CN113300515B - 包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机结构及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机结构及其方法，该电机结构包括：转子盘和定子盘；定子盘沿转轴轴向套装，且位于前转子盘固定段和后转子盘固定段之间；前转子盘固定段、后转子盘固定段均套设有转子盘；转子盘包括转动盘，转动盘的一面加装导磁板，另一面内嵌转子磁极和转子永磁体，转子磁极和转子永磁体沿圆周方向交替排列，相邻两个转子永磁体充磁方向相反；定子盘包括若干个定子电枢。

Description

包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机结构及其 方法

技术领域

本发明属于永磁无刷电机领域，具体涉及一种多极数分数槽集中绕组盘式轴向磁场永磁无刷电机。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

相较于直流电机以及步进电机，永磁无刷电机具有结构紧凑、动态响应性能好、效率高等优点，在工业机器人、机床、电动汽车等领域得到广泛应用。目前，常用的永磁无刷电机主要采用径向磁通结构，其磁通路径为二维磁路结构，转子通常采用表贴式永磁体。相较于传统的径向磁通永磁电机，盘式轴向磁场永磁电机具有轴向长度短、重量轻、高效、高功率密度、高转矩密度和高转矩/转动惯量比的优点。理论上，盘式轴向磁场永磁电机在相同的尺寸下可以达到更高的输出功率和输出转矩，同时具有更快的响应速度，在电动汽车领域，盘式轴向磁场永磁电机的优势已经开始日益凸显。

1821年，法拉第发明了世界上第一台单定子单转子轴向磁场永磁电机。由于当时工艺水平较低，轴向磁场永磁电机没有得到进一步发展。随着径向电机的应用与发展，轴向磁场永磁电机的缺点暴露了出来，其中包括冷却困难、铁心利用率低等。在1940年早期，轴向磁场永磁电机开始回归业界视野当中并得到重视，早期主要是轴向磁场永磁无刷直流电机，随着社会发展，对电机的应用范围和功率等性能有更高的要求，随之出现了轴向磁场永磁同步电机。1994年德国学者Banitsch等提出了一种蚀刻绕组的轴向磁场电机，该电机采用四层绕组设计，其较低的转速导致其绕组匝数过多，从而导致其电阻过大，效率较低。意大利Profumo等人结合轴向磁场电机独特的H型磁路结构，设计了一种用塑料和软磁材料制成的轴向磁场电机，从而降低了了加工难度，减轻了电机质量，降低了电机成本。意大利Luca Solero等人研制了一台4.5kW无槽结构的盘式永磁电机作为电动汽车轮边驱动电机使用，该电机采用双转子单定子背靠背绕组结构，可以有效缩短绕组端部。美国通用汽车公司和罗马大学合作研制了一台25kW盘式轴向磁场永磁直驱电机，电机采用水冷的冷却方式，为获得较高的转矩密度和功率密度，在电机设计上选取较多的极数和较大的电机外径，将电机设计成扁平状，配备该直驱电机的S10型电动车已试车1600公里。

国内专家学者对盘式轴向磁场永磁无刷电机也已展开大量研究。由唐任远院士牵头的沈阳工业大学特种电机研究所研制了两台具有高转矩密度和高效率特点的双转子永磁盘式电机，该电机功率为5kW，转矩密度达到了1.18Nm/kg。天津大学王晓远、陈静等人将盘式永磁同步电机运用到电动汽车轮毂中，在对电动汽车特性要求以及电机结构、材料、特点分析的基础上，选用盘式无铁心永磁同步电机作为电动汽车轮毂直驱电机，电机磁钢采用HALBACH阵列结构来使气隙磁密波形得到优化。2015年吴大将、刘志鲲等将盘式电机用于直驱系统。其样机厚度远小于永磁同步曳引机的厚度，且该样机的性能表现理想。同济大学将永磁盘式电机轮边直驱用于城市轨道交通，针对现有的低地板有轨电车轮边电机驱动系统的问题，首次将盘式永磁电机技术引入轨道车辆，提出一种盘式永磁同步电机轮边直驱独立车轮技术方案。

盘式轴向磁场永磁无刷电机根据其基本拓扑结构可以分为单定子单转子、双定子中间转子、双转子中间单定子以及多盘式结构四类。其中，单定转子轴向磁场永磁电机外观简单，容易制造；双定子中间转子轴向磁场永磁电机构造较为复杂，但由于一个转子盘同时被两个定子共用，可以减少永磁体的使用，降低损耗，另外，定子安置在转子盘两边，便于散热；双转子中间定子轴向磁场永磁电机为双边永磁体结构，可以充分利用永磁体材料，相同体积下能够产生更大的转矩，有利于提高电机的性能，多盘式轴向磁场永磁电机在现实生活中并不常见，该结构的电机有利于减小齿槽转矩，但制造困难。

