宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机

摘要

一种宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机，包括双定子结构和单转子结构，转子结构位于两个定子结构中间；定子包括非晶合金材料卷绕而成的定子轭部和定子齿部；定子轭部直接与端盖相接触；定子轭部和定子齿部共同构成定子铁心；机壳两端的端盖内设有周向盘型水道；双层分布式电枢绕组嵌入定子铁心内；转子结构为单盘结构，其中的永磁体与软磁极极对数相等；软磁极具体为低电导率的SMC软磁极；永磁体具体为烧结钕铁硼永磁体及其两侧的低电导率的粘结钕铁硼永磁体；转子支架套在电机轴上；具有较大的交直轴电感，较低的转子损耗，且可以充分利用轴向磁通电机交直轴电感不相等产生的磁阻转矩，具有更加宽广的弱磁扩速范围。

说明书

技术领域

本发明属于轴向磁通电机设计领域，主要是涉及一种宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机。

背景技术

非晶合金轴向磁通永磁同步电机因其结构紧凑、功率密度高、效率高等诸多优势，使得近几年获得了越来越多人的关注，促使它能够在电动汽车、风力发电等领域得到极大的应用。但是该电机永磁体和转子支架电导率高，转子涡流损耗较大，在高频高速时转子发热非常严重，且由于永磁材料本身固有的硬磁特性使得电机内气隙磁场基本保持恒定，传统轴向磁通永磁同步电机大多采用双边气隙拓扑结构，该拓扑结构气隙较大，且每相串联匝数较少、转子多为表贴式磁极，使得电机的电感较小，当采用传统增加直轴去磁电流以削弱气隙磁场方法时，其弱磁扩速能力有限，已经成为了制约非晶合金轴向磁通电机发展的一个瓶颈。

为了能够减小转子的涡流损耗，增大非晶合金轴向磁通永磁同步电机交直轴电感，有效地调节与控制气隙磁场，实现电机高效率的弱磁扩速，同时能利用交直轴电感不相等产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，许多研究人员提出了采用不同种类的拓扑结构来解决传统永磁同步电机转子涡流损耗大、磁场难以调节、不利于弱磁扩速等问题，但均仍旧存在不同程度的缺陷：

（1）中国专利CN105680649A提出了本发明公开了一种轴向径向磁通双凸极永磁电机，包括下轴向转子、永磁环、下轴向定子、上轴向定子、径向转子、径向定子、上轴向转子以及转轴；径向转子设置于径向定子内，永磁环环绕镶嵌于径向定子内；转轴依次穿过上轴向定子、上轴向转子、径向转子、下轴向转子以及下轴向定子，且上轴向转子、径向转子和下轴向转子固定安装在转轴上；上轴向定子和下轴向定子分别固定安装在径向定子的上下端面上，转轴上下两端分别转动式安装在上轴向定子和下轴向定子上。本发明的电机内部形成一组径向磁通以及两组轴向磁通，结合了轴向磁通电机与双凸极电机的优点，转动惯量小、起动转矩大、起动电流小、出力大，增强了运行安全性。但是该电机电枢反应小，不利于应用电机的弱磁扩速，因此在宽转速的应用场合中该电机难以发挥其优势。

（2）中国专利CN103997145A提出了一种轴向磁通永磁同步电机。该电机包含一根转轴，转子装配到转轴上，至少一个永磁体装配到转子上，还包括定子组件，定子组件包含朝一个轴向方向的定子模块，每个定子模块包含一对由一个轭部分相连接的定子齿和多个绕组，每个绕组绕在一个定子模块上。该发明的特点是：轴向磁通电机使用低成本的铁氧体磁铁，并且齿槽转矩振动噪声都有所降低，但是在宽转速的应用场合中该电机难以发挥其优势。

