CN202405972U - 一种盘式永磁游标电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种盘式永磁游标电机，该电机包括外转子(1)、外转子轭部(2)、外转子永磁体(3)、定子(4)、设置在定子（4）外周且向外突出的定子齿（5）、定子永磁体(6)、绕组(7)、定子槽（8）、轴承（9）、支承轴（10）；电机外转子(1)通过轴承（9）与支撑轴（10）转动连接，外转子永磁体(3)沿圆周方向等间距的嵌放在转子轭(2)上；定子(4)采用开口槽定子结构，定子（4）开设有定子槽（8），绕组（7）置于定子槽（8）中；定子永磁体（6）沿圆周方向嵌放在相邻的两个定子齿之间。本实用新型提高了装置的可靠性，提高了输出转矩。

Description

一种盘式永磁游标电机

技术领域

本实用新型涉及一种盘式永磁游标电机装置，属于特种电机技术领域。

背景技术

目前普通径向磁场的圆柱形电机存在一些弱点，如冷却困难和转子铁心利用率低等；同时，机械齿轮箱在诸多传动领域得到应用，以实现增速或减速，达到系统的要求。但是，这也使得整个传动系统的体积和重量大大增加，投资成本相应增加，除此之外，效率低、噪声大、响应慢、传输精度低也是其不足之处，齿轮箱的磨损会减少系统的寿命和可靠性。磁齿轮是一种齿轮结构，它具有噪声低、免维修、可靠性高、转矩传输能力大、过载保护等优点。

    盘式电机具有其独特的优点，同时磁齿轮的概念逐步得到推广，其应用范围也将不断扩大，此处将盘式电机与磁齿轮相结合，并进行改进，在定子齿之间嵌入永磁增加气隙磁密，形成一种盘式永磁游标电机，其具有如下优点：

（1）盘式结构电机具有运行可靠、结构简单、结构紧凑、维护方便、效率高和无级调速等特点，尤其体积小和重量轻，特别适用于对体积和重量有苛刻要求的场合以及低速电机中。

（2）镜像对称的电机结构，较大程度抵消了定子与两侧转子间的单边磁拉力，同时还可提高电机的容量。

（3）将磁齿轮引入到盘式电机中组成复合电机，这种结构通过磁齿轮实现一定的速度变比，无需配备减速机构。同时，由于磁齿轮噪声低、免维修、可靠性高、转矩传输能力大、过载自动保护等优点。

（4）在定子上嵌入的永磁体，与外转子永磁相互作用，增大了气隙磁密，减少了漏磁，提高了输出转矩，这些特性使其在要求低速大转矩的领域中具有广阔的应用前景。

电机的高密度设计使得电机单位体积的损耗和发热量增大，导致电机各部份温度升高、转子永磁体的内禀矫顽力下降和加速永磁磁钢累积退磁效应的进程。传统圆柱形电机的结构特点限制了其散热的能力，但是盘式电机中盘形的转子结构提供了一个较大的散热面，有利于电机散热，从而为电机功率密度的增加提供了空间，同时将磁齿轮融合到盘式电机中，可有效地提高可靠性，降低噪声，并支持过载自动保护；在定子上嵌入永磁体，有效增加了气隙磁密，提高了输出转矩。

发明内容

技术问题：本实用新型通过提出一种盘式永磁游标电机，解决了现有传动装置中的机械增速齿轮箱功率密度低、机械磨损和噪音等问题，同时在传统磁场调制式永磁直驱电机的基础上省去了一个磁齿轮的内转子以及独立的调磁环部分并在定子上加入了永磁体，简化了装置制作工艺，减小了电机的体积、重量；减少了电机的漏磁，降低铁芯损耗；提高了效率及电机的容量；同时还去除了由内转子带来的较大的振动、噪声以及独立调磁环部件引入的电机稳定性降低问题。盘式电机结构具有较高的功率密度，同时其应用将解决圆柱形径向电机冷却困难和铁心利用率低等问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种盘式永磁游标电机，该电机包括外转子、外转子轭部、外转子永磁体、定子、设置在定子外周且向外突出的定子齿、定子永磁体、绕组、定子槽、轴承、支承轴；

