘和沿周向固定在转子盘上部的永磁体阵列。每个相电枢单元包括两个子电枢单元，每个子电枢单元的n个相电枢铁心沿周向交替地间隔排列，且相邻的两个相电枢铁心对向设置，既能节约绕组材料、方便装配，又能安装更多的相电枢铁心以提高转矩密度；采用真分数槽集中绕组的方式减少谐波。本申请适用于低速大转矩场景，既具有方便装配、耗材少的优点，还具有温升小、转矩密度高、谐波少的优点。

Description

一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机

技术领域

本申请涉及电机技术领域，特别涉及一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机。

背景技术

盘式横向磁通永磁无刷电机具有转矩密度高、轴向长度短、低速性能好、电路与磁路在空间上相互解耦、有效解决定子齿和线圈在空间上相互制约问题、极易被设计成多极电机等诸多优点，在船舶推进、风力发电、新能源汽车轮毂电机、工业机器人等诸多先进领域得到了很好的运用。当前，盘式横向磁通永磁无刷电机中运用较为广泛的定子结构多为U型、E型和C型定子。

专利“一种盘式横向磁通永磁无刷电机及方法”(授权号为CN 110620449 B)提出了一种U型定子的盘式横向磁通永磁同步电机的结构如图1所示，电枢铁心采用U型硅钢片叠压，电枢绕组采用集中式绕组，相对于分布式绕组而言，节约了大量端部绕组，但每个定子齿上含有两个独立线圈，对于低速大转矩电机而言，通常线圈匝数设计较多，这就无法逃避线圈材料用量大、定子槽与定子齿相互制约、温升高、电机重、嵌线工作量大和铜耗大等诸多问题。

因此，亟需一种可解决上述诸多问题的盘式横向磁通永磁无刷电机。

发明内容

本申请的目的在于提供一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机，可有效解决传统盘式横向磁通永磁同步电机存在的线圈匝数多、材料用量大、定子槽与定子齿相互制约、温升高、电机重、嵌线工作量大和铜耗大等诸多问题。

本申请的实施例可以通过以下技术方案实现：

一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机，包括定子和转子，所述定子与所述转子呈上下圆柱形结构，并且两者上下配合设置，所述定子与所述转子之间留有气隙，所述定子包括定子盘和多个相电枢单元，所述相电枢单元位于所述定子盘的下部，所述相电枢单元沿周向依次排列在所述定子盘上；

所述转子包括转子盘和永磁体阵列，所述永磁体阵列沿周向固定在所述转子盘上。

进一步地，所述双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机为m相盘式横向磁通永磁无刷电机，则所述相电枢单元的数量为m个，其中，m为自然数且m≥2。

进一步地，每个所述相电枢单元包括两个结构相同且反向对称设置的子电枢单元，每个所述子电枢单元包括n个相邻的相电枢铁心和一个贯穿连接固定所述相电枢铁心的相电枢绕组，其中，n为自然数且n≥1。

进一步地，每个所述子电枢单元的n个相电枢铁心沿周向交替间隔排列，且相邻的两个相电枢铁心对向设置。

进一步地，所述相电枢铁心为双阶梯L型结构，所述相电枢铁心包括定子长齿、定子轭、定子中部齿、定子水平齿和定子短齿，所述定子长齿、所述定子中部齿和所述定子短齿为垂直于所述定子盘的方向放置，所述定子轭和所述定子水平齿为平行于所述定子盘的方向放置。

优选地，所述相电枢铁心还包括定子齿靴，所述定子齿靴位于所述定子长齿靠近所述定子短齿的一侧。

进一步地，所述相电枢绕组绕制在所述定子长齿和/或所述定子中部齿上。

进一步地，所述永磁体阵列包括第一周向阵列和第二周向阵列，所述第一周向阵列与所述第二周向阵列同轴设置；

所述第一周向阵列和所述第二周向阵列分别包括2p个永磁体，所述第一周向阵列与所述第二周向阵列的永磁体沿径向方向一一对应，径向对应的两个永磁体极性相反且正对定子长齿/定子齿靴、定子短齿；所述第一周向阵列和所述第二周向阵列的周向相邻的两个永磁体极性相反；

所述永磁体的极弧系数相同、长度相同、厚度相同。

进一步地，所述永磁体阵列采用轴向充磁的方式，每周向和径向相邻的两永磁体沿周向充磁，且充磁方向相反。

优选地，所述双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机为真分数槽集中绕组电机，即n/p为不可约分的真分数。