（3）中国专利CN10530757A提出一种双交错混合励磁电机的拓扑结构，该电机包括前端盖、后端盖和机壳，转轴上设有转子轭，转子轭上固有永磁N极、永磁S极和铁极，机壳上均匀设有电枢铁心和励磁铁心，电枢铁心上有交流电枢绕组，励磁铁心上设有交流励磁绕组；转轴、转子轭、永磁N极、永磁S极和铁极构成转子；交流电枢绕组、电枢铁心、交流励磁绕组、励磁铁心和机壳构成定子。该发明的特点是：该电机是一种径向磁通的结构，采用交流电流调节气隙磁通，励磁磁动势与电枢磁动势为并联关系，通过调节磁通的分布来改变感应电势的大小，在变速电动场合可实现更宽广的调速范围，但是该电机制造工艺复杂，不适合应用在高频高速的场合。

（4）中国专利CN105375655A提出了一种应用高饱和磁感应强度的软磁粉芯的轴向磁通电机，具体是将高饱和磁感应强度的软磁粉芯用于复合永磁铁或铁芯上。与现有技术相比，使用高饱和磁感应强度的软磁粉芯用于复合永磁铁或大功率铁芯后，由于其高饱和磁感应强度，在相同的铁芯材料下可以使用更大的励磁磁场以激发定子更强的励磁磁密。最大的励磁磁密根据理论计算与试验明显大于传统的非晶铁芯和较新的无铁芯定子，具有更高的输出功率。但是电机电枢反应小，在宽转速的应用场合难以发挥其优势。

（5）中国专利CN103915961A公开了一种新型轴向磁通双凸极永磁发电机，所要解决的技术问题是：针对现有发电机存在的结构过于复杂、自身能耗大等问题。采取的技术方案是：包括转子、发电机外定子、发电机内定子、永磁环和转子轴；发电机内定子嵌套在发电机外定子内，发电机内定子与发电机外定子之间留有间隙；所述永磁环安装于前述间隙内；转子轴设置在转子的中心处，且固定为一个整体；所述转子轴贯穿过发电机内定子的中心，且与发电机内定子不接触；所述转子位于发电机外定子和发电机内定子的上方。本发明将双凸极永磁电机与轴向磁通电机有机结合起来，具有高效率、高功率密度、结构紧凑、噪声小、起动风速低的优点。但是该电机在宽转速的应用场合难以发挥其优势。

（6）中国专利CN1808846A提出了一种双馈电混合励磁轴向磁场永磁电机拓扑结构。该电机包含一个转子和置于转子两侧的左右两个定子，转子的磁极由隔磁区分割成内外两圈，外圈为铁心极，内圈为极性交替的永磁体；两个定子铁心的外齿的内侧安装磁场控制绕组，而电枢主绕组环绕内、外齿安装。该发明的特点是：通过改变磁场控制绕组中的电流幅值和方向来调节电机气隙总磁通大小，达到改变感应电势大小的目的，但是该结构电机永磁体用量大，弱磁扩速的范围比较有限。

发明内容

发明目的：由于永磁材料本身固有的硬磁特性使得电机内的气隙磁场基本保持恒定，传统轴向磁通永磁同步电机大多采用双边气隙拓扑结构，该拓扑结构气隙较大，且每相串联匝数较少、转子多为表贴式磁极，使得电机电感较小，当采用传统增加直轴去磁电流以削弱气隙磁场方法时，其弱磁扩速能力有限，且传统的轴向磁通电机永磁体和转子支架电导率高，转子涡流损耗较大，在高频高速时转子发热非常严重。为了能够减小转子涡流损耗，实现轴向磁通永磁同步电机气隙磁场简单灵活、经济有效的调节与控制从而改善电机调速与驱动性能，引入了一种宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机。

技术方案：

一种宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机，包括双定子结构和单转子结构，转子结构位于两个定子结构中间；

