CN118017787A - 一种互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机 - Google Patents

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顾佳鼎
陈浩宇
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Abstract

本发明公开一种互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机，所述电机包括中间定子、左侧转子和右侧转子，它们沿轴向排列。其中：所述中间定子由若干个相同的模块化定子铁心沿周向拼接而成，电枢绕组绕制在每个模块化定子铁心上；所述左侧转子包括左侧铁心、放置于左侧铁心的左侧永磁体、以及由左侧铁心凸起形成的左侧铁极，左侧永磁体均沿同一轴向方向充磁，左侧铁极受相邻的左侧永磁体磁化形成交替极结构；所述右侧转子包括右侧铁心、放置于右侧铁心的右侧永磁体、以及由右侧铁心凸起形成的右侧铁极，右侧永磁体均沿与左侧永磁体相反的轴向方向充磁，右侧铁极受相邻的右侧永磁体磁化形成交替极结构。所述电机的左侧转子和右侧转子转速相同、极对数相等，左侧永磁体和右侧铁极位于相同的周向位置，即它们轴向相对；右侧永磁体和左侧铁极位于相同的周向位置，即它们轴向相对。本发明所述电机结构在保证高永磁体利用率的前提下，可以降低交替极电机的端部漏磁，提高电机运行安全性。

Description

一种互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机
技术领域
本发明涉及电机设备技术领域，尤其是涉及一种互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机。
背景技术
随着新能源汽车、电动牵引轨道交通、多电飞机的发展，高功率密度、高功率因数、高效率的永磁电机在电气化交通领域占据日益重要的地位。轴向磁场永磁电机凭借紧凑结构、高转矩密度、高设计自由度的优势，在电气化交通驱动电机领域具有巨大发展潜力和良好应用前景。在多种轴向磁场永磁电机结构中，具有无轭定子与分段电枢特点的双转子单定子轴向磁场永磁电机拥有两层气隙、且定子结构简单，在低轴长下具有转矩高、重量低的优势，尤其适用于新能源汽车轮毂电机、电气化飞机推进电机等场合。
但是，传统无轭定子分段电枢双转子单定子轴向磁场永磁电机包括两个转子，两个转子均需放置大量转子永磁体，造成电机永磁体数量偏多，成本偏高，且安装难度偏大。
针对传统无轭定子分段电枢双转子单定子轴向磁场永磁电机存在的问题，相关专家提出交替极轴向磁场永磁结构。现有交替极轴向磁场永磁电机仅保留沿轴向相同充磁方向的永磁体，而将剩余的另一半永磁体替换为导磁铁极。例如，专利CN202011388266公开一种混合励磁轴向磁场永磁同步电机结构和专利CN202210981351公开一种具有磁场调制效应的定子多齿轴向磁通永磁电机均属于该类型交替极结构。文献Comparative Analysisof Dual-Rotor Modular Stator Axial-Flux Permanent Magnet Machines WithDifferent Rotor Topologies中对比了双转子单定子轴向磁场永磁电机的表贴交替极结构和Halbach交替极结构的性能，并表明周向相邻铁极和永磁体间的磁障对极间漏磁的抑制作用，其中主极永磁体的充磁方向均沿轴向且同向。这样，交替极结构减小一半永磁体数量，而导磁铁极受周向相邻的永磁体磁化作用，可以形成与周向相邻永磁体的相反的磁极极性，从而与永磁体磁极共同构成主磁场，保证电机转矩输出能力。交替极结构有利于降低了电机成本、提高电机永磁体利用率，同时也简化永磁体安装工作量。
然而，现有交替极轴向磁场永磁电机的永磁体充磁方向一致，造成磁场不平衡问题，导致电机端部存在单极性漏磁问题，进而易使电机转轴磁化并吸附其他机械部件和导磁粉尘，危及电机安全运行。
本发明创新性地提出一种新型互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机结构，在交替极结构以保证高转矩能力、低永磁材料使用量、高永磁体利用率的前提下，利用无轭定子分段电枢双转子轴向磁场电机的结构特点，通过改善永磁体和铁极的排布规则，以解决交替极电机的不平衡磁场问题、削弱端部单极性漏磁。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，而提出了一种互补型交替极轴向磁场永磁电机，以减小电机的端部单极性漏磁。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供了一种互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机，其特征在于，包括中间定子、左侧转子和右侧转子，其中：
所述中间定子包括若干相同的模块化定子铁心，各个模块化定子铁心相对独立、无轭部连接，电枢绕组安装在定子铁心上；