进一步地，所述定子盘由非导磁材料制成，所述转子盘由导磁材料制成。

本申请的实施例提供的一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机至少具有以下有益效果：

(1)相电枢铁心为双阶梯L型结构，既方便绕组，又能极大节约绕组材料的用量；

(2)每个子电枢单元的n个相电枢铁心沿周向交替地间隔排列，且相邻的两个相电枢铁心对向设置，既方便安装，又极大地改善了相邻相电枢铁心之间的距离。相同电机直径下，可以安装更多的相电枢铁心，能更好得提升电机的转矩功率和改善电机温升；

(3)本申请为真分数槽集中绕组的电机，谐波少，转动平稳。

通过以上设置，可使得盘式横向磁通永磁无刷电机的性能的得到大幅提升，同时电机的散热、寿命也得到了极大地改善。本申请既可作为发电机使用，又可作为电动机使用，在低速大转矩场景具有较好的应用场景。

附图说明

图1为现有U型定子的盘式横向磁通永磁同步电机的三维结构示意图；

图2为本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的三维局部结构示意图；

图3为本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的侧视图；

图4为本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的转子的俯视图；

图5为本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的相邻相电枢铁心沿圆周方向的正视图；

图6为本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的相电枢绕组绕制在定子中部齿上的结构示意图；

图7为本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的相电枢绕组绕制在定子长齿上的结构示意图；

图8为本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的相电枢绕组绕制在定子长齿和定子中部齿上的俯视图；

图9为本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的单个相电枢铁心与径向两永磁体之间形成的横向磁路示意图；

图10为本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机与相同电机外径和高度的U型盘式横向磁通电机的输出转矩仿真对比图。

图中标号

1、定子，11、定子盘，12、相电枢单元，12-1、子电枢单元，12-2、子电枢单元，12-3、子电枢单元，121、相电枢铁心，121-1、定子长齿，121-2、定子轭，121-3、定子中部齿，121-4、定子水平齿，121-5、定子短齿，121-6、定子齿靴，122、相电枢绕组，2、转子，21、转子盘，22、永磁体阵列，221、第一周向阵列，222、第二周向阵列，223、永磁体。

具体实施方式

以下，基于优选的实施方式并参照附图对本申请进行进一步说明。

此外，为了方便理解，放大(厚)或者缩小(薄)了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本申请的保护范围。

单数形式的词汇也包括复数含义，反之亦然。

在本申请实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是本申请实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，本申请的描述中，为了区分不同的单元，本说明书上用了第一、第二等词汇，但这些不会受到制造的顺序限制，也不能理解为指示或暗示相对重要性，其在本申请的详细说明与权利要求书上，其名称可能会不同。

本说明书中词汇是为了说明本申请的实施例而使用的，但不是试图要限制本申请。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述术语在本申请中的具体含义。

图2和图3示出了本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的三维局部结构示意图和侧视图，如图2和图3所示，双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机包括定子1和转子2，定子1和转子2呈上下圆柱形结构，并且两者上下配合设置，为了保证定子1与转子2的正常工作，定子1与转子2之间留有气隙。具体地，定子1包括定子盘11和多个相电枢单元12，相电枢单元12位于定子盘11的下部，相电枢单元12沿周向依次排列在定子盘11上。具体地，定子盘11由非导磁材料制成，定子盘11用于固定和支撑相电枢单元12。

可以想象的是，本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机可做成双定子单转子、单定子单转子、单定子双转子或者多定子多转子结构，同时，定子可做成转子，转子也可做成定子，结构较为灵活。

图6-图8示出了本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的相电枢单元12内部连接的结构示意图，如图6-图8所示，相电枢单元12的数量为m个，每个所述相电枢单元12包括两个结构相同且反向对称设置的子电枢单元12-i(i＝1…m)。具体地，每个子电枢单元12-i包括n个相邻的相电枢铁心121和一个贯穿连接固定相电枢铁心121的相电枢绕组122，则子电枢单元12-i的数量为2m个，相电枢铁心121的个数z＝2mn，进一步地，相电枢铁心121沿周向均匀排列的定子盘11上，则相邻相电枢铁心121的中心线夹角α1＝360°/z。具体地，本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机为m相n元的盘式横向磁通永磁无刷电机，其中，m为电机的相数，n为每个子电枢单元12-i包括的相电枢铁心121的个数，m、n均为自然数且m≥2、n≥1。

由于盘式横向磁通永磁无刷电机的相邻永磁体233的充磁方向相反，使得相邻相电枢铁心121中的磁通方向相反，具体地，每个子电枢单元12-i的n个相电枢铁心121沿周向交替间隔排列，且相邻的两个相电枢铁心121对向设置，可使得同一子电枢单元12-i的相电枢铁心121与相电枢绕组122匝链的磁通方向在任意时刻均相同。通过以上设置，既可将本来不同方向的磁路转化成同一方向，又方便装配、节省耗材，而且与相同外径的普通盘式横向磁通永磁无刷电机相比，本申请还可大大增加相电枢铁心121的数量，实现增大转矩密度的效果。