电机外转子通过轴承与支撑轴转动连接，外转子永磁体沿圆周方向等间距的嵌放在转子轭上；定子采用开口槽定子结构，定子开设有定子槽，绕组置于定子槽中；定子永磁体沿圆周方向嵌放在相邻的两个定子齿之间，定子通过支撑轴固定；定子及外转子在轴向上呈镜像对称结构，外转子在外侧，定子在内侧。

优选的，外转子与定子之间有气隙。

优选的，外转子一侧上所有外转子永磁体极性相同且与另一侧上外转子永磁体极性相反，同时位于同一侧的转子永磁体和定子永磁体充磁方向为同向；转子永磁体和定子永磁体充磁方向为轴向。

优选的，外转子轭和定子的材料均为硅钢.

优选的，所述定子一侧上定子齿的个数                                                

等于同侧外转子永磁体的个数

与定子一侧磁场极对数

之和。

优选的， 转子永磁体和定子永磁体材料均为钕铁硼。

有益效果：

（1）    省去了机械变速齿轮箱，不存在齿轮箱的机械磨损、维护和噪音问题，提高了装置可靠性；同时提高了电机转速，减小电机的体积，重量和制造成本；

（2）    镜像对称的电机结构，较大程度抵消了定子与两侧转子间的单边磁拉力，同时还可提高电机的容量

（3）    电机中有更多的磁力线通过气隙，因此气隙磁通密度的有效谐波成份值比普通磁场调制式永磁电机高，输出转矩增大；

（4）    转子和定子上永磁体的设计，使电机漏磁减少，从而减少了损耗；

（5）    能在低速下提供较大的转矩；

（6）    转子永磁体之间通过铁心隔离，阻断了各永磁体中涡流电流的相互流动，降低了转子永磁体中的涡流损耗；

（7）    转子采用高磁能积钕铁硼励磁，没有滑环和电刷，无需外加电源励磁，具有结构简单、体积小重量轻、功率密度高、效率高以及可靠性好等优点

（8）    盘式结构提供了较大的散热面，较径向电机具有较好的冷却效果，具有较高的铁心利用率，也具有较大的功率密度。

附图说明

图1为本实用新型的部分结构示意图；

其中有：外转子1、外转子轭部2、外转子永磁体3、定子4、定子齿5、定子永磁体6、定子槽8、轴承9、支承轴10；

图2为本实用新型中定子沿径向剖开然后拉直后的详细展开示意图；

其中有：定子4、定子永磁体6、定子槽8；

图3为本实用新型定子、转子沿径向剖开然后拉直后的详细展开示意图；

其中有：外转子1、外转子轭部2、外转子永磁体3、定子4、定子齿5、定子永磁体6、绕组7、定子槽8。

具体实施方式

下面将参照附图对本实用新型进行说明。

本实用新型涉及一种盘式永磁游标电机，它通过电机中定子齿的磁场调制作用，能在保证磁齿轮复合电机优点的同时省去传统磁齿轮结构中的调磁环以及磁齿轮的一个内转子，解决了传统电机低速运行体积大、结构复杂的问题，同时定子上嵌入的永磁体能增大气隙磁密，提高输出转矩。

参见图1－3，盘式永磁游标电机包括外转子1、外转子轭部2、外转子永磁体3、定子4、设置在定子4外周且向外突出的定子齿5、定子永磁体6、绕组7、定子槽8、轴承9、支承轴10；

电机外转子1通过轴承9与支撑轴10转动连接，外转子永磁体3沿圆周方向等间距的嵌放在转子轭2上；定子4采用开口槽定子结构，定子4开设有定子槽8，绕组7置于定子槽8中；定子永磁体6沿圆周方向嵌放在相邻的两个定子齿之间，定子4通过支撑轴10固定；定子4及外转子1在轴向上呈镜像对称结构，外转子1在外侧，定子4在内侧。

外转子1与定子4之间有气隙。

外转子1一侧上所有外转子永磁体3极性相同且与另一侧上外转子永磁体3极性相反，同时位于同一侧的转子永磁体3和定子永磁体6充磁方向为同向；转子永磁体3和定子永磁体6充磁方向为轴向。

外转子轭2和定子4的材料均为硅钢.