所述定子结构包括：非晶合金材料卷绕而成的定子轭部和定子齿部；所述定子轭部直接与端盖相接触；定子轭部和定子齿部共同构成定子铁心；

所述机壳两端的端盖内设有周向盘型水道；

双层分布式电枢绕组嵌入定子铁心的梨形槽内；

所述转子结构为单盘结构，包括不锈钢转子支架、上下排列嵌入转子支架的永磁体与软磁极；所述永磁体与软磁极极对数相等；

所述软磁极具体为低电导率的SMC软磁极；

所述永磁体具体为烧结钕铁硼永磁体及其两侧的低电导率的粘结钕铁硼永磁体；

所述转子支架套在电机轴上。

所述的宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机，优选地：所述定子铁芯采用剪切成梨形槽结构的低损耗非晶合金带材沿着电机径向卷绕而成，紧贴在带有周向盘型水道的端盖两边，定子散铜线电枢绕组采用的是双层分数槽分布绕组。

所述的宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机，优选地：所述转子支架外圆周开有槽口。

所述的宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机，优选地：所述转子支架上以圆周均布的扇形排布永磁体与软磁极；其中软磁极位于靠近电机轴侧，永磁体位于远离电机轴侧；永磁体为三层结构，烧结钕铁硼永磁体夹在两个粘结钕铁硼永磁体之间。

优点及效果：

本发明是一种宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机，具有如下优点和有益效果：

1.本发明为一种双定子单转子的结构，通过在与定子铁心相接触的端盖上开周向盘型结构的水道，可以有效带走定子上产生的热量，提高轴向磁通电机的功率密度。

2.本发明提出的非晶合金定子铁心内齿部正对的转子内表面位置采用的是相连接永磁体和软磁极，当电枢绕组上给去磁电流时，能够使得与永磁体相连接的软磁极产生反向的磁场，能够更大程度上削弱气隙磁场使得轴向磁通电机具有更加宽泛的运行转速。

3.本发明提出的一种不锈钢转子支架内部嵌入极对数相等，上下并排的永磁体和软磁极，与传统轴向磁通永磁同步电机相比，采用该种永磁体和软磁极共同作用的组合，可以充分利用轴向磁通电机交直轴电感不相等产生的磁阻转矩，提高电机的转矩密度，有利于减小永磁体的用量，降低电机的生产制造成本。

4.本发明提出的轴向磁通电机单盘转子采用的粉末冶金材料SMC压制而成的软磁极，烧结钕铁硼永磁体两边为低电导率的粘结钕铁硼永磁体，永磁体与软磁极极对数相等，且呈上下排列嵌入在高强度的不锈钢转子支架内，嵌有磁极的转子支架套在电机的转轴上。转子支架上端部开槽口用来减小转子支架的涡流损耗。

5.本发明提出的一种非晶合金带材卷绕而成的定子铁心，由于非晶合金材料相对于传统的硅钢片，在高频下电机的铁耗明显小很多，因此这种非晶合金轴向磁通电机特别适用于高频高速的场合。

附图说明：

图1和2为宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机示意图。

图3为宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机定子结构示意图。

图4为宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机转子结构示意图。

图5为宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机转子磁极结构示意图。

附图标记说明：

宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机图1、2、3、4、5中标号1为电机盘型水道；2为电机的端盖；3为电机的机壳；4为电机的电枢绕组；5为电机的转子支架；6为电机的定子铁心轭部；7为电机的转轴；8为电机的定子铁心齿部；9为电机的烧结钕铁硼永磁体；10为电机的SMC软磁极；11为电机的转子支架槽口；12为电机的粘结钕铁硼永磁体；13为电机的轴承。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明提供一种宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机，如图1所示，包括非晶合金定子铁心、电枢绕组、机壳、端盖、轴承、转轴、转子、永磁体和软磁极等部分组成；其特征在于：定子铁心采用非晶合金材料卷绕而成，两边定子铁心直接与带有周向盘型水道结构的端盖相接触，将非晶合金定子铁心嵌入机壳内，双层分布式电枢绕组嵌入进梨形槽的非晶合金定子铁心中，电机的转子采用单盘结构，低电导率的软磁极采用的是低粉末冶金材料SMC压制而成，烧结钕铁硼永磁体两边为低电导率的粘结钕铁硼永磁体，转子支架内部嵌入极对数相等，上下并排无间隙的永磁体和软磁极，永磁体与软磁极极对数相等，且呈上下排列嵌入在高强度的不锈钢转子支架内，转子支架上端部开槽口，嵌有磁极的转子支架套在电机的转轴上，在机壳的两端分别设有端盖，电机的转轴通过轴承支撑于端盖的中央。