图5示出了本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的相邻相电枢铁心121沿圆周方向的正视图，如图5所示，相电枢铁心121为双阶梯L型结构，相电枢铁心121包括依次连接的定子长齿121-1、定子轭121-2、定子中部齿121-3、定子水平齿121-4和定子短齿121-5，定子长齿121-1、定子中部齿121-3和定子短齿121-5沿垂直于定子盘11所在平面的方向放置，定子轭121-2和定子水平齿121-4沿平行于定子盘11所在平面的方向放置。具体地，相电枢绕组122绕制在定子长齿121-1和/或定子中部齿121-3上。

具体地，如图6所示，相电枢绕组122绕制在定子中部齿121-3上，可实现最大限度的节约绕组材料的用量，既能提高盘式横向磁通永磁无刷电机的材料利用率和空间利用率，又能降低盘式横向磁通永磁无刷电机的温升。如图7所示，相电枢绕组122绕制在定子长齿121-1上，可使得相电枢绕组122的端部置于相邻相电枢铁心121的定子水平齿121-4上，实现相电枢绕组122绕制空间得到最大的利用，进而为相电枢铁心121提供更多的放置空间，增加相电枢铁心121的数量以提高盘式横向磁通永磁无刷电机的转矩密度。如图8所示，相电枢绕组122既绕制于定子长齿121-1上，又绕制于定子中部齿121-3上，相对于相电枢绕组122只绕制在定子中部齿121-3上，此绕制方式可使得相电枢绕组122的绕制空间得到更大的利用，从而为相电枢铁心121提供更多的放置空间，增加相电枢铁心121的数量以提升盘式横向磁通永磁无刷电机的转矩密度；相对于相电枢绕组122只绕制在定子长齿121-1上，此绕制方式可节约绕组材料的用量，进而提升盘式横向磁通永磁无刷电机的材料利用率和空间利用率。优选地，相电枢铁心121的定子中部齿121-3的端部位于同一个圆的圆周上，可进一步节约绕组材料的用量。

优选地，为充分利用相邻相电枢绕组122之间的空间，定子轭121-2与定子水平齿121-4径向长度相等。优选地，为了不产生过量漏磁，定子短齿121-5的长度应尽量缩短。

如图1和图2所示，转子2包括转子盘21和永磁体阵列22，永磁体阵列22沿周向固定在转子盘21上。具体地，如图4所示，永磁体阵列22包括第一周向阵列221和第二周向阵列222，第一周向阵列221和第二周向阵列222同轴设置，第一周向阵列221固定于转子盘21的内圈，第二周向阵列222固定于转子盘21的外圈，转子盘21为导磁材料制成。具体地，第一周向阵列221和第二周向阵列222分别包括2p个等间隔排列的永磁体223，则相邻永磁体223的中心线夹角α2＝360°/(2p)，第一周向阵列221与第二周向阵列222的永磁体223沿径向方向一一对应，径向对应的两个永磁体223极性相反且正对定子长齿121-1、定子短齿121-5；第一周向阵列221和第二周向阵列222的周向相邻的两个永磁体223极性相反。进一步地，同一中轴线上的两永磁体223相互形成回路，即永磁体阵列22采用轴向充磁的方式，每周向和径向相邻的两块永磁体223沿周向充磁且充磁方向相反。

图9示出了本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的单个相电枢铁心121与径向两永磁体223之间形成的横向磁路示意图，如图9所示，永磁磁通的磁路为：永磁体223的N极→气隙→定子短齿121-5→定子水平齿121-4→定子轭121-2→定子长齿121-1→永磁体223的S极→转子盘21→永磁体223的N极，如此形成一个闭合回路。

优选地，如图5所示，为减少磁阻，相电枢铁心121还包括定子齿靴121-6，定子齿靴121-6位于定子长齿121-1靠近定子短齿121-5的一侧。具体地，径向对应的两个永磁体223极性相反且正对定子齿靴121-6、定子短齿121-5。进一步地，永磁磁通的磁路为：永磁体223的N极→气隙→定子短齿121-5→定子水平齿121-4→定子轭121-2→定子长齿121-1→定子齿靴121-6→永磁体223的S极→转子盘21→永磁体223的N极，如此形成一个闭合回路。