所述定子4一侧上定子齿5的个数等于同侧外转子永磁体3的个数

与定子一侧磁场极对数

之和。

转子永磁体3和定子永磁体6材料均为钕铁硼。

外转子永磁体个数n_r与电枢绕组极对数n_p之和为定子齿5的个数n_s，定子齿5替代了传统磁齿轮中的调磁环来进行磁场调制。该电机的定子4及外转子1在轴向上呈镜像对称结构，外转子1在外侧，定子4在内侧。

定子一侧的绕组7磁场极对数与同一侧的外转子永磁体3个数之比即为该装置可实现的速度变比。通过适当选择电机的外转子永磁体个数和定子齿数，可应用于不同需要的低速直驱场合。该装置通过合理选择定子齿代替了传统磁齿轮中的调磁环结构，简化了加工工艺，提高了装置的可靠性，并且在定子上增加了永磁体，增强了气隙磁场的能量传递，提高了输出转矩。

本实用新型公开的盘式永磁游标电机，该电机是基于磁场调制原理的永磁直驱式电机。它通过电机中定子齿的磁场调制作用，解决了传统电机低速运行体积大、结构复杂的缺点，也省去了传统磁齿轮永磁直驱式电机中磁齿轮的内转子以及一个独立的调磁环结构，同时定子上增加了永磁体，能减少电机的漏磁，降低铁芯损耗。

外转子永磁体个数n_r与电枢绕组极对数n_p之和为定子齿5的个数n_s，定子齿5替代了传统磁齿轮中的调磁环来进行磁场调制。该电机的定子4及外转子1在轴向上呈镜像对称结构，外转子1在外侧，定子4在内侧。定子一侧的绕组7磁场极对数与同一侧的外转子永磁体3个数之比即为该装置可实现的速度变比。通过适当选择电机的外转子永磁体个数和定子齿数，可应用于不同需要的低速直驱场合。

当定子电枢绕组通以一定频率的交流电时，电枢绕组电流产生的旋转磁场角速度为

，通过定子齿的磁场调制作用，在气隙中产生一个调制波磁场，其旋转角速度为-

，该磁场与外转子上的永磁体相互作用，带动外转子同步旋转，负号表示调制波磁场与电枢绕组磁场的旋转方向相反。通过改变通入绕组电流的频率从而实现不同的角速度

，进而得到不同的外转子旋转速度-，实现调速驱动。

:为速度变比，等于外转子永磁体数与定子电枢绕组产生的磁场极对数之比。

该装置外转子和定子上都有永磁体，通过优化调整永磁体宽度和厚度，与传统的三气隙或双气隙磁齿轮复合电机相比，它能提供更大的有效磁场谐波成份和输出转矩。

定子一侧的绕组7磁场极对数与同一侧的外转子永磁体3个数之比即为该装置可实现的速度变比。通过适当选择电机的外转子上永磁体个数和定子齿数，可应用于不同需要的低速直驱场合。

本实用新型的基本原理为磁齿轮调磁环的空间磁场调制原理，利用空间谐波传递能量，该装置既可以运行在电动状态，也可以运行在发电状态。

当该装置运行在电动状态时，定子绕组中通以一定频率的交流电，电枢绕组电流产生的旋转磁场角速度为

，经过定子齿的调制作用，在气隙中产生一个调制波磁场，其旋转角速度为-

，该磁场与外转子处的永磁体相互作用，带动外转子同步旋转，负号表示调制波磁场与电枢绕组磁场的旋转方向相反。通过改变电枢电流的频率从而实现不同的角速度

，进而得到不同的外转子旋转速度-

，实现调速驱动。

:

