CN116260302B - 一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向‑横向混合磁通的永磁同步电机，包括沿轴向设置的C型定子、两个盘式转子和内转子，两个盘式转子对称分布在C型定子两侧，两个盘式转子和C型定子形成轴向磁通的路径；内转子位于C型定子内孔中，内转子和C型定子形成横向磁通的路径；两个盘式转子和内转子同轴固定，用于固定内转子永磁体的转毂设计成风扇形状，在保证强度的同时，可以在内部形成两条风路，实现自冷却。本发明的轴向和横向永磁体可以采用混合永磁体结构，在保证性能和成本前提下，能够有效提高电机的功率因数、增加高效率区域；内转子永磁体可以采用低成本的永磁体，用于降低漏磁，起到聚磁作用，进一步提高电机的转矩密度。

Description

一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，具体来说，涉及一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机。

背景技术

永磁同步电机因具有高转矩密度、高功率密度、高效率区间和较宽的弱磁调速能力，在新能源汽车、机器人、无人机等领域得到广泛应用，具有很高的研究价值。随着相关技术产品的普及应用，其性能和成本的竞争也日益增加。

目前，常用的永磁同步电机按照磁通方式分类，主要有径向磁通电机、轴向磁通电机和横向磁通电机。其中径向磁通电机采用长径比较大的结构；轴向磁通电机和横向磁通电机采用长径比较小的结构；在一些对轴向空间限制比较严格（如机器人关节、轮毂驱动）的情况下，轴向磁通电机和横向磁通电机相比优势较为明显。传统的径向磁通电机，端部占据轴向长度而不输出转矩；传统的轴向磁通电机和横向磁通电机虽然没有端部，能够提高转矩密度，但是空间中仍然存在很多漏磁，不做功但是产生铜耗；如何提高定子绕组的利用率，一直是研究的热点问题。

现有技术中如公开号为CN112510946B的中国发明专利公布了一种航空航天领域用高功率密度横向磁通外转子永磁电机，轴横向磁通外转子永磁电机包括轴横向磁通复合外转子、“凹”字形铁芯复合内定子和气隙，其中：轴横向磁通复合外转子包括轴向磁路转子和横向磁路转子；轴向磁路转子对称分布于“凹”字形铁芯复合内定子两侧；横向磁路转子沿外圆周分布且位于“凹”字形铁芯复合内定子外侧；“凹”字形铁芯复合内定子包括复合式定子铁芯和集中式定子绕组；复合式定子铁芯由多个“凹”字形铁芯拼装而成；集中式定子绕组斜跨绕过每个“凹”字形铁芯，集中式定子绕组端部与横向磁路耦合输出转矩；虽然该专利技术采用“凹”字形铁芯复合内定子结构，通过轴向和横向磁通路径，能够利用提高一定的绕组利用率，但是相比单纯的轴向磁通电机，该电机的径向方向尺寸增加，磁钢用量也较多；由于径向外转子的存在，该电机仅仅能够采用自然冷却的方式，其余冷却结构十分复杂，限制了热负荷取值，相比于同体积的轴向磁通电机，其转矩体密度也没有明显的优势。

现有技术中如公开号为CN113114014A的中国发明专利申请公开了一种混合磁通复合结构盘式电机，包括前定子组件、中间定子组件和转子组件；转子组件包括导磁转子支架、前端面永磁体和中间永磁体，前端面永磁体和中间永磁体均安装在导磁转子支架上，且中间永磁体环绕前端面永磁体设置；前定子组件与前端面永磁体面对面设置；中间永磁体置于中间定子组件的定子槽内，且中间永磁体的侧壁与定子槽的侧壁相距预设的距离。该专利技术采用三套绕组结构同时实现轴向和横向的磁通路径，等同于一个双定子单转子电机和一个横向磁通电机的分离组装，相比传统电机，多了一套绕组结构，不仅使得组合电机的重量增加，还使得体积增加，电机的转矩体密度没有实质的增加。而且电机的结构复杂，安装困难，成本也颇高。

现有技术中如公开号为CN114825828A的中国发明专利申请公开了一种混合磁通模块化双转子开关磁阻电机，包括多个相互独立的U型铁芯组成的模块化定子，每个定子缠绕有集中式的励磁绕组。所述电机是一种混合磁通结构，存在着两种磁通路径，模块化内转子(3)沿圆周方向均匀分布在定子中间上，与U型定子部分相连，形成横向磁通路径，构成横向磁通开关磁阻电机；模块化外转子(4)同样由分块转子组成，按圆周方向均匀分布在定子外侧，与U型定子部分形成一种轴向磁通路径，构成轴向磁通开关磁阻电机；根据专利如上所述，该专利技术采用U型定子和内外分块转子可以实现轴向和横向两条磁通路径，但是根据专利的结构中所示分析，该结构下仅存在两条横向磁通路径，无轴向磁通路径的存在，文中所述增加了转矩，是因为仅仅通过凹凸的转子增加了磁阻转矩而已，因此该专利未能够同时形成轴向磁通和横向磁通。

