高转矩密度、高功率密度、低扰动永磁旋转电机制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电机

技术介绍
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。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。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，制造技术的新专利技术和冷却技术的改进，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一在没 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。
技术实现思路
本专利技术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；本专利技术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。本专利技术的有益功效在于，本专利技术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是本专利技术两对V型磁钢在外，线圈绕组在内的排列结构图。附图2是本专利技术两对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是本专利技术两对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I-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。具体实施例方式请参阅附图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。本专利技术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，但周线相邻的均勻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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高转矩密度、高功率密度、低扰动永磁旋转电机，其特征在于：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；在上述两对Ｖ型磁钢的对面，分别设置相应的线圈绕组。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆炳林，
申请(专利权)人：上海川邻精密配件有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]