所述左侧转子包括左侧铁心、左侧永磁体和左侧铁极，左侧永磁体安装于左侧铁心上，左侧永磁体均沿相同轴向方向充磁，左侧铁极表贴于左侧铁心上、或由左侧铁心凸起形成，左侧铁极受相邻的左侧永磁体磁化形成交替极结构；
所述右侧转子包括右侧铁心、右侧永磁体和右侧铁极，右侧永磁体安装于右侧铁心上，右侧永磁体均沿与左侧永磁体相反的轴向方向充磁，右侧铁极表贴在右侧铁心上、或由右侧铁心凸起形成，右侧铁极受相邻的右侧永磁体磁化形成交替极结构；
所述左侧永磁体和右侧永磁体均沿轴向方向充磁，但充磁方向相反；
所述左侧转子和右侧转子同步旋转，且两者的极对数相等，即左侧永磁体、右侧永磁体、左侧铁极和右侧铁极的数量相同；
所述左侧永磁体和右侧铁极沿周向所处位置相同，呈轴向正对关系；
所述右侧永磁体和左侧铁极沿周向所处位置相同，呈轴向正对关系。
优选地，所述左侧永磁体和右侧永磁体的材料、形状、尺寸可以相同，也可以不相同。
优选地，所述左侧铁极和右侧铁极的材料、形状、尺寸可以相同，也可以不相同。
优选地，所述左侧铁极和右侧铁极由软磁复合材料压铸而成，或采用电工钢带卷绕后切割而成。
优选地，所述左侧铁心和右侧铁心的尺寸和形状可以相同，也可以不相同。
优选地，所述左侧铁心和右侧铁心可以由电工钢带卷绕而成，或由实心铁铸造成型。
优选地，所述电机适用于不同相数、不同定转子极槽数配合的交替极轴向磁场永磁电机。
优选地，所述电机的电枢绕组可以采用集中式绕组结构，降低绕组端部长度，减小线圈铜耗、提升电机功率密度。
优选地，所述电机加载正弦电流。
与现有技术相比，本发明所述的互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机具有以下优点：
1)每个转子内的永磁体充磁方向相同，但两个转子的永磁体采用完全相反的充磁方向，且每个转子的永磁体磁极与另一个转子的导磁铁极轴向正对，这样有利于抑制电机端部单极性漏磁，降低电机传动轴导磁并吸附机械部件和导磁粉尘的风险；
2)采用无轭定子分段电枢双转子单定子轴向磁场永磁电机结构，保留交替极永磁体结构，继承永磁体利用率高的优势、降低电机成本、减少永磁体安装工作量；
3)定子铁心采用无轭部连接的模块化定子铁心结构，简化加工工艺，提高铁心利用率；
4)定子绕组可以采用集中式电枢绕组结构，降低绕组端部长度，减小线圈铜耗并提升电机功率密度，且集中式绕组可直接在模块化定子铁心上嵌线，简化嵌线功率，提升槽满率。
5)本发明所述电机的适用性强，可以灵活选择电机相数、槽极数配合、铁心材料和永磁体材料，而且两个转子的永磁体磁极和导磁铁极的外形、尺寸可以灵活调整。
附图说明
图1为一种本专利互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机的三维结构示意图；
图2为一种本专利互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机的二维结构和磁路示意图；
图3为一种传统交替极双转子单定子轴向磁场永磁电机的三维结构示意图；
图4为一种本专利互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机的空载工况端部单极性漏磁示意图；
图5为一种传统交替极双转子单定子轴向磁场永磁电机的空载工况端部单极性漏磁示意图；
图6为本专利互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机和传统交替极双转子单定子轴向磁场永磁电机的空载工况端部单极性轴向磁密波形图；
图1-3中附图标记：
1-定子，2-左侧转子，3-右侧转子，11-定子铁心，12-电枢绕组，21-左侧铁心，22-左侧永磁体，23-左侧铁极，31-右侧铁心，32-右侧永磁体，33-右侧铁极。
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示为本发明电机的三维结构示意图，在本实施例中，互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机为三相定子18槽、转子20极结构，其具有中间定子1、左侧转子2和右侧转子3。中间定子1包括若干相同的模块化定子铁心11，它们沿周向拼接为定子整体；电枢绕组12安装于定子铁心11上，电枢绕组12采用集中绕组结构。左侧转子2包括左侧铁心21、左侧永磁体22和左侧铁极23，左侧永磁体22表贴于左侧铁心21上，左侧铁极23表贴在左侧铁心21上或由左侧铁心21凸起形成，左侧铁极23受相邻的左侧永磁体22磁化形成交替极结构。右侧转子3包括右侧铁心31、右侧永磁体32和右侧铁极33，右侧永磁体32表贴于右侧铁心31上，右侧铁极33表贴在右侧铁心31上或由右侧铁心31凸起形成，右侧铁极33受相邻的右侧永磁体32磁化形成交替极结构。需要注意，电机左侧永磁体22与右侧铁极33轴向正对，而右侧永磁体32与左侧铁极23轴向正对。