以上方案技术均未能妥善解决高转矩密度的问题，且目前国内已有的相关专利和文献在轴向-横向混合磁通的电机方面尚未提出有效的实施案例。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机，以妥善解决永磁同步电机高转矩密度问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机，包括沿轴向设置的C型定子、两个盘式转子和内转子，两个盘式转子对称分布在C型定子两侧，两个盘式转子和C型定子形成轴向磁通的路径；内转子位于C型定子内孔中，内转子和C型定子形成横向磁通的路径；两个盘式转子和内转子同轴固定。

在可能的一个设计中，C型定子包括若干沿轴向均布的模型化C型定子铁芯和固定在C型定子铁芯上的电枢绕组。

在可能的一个设计中，电枢绕组采用两个分瓣的集中绕组。

在可能的一个设计中，盘式转子包括转子铁心和若干固定在转子铁心上的第一永磁体。

在可能的一个设计中，盘式转子和C型定子构成YASA结构。

在可能的一个设计中，内转子包括第二永磁体以及用于固定第二永磁体的内转子转毂。

在可能的一个设计中，所述内转子转毂包括内侧和转轴过盈配合的内圈、外侧粘附有表贴式永磁体的外圈以及若干均布在内圈、外圈之间的弧形散热叶片，弧形散热叶片一端与内圈外壁固定，另一端与外圈内壁固定。

在可能的一个设计中，第一永磁体和C型定子铁芯上部凸起形成闭合的轴向磁通路径，第二永磁体轴向充磁和C型定子铁芯下部凸起形成闭合的横向磁通路径。

在可能的一个设计中，第一永磁体为钕铁硼永磁体。

在可能的一个设计中，第二永磁体为铁氧体永磁体或者钕铁硼永磁体。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的定子铁芯采用C型结构，在保证电机体积不变的情况下，能够实现轴向-横向混合磁通的电机，可以降低漏磁，起到聚磁作用，增加主磁通，提高电机的输出能力，从而增加电机转矩密度和功率密度。

2、本发明的C型定子铁芯两个齿部，即轴向磁通定子齿部和横向磁通定子齿部。通过对两个齿部的尺寸优化，能够协同作用，共同降低整机的齿槽转矩，降低电机的振动噪声，提高系统的舒适性。

3、本发明的内转子盘的内部设计成风扇扇叶形状，能够在电机内部形成两条风路，可以降低电机的温升和防止永磁体表面高温退磁。

4、本发明的轴向和横向永磁体可以采用混合永磁体结构，在保证性能和成本前提下，能够有效提高电机的功率因数、增加高效率区域；内转子永磁体可以采用低成本的永磁体，用于降低漏磁，起到聚磁作用，进一步提高电机的转矩密度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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示出了本发明一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机实施例的结构示意图；

图2示出了本发明一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机中C型定子铁芯的局部剖视图；

图3示出了本发明一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机中C型定子的局部示意图；

图4示出了空载下混合磁通电机内部的轴向磁通磁力线示意图；

图5示出了空载下混合磁通电机内部的横向磁通磁力线示意图；

图6示出了混合磁通电机内部的冷却路径；

图7示出了电机的轴向磁通和混合磁通空载反电势对比波形图；

图8示出了电机的轴向磁通和混合磁通额定转矩对比波形图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

在本发明的描述中，需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

附图标记说明：盘式转子1、内转子2、C型定子铁芯3、电枢绕组4、第一永磁体5、第二永磁体6、转子铁心7、内转子转毂8、机座9、端盖10轴向磁通定子齿部301、横向磁通定子齿部302。

如图1-6所示，本实例提供的一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机，包括沿轴向设置的C型定子、两个盘式转子1(包括下文提到的盘式转子一、盘式转子二)和内转子2，两个盘式转子1对称分布在C型定子两侧，两个盘式转子1和C型定子形成轴向磁通的路径；内转子2位于C型定子内孔中，内转子2和C型定子形成横向磁通的路径；两个盘式转子1和内转子2同轴固定，C型定子包括若干沿轴向均布的模型化C型定子铁芯3和固定在C型定子铁芯3上的电枢绕组4，电枢绕组4采用两个分瓣的集中绕组，盘式转子1包括转子铁心7和若干固定在转子铁心7的第一永磁体5，盘式转子1和C型定子构成YASA结构。