双转子单定子结构，也称为TORUS结构，其结构相对于单定子单转子来说，电机永磁体的利用率提高，电机的有效成本得以降低，气隙均匀性得到较好的改善；由于双转子轴向磁场电机结构上的对称性，铁心定子受到的磁拉力大小相等，方向相反，从而相互抵消，电机稳定性较好。目前双转子单定子轴向磁场电机已经开始应用到电动汽车、混合动力汽车、风力发电等领域。无轭分块电枢(YASA)轴向磁场永磁电机是一种新型的TORUS结构轴向磁场电机，与传统TORUS结构轴向磁场电机不同的是，其定子采用无轭结构，电枢之间相互分离，节省了铁心的用量。2007年，牛津大学的T.J.Woolmer和M.D.McCulloch等人首先提出了YASA电机这一新型轴向磁场电机结构，该电机外形上为中间定子，两边双转子结构，定子由SMC材料制成，彼此之间没有轭部连接，具有高的槽满率和更短的绕组端部，采用该结构的轴向磁场电机铁心损耗大幅削弱，有利于效率的提升。2014年，周涛、黄允凯等人设计了一台1.5kW的YASA电机，对其功率密度、效率和有效成本进行了优化，又通过磁极偏移的方法削弱了电机的齿槽转矩。2015年，SookTengVun和Malcolm D.McCulloch等人设计出了一种针对兆瓦级别的YASA电机，设计过程中充分考虑了电机的电磁设计和机械设计部分。2016年，国内学者张博和德国学者T.Seidler等人对YASA电机的机械结构进行了设计和分析，提出了使用聚醚醚酮作为固定定子SMC的材料(如图1-14所示)，可以经受住高温，在此基础上安装铜管散热，使电机性能达到最佳，此外，还分析了电机的变形力、压力和拉力等。

在下游的生产制造层面，国内外已经相继成立专门研制生产YASA盘式轴向磁场永磁电机的公司企业。德国EMRAX公司目前可以生产各种转矩和转速组合以及不同冷却方式的YASA盘式轴向磁场永磁电机，产品主要面向飞机开发，因此具有高可靠性，同时具有重量小、功率高、效率高的特点，其主流产品的峰值功率密度可以达到8kW/Kg。英国AVID科技公司开发了EVO系列YASA盘式轴向磁场永磁电机，电机具有极低的转动惯量，与传统电机相比，该电机可在瞬态工作周期内提供更高的效率并提高驱动器响应速度，其主流产品AF125的转矩密度最高可以达到10Nm/Kg。英国YASA公司作为该领域内的翘楚，其生产的YASA-750R是一款低速、高转矩电机，具有领先的转矩和功率密度。该系列电机可以提供790Nm的峰值扭矩，200kW的峰值功率，以及0-3250rpm的速度范围。比利时MAGNAX公司生产的高速YASA轴向磁通电机可提供高达15kW/kg的峰值功率密度，该产品搭配专门系统冷却绕组，以实现最低的定子温度。英国Ashwoods设计生产了ELMO系列YASA轴向磁场永磁电机，该系列产品最高可以输出180Nm转矩。国内中豪电动公司和山东精创磁电技术研究院有限公司都已在YASA轴向磁场永磁电机领域深耕多年。中豪电动公司开发的YASA电机产品已经应用到汽车发电机、混合动力汽车驱动电机中，具有结构扁平，轴向尺寸短，重量轻等优势，有效解决了混动系统纵置空间紧凑问题，电机的最高效率可以达到95％以上。山东精创磁电技术研究院有限公司则专注于电动汽车驱动电机的设计制造，其生产的高性能新型轴向磁场永磁无刷电机在软磁复合材料(SMC)铁心模压关键技术、SMC铁心单次成型及制造工艺、永磁无刷电机的装配制造工艺方面均取得了重大突破，电机峰值功率密度达到5.341kW/kg(持续30s)、额定功率密度为1.905kW/kg，具有体积小、重量轻、功率密度高等诸多优点。

目前，国家正处于工业发展的转型期，电机作为工业生产中最基础的设备部件，其改造升级将对所在行业乃至整个国民经济起到巨大的推动作用。盘式轴向磁场永磁无刷电机的高功率密度、高转矩密度、高效以及结构紧凑等优点使其相对于现在普遍使用的径向磁场结构永磁无刷电机具有更大的应用价值和潜力。结合以往的相关研究可以得出，YASA轴向磁场永磁电机在盘式轴向磁场永磁电机中具有更加明显的优势，该类型电机为双转子中间单定子结构，定子采用无轭分块结构，电枢之间相互分离，节省了定子铁心用量，减小了定子铁耗，具有更高的效率。但是，作为一种新型结构永磁电机，盘式轴向磁场永磁电机相比于传统径向磁场永磁电机原理和结构更为复杂特殊，在设计研发和生产使用过程中仍存在较大缺陷限制了该类型电机的普及推广。为进一步提升盘式轴向磁场永磁无刷电机的性能，最终实现盘式轴向磁场永磁无刷电机的产业化、商业化，需重点研究和解决以下方面的问题：