如图1和2所示，为宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机示意图。定子铁心6、8采用非晶合金材料卷绕而成，两边定子铁心6、8直接与带有周向盘型水道1结构的端盖相接触，将非晶合金定子铁心6、8嵌入机壳内，双层分布式电枢绕组5嵌入进梨形槽的非晶合金定子铁心6、8中，电机的转子采用单盘结构，低电导率的软磁极10采用的是低粉末冶金材料SMC压制而成，烧结钕铁硼永磁体9两边为低电导率的粘结钕铁硼永磁体12，钕铁硼永磁体9、12与软磁极10极对数相等，且呈上下排列嵌入在高强度的不锈钢转子支架5内，转子支架上端部开槽口11，嵌有磁极的转子支架5套在电机的转轴7上，在机壳3的两端分别设有端盖2，电机的转轴7通过轴承8支撑于端盖2的中央。

如图3所示，为宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机定子结构示意图，轴向磁通电机的双边定子铁心6、8采用剪切成梨形槽结构的低损耗非晶合金带材沿着电机径向卷绕而成，紧贴在带有周向盘型水道1的端盖2两边，定子散铜线电枢绕组4采用的是能增大磁阻转矩的双层分数槽分布绕组。

如图4所示，为宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机转子结构示意图，轴向磁通电机的转子采用单盘结构，低电导率的软磁极9、12采用的是低粉末冶金材料SMC压制而成，钕铁硼永磁体9、12与SMC软磁极10极对数相等，且呈上下排列嵌入在高强度的不锈钢转子支架5内，嵌有磁极的转子支架5套在电机的转轴7上。采用这种结构有利于减小永磁体9、12上的涡流损耗，同时也有利于节约永磁体9、12的用量减小成本，提高电机性能。

如图5所示，为宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机转子磁极结构示意图，烧结钕铁硼永磁体9两边为低电导率的粘结钕铁硼永磁体12，由于谐波磁场主要是作用在低电导率的粘结永磁体表面，可以有效的削弱转子涡流损耗。

本发明的工作过程如下：

本发明提出的一种宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机，定子铁心采用非晶合金带材沿径向卷绕而成，然后将卷绕而成的定子铁心沿着径向开梨形槽，在不锈钢转子支架内嵌入上下并列的永磁体和软磁极，在定子铁心上嵌入双层分布式的电枢绕组。分别给电枢绕组通上互差120°三相正弦交流电，然后将其在转子对应位置的软磁极给磁化，使得转子上的软磁极和永磁体共同作用，产生了合成磁场，磁场通过非晶合金定子铁心闭合，在电磁场作用下，电机转子在轴承支撑下旋转，输出机械能。由于本发明提出的是一种宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机结构，能够有效地节约永磁体的用量，降低转子涡流损耗，充分利用电机的磁阻转矩，继承传统轴向磁通永磁电机的功率密度大、转矩密度大、效率高等诸多特点，同时提高轴向磁通电机的弱磁扩速能力。

结论：本发明所述的一种宽弱磁扩速低转子损耗的非晶合金轴向磁通电机，定子铁心采用对铁心损耗有显著抑制作用的非晶合金带材替代了传统硅钢片，通过把传统轴向磁通永磁同步电机转子上的永磁体分成两部分，将其中部分用粉末冶金材料SMC压制的软磁极来替代，通过调节直轴去磁电流大小来改变电机内气隙磁场，从而增加电机转速范围改善其驱动性能，烧结钕铁硼永磁体两边为低电导率的粘结钕铁硼永磁体，转子支架的上端部开槽口可以有效的削弱转子涡流损耗。与传统轴向磁通永磁同步电机相比，该轴向磁通电机具有较大的交直轴电感，较低的转子损耗，且可以充分利用轴向磁通电机交直轴电感不相等产生的磁阻转矩，具有更加宽广的弱磁扩速范围。