内转子2包括第二永磁体6以及用于固定第二永磁体6的内转子转毂8，内转子转毂8包括内侧和转轴过盈配合的内圈、外侧粘附有表贴式永磁体的外圈以及若干均布在内圈、外圈之间的弧形散热叶片，弧形散热叶片一端与内圈外壁固定，另一端与外圈内壁固定，内转子转毂8内侧和转轴过盈配合，外侧粘附有表贴式永磁体，中间制作成风扇结构，不仅能够在保证强度的前提下，有效降低转子盘重量，还可以形成两条冷却路径。其中一条通过盘式转子1的气隙和机座9进行热传递，从而能够降低盘式转子1永磁体高温退磁的风险；另外一条通过前后端盖10进行热传递，能够降低横向磁通永磁体的温度。该结构能够进一步提高电机的热负荷，从而提高电机的转矩密度和功率密度。

第二永磁体6轴向充磁和C型定子铁芯3下部凸起形成闭合的横向磁通路径，第一永磁体5为钕铁硼永磁体，用于产生主要磁通，第二永磁体6为铁氧体永磁体或者钕铁硼永磁体，本实施例中第二永磁体6为铁氧体永磁体，用于减少漏磁，起助磁作用。中间盘式定子由“C型”定子铁芯和电枢绕组4组成。C型定子铁芯3结构采用模块化设计，为了便于内转子2的安装，电机的电枢绕组4和铁芯结构一致，采用两个分瓣的集中绕组。内转子2包括内转子转毂8和第二永磁体6；转子转毂主要是用于粘附第二永磁体6和内部气流交换。

如图2所示，本发明的C型定子铁芯3上端、下端形成两个凸起，也即C型定子铁芯3包括两个齿部，即轴向磁通定子齿部301和横向磁通定子齿部302，通过对两个齿部的尺寸优化，能够协同作用，共同降低整机的齿槽转矩，降低电机的振动噪声，提高系统的舒适性。

如图4所示，第一永磁体5和C型定子铁芯3上部凸起(轴向磁通定子齿部301)形成闭合的轴向磁通路径，如图5所示，第二永磁体6轴向充磁和C型定子铁芯3下部凸起(横向磁通定子齿部302)形成闭合的横向磁通路径，第一永磁体5为钕铁硼永磁体，用于产生主要磁通，第二永磁体6为铁氧体永磁体或者钕铁硼永磁体，本实施例中第二永磁体6为铁氧体永磁体，用于减少漏磁，起助磁作用。第二永磁体6轴向充磁和C型定子铁芯3下部凸起形成闭合的横向磁通路径。该横向磁通不仅能够增加主磁通，还能够降低电机电枢绕组4的漏磁和盘式转子1永磁体在齿部的漏磁，能够起到聚磁作用，提高电机输出能力。

在至少一个实施例中，内转子2永磁体和盘式转子1永磁体，根据电机的需求可以设计成混合永磁体结构。如：盘式转子1采用高性能永磁体，用于提高电机的输出转矩增加高效输出区域；内转子2采用铁氧体等低成本永磁体，用于聚磁，还能够降低盘式转子1永磁体和C型定子铁芯3的齿部漏磁。这种组合结构不仅能够降低成本，还能够提高功率因数、增加高效率区域，以及增加电机的输出能力。

在至少一个实施例中，本发明的电机相当于在YASA结构的轴向磁通电机基础上增加横向磁通路径，形成混合磁通电机，永磁同步电机主要部件的拓扑结构：

主要结构包括一个中间C型定子、盘式转子一、盘式转子二、以及内转子2；C型定子包括C型定子铁芯3和电枢绕组4，左右两侧盘式转子一、盘式转子二与转轴过盈配合连接，内转子2和转轴过盈配合连接，三个转子同轴连接共同输出扭矩，因为同轴连接，速度需要一样，三个转子的极数相等。

C型定子铁芯3采用模块化结构，如图2所示，由两块相同的模块组成，和电枢绕组4构成混合磁通电机的定子，提供轴向磁通和横向磁通的路径。通过对轴向和横向的齿部尺寸优化，对齿部的厚度、宽度进行进行优化，通过调节气隙磁场波形正弦型，能够协同作用，共同降低混合电机的齿槽转矩。