1.电机转子涡流损耗问题。与传统径向磁场永磁电机类似，盘式轴向磁场永磁无刷电机的转子部分一般采用表贴式永磁体和内嵌式永磁体两种结构。一般认为，电机磁场相对转子静止，因此在转子部分不会产生涡流损耗。但是实际上，由于电机定子开槽引起的气隙磁导谐波以及电枢磁场中的谐波会导致在转子永磁体中产生较大的涡流损耗，使永磁体温度快速升高，进而导致永磁体发生不可逆退磁。传统的永磁体分块方法对于永磁体涡流损耗的削弱有一定效果，但是随着分块数量的增加，加工难度增加，机械强度下降，且电机输出转矩性能也会受到影响。特别是对于多极数或者是高速电机，永磁体分块方法无法起到很好的涡流损耗削弱作用。

2.盘式轴向磁场永磁无刷电机的制造和加工工艺问题。由于盘式轴向磁场永磁无刷电机的结构形状与传统径向磁场永磁电机有明显差别，所以许多用于常规电机设计的经验公式和图表曲线均不适用。因此，必须根据盘式轴向磁场永磁无刷电机的具体结构特点，总结出该类电机的设计经验公式。此外，由于盘式轴向磁场永磁无刷电机结构相对常规电机更为特殊复杂，加工制造方法与常规电机相比存在很大不同，所以盘式轴向磁场永磁无刷电机的加工工艺也是该类型电机需要重点研究解决的问题。

3.盘式轴向磁场永磁无刷电机的弱磁扩速问题。对于电动汽车等应用场合，电机一般要求有较宽的恒功率区和调速范围，盘式轴向磁场永磁无刷电机的扁平转子结构空间有限，永磁体的安装一般都为表贴式或内嵌式结构，而这两种转子结构都不易于电机通过调节定子电流来弱磁扩速。对于表贴式永磁体转子来说，因为永磁体的磁导率接近空气磁导率，所以其交直轴电感相等，电机的等效气隙长度等于物理气隙加上永磁体厚度，因此等效气隙大，交直轴电枢反应去磁能力都很有限；内嵌式永磁体转子结构的电机属于凸极电机，交轴电感大于直轴电感，因此可以利用转子磁路结构的不对称性进行弱磁扩速，但由于交直轴电感的差异来自于永磁体的厚度，因此两者差异不大，扩速能力也有限。

发明内容

本发明为了解决上述问题，进一步推动和实现盘式轴向磁场永磁无刷电机在电动汽车以及各类工业领域的推广和应用，提出了一种包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机结构及其方法，本发明相较于现有的盘式轴向磁场永磁无刷电机，本发明提出的新型包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机的转子涡流损耗大幅削弱、效率更高、弱磁调速能力更强，因此具有很好的应用价值。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

第一个方面，本发明提供了一种包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机结构。

包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机结构，包括：转子盘和定子盘；定子盘沿转轴轴向套装，且位于前转子盘固定段和后转子盘固定段之间；前转子盘固定段、后转子盘固定段均套设有转子盘；

转子盘包括转动盘，转动盘的一面加装导磁板，另一面内嵌转子磁极和转子永磁体，转子磁极和转子永磁体沿圆周方向交替排列，相邻两个转子永磁体充磁方向相反；

定子盘包括若干个定子电枢。

进一步的，每个定子电枢包括定子电枢铁心和电枢线圈，电枢线圈均匀缠绕在电枢铁心上。

进一步的，电枢铁心呈梯形柱结构，由一系列宽度规格不等的硅钢片沿电机径向方向叠压制成。

进一步的，转子磁极呈上窄下宽的“凸”型结构，沿圆周方向或径向方向进行分段。

进一步的，转子永磁体为上宽下窄的“T”型长条形结构，沿切向充磁；圆周方向或径向方向进行分段。

第二个方面，本发明提供了一种包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机。

包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机，包括：电磁本体部分和机械部分；电磁本体部分采用第一个方面所述的包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机结构。

进一步的，所述机械部分还包括转轴、轴承、轴承盖、端盖、机壳以及定子套筒；轴承与轴承盖连接，轴承盖与端盖通过螺栓连接，端盖与轴承过盈配合，端盖与机壳通过螺栓连接；定子套筒套设在机壳内，并通过螺栓连接。

