CN201146437Y

CN201146437Y - 高效高功率密度内转子、外转子空芯电机

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Publication number: CN201146437Y
Application number: CNU2007201964194U
Authority: CN
Inventors: 李巍
Original assignee: SHENZHEN SHIYING ELECTRONIC COMMUNICATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Shenzhen super innovation energy technology Co., Ltd.
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2017-12-25

Abstract

本实用新型涉及一种高效高功率密度内转子空芯电机，包括电机外壳、固定设置在电机外壳内的磁碟式双定子绕组、设置在两个定子绕组之间的双面永磁阵列转子、以及通过轴承安装在电机外壳上并与转子固定连接的电机转轴；每一定子绕组包括至少两个分别由导电材料绕制成型的多边形线圈；并且多边形线圈相错一定角度叠置并整形后固化成盘状。也可以根据需要做成外转子电机，其结构对应修改即可。由本实用新型绕组制成的空芯电机功率密度高、功率大、效率高、结构简单、材料利用率高、控制性能好，因此广泛应用于机器人、数控机床、无人机、空间飞行器、电动汽车、雷达、尖端医疗器械、高速雕刻机和研磨机等需要超高性能的场合。

Description

高效高功率密度内转子、外转子空芯电机

技术领域

本实用新型涉及稀土永磁电机，特别的，涉及一种高效高功率密度的空芯电机。

背景技术

传统的有铁芯电机的转动惯量、机电时间常数、转矩波动都较大，齿槽结构又成为散热的瓶颈。而且，由于铁芯结构的存在，使铜损和铁损成为电机的主要损耗。

而传统的无铁芯电机，如空芯杯电机、磁碟式无铁芯电机等，虽然消除了齿槽效应和磁阻转矩，有较高的功率密度，但是其制造工艺复杂，散热条件差，功率很难做大。而且由于其大气隙结构，导致漏磁较大，磁场的利用率较低。正是由于传统电机的这些不足，限制了这些电机的应用场合。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，针对现有技术的无铁芯电机的功率密度低、功率小等缺陷，提供一种功率密度高、功率大、效率高的内转子或外转子空芯电机。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高效高功率密度内转子空芯电机，包括电机外壳、固定设置在电机外壳内的磁碟式双定子绕组、设置在所述两个定子绕组之间的双面永磁阵列转子、以及通过轴承安装在所述电机外壳上并与所述转子固定连接的电机转轴；每一所述定子绕组包括至少两个分别由导电材料绕制成型的多边形线圈；并且所述多边形线圈相错一定角度叠置并整形后固化成盘状。

在本实用新型的内转子空芯电机中，所述导电材料为一根或多根具有一定长宽比的扁形导电条。

在本实用新型的内转子空芯电机中，所述两个定子绕组的截面形状分别为“[”形和“]”形，其相对固定安装在所述电机外壳内侧。

在本实用新型的内转子空芯电机中，所述转子为隔磁材料做成的圆盘；所述圆盘上开设有贯通的凹槽，在所述凹槽内镶嵌有永磁体，并且所述永磁体与所述圆盘共面。

在本实用新型的内转子空芯电机中，所述永磁体的南极和北极交替分布，并且其数量为四的倍数，每个所述永磁体的形状为扇环形。

或者，提供一种高效高功率密度外转子空芯电机，包括电机外壳、分别固定设置在所述电机外壳相对两侧内壁上的永磁阵列转子、设置在所述两个转子之间的磁碟式定子绕组、以及通过轴承安装在所述电机外壳上并与所述定子绕组固定连接的电机转轴；所述定子绕组包括至少两个分别由导电材料绕制成型的多边形线圈；并且所述多边形线圈相错一定角度叠置并整形后固化成盘状。

在本实用新型的外转子空芯电机中，所述导电材料为一根或多根具有一定长宽比的扁形导电条。

在本实用新型的外转子空芯电机中，所述定子绕组的截面形状分别为“工”形，其相对固定安装在所述电机转轴上。

在本实用新型的外转子空芯电机中，所述转子为导磁材料做成的圆盘；所述圆盘上开设有未贯通的凹槽，在所述凹槽内镶嵌有永磁体。

在本实用新型的外转子空芯电机中，所述永磁体的南极和北极交替分布，并且其数量为四的倍数，每个所述永磁体的形状为扇环形。

实施本实用新型具有以下有益效果：本实用新型的电机采用独特的绕组结构，并且绕组具有较大的表面积、很高的占空系数、内阻小、绕组轴向尺寸短，大大减少了轴向气隙长度，从而可以大幅提高磁场的利用率，使得电机具有功率密度高、功率大、效率高、控制性能好等优点，从根本上解决了传统有铁芯电机和无铁芯电机的一系列不足。

