高转矩密度、高功率密度、低扰动永磁旋转电机

摘要

本发明的目的是提出一种新的电机拓扑结构，它的一般形式兼有径向电机和轴向电机的结构特点，既能最大程度地利用电机内部的电磁空间，消除径向电机的瓶颈，实现旋转电机的高转矩密度和高功率密度，又能同时为电机的控制提供更多的空间，使电机的力矩扰动减为最小；其方案是：该电机的永久磁钢在空间的排列，沿周线依次展开并采用双V型排列，即采用二个一对的V型同极性永久磁钢沿周线排列，但相邻对磁钢极性相反，在轴向，即旋转轴的上、下设置二个一对同极性V型永久磁钢群，其对数与上面的对数相同，其极性与上面一对的同极性V型永久磁钢的极性相反。在轴向两对V型磁钢的对面，分别设置相应的线圈绕组对群。

说明书

技术领域

本发明涉及电机技术领域。

背景技术

常用的径向电机，就是指气隙中的磁场的方向是径向的。这里所说的磁场，对于永磁电机来说，是指永磁体所激发的磁场和线圈绕组在电机工作时所激发的磁场。对于常规径向电机，这两个磁矢的方向在间隙中大体是径向的。与径向电机相对应的轴向电机又称为盘式电机，其气隙中的磁场方向则大体平行于电机的旋转轴[1]。这里所说的磁场，对于永磁无刷电机来说，也是指永磁体所激发的磁场和定子线圈绕组工作时所激发的磁场。对于常规的轴向电机，或称盘式电机，这两个磁场在间隙中的方向都是平行于旋转轴的。另外有一种横向电机[2]。其永磁体所产生磁场和绕组所产生的磁场各自处于相互垂直的平面。其中，永磁体所产生的磁场在气隙中是径向的，而线圈绕组在气隙中所产生的磁场则是轴向的。采用永磁体结构的径向旋转电机永磁磁钢排列也通常是按旋转轴为中心的圆柱磁钢在外面向中心，或磁钢在内背向中心的排列。磁钢通常粘贴在铁磁材料上，以便在电机工作时形成有利的导磁廻路。而线圈绕组，为了增强磁密度，通常采用铁磁物质如硅钢片形成绕组芯，线圈通常按从边缘向中心的顺序分层绕制在硅钢片芯上。

常规径向旋转电机虽然目前仍是永磁无刷电机的主流产品，但其现存结构的固有局限性，却成为提高电机功率密度和旋转力矩密度的桎梏。在现代工业社会需求高功率密度和高转矩密度以减少电机的体积和重量，不设置引起噪声、降低电机效率的减速系统情形下，常规径向永磁旋转电机的结构弱点已日益明显地表露无遗，并在文献中已有定论。

随着新材料的应用，制造技术的新发明和冷却技术的改进，进一步提高电机的功率密度(单位质量或单位体积的输出功率)成为可能。对于常规的径向电机，这种提高存在其内在局限，这是因为：路径在转子牙形的根部的瓶颈特点；相当大部分转子轭周面的转子芯很难利用来作为磁路；先从定子绕组到定子芯然后再到支架结构的热迁移---在没有强制冷却安排的情形下，通过定子气隙，转子和轴的散热很差。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的电机拓补结构，它的一般形式兼有径向电机和轴向电机的结构特点，既能最大程度地利用电机内部的电磁空间，消除径向电机的瓶颈，实现旋转电机的高转矩密度和高功率密度，又能同时为电机的控制提供更多的空间，使电机的力矩扰动减为最小；本发明的方案是：