为了便于横向磁通永磁体的安装，电枢绕组4和C型定子铁芯3一致，采用分瓣式结构绕制在模块化定子铁芯上。两个分瓣的电枢绕组4串联，共同构成一个C型定子的电枢绕组4。

盘式转子一和盘式转子二采用盘式电机结构，包括转子铁心7和永磁体，永磁体的位置可以采用表面式和内置式，本专利以表贴式为例；永磁体的类型可以采用Halbach结构、交替极结构和普通N-S结构等。两侧的盘式转子1和C型定子构成YASA结构，形成轴向磁通路径，如图3-5所示，图中永磁体采用普通N-S结构示意。

如图3-5所示，内转子2采用表贴式结构，和C型定子构成横向磁通路径，其中第二永磁体6粘附在内转子转毂8上。由于内转子2在定子横向磁通齿的内部，需要模块化C型定子、内转子2和模块化C型定子依此顺序安装。内转子2的第二永磁体6和盘式转子一的永磁体极数相等，由于在C型定子铁芯3内部形成相同方向的磁通，永磁体的充磁方向和同一平面的盘式转子1永磁体充磁方向相反，C型定子是由对称分布的两个半定子组成，内转子2位于两个半定子围成的内孔中。

内转子转毂8，内侧和转轴过盈配合，外侧粘附有表贴式永磁体，中间制作成风扇结构，和两侧的盘式电机的气隙之间形成内部风路一（如图6中实线箭头所示路线），和端盖10形成内部风路二（如图6中虚线箭头所示路线），半剖视图如图6所示，机座9如图中示意，通过端盖10和机座9与外部进行冷却交换，在实际中机座9可以采用风冷、水冷和油冷等结构。采用该结构不仅能够有效降低转子盘重量，还能够直接在永磁体表面中产生冷却循环风路，从而降低内部空间温度，有效降低永磁体温度，防止退磁。总而言之，能够进一步提高电机的热负荷，从而提高电机的转矩密度和功率密度。用于固定内转子2的转毂设计成风扇形状，在保证强度的同时，可以在内部形成两条风路，实现自冷却。

盘式转子一、盘式转子二和内转子2的永磁体，可以根据不同的工况、成本考量，采用高性能的永磁体如钕铁硼，和低成本的永磁体如铁氧体，以及采用混合永磁体均可使用。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

实验：

为了能够更好的表述本专利的有效性，采用本专利提出的混合磁通电机和普通YASA电机进行对比。其中两个电机的有效外径205mm，有效轴向长度80mm，有效气隙1mm。

电机的空载反电势对比波形如图7所示，额定转矩对比波形如图8所示。采用本专利提出的混合磁通电机和普通YASA电机进行对比，具体参数如下表，保证两台电机输入一样的情况下，电机的空载反电势增加11.4%，电机的额定转矩增加15.2%，转矩脉动降低50.8%。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机，包括机座以及固定在机座两端的前后端盖，其特征在于，包括沿轴向设置的C型定子、两个盘式转子和内转子，两个盘式转子对称分布在C型定子两侧，两个盘式转子和C型定子形成轴向磁通的路径；内转子位于C型定子内孔中，内转子和C型定子形成横向磁通的路径；两个盘式转子和内转子同轴固定；内转子包括第二永磁体以及用于固定第二永磁体的内转子转毂；所述内转子转毂包括内侧和转轴过盈配合的内圈、外侧粘附有表贴式永磁体的外圈以及若干均布在内圈、外圈之间的弧形散热叶片，弧形散热叶片一端与内圈外壁固定，另一端与外圈内壁固定，弧形散热叶片与机座、端盖形成两条冷却路径，其中一条通过盘式转子的气隙和机座进行热传递，另一条通过前后端盖进行热传递，盘式转子包括转子铁心和若干固定在转子铁心上的第一永磁体，第一永磁体和C型定子铁芯上部凸起形成闭合的轴向磁通路径，第二永磁体轴向充磁和C型定子铁芯下部凸起形成闭合的横向磁通路径。

2.根据权利要求1所述的一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机，其特征在于，C型定子包括若干沿轴向均布的模型化C型定子铁芯和固定在C型定子铁芯上的电枢绕组。

3.根据权利要求2所述的一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机，其特征在于，电枢绕组采用两个分瓣的集中绕组。

4.根据权利要求1所述的一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机，其特征在于，盘式转子和C型定子构成YASA结构。

5.根据权利要求1所述的一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机，其特征在于，第一永磁体为钕铁硼永磁体。

6.根据权利要求1所述的一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机，其特征在于，第二永磁体为铁氧体永磁体或者钕铁硼永磁体。