进一步的，本实用新型还具有以下优点：

1、高动态性能：机电时间常数小，动态性能好；

2、过载能力强：空芯磁碟式定子结构使电机有很高的抗过载能力和峰值转矩；

3、无齿槽效应：空芯磁碟式定子结构使电机无齿槽效应和磁阻转矩。

4、无刷：无机械换向火花，无机械电刷磨损。

5、可靠性高：只有轴承是维护件，电机寿命长，性能稳定可靠。

6、宽高效率范围：电机在1/4负载和满载之间均有较高的效率。

7、功能可逆：同一台电机，既是高效率电动机，又是高效率发电机。

8、结构灵活：可以按照用户需求设计成内转子、外转子结构或其它特殊结构。

9、堆叠式结构：功率随着电机单体增多可以线性增长，尤其适合轮毂电机、混合动力和低速直驱低品位能源的应用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是具有本实用新型第一实施例结构的电机总体图。

图2是具有本实用新型第一实施例结构的定子内部线圈绕线结构图。

图3是本实用新型第一实施例的永磁转子及磁轭盘的平面图。

图4是具有本实用新型第一实施例结构的精密绕组定子结构侧视图。

图5是具有本实用新型第一实施例结构的带有转轴的电机堆叠式结构的总体图。

图6是具有本实用新型第一实施例结构的不带转轴的电机堆叠式结构的总体图。

图7是具有本实用新型第二实施例结构的电机总体图。

具体实施方式

图1至图4是本实用新型的高效高功率转子空芯电机的第一实施例，包括电机外壳14、相对固定在电机外壳内侧的磁碟式双定子绕组2、轴承3、电机转轴4以及双面永磁阵列转子5。

如图2所示，是一个定子绕组的内部线圈绕线结构图。在本实施例中，该绕组为三相绕组，包括U相6、V相7和W相8。通过电源控制器分别在不同时刻通入交变电流，使电机通过U、V、W三相绕组形成旋转磁场，带动永磁转子输出机械功率。

如图3所示，是双面永磁阵列转子的平面图。通过双面永磁阵列转子产生永恒磁场。该转子为采用隔磁材料做成的圆盘，圆盘上开设贯通的凹槽，凹槽内镶嵌永磁体，并且永磁体与圆盘共面。永磁体包括N极永磁体9和S极永磁体10，在两个永磁体之间形成磁轭隔墙，起到减少永磁体之间的极间漏磁，起到磁束缚的作用。永磁体的N、S极交替分布，并且永磁体的数目是4的倍数，如4、8、12、16、20、24等。永磁体的形状是扇环形状，从而可以均布在圆盘上。转子的中心与电机转轴相连，带动支持在电机外壳中心轴承上的电机转轴转动输出功率或由电机转轴带动转子转动发电。

如图4所示，是绕组的剖视示意图，图中的12是线圈端线的压接部分，即相邻的两个不同相的绕组重叠部分。图中的13是线圈的有效边，是电磁能量转换的主体。由若干个用一根或多根具有一定长宽比的扁形导电材料绕制形成的多边形线圈叠置并相错若干角度构成该绕组，经过整形后通过热固材料固化成型，制成图4形状的定子结构。在本实施例中，两个定子绕组的截面形状分别为“[”形和“]”形，直接相对贴合固定安装在电机外壳内侧，从而大大增加了定子绕组的热容，通过外壳将绕组的热量散发出去。另外，定子绕组的截面形状也可以根据需要做成其他的形状，例如“工”形。

可以理解的，两侧线圈端线的压接部分同时也起到双定子的支撑作用，从而可以省略电机外壳，使得电机可以做成无壳结构，这样大大节省了电机轴向的长度，使电机能够满足及其苛刻的薄型安装场合。

本实用新型的工作原理是：由本实用新型构成的电机组装完成后，用变频电源或电机专用的无感无刷驱动器通过电源引出线给有此结构的双定子绕组供电，形成旋转磁场，旋转磁场作用于转子的永磁阵列上，使其带动电机转轴转动，并输出功率；或直接由外部机械力驱动电机转轴转动，从而带动转子转动，由定子绕组切割磁力线，产生电流，然后经过宽范围的高效AC-DC开关模块进行整流稳压并将电能储存在蓄电池中，再由蓄电池直接输出或由DC-AC逆变器转换成220V的正弦交流电输出。