进一步的，转轴包括轴伸端、前轴承段、后轴承段和编码器段，所述前轴承段和后轴承段均与轴承过盈配合；轴伸端与负载连接；编码器段与编码器连接。

第三个方面，本发明提供了一种包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机的装配方法。

包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机的装配方法，包括第二个方面所述的包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机，包括：

定子盘和定子套筒装配：首先将定子灌胶工装插入到定子套筒中，在定子套筒内形成一个半封闭的空间；将分块定子电枢按照接线图完成接线，接线完成后将整个定子盘放入定子套筒内，在定子套筒内对定子进行定位和固定，相邻两个定子电枢圆周上相差30度机械角度；将环氧树脂胶或其他类似材料灌入定子套筒中，直到胶面与定子平齐；待环氧树脂固化后，将定子灌胶工装抽出，定子与定子套筒紧密连接在一起；

转子盘装配：将一块转子磁极放入转动盘中，转子磁极窄面贴紧转动盘，转子磁极上的圆形通孔与转动盘的螺纹孔对齐拧入螺栓；将分段的转子永磁体的一侧嵌入到转子磁极与转动盘形成的凹槽中；之后，将另一块转子磁极插入到永磁体的另一侧并与转动盘固定；按照以上顺序依次将其余永磁体和转子磁极安装在转动盘中；将导磁板上的圆形通孔与转动盘背面伸出的螺栓对齐，将导磁板插入并紧贴在转动盘另一面，并拧入螺母固定；

转子盘与转轴前转子盘段装配：转子盘装配好后，将转动盘内周的圆形通孔与转轴前转子段上的螺纹孔对齐，拧入螺栓；

转子盘与转轴后转子盘段装配过程与转子盘与转轴前转子盘段装配的过程相同。

第四个方面，本发明提供了一种包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机的工作方法。

包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机的工作方法，采用第二个方面所述的包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机，包括：

永磁磁通依次经永磁体、转子磁极、气隙、定子电枢、气隙、转子磁极，然后再经过永磁体、转子磁极、气隙、定子电枢、气隙、转子磁极、永磁体形成闭合回路。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1.本发明技术方案中使用的新型包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机，扩展了轴向磁场永磁无刷电机的种类，电机效率得到进一步提升，有助于促进轴向磁场永磁无刷电机整体技术水平的进步。

2.本发明技术方案解决了盘式轴向磁场永磁无刷电机的转子涡流损耗问题。本发明采用了切向磁体结构转子盘，永磁体沿切向方向充磁，相邻永磁体间使用SMC材料模压制作的转子磁极作为转子导磁铁心。通过采用切向磁体结构，永磁体沿着充磁方向的截面积更小，另外，电机电枢磁场会首先进入SMC材料转子磁极，使电枢磁场中的一部分谐波在进入永磁体前得到有效抑制，削弱了永磁体内的涡流损耗，同时，SMC材料的低涡流损耗系数也限制了转子磁极内的涡流损耗。特别地，该转子结构也尤其适合于多极数电机，对于多极数盘式轴向磁场永磁无刷电机转子涡流损耗的削弱可以起到很好的效果。

3.本发明技术方案解决了新型包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机的装配和加工工艺问题。针对新型包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机，现有的传统径向磁场电机和盘式轴向磁场电机的装配制造方法实用性有限。通过对电机定子装配，转子装配以及整体组装方法的研究，本发明技术方案给出了一整套针对该新类型电机的装配制造方案，特别是电机转子的装配制造方法对其他类型的轴向磁场永磁无刷电机具有很好的借鉴意义。

4.本发明技术方案可以有效提升轴向磁场永磁无刷电机的弱磁扩速能力。通过采用切向磁体结构，电机交直轴磁阻差异增大，具有更加显著的凸极效应，电机的弱磁扩速能力可以得到大幅提升。

5.本发明技术方案提出的新型包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机与现有的盘式轴向磁场永磁无刷电机相比具有转子涡流损耗低、效率高、弱磁扩速能力强等优势，将有助于进一步推动轴向磁场永磁无刷电机的产业化。本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明电机整体结构剖视图；

