專利名稱：平滑轉矩輸出的軸向磁場永磁無刷電機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種低轉矩脈動的軸向磁場定子永磁電機，是對傳統形式軸向磁場定子永磁電機的改進，屬于軸向磁場永磁電機技術領域。
背景技術：
為了提高驅動系統的可靠性，消除不必要的中間傳動環節(例如齒輪箱、傳速帶等)，對大轉矩、寬調速直驅電機的需求不斷增加。永磁無刷電機因其自身的高功率密度、高轉矩密度和高效率特性而非常適用于這種場合。軸向磁場定子永磁電機為雙凸極拓撲結構，其永磁體和電樞繞組均位于定子上， 這很好地解決了轉子永磁型永磁電機的永磁體固定以及溫度過高而導致的永磁體不可逆退磁等問題。磁通切換定子永磁電機的磁鏈和反電勢波形均為雙極性，是一種雙極性電機， 其反電勢常數大，運行效率高。同時，磁通切換定子永磁電機還具有繞組互補性的獨特優點，保證電機即使采用集中繞組和直槽轉子，其空載反電動勢的總諧波畸變率也很小，這就使得磁通切換定子永磁電機更適合無刷交流運行。軸向磁場定子永磁電機，除了具有一般磁通切換定子永磁型電機和軸向磁場電機的優點外，其較小的體積使得電機的功率密度和轉矩密度更高，薄型結構大大縮短了電機主磁路，弱磁擴速能力更強，調速范圍更寬。低轉矩脈動軸向磁場定子永磁電機是對傳統軸向磁場定子永磁電機結構的改進。 該電機通過采用增加轉子極數的方法來提升電機的轉矩能力，并減小轉矩脈動。改進后的低轉矩脈動電機十分適用于低轉速、大轉矩的直驅系統中(例如風力發電等應用場合)。
發明內容技術問題本實用新型的目的是改進磁通切換定子永磁電機的轉矩特性，提出一種平滑轉矩輸出的軸向磁場永磁無刷電機。該電機是對傳統電機結構的改進，在不增加電機體積、不額外改變電機結構形式的基礎上，減小電機的轉矩脈動，使電機的驅動特性更加平穩，同時提高電機的轉矩密度，并減少電機制造中永磁體的用量。技術方案本實用新型的平滑轉矩輸出的軸向磁場永磁無刷電機包括轉子和位于轉子兩側的第一定子、第二定子；每個定子由6塊雙齒U形鐵芯、6塊扇形永磁體和6個三相集中電樞繞組構成，每個雙齒U形定子鐵芯的兩邊各有兩個齒，即每個雙齒U形鐵芯單元共有4個齒；每兩個雙齒 U形鐵芯之間插入一塊扇形永磁體，電樞線圈繞在兩個雙齒U形鐵芯的齒上；定子由雙齒U 形定子鐵芯和扇形永磁體交替放置拼裝而成，兩個定子上相對應的扇形永磁體的充磁方向相反；同一定子上相鄰永磁體的磁化方向相反，且沿著圓周切向充磁；徑向相對的兩個電樞線圈屬于同一相，將其順次串聯連接，第一集中式電樞線圈、 第二集中式電樞線圈位置相對，將兩個電樞線圈順次串聯后構成A相電樞繞組；第三集中式電樞線圈、第四集中式電樞線圈位置相對，兩個線圈順次串聯后構成B相電樞繞組；第五集中式電樞線圈、第六集中式電樞線圈位置相對，兩個線圈順次串聯后構成C相電樞繞組，這樣在第一定子上便形成A相、B相、C相這三相電樞繞組；同理，第二定子上位置相對的第七集中式電樞線圈和第八集中式電樞線圈串聯連接構成A相電樞繞組，位置相對的第九集中式電樞線圈和第十集中式電樞線圈串聯連接構成B相電樞繞組，位置相對的第十一集中式電樞線圈和第十二集中式電樞線圈串聯連接構成C相電樞繞組；將兩個定子上的A相、B 相、C相電樞繞組串聯或并聯連接構成整個電機的A相、B相、C相電樞繞組。轉子為凸極結構，共有19個齒，稱為19個轉子極，各個轉子極均為扇形齒形狀，轉子極等距分布在轉子的非導磁圓環的外圓周上，轉子極的軸向長度與非導磁圓環的軸向長度相等，且轉子上既無永磁體也無繞組。雙齒U形鐵芯的齒和槽都是扇形的，與轉子極的扇形相一致。該電機的的定子由6個雙齒U形定子鐵芯和6個扇形永磁體組成，轉子由19個轉子極和非導磁圓環組成，轉子極嵌在非導磁圓環上構成基本電機；將基本電機的定子單元、 轉子極進行整數倍擴充，可以得到定子2X 12槽/轉子19極、定子2XM槽/轉子38極、 定子2 X 36槽/轉子57極……結構電機。有益效果1、本實用新型所提出的平滑轉矩輸出的軸向磁場永磁無刷電機，既保留了傳統型磁通切換定子永磁電機的優點，又極大地提高了電機的轉矩密度，減小了電機的轉矩脈動， 同時也減少了電機制造過程中永磁體的用量。2、定子采用雙齒U形鐵芯單元，結構簡單可靠，加工制造方便，軸向磁場電機的薄型結構大大縮短了電機的主磁路，增強了電機的弱磁擴速能力，很適合應用于低轉速、大轉矩的直驅系統中。