如图2所示为本发明电机的二维结构示意图和磁场流向示意图，所有左侧永磁体22沿统一的轴向方向(z轴正向)充磁，而所有的右侧永磁体32均沿统一的另一个轴向方向(z轴反向)充磁，电机为交替极永磁结构。此时，左侧永磁体22、左侧铁极23、右侧永磁体32、右侧铁极33和中间定子铁心单元11共同构成主磁路。可以看到，本专利的交替极永磁体存在两组不同极性的永磁磁极，呈互补结构，两组永磁体在端部的单极性漏磁方向相反，互相抵消，可以显著降低交替极电机的端部单极性漏磁。
作为对比，图3示出传统交替极双转子单定子轴向磁场永磁电机的三维结构示意图。其左侧永磁体22和右侧永磁体32均沿相同轴向方向充磁，即电机只有一组唯一极性的永磁磁极。相应地，电机左侧永磁体22与右侧永磁体32轴向正对，左侧铁极23和右侧铁极33轴向正对。这样，由于单极性永磁体的作用，电机存在较为明显的端部单极性漏磁问题。
为了更好地说明本实施例的效果，图4和图5分别示意性地对比本专利实施例的互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机的空载轴向漏磁磁场分布和传统交替极双转子单定子轴向磁场永磁电机的空载轴向漏磁磁场分布。可以看到，本专利实施例的互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机的空载轴向漏磁磁场明显小于传统交替极双转子单定子轴向磁场永磁电机的空载轴向漏磁磁场。进一步地，图6示意性地给出了本专利实施例的互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机和传统交替极双转子单定子轴向磁场永磁电机的端部漏磁沿周向分布的磁密波形图。从图中可以看出，本专利互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机的端部磁密幅值显著下降，可降低电机传动轴吸附机械部件和导磁粉尘的运行风险。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机，其特征在于，包括中间定子(1)、左侧转子(2)和右侧转子(3)，其中：
所述中间定子(1)包括若干个相同的模块化定子铁心(11)，以及绕制于模块化定子铁心(11)的电枢绕组(12)；
所述左侧转子(2)包括左侧铁心(21)、左侧永磁体(22)和左侧铁极(23)，左侧永磁体(22)放置于左侧铁心(21)上，左侧永磁体(22)均沿相同轴向方向充磁，左侧铁极(23)表贴于左侧铁心(21)上、或由左侧铁心(21)凸起形成，左侧铁极(23)受相邻的左侧永磁体(22)磁化形成交替极结构；
所述右侧转子(3)包括右侧铁心(31)、右侧永磁体(32)和右侧铁极(33)，右侧永磁体(32)放置于右侧铁心(31)上，右侧永磁体(32)均沿与左侧永磁体(22)相反的轴向方向充磁，右侧铁极(33)表贴在右侧铁心(31)上、或由右侧铁心(31)凸起形成，右侧铁极(33)受相邻的右侧永磁体(32)磁化形成交替极结构。
2.根据权利要求1所述的互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机，其特征在于，中间定子(1)的铁心结构由若干模块化定子铁心(11)构成，各个模块化定子铁心(11)相互独立、无轭部连接。
3.根据权利要求1所述的互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机，其特征在于，所述左侧永磁体(22)和右侧永磁体(32)均沿轴向方向充磁，但充磁方向相反。
4.根据权利要求1所述的互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机，其特征在于，所述左侧转子(2)和右侧转子(3)同步旋转；所述左侧永磁体(22)、右侧永磁体(32)、左侧铁极(23)和右侧铁极(33)的数量相同；所述左侧永磁体(22)和左侧铁极(23)构成一对左侧转子(2)的磁极，所述右侧永磁体(32)和右侧铁极(33)构成一对右侧转子(3)的磁极，且左侧转子(2)和右侧转子(3)的磁极对数相等。
5.根据权利要求1所述的互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机，其特征在于，所述左侧永磁体(22)和右侧铁极(33)沿周向所处位置相同，呈轴向正对关系；所述右侧永磁体(32)和左侧铁极(23)沿周向所处位置相同，呈轴向正对关系。
6.根据权利要求1所述的互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机，其特征在于，所述左侧永磁体(22)、左侧铁极(23)、右侧永磁体(32)、右侧铁极(33)的形状与尺寸，可以相同、或不同。
7.根据权利要求1所述的互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机，其特征在于，所述左侧永磁体(22)和右侧永磁体(32)的固定于转子铁心的方式，可以采用表贴式、或内置式。
8.根据权利要求1所述的互补型交替极双转子轴向磁场永磁电机，其特征在于，所述电机适合不同相数、不同定转子极槽数配合。
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