图2为本发明电机转轴结构图；

图3为本发明电机定子盘结构图；

图4为本发明电机单个定子电枢结构图；

图5为本发明定子套筒结构图；

图6为本发明定子灌胶工装结构图；

图7为本发明电机定子盘与定子套筒组合示意图；

图8为本发明转子盘结构图；

图9为本发明转子磁极结构图；

图10为本发明转子磁极分块示意图；

图11为本发明转子永磁体结构图；

图12为本发明转动盘结构图；

图13为本发明导磁板结构图；

图14为本发明机壳结构图；

图15为本发明端盖结构图；

图16为本发明轴承盖结构图；

图17为本发明电机主磁路磁通路径示意图；

图18为本发明定子线圈接线示意图；

图中，1.转轴，2.轴承盖，3.轴承，4.端盖，5.电机转子盘，6.定子套筒，7.电机定子盘，8.机壳；

1-1、轴伸端，1-2、前轴承段，1-3、前转子盘固定段，1-4、后转子盘固定段，1-5、后轴承段，1-6、编码器段；

5-1、SMC材料转子磁极，5-2、永磁体，5-3、转动盘，5-4、导磁板；

7-1、电枢线圈，7-2、电枢铁心。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例提供了一种包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机结构。

包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机结构，包括：转子盘和定子盘；定子盘沿转轴轴向套装，且位于前转子盘固定段和后转子盘固定段之间；前转子盘固定段、后转子盘固定段均套设有转子盘；

转子盘包括转动盘，转动盘的一面加装导磁板，另一面内嵌转子磁极和转子永磁体，转子磁极和转子永磁体沿圆周方向交替排列，相邻两个转子永磁体充磁方向相反；

定子盘包括若干个定子电枢。

具体的，电机转子盘对称分布在定子盘轴向两侧，分别称为前转子盘和后转子盘，两块转子盘结构尺寸完全一致，分别与转轴的前转子盘固定段和后转子盘固定段装配和连接。

电机转子盘包括转子磁极、转子永磁体、转动盘以及导磁板。转子盘采用切向磁体结构永磁体，转子磁极和转子永磁体沿圆周方向交替排列，相邻两个转子永磁体充磁方向相反。仅仅依靠转子磁极和永磁体相互之间的连接是并不牢靠的，因此需要设置不导磁材料制作的转动盘对转子磁极和永磁体进行装配和固定，转子磁极和转子永磁体全部嵌入在转动盘内。由于缺少了转子轭部，切向磁体结构转子盘损失了一定的磁屏蔽能力，因此会存在轴向外侧漏磁问题，通过在转动盘背面加装一层导磁板，可以形成一个磁屏蔽机构，其中铝制转动盘为低导磁率部分，导磁板为高导磁率部分，穿过铝制转动盘的漏磁场会沿着导磁板部分闭合，从而使漏磁场大幅减小。

转子永磁体为上宽下窄的“T”型长条形结构，沿切向充磁；为了削弱转子永磁体的涡流损耗同时降低永磁体的制造成本，永磁体沿径向分段。

转子磁极采用软磁复合(SMC)材料模压制成，转子磁极呈上窄下宽的“凸”型结构，转子磁极中心位置开设通孔用于插入螺栓与转动盘连接、定位和固定。此外，为了削弱转子磁极的涡流损耗，所述转子磁极可以沿圆周方向或径向方向进行分段，采用圆周方向分段的方式，可以有效缩小模压转子磁极所需要的模具，有助于减少成本。

转动盘采用铝合金制作，转动盘内设置了环形凹槽用以放置转子磁极和转子永磁体；转动盘沿径向开设了两组圆形通孔，径向外侧的一组螺纹孔与转子磁极的通孔相配合，径向内侧的一组圆形通孔与转轴的转子盘固定段上的圆形螺纹孔相配合。

导磁板采用无取向硅钢片制作，安装在转动盘背面，转动盘在结构上为环形薄片，厚度一般为1-3mm即可，导磁板上开设圆形通孔，与所述转动盘径向外侧的螺纹孔相配合。

为了在减小电机轴向漏磁的同时维持电机输出转矩能力基本不变，所述转动盘厚度应该明显大于电机的气隙长度。

需要进一步说明的是，所述的切向磁体结构转子盘可以推广应用到其他各种类型的轴向磁场永磁电机中，可以是本发明涉及的双转子盘中间定子盘轴向磁场电机，也可以是其他拓扑类型的轴向磁场电机，其中定子盘可以是分数槽绕组电机，也可以是其他绕组结构型式。

实施例二

本实施例提供了一种包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机。

包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机，包括：电磁本体部分和机械部分；电磁本体部分采用实施例一所述的包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机结构。

具体的，图1所示为本实施例电机的整体结构剖视图。电机包括最主要的用于产生电磁能量交换的电磁本体部分以及用于装配和输出转矩的机械部分。

电磁本体部分采用了双转子盘中间定子盘的拓扑结构，包括两块转子盘5以及一块定子盘7；所述机械部分包括：转轴1、轴承盖2、轴承3、端盖4、机壳8以及定子套筒6。

结合图2对转轴1分段进行讲解，转轴1包括轴伸端1-1、前轴承段1-2、前转子盘固定段1-3、后转子盘固定段1-4、后轴承段1-5、编码器段1-6。

具体的，轴伸端1-1用于输出转矩连接负载；前轴承段1-2和后轴承段1-5分别与前后两个轴承3配合，装配时采用过盈配合；前转子盘固定段1-3和后转子盘固定段1-4分别与前后两块转子盘5配合，实现转矩由电机到转轴的传输；编码器段1-6与编码器相连接，输出电机转速以及转子位置数据。