圖1為平滑轉矩輸出的軸向磁場永磁無刷電機的三維結構示意圖。圖2為雙齒U形定子鐵芯單元與一個單元的扇形永磁體，是定子結構的基本組成單元，每個定子都由這樣的6個最基本單元構成。以上的圖中有第一定子1、轉子2、電樞繞組3、永磁體4、雙齒U形鐵芯5、非導磁圓環6、轉子極7、第二定子8。電樞繞組3中包括A相集中式電樞繞組的四個線圈311、312、 313、314，B相集中式電樞繞組的四個線圈321、322、323、324，C相集中式電樞繞組的四個線圈 331、332、333、334。
具體實施方式
本實用新型所提出的平滑轉矩輸出的軸向磁場永磁無刷電機，包括兩個定子、一個轉子、集中式電樞繞組和扇形永磁體，轉子夾放在兩個定子之間，定子與轉子同軸安裝， 兩個定子與轉子之間留有相等長度的空氣隙。兩個定子的結構完全一樣，位置關于轉子對稱；每個定子由6塊雙齒U形鐵芯、6塊扇形永磁體和6個集中電樞線圈構成，集中式電樞線圈繞在相鄰的兩塊雙齒U形鐵芯的齒上，扇形永磁體嵌放在雙齒U形鐵芯中間；定子上的永磁體沿著切向交替充磁，且兩個定子上相對應的永磁體的磁化方向相反；每個定子上 6個集中式電樞線圈被分成A、B、C三相，同相的兩個電樞線圈順次串聯連接構成一相，然后再將兩個定子上同一相的電樞繞組串聯構成整個電機的三相(A相、B相、C相)電樞繞組；電機的轉子為直槽結構，轉子上既沒有永磁體也沒有繞組，共有19個齒，稱為19個轉子極， 均勻設置在轉子非導磁圓環的外圓周上。雙齒U形定子鐵芯的齒和轉子極都是扇形結構。平滑轉矩輸出的軸向磁場永磁無刷電機本身結構上的特點使其具有很強的聚磁效應，這種電機的氣隙磁密大、功率密度和轉矩密度高，低轉矩脈動結構的應用使得電機的轉矩特性更加優良。三相電樞繞組采用集中繞組形式，電樞的端部短，繞組電阻小，電機工作效率高。如圖1所示，平滑轉矩輸出的軸向磁場永磁無刷電機是由第一定子1、第二定子8 和轉子2組成的雙氣隙結構電機，第一定子1、第二定子8與轉子2均為凸極結構，轉子2夾放在兩個第一定子1、第二定子8中間，第一定子1、第二定子8和轉子2同軸安裝，轉子2 與第一定子1、第二定子8之間留有相等厚度的空氣隙。第一定子1、第二定子8的結構完全一樣，而且關于轉子2對稱；每一個定子都是由6個雙齒U形定子鐵芯、6塊扇形永磁體、 6個集中式電樞線圈構成，雙齒U形定子鐵芯和扇形永磁體交替放置構成圓盤，兩個定子上相對應的永磁體的磁化方向相反。將定子1上的兩個線圈311、312順次串聯，構成第一定子1上的A相電樞繞組，線圈313、314位于第二定子8上，將兩線圈順次串聯構成第二定子8上的A相電樞繞組，將兩個定子上的A相電樞繞組串聯或并聯構成整個電機的A相電樞繞組。同理，電機的B相和C相電樞繞組的構成方法與A相相同。上述A、B、C三相的12個集中式電樞線圈均繞在相鄰的兩個雙齒U形定子鐵芯兩端的齒上(如圖1所示)，中間嵌入永磁體，永磁體沿著圓周方向交替充磁。轉子2為凸極結構，共有19個扇形齒，轉子的19個齒極均勻設置在轉子2的非導磁圓環圓周上。轉子上既沒有永磁體也沒有繞組，轉子極和雙齒U形定子鐵芯都由高導磁率的硅鋼片沖制而成。第一定子1、第二定子8由雙齒U形結構的導磁鐵芯拼裝而成。扇形永磁體是鐵氧體或者釹鐵硼永磁磁鋼。本實用新型的平滑轉矩輸出的軸向磁場永磁無刷電機作為電動機運行，其運行原理與傳統型磁通切換定子永磁電機一致，本實用新型提出的改進結構，有效地提高了電機驅動的轉矩密度、減小了轉矩脈動，同時也減少了電機制造中永磁體的用量。該類型電機可以應用于需要大轉矩、低轉速的直驅系統中。