该电机的永久磁钢在空间的排列，沿周线依次展开并采用双V型排列，即采用二个一对的V型同极性永久磁钢沿周线排列；但周线相邻对磁钢极性相异。

在径向，与其相对应，在该双V型磁钢的内面，另有二个一对的V型同极性磁钢沿周线排列群，在转子在外的情形，采用对面式，在转子在内的情形，采用背靠背式。

在轴向，即旋转轴的上、下设置二个一对同极性V型永久磁钢群，其对数与上面的对数相同，其极性与上面一对的同极性V型永久磁钢的极性相反。

在述上述两对V型钢的对面，分别设置相应的线圈绕组，上下绕组产生磁场极性相反。

沿周线排列的上下对磁钢群和相邻的绕组群组成一个独立的电磁作用单元；每个独立的单元可以选择不同的齿槽数，不同的V字磁钢对数和不同的电相数。

所述一对V型永久磁钢和另一对V型永久磁钢设置的位置是背靠背的，或者是面对面的。

所述V型永久磁钢和线圈绕组之间的位置，是V型永久磁钢在外，线圈绕组在内；或者是V型永久磁钢在内，线圈绕组在外。

所述V形磁钢的V字的两边夹角，以及V字的两边边长是可变的，特殊清况下，V字的一个边为零，永久磁钢成为一块平板。

本发明的有益功效在于，本发明基于对常规径向电机和横向电机电磁拓补结构的深入研究而提出的新型拓补结构。它采用了双V形磁钢排列，盆式线圈绕组和沿轴向径向分层的电磁拓补结构，解决了常规径向电机的根本弱点，使电机的电磁空间得到充分的利用，增大了电机的转矩密度和功率密度，并为减少电机的力矩扰动提供了更为充分的条件。由于此种结构的电机在很多情形下可以采用径向电机多年的技术积累，将会是今后高端电机发展的一个重要方向。

附图说明

附图1是本发明两对V型磁钢在外，线圈绕组在内的排列结构图。

附图2是本发明两对V型磁钢中每个磁钢相对旋转90°后排列结构图。

附图3是图2的变形，相当于径向电机的磁钢排列图。

附图4是图3的变形，相当于轴向电机的磁钢排列图。

附图5、6是本发明两对V型磁钢在内，线圈绕组在外的排列结构图。

附图7是采用拓补结构30槽，周向13对V形磁钢径向二层、轴向一层磁钢排列的结构图。

附图8是附图7绕有线圈绕组局部放大的示意图。

附图9是图7径向磁钢排列结构放大图。

附图10简单的Halbac排列磁钢充磁后磁场方向图。

附图11截椭圆形状磁钢排列示意图。

图中标号说明

1-V型磁钢； 2-钢圈；

3-导磁材料；4-隔磁块；

5-线圈；    6-外磁钢；

7-内磁钢；  8-铁芯。

具体实施方式

请参阅附图1、2、3、4、5、6所示，永久磁钢在空间的排列，沿周线依次展开并采用双V型排列，即采用二个一对的V型同极性永久磁钢1沿周线排列；

在径向，与其相对应，在该双V型磁钢的内面，另有二个一对的V型同极性磁钢1沿周线排列群，在转子在外的情形，采用对面式(如附图1)，在转子在内的情形，采用背靠背式(如附图5)。

在轴向，即旋转轴的上、下设置二个一对同极性V型永久磁钢群，其对数与上面的对数相同，其极性与上面一对的同极性V型永久磁钢的极性相反。这种轴向磁钢排列，其上下绕组绕线方向或为顺时针或为逆时针，必须相同且所接电为同向位。

例图所述线圈绕组5设置有导磁物质3。

所述一对V型永久磁钢和另一对V型永久磁钢设置的位置是背靠背的，如附图5、6所示；或者是面对面的2、3、4所示。

所述V型永久磁钢和线圈绕组之间的位置，是V型永久磁钢在外，线圈绕组在内，如附图1、2、3、4所示；或者是V型永久磁钢在内，线圈绕组在外，如附图5、6所示。

所述V形磁钢的V字的两边夹角，以及V字的两边边长是可变的，特殊清况下，V字的一个边为零，永久磁钢成为一块平板，如附图6所示。

本发明采用以下二种永磁磁钢，一种是Halbach排列的(见图10)，采用这种磁钢做成的电机，也可以叫做Halbach电机；另一种单体磁钢沿排列方向的基本形状是截椭圆，即将椭圆的两端截去。注意这种截椭圆磁钢实际提供了一种普遍的形式，椭圆本身有两个变量描述，两边截去的多少又可以不同，因此有四个独立可变的参量来变化出许多不同的磁钢形状。例如圆型的磁钢，瓦片状磁钢，半月型磁钢，都可以看做是这种截椭圆磁钢的特殊形式。对截椭圆磁钢的充磁采用垂直展开面的面充磁(如图11)。