本实施例电机定子盘如图3所示，采用无轭分块电枢结构，由12块分块定子电枢组成。图4所示为单块定子电枢，包括定子电枢线圈7-1以及电枢铁心7-2，电枢线圈均匀缠绕在电枢铁心上。电枢铁心呈梯形柱结构，由一系列宽度不等的硅钢片沿电机径向方向叠压制成。

本实施例发明电机定子套筒如图5所示，整体上呈筒状结构，在定子套筒6靠近轴伸端1-1一侧设置台阶用于后续装配过程中工装的定位与固定，定子套筒靠近轴伸端1-1一侧外周均匀设置了螺纹孔。

结合图7的组装示意图以及图6给出的定子灌胶工装对电机定子盘7与定子套筒6的装配组合进行说明：首先将图6所示的定子灌胶工装插入到定子套筒中，在定子套筒内形成一个半封闭的空间；将图4所示的完成绕线的定子电枢按照接线图完成接线，接线完成后将整个定子盘放入定子套筒内，在定子套筒内对定子盘进行定位和固定，相邻两个定子电枢圆周上相差30度机械角度；将环氧树脂胶或其他类似材料灌入定子套筒中，直到胶面没过定子盘；待环氧树脂固化后，将定子灌胶工装抽出，定子盘与定子套筒紧密连接在一起。

本实施例电机转子盘如图8所示，包括转子磁极5-1、转子永磁体5-2、转动盘5-3以及导磁板5-4。转子盘采用切向磁体结构，转子磁极和转子永磁体沿圆周方向交替排列，相邻两个转子永磁体充磁方向相反。仅仅依靠转子磁极和永磁体相互之间的连接是并不牢靠的，因此需要设置不导磁材料制作的转动盘对转子磁极和永磁体进行装配和固定，转子磁极和转子永磁体全部嵌入在转动盘内。由于缺少了转子轭部，切向磁体结构转子盘5损失了一定的磁屏蔽能力，因此会存在轴向外侧漏磁问题，通过在转动盘背面加装一层导磁板，可以形成一个基本的磁屏蔽机构，其中铝制转动盘为低导磁率部分，导磁板为高导磁率部分，穿过铝制转动盘的漏磁场会沿着导磁板部分闭合，从而使漏磁场大幅减小。

转子磁极如图9所示，转子磁极采用软磁复合(SMC)材料模压制成，呈上窄下宽的“凸”型结构，转子磁极5-1中心位置开设通孔用于插入螺栓与转动盘5-3连接、定位和固定。此外，为了削弱转子磁极的涡流损耗，转子磁极可以沿圆周方向或径向方向进行分段，如图10所示，通过采用圆周方向分段的方式，还可以有效缩小模压转子磁极所需要的模具，有助于减少成本。

转子永磁体如图11所示，采用切向磁体结构，整体呈上宽下窄的“T”型长条形结构，永磁体沿切向充磁；为了削弱转子永磁体的涡流损耗同时降低永磁体的制造成本，转子永磁体沿径向分段，图11给出了永磁体径向均分3段的实例，实际制造中可根据需要以及技术条件考虑不同的分段数和分段形式。

电机转动盘如图12所示，采用铝合金材料制作，转动盘内设置了环形凹槽用以放置转子磁极5-1和转子永磁体5-2；转动盘径向外侧开设了一组螺纹孔与转子磁极上的通孔相配合，径向内侧的一组圆形通孔与转轴1的前转子盘固定段1-3和后转子盘固定段1-4上的圆形螺纹孔相配合。为了在减小电机轴向漏磁的同时维持电机输出转矩能力基本不变，转动盘厚度应该明显大于电机的气隙长度。

导磁板如图13所示，采用无取向硅钢片制作，安装在转动盘背面，转动盘在结构上为环形薄片，厚度一般为1-3mm即可，导磁板上开设圆形通孔，与转动盘5-3径向外侧的螺纹孔相配合。