具体地，径向两个极性相反的永磁体223正对定子齿靴121-6和定子短齿121-5。优选地，为充分利用永磁体223，有效减小极间漏磁，定子长齿121-1与定子齿靴121-6之间的距离与径向对应的两个永磁体223之间的距离相等。

具体地，当相电枢绕组122通三相交流电时，形成同步速旋转磁场，与永磁铁223产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，进而驱动电机旋转，此时本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机可作为电动机使用。具体地，当转子盘21转动时，永磁体223产生的磁场同步旋转，相电枢铁心121内磁通交变，进而相电枢绕组122感应生出感应电动势，此时本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机可连接负载，作为发电机使用。

具体地，永磁体223的极弧系数相同、长度相同、厚度相同。在本申请的一些优选的实施例中，永磁体223为钕铁硼材料制成。在本申请的一些优选的实施例中，永磁体223的形状为扇形，可以想象的是，永磁体223也可以为矩形、等腰梯形等形状。

优选地，为减少谐波，使电机平稳转动，本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机为真分数槽集中绕组电机。具体地，每极每相槽数q为不可约分的真分数，即在每个磁极下，每一相应该占有的槽数。具体地，槽数与相电枢铁心121的数量对应，磁极数与第一周向阵列221中永磁体223的数量对应，则q＝2mn/(2pm)＝n/p为不可约分的真分数。通过以上设置，可实现电机转动到任意位置，不存在相电枢铁心121与永磁体223完全对应的情况，从而减少谐波的产生，保证电机的平稳转动。

图10示出了本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机与相同电机外径和高度的U型盘式横向磁通电机的输出转矩仿真对比图，如图10所示，运用电机仿真软件，将相同电机外径和高度的U型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机、双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的输出转矩进行对比，可看出双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的输出转矩更大，进一步验证了本申请双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机的有效性。

以上对本申请的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本申请权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机，包括定子和转子，所述定子与所述转子呈上下圆柱形结构，并且两者上下配合设置，所述定子与所述转子之间留有气隙，其特征在于：

所述定子包括定子盘和多个相电枢单元，所述相电枢单元位于所述定子盘的下部，所述相电枢单元沿周向依次排列在所述定子盘上；

所述转子包括转子盘和永磁体阵列，所述永磁体阵列沿周向固定在所述转子盘上。

2.根据权利要求1所述的一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征在于：

所述双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机为m相盘式横向磁通永磁无刷电机，则所述相电枢单元的数量为m个，其中，m为自然数且m≥2。

3.根据权利要求2所述的一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征在于：

每个所述相电枢单元包括两个结构相同且反向对称设置的子电枢单元，每个所述子电枢单元包括n个相邻的相电枢铁心和一个贯穿连接固定所述相电枢铁心的相电枢绕组，其中，n为自然数且n≥1。

4.根据权利要求3所述的一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征在于：

每个所述子电枢单元的n个相电枢铁心沿周向交替地间隔排列，且相邻的两个相电枢铁心对向设置。

5.根据权利要求4所述的一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征在于：

所述相电枢铁心为双阶梯L型结构，所述相电枢铁心包括依次连接的定子长齿、定子轭、定子中部齿、定子水平齿和定子短齿，所述定子长齿、所述定子中部齿和所述定子短齿沿垂直于所述定子盘的方向放置，所述定子轭和所述定子水平齿沿平行于所述定子盘的方向放置。

6.根据权利要求5所述的一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征在于：

所述相电枢铁心还包括定子齿靴，所述定子齿靴位于所述定子长齿靠近所述定子短齿的一侧。

7.根据权利要求5所述的一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征在于：

所述相电枢绕组绕制在所述定子长齿和/或所述定子中部齿上。

8.根据权利要求6所述的一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征在于：

所述永磁体阵列包括第一周向阵列和第二周向阵列，所述第一周向阵列与所述第二周向阵列同轴设置；

所述第一周向阵列和所述第二周向阵列分别包括2p个永磁体，所述第一周向阵列与所述第二周向阵列的永磁体沿径向方向一一对应，径向对应的两个永磁体极性相反且正对定子长齿/定子齿靴、定子短齿；所述第一周向阵列和所述第二周向阵列的周向相邻的两个永磁体极性相反；

所述永磁体的极弧系数相同、长度相同、厚度相同。

9.根据权利要求8所述的一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征在于：

所述永磁体阵列采用轴向充磁的方式，每周向和径向相邻的两永磁体沿周向充磁，且充磁方向相反。

10.根据权利要求8所述的一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征在于：

所述双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机为真分数槽集中绕组电机，即n/p为不可约分的真分数。

11.根据权利要求1所述的一种双阶梯型定子的盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征在于：

所述定子盘由非导磁材料制成，所述转子盘由导磁材料制成。

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