權利要求1.一種平滑轉矩輸出的軸向磁場永磁無刷電機，其特征在于該電機包括轉子(2)和位于轉子(2)兩側的第一定子(1)、第二定子(8)；每個定子由6塊雙齒U形鐵芯(5)、6塊扇形永磁體和6個三相集中電樞繞組(3)構成， 每個雙齒U形定子鐵芯的兩邊各有兩個齒，即每個雙齒U形鐵芯單元共有4個齒；每兩個雙齒U形鐵芯之間插入一塊扇形永磁體(4)，電樞線圈繞在兩個雙齒U形鐵芯的齒上；定子由雙齒U形定子鐵芯(5)和扇形永磁體(4)交替放置拼裝而成，兩個定子上相對應的扇形永磁體(4)的充磁方向相反；同一定子上相鄰永磁體的磁化方向相反，且沿著圓周切向充磁；徑向相對的兩個電樞線圈屬于同一相，將其順次串聯連接，第一集中式電樞線圈 (311)、第二集中式電樞線圈(312)位置相對，將兩個電樞線圈順次串聯后構成A相電樞繞組；第三集中式電樞線圈(321)、第四集中式電樞線圈(322)位置相對，兩個線圈順次串聯后構成B相電樞繞組；第五集中式電樞線圈(331)、第六集中式電樞線圈(332)位置相對，兩個線圈順次串聯后構成C相電樞繞組，這樣在第一定子(1)上便形成A相、B相、C相這三相電樞繞組；同理，第二定子(8)上位置相對的第七集中式電樞線圈(313)和第八集中式電樞線圈(314)串聯連接構成A相電樞繞組，位置相對的第九集中式電樞線圈(323)和第十集中式電樞線圈(3 )串聯連接構成B相電樞繞組，位置相對的第十一集中式電樞線圈(333) 和第十二集中式電樞線圈(334)串聯連接構成C相電樞繞組；將兩個定子上的A相、B相、C 相電樞繞組串聯或并聯連接構成整個電機的A相、B相、C相電樞繞組。
2.根據權利要求1所述的平滑轉矩輸出的軸向磁場永磁無刷電機，其特征在于轉子 (2)為凸極結構，共有19個齒，稱為19個轉子極(7)，各個轉子極均為扇形齒形狀，轉子極等距分布在轉子(2)的非導磁圓環(6)的外圓周上，轉子極的軸向長度與非導磁圓環的軸向長度相等，且轉子上既無永磁體也無繞組。
3.根據權利要求1所述的平滑轉矩輸出的軸向磁場永磁無刷電機，其特征在于雙齒U 形鐵芯(5)的齒和槽都是扇形的，與轉子極(7)的扇形相一致。
4.根據權利要求1所述的平滑轉矩輸出的軸向磁場永磁無刷電機，其特征在于該電機的的定子由6個雙齒U形定子鐵芯(5 )和6個扇形永磁體(4)組成，轉子由19個轉子極和非導磁圓環組成，轉子極嵌在非導磁圓環上構成基本電機；將基本電機的定子單元、轉子極進行整數倍擴充，可以得到定子2 X 12槽/轉子19極、定子2 X M槽/轉子38極、定子2 X 36 槽/轉子57極……結構電機。
專利摘要本實用新型公開了一種平滑轉矩輸出的軸向磁場永磁無刷電機，屬于軸向磁場永磁電機領域。該電機是一種雙凸極電機，定、轉子均為凸極結構，是由兩個定子和一個轉子(2)構成的雙氣隙永磁電機，第一定子(1)、第二定子(8)與轉子(2)同軸安裝，轉子(2)夾放在兩個定子之間，轉子(2)和兩個定子之間留有一定厚度的空氣隙，轉子(2)上既無永磁體也無繞組、結構簡單而可靠。每個定子都是由6個雙齒U形定子鐵芯(5)、6塊永磁體(4)和6個線圈(3)組成，定子上的永磁體沿圓周方向交替充磁。在定子齒數相等的情況下，同樣規格的電機中，采用該結構的電機對永磁體的需求量減少很多，這樣生產該電機所耗費的材料成本和生產花費便得到了極大地降低。
文檔編號H02K1/14GK202085046SQ201120201919
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月16日 優先權日2011年6月16日
發明者林克曼, 林明耀, 趙旭鳴 申請人:東南大學