结合图8对转子盘的装配过程说明如下：首先将一块转子磁极5-1放入转动盘5-3中，转子磁极的窄面贴紧转动盘，转子磁极上的圆形通孔与转动盘的螺纹孔对齐然后拧入螺栓，螺栓长度应保证可以伸出转动盘以及导磁板5-4；将分段的永磁体5-2的一侧嵌入到转子磁极与转动盘形成的凹槽中；之后，将另一块转子磁极插入到永磁体的另一侧并与转动盘固定；按照以上顺序依次将其余永磁体和转子磁极安装在转动盘中，之后采用胶粘的方式将永磁体牢固粘合在转动盘上。将导磁板上的圆形通孔与转动盘背面伸出的螺栓对齐，将导磁板插入并紧贴在转动盘背面，并拧入螺母固定。

在完成定子盘和定子套筒的装配组合，以及装配完成两个转子盘后，可以进入后续总装配工序。在此之前，首先对除转轴和定子套筒以外的其他机械部件结合附图进行说明。

电机机壳如图14所示，电机机壳一侧内部设有台阶，台阶上均匀开设圆形通孔，机壳外周两侧均匀开设螺纹孔。

电机端盖如图15所示，端盖外周开设圆形通孔，内周开设圆形螺纹孔，端盖外周上的台阶用以与机壳定位，端盖设置了半开放轴承室用于轴承一侧的定位与固定。

电机轴承盖如图16所示，轴承盖外周开设圆形通孔，轴承盖内的凹槽可以对轴承的另一侧进行定位和固定，并与端盖内的半开放轴承室共同构成闭合轴承室。

结合图17说明本实施例电机工作原理：永磁磁通依次经永磁体、转子磁极、气隙、定子电枢铁心、气隙、转子磁极，然后再经过永磁体、转子磁极、气隙、定子电枢铁心、气隙、转子磁极、永磁体形成闭合回路。沿圆周方向相邻两个转子磁极的极性相反。当转子盘5旋转时，定子电枢铁心7-2内磁通交变，缠绕在定子电枢铁心上的电枢线圈7-1内感生出感应电动势。当定子绕组通交流电时，形成电枢磁场，与转子盘产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，进而驱动电机旋转。

根据实际应用需要，所述电机的12个定子电枢线圈可以按图18所示的两种接线方式进行连接，分别为绕组一路串联接线方案和绕组两路并联接线方案。

实施例三

本实施例提供了一种包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机的装配方法。

包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机的装配方法，包括实施例二所述的包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机，包括：

定子盘和定子套筒装配：首先将定子灌胶工装插入到定子套筒中，在定子套筒内形成一个半封闭的空间；将分块定子电枢按照接线图完成接线，接线完成后将整个定子盘放入定子套筒内，在定子套筒内对定子进行定位和固定，相邻两个定子电枢圆周上相差30度机械角度；将环氧树脂胶或其他类似材料灌入定子套筒中，直到胶面与定子平齐；待环氧树脂固化后，将定子灌胶工装抽出，定子与定子套筒紧密连接在一起；

转子盘装配：将一块转子磁极放入转动盘中，转子磁极窄面贴紧转动盘，转子磁极上的圆形通孔与转动盘的螺纹孔对齐拧入螺栓；将分段的转子永磁体的一侧嵌入到转子磁极与转动盘形成的凹槽中；之后，将另一块转子磁极插入到永磁体的另一侧并与转动盘固定；按照以上顺序依次将其余永磁体和转子磁极安装在转动盘中；将导磁板上的圆形通孔与转动盘背面伸出的螺栓对齐，将导磁板插入并紧贴在转动盘另一面，并拧入螺母固定；

转子盘与转轴前转子盘段装配：转子盘装配好后，将转动盘内周的圆形通孔与转轴前转子段上的螺纹孔对齐，拧入螺栓；

转子盘与转轴后转子盘段装配过程与转子盘与转轴前转子盘段装配的过程相同。

定子套筒与机壳装配：将定子套筒插入到机壳中，将定子套筒上的圆形螺纹孔与机壳上的圆形通孔对齐，拧入螺栓。

轴承与前端盖装配：将轴承压入前端盖半开放的轴承室中，轴承与端盖采用过盈配合。

前轴承室封闭：将轴承盖紧扣到轴承上，轴承盖上的圆形通孔与前端盖内周的圆形螺纹孔对齐，拧入螺栓。

轴承与转轴前轴承段装配：将转轴插入前轴承室中，直到转轴不能继续前进，此时轴承内圈靠近前端盖的一侧已经抵在转轴前轴承段的台阶处。

前端盖与机壳装配：将前端盖插入到机壳中，端盖内的台阶起到定位作用，将端盖外周的圆形通孔与机壳外周的螺纹孔对齐，拧入螺栓。

后续装配方法与以上部分所述内容一致，在此仅列出后续的装配步骤：

转子盘与转轴后转子盘段装配；

轴承与后端盖装配；

后轴承室封闭；

轴承与转轴后轴承段装配；

后端盖与机壳装配。

实施例四

本实施例提供了一种包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机的工作方法。

包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机的工作方法，采用实施例二所述的包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机，包括：