为速度变比，等于外转子永磁体数n_r与定子电枢绕组磁场绕组极对数n_p之比。因此，该装置可应用在需要低速大转矩的场合，满足在低速时对较大转矩输出的要求。

当该装置运行在发电状态时，永磁低速外转子以角速度-

旋转，经过定子齿的调制作用，调制出匝链定子的磁场，其旋转磁场角速度为

，该磁场与电机定子绕组产生相对运动，切割绕组导线产生电能。

:

为速度变比，等于外转子永磁体数n_r与定子电枢绕组磁场极对数n_p之比。通常情况下，外转子永磁体数n_r远大于定子磁场极对数n_p，所以这可实现电机在低速条件下发电运行。 

外转子和定子中永磁体充磁方向均为轴向充磁。可以调节外转子永磁体和定子上的永磁体的宽度和厚度，以得到最大的输出转矩。 

与普通的圆柱式径向磁场电机相比，盘式电机具有较高的功率密度，在一些要求薄型安装场合更有优势，盘式永磁无刷电机具有结构简单、运行可靠、控制灵活、换向性能好、效率高等诸多优点。在直接驱动领域，要求低速下具有较大的输出转矩，该电机解决了传统电机低速运行体积大的缺点，省去了机械齿轮箱和磁齿轮的一个内转子以及独立的调磁环部件并在定子上加入了永磁体，减小了电机的体积，提高了系统的效率以及可靠性，能输出较大的稳定转矩，同时该电机镜像对称的结构也可增加装置本身的容量以及较大程度抵消定子与两侧转子间的单边磁拉力。同时该电机在传统磁齿轮结构的基础上省去一个内转子以及独立的调磁环部件，简化了加工工艺，节省了永磁材料，去除了由内转子带来的较大的振动以及噪声。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本实用新型所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (6)

1.一种盘式永磁游标电机，其特征在于：该电机包括外转子(1)、外转子轭部(2)、外转子永磁体(3)、定子(4)、设置在定子(4)外周且向外突出的定子齿(5)、定子永磁体(6)、绕组(7)、定子槽(8)、轴承(9)、支承轴(10)；

电机外转子(1)通过轴承(9)与支撑轴(10)转动连接，外转子永磁体(3)沿圆周方向等间距的嵌放在转子轭(2)上；定子(4)采用开口槽定子结构，定子(4)开设有定子槽(8)，绕组(7)置于定子槽(8)中；定子永磁体(6)沿圆周方向嵌放在相邻的两个定子齿之间，定子(4)通过支撑轴(10)固定；定子(4)及外转子(1)在轴向上呈镜像对称结构，外转子(1)在外侧，定子(4)在内侧。

2.根据权利要求1所述的盘式永磁游标电机，其特征在于：外转子(1)与定子(4)之间有气隙。

3.根据权利要求1所述的盘式永磁游标电机，其特征在于：外转子(1)一侧上所有外转子永磁体(3)极性相同且与另一侧上外转子永磁体(3)极性相反，同时位于同一侧的转子永磁体(3)和定子永磁体(6)充磁方向为同向；转子永磁体(3)和定子永磁体(6)充磁方向为轴向。

4.根据权利要求1所述的盘式永磁游标电机，其特征在于：外转子轭(2)和定子(4)的材料均为硅钢.

5.根据权利要求1所述的盘式永磁游标电机，其特征在于：所述定子(4)一侧上定子齿(5)的个数n_s等于同侧外转子永磁体(3)的个数n_r与定子一侧磁场极对数n_p之和。

6.根据权利要求1所述的盘式永磁游标电机，其特征在于：转子永磁体(3)和定子永磁体(6)材料均为钕铁硼。

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