磁钢在空间的排列沿周线依次展开并采用双V型的排列。我们以常见的圆柱体电磁空间，磁钢在外的情况说明，如图1至图4，每一对V型磁钢是由同极性的磁钢组成的，沿圆柱体的周线排列。但沿周线排布的这些V型磁钢对，相邻的极性相异，可以为I对，I是整数。另外沿旋转轴方向，即上下轴的每两对V形磁钢，也具有相反的极性。上下两对V磁钢的位置采取上下对齐或有小角度偏差是允许的，但周线相邻的均匀一致对电机质量至关重要。

在这些V形磁钢的对面，设置线圈绕组群。磁钢，线圈绕组和导磁物质构成相应的磁廻路。线圈绕组的数目应是所采用的电相数的倍数。譬如通常采用的3相电子馈电系统，线圈数目可以为3J，J是整数。I和J的选择适用常规径向电机的齿槽配合优化。因此示意图1至图4并不表示每一对上下V磁钢即有一对线圈绕组相对应。当然我们的新结构也适用于廻路无导磁物质的情形。

对V型磁钢排列的基本构形有两种形成，一种是背靠背型，一种是面对面型，图1所示的即为背靠背型，而图2所示的即为面对面型。相对应的绕组的形状则有收口容器型和开口容器型。图1至图4是以磁钢在外的情况为例，我们的新结构当然也包括磁钢在内而线圈在外的情形。图5是一种对应图1的线圈在外的情形，图6则是对应图3的一种特殊情况。

图1至图4所示的电磁拓补结构，实际颠覆了常规径向电机和常规轴向电机互相区分的观念。注意到V字形磁钢即使在边长和角度不变情况下其中间交接线可以在上下180°范围内变动。而图1和图2所述的两种基本形式也可以说是这种中交线移动的结果。图3所示的特殊情形是完全径向电机的情形，而图4所示的情形则完全是轴向电机的情形。

注意，无论是V型的交角，还是V形的两边的边长都是可以改变的。可以因此而演变出许多有差异结构形状。特殊情形下，V形的一边为零，或交角为零或180°都使磁钢成为一块。

电机的电磁空间可以沿径向和轴向划分成多层空间，图7所示的是最简单的沿轴向的一层空间和沿径向的两层空间的电磁空间结构，导线尚未绕的情况，对应于磁钢在外的情形。在轴向长度很长的细长圆柱电机情形下，轴向划分成多层空间是可行的。图8是图7部分绕线后的示意图。

注意每一个径向和轴向的分空间实际上是形成了自己的一个独立的电磁作用模式，即一个分电机。图7所示的是一个最简单的2个分电机模式，而且是一个特殊的最简单的分电机模式，即内外二电机齿槽数相等为30而磁钢的极对数也相等，为13对极，电相数为3。而我们新结构的电机的另一个优点恰恰就在于内外层间不同的电机可以采用不同的电相数，齿槽数和磁钢极对数。这就为减少转矩扰动提供了一个更为广大的可供选择的参数空间。在精心选择内外分电机的齿槽数、极对数和相数以后可使转矩的扰动降到最低的范围。这是一般的常规电机无法与之匹敌的。这在电机的高科技应用领域十分重要。

所有示图的目的是为了显示新的拓补结构。在实际应用时无论是磁钢排布，线圈形状等均需作优化以增强磁场，减少漏磁，和增加可以充分利用的绕线空间。