永磁磁通依次经永磁体、转子磁极、气隙、定子电枢、气隙、转子磁极，然后再经过永磁体、转子磁极、气隙、定子电枢、气隙、转子磁极、永磁体形成闭合回路。

沿圆周方向相邻两个转子磁极的极性相反。当转子盘5旋转时，定子电枢铁心7-2内磁通交变，缠绕在定子电枢铁心上的电枢线圈7-1内感生出感应电动势。

当定子绕组通交流电时，形成电枢磁场，与转子盘产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，进而驱动电机旋转。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机结构，其特征在于，包括：转子盘和定子盘；定子盘沿转轴轴向套装，且位于前转子盘固定段和后转子盘固定段之间；前转子盘固定段、后转子盘固定段均套设有转子盘；

转子盘包括转动盘、转子磁极、转子永磁体和导磁板，转动盘厚度大于电机的气隙长度，导磁板在结构上为环形薄片，厚度为1-3mm；转动盘的一面加装导磁板，另一面内嵌转子磁极和转子永磁体，转子磁极和转子永磁体沿圆周方向交替排列，相邻两个转子永磁体充磁方向相反；

相邻永磁体间使用SMC材料模压制作的转子磁极作为转子导磁铁心；

转子磁极在轴向上沿定子盘向转子盘方向呈上窄下宽的“凸”型结构，沿圆周方向或径向方向进行分段；

转子永磁体在轴向上沿定子盘向转子盘方向为上宽下窄的“T”型长条形结构，沿切向充磁；圆周方向或径向方向进行分段；

定子盘包括若干个定子电枢。

2.根据权利要求1所述的包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机结构，其特征在于，每个定子电枢包括定子电枢铁心和电枢线圈，电枢线圈均匀缠绕在电枢铁心上。

3.根据权利要求2所述的包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机结构，其特征在于，电枢铁心呈梯形柱结构，由一系列宽度规格不等的硅钢片沿电机径向方向叠压制成。

4.包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机，其特征在于，包括：

电磁本体部分和机械部分；电磁本体部分采用权利要求1-3任一项所述的包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机结构。

5.根据权利要求4所述的包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机，其特征在于，所述机械部分还包括转轴、轴承、轴承盖、端盖、机壳以及定子套筒；轴承与轴承盖连接，轴承盖与端盖通过螺栓连接，端盖与轴承过盈配合，端盖与机壳通过螺栓连接；定子套筒套设在机壳内，并通过螺栓连接。

6.根据权利要求5所述的包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机，其特征在于，转轴包括轴伸端、前轴承段、后轴承段和编码器段，所述前轴承段和后轴承段均与轴承过盈配合；轴伸端与负载连接；编码器段与编码器连接。

7.包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机的装配方法，包括权利要求4-6任一项所述的包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机，其特征在于，包括：

定子盘和定子套筒装配：首先将定子灌胶工装插入到定子套筒中，在定子套筒内形成一个半封闭的空间；将分块定子电枢按照接线图完成接线，接线完成后将整个定子盘放入定子套筒内，在定子套筒内对定子进行定位和固定，相邻两个定子电枢圆周上相差30度机械角度；将环氧树脂胶或其他类似材料灌入定子套筒中，直到胶面与定子平齐；待环氧树脂固化后，将定子灌胶工装抽出，定子与定子套筒紧密连接在一起；

转子盘装配：将一块转子磁极放入转动盘中，转子磁极窄面贴紧转动盘，转子磁极上的圆形通孔与转动盘的螺纹孔对齐拧入螺栓；将分段的转子永磁体的一侧嵌入到转子磁极与转动盘形成的凹槽中；之后，将另一块转子磁极插入到永磁体的另一侧并与转动盘固定；按照以上顺序依次将其余永磁体和转子磁极安装在转动盘中；将导磁板上的圆形通孔与转动盘背面伸出的螺栓对齐，将导磁板插入并紧贴在转动盘另一面，并拧入螺母固定；

转子盘与转轴前转子盘段装配：转子盘装配好后，将转动盘内周的圆形通孔与转轴前转子段上的螺纹孔对齐，拧入螺栓；

转子盘与转轴后转子盘段装配过程与转子盘与转轴前转子盘段装配的过程相同。

8.包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机的工作方法，采用权利要求7所述的包含切向磁体结构的盘式轴向磁场永磁无刷电机，其特征在于，包括：

永磁磁通依次经永磁体、转子磁极、气隙、定子电枢、气隙、转子磁极，然后再经过永磁体、转子磁极、气隙、定子电枢、气隙、转子磁极、永磁体形成闭合回路。

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