该结构电机效率高、结构简单，散热条件好。绕组有较大的表面积，很高的占空系数，内阻极小，发热量极低，加上独特的绕组技术，使磁场的利用率大幅度提高。由本实用新型绕组制成的电机功率密度高、功率大、效率高、结构简单、材料利用率高、控制性能好，从根本上解决了传统有铁芯电机和无铁芯电机的一系列不足。因此广泛应用于机器人、数控机床、无人机、空间飞行器、电动汽车、雷达、尖端医疗器械、高速雕刻机和研磨机等需要超高性能的场合。

如图5、6所示，多个电机单体15可以堆叠，每个电机单体15可以采用上述的结构从而功率可以随着电机单体增多可以线性增长，而适用于轮毂电机、混合动力和低速直驱低品位能源等场合的应用。

如图7所示，是本实用新型的高效高功率密度外转子25空芯电机的一个实施例，其包括电机外壳、分别固定设置在电机外壳相对两侧内壁上的永磁阵列转子25、设置在两个转子25之间的磁碟式定子22绕组、以及通过轴承安装在电机外壳上并与定子22绕组固定连接的电机转轴24。其中，定子22绕组的结构与上一实施例的结构相同，故不赘述。而转子25为导磁材料做成的圆盘，在圆盘上开设有未贯通的凹槽，在凹槽内镶嵌有永磁体。永磁体的南极和北极交替分布，并且其数量为四的倍数，每个永磁体的形状为扇环形。

工作时，变频电源或电机专用的无感无刷驱动器通过电源引出线给有此结构的转子25绕组供电，形成旋转磁场，旋转磁场作用于定子22的永磁阵列上，使定子22以及外壳绕电机转轴24转动，并输出功率；或直接由外部机械力驱动外壳绕电机转轴24转动，从而带动转子25转动，由定子22绕组切割磁力线，产生电流，然后经过宽范围的高效AC-DC开关模块进行整流稳压并将电能储存在蓄电池中，再由蓄电池直接输出或由DC-AC逆变器转换成220V的正弦交流电输出。

以上，尽管为了描述的需要，公开了本实用新型的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来讲，依据本实用新型的同样的实用新型制造原理，还可以作出若干变形和改进，但是这些均属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种高效高功率密度内转子空芯电机，包括电机外壳、固定设置在电机外壳内的磁碟式双定子绕组、设置在所述两个定子绕组之间的双面永磁阵列转子、以及通过轴承安装在所述电机外壳上并与所述转子固定连接的电机转轴；其特征在于：

每一所述定子绕组包括至少两个分别由导电材料绕制成型的多边形线圈；并且所述多边形线圈相错一定角度叠置并整形后固化成盘状。

2.根据权利要求1所述的高效高功率密度内转子空芯电机，其特征在于：所述导电材料为一根或多根具有一定长宽比的扁形导电条。

3.根据权利要求2所述的高效高功率密度内转子空芯电机，其特征在于：所述两个定子绕组的截面形状分别为“[”形和“]”形，其相对固定安装在所述电机外壳内侧。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的高效高功率密度内转子空芯电机，其特征在于，所述转子为隔磁材料做成的圆盘；所述圆盘上开设有贯通的凹槽，在所述凹槽内镶嵌有永磁体，并且所述永磁体与所述圆盘共面。

5.根据权利要求4所述的高效高功率密度内转子空芯电机，其特征在于，所述永磁体的南极和北极交替分布，并且其数量为四的倍数，每个所述永磁体的形状为扇环形。

6.一种高效高功率密度外转子空芯电机，包括电机外壳、分别固定设置在所述电机外壳相对两侧内壁上的永磁阵列转子、设置在所述两个转子之间的磁碟式定子绕组、以及通过轴承安装在所述电机外壳上并与所述定子绕组固定连接的电机转轴；其特征在于：

所述定子绕组包括至少两个分别由导电材料绕制成型的多边形线圈；并且所述多边形线圈相错一定角度叠置并整形后固化成盘状。

7.根据权利要求6所述的高效高功率密度外转子空芯电机，其特征在于：所述导电材料为一根或多根具有一定长宽比的扁形导电条。

8.根据权利要求7所述的高效高功率密度外转子空芯电机，其特征在于：所述定子绕组的截面形状分别为“工”形，其相对固定安装在所述电机转轴上。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的高效高功率密度外转子空芯电机，其特征在于，所述转子为导磁材料做成的圆盘；所述圆盘上开设有未贯通的凹槽，在所述凹槽内镶嵌有永磁体。

10.根据权利要求9所述的高效高功率密度外转子空芯电机，其特征在于，所述永磁体的南极和北极交替分布，并且其数量为四的倍数，每个所述永磁体的形状为扇环形。