CN202798174U - 分立电磁铁定子结构的新型永磁电机 - Google Patents

Abstract

一种采用分立电磁铁定子结构的永磁电机，电机的定子线圈是由多个独立的电磁铁线圈构成，独立的电磁铁安装在相应的保持架上，电机定子通电后对转子上的永磁体产生磁作用力，磁作用力的一个分力方向沿着电机的轴向方向，为轴向磁场电机。电磁铁铁心的两个端面同时对转子上安装的永磁体产生磁力的作用，功能上相当于两个轴向磁场电机的并联。具有效率高，起动转矩大等优点。

Description

分立电磁铁定子结构的新型永磁电机

技术领域

随着永磁体技术的发展，永磁电机相对于传统的交流异步电机，由于电能转换机械能转换效率高，较低的起动电流和大起动转矩等技术优势，使永磁电机在社会各方面都得到了广泛的应用，尤其在电动汽车，电瓶车和电梯等领域得到广泛应用。

背景技术

永磁电机包括直流无刷电机、交流同步电机、步进电机、伺服电机、……等，市场上的永磁电机是如直流无刷电机或交流同步电机在传统的异步电机的结构基础上发展提高的，这些永磁电机根据转子上永磁体的磁力线的方向可划分为两大类别，即：以径向磁力线方式的传统结构模式电机和轴向磁场方向的碟式结构电机。传统结构的永磁电机的定子铁心利用一定形状的硅钢片冲压后组装一定厚度的圆筒状铁心结构，在硅钢片铁心的外侧或内侧有大小相等的绕组布线槽，布线槽内放置一定匝数的绝缘铜导线，构成电机的定子绕组。

传统的永磁电机，是由转子和定子组成，包括外转子型和内转子型：

对于内转子电机，转子通常包括轴承，转轴，永磁体和磁轭等；定子包括线圈绕组，定子铁心，电机外盖和端盖等；

对于外转子电机：转子通常包括轴承，永磁体和磁轭等；定子包括线圈绕组，定子铁心，转轴，电机外盖和端盖等。

定子铁心软磁材料采用硅钢片等冲压制作而成，根据电机设计，使用场合和电机谐波抑制的需求的不同，传通电机的绕组布置方式有单层绕组，双层绕组和分数槽绕组等，绕组间的连接方式包括链式、交叉式和同心式等，且定子通常固定在机壳内，技术资料如《永磁电机的理论和设计》，《无刷直流电机原理和应用》等技术资料等对传统的永磁电机设计和应用有着详尽的描述和指导。

传统电机的定子硅钢片的截面图如图1所示，图中：101为硅钢片，102为定子线圈固定槽，内部放置一定匝数的绝缘铜线，组成内转子永磁电机的定子，103为定子铁心内圆面，即磁体气隙作用面。 如果线圈固定槽102在圆筒状铁心的外侧，就构成外转子永磁电机的定子。电机定子上的绕组通过电流后，导线中的电流在磁体气隙范围内垂直于磁感应强度方向产生电磁作用力，作用的方向可以用左手定则去判断。由于电机的定子固定不动，所以通电电流导线在磁场中产生的作用力会通过反作用力的方式作用于安装在转子上的永磁体上，永磁体上的电磁反作用对应与转动轴心的距离范围内产生转动力矩－转矩，驱动转子旋转，使电机输出机械能，完成电能和机械能的转换。

发明内容

本发明的电机定子采用的分立的电磁铁结构方式，电磁铁是由一定匝数的螺线管线圈、线圈支座和内部的软磁铁心构成。电机定子所需的分立电磁铁的个数需要根据电机的磁极对数来决定，而且分立的电磁铁的个数采用6n（n=1,2,3……）的方式，即6的自然数（不包括零）倍数关系而确定，分立的电磁铁固定在特定设计的保持架上，安装固定，再配上电机的其他附件组装成定子机构。

分立电磁铁的结构模型如说明书附图2和图3 所示，在图2和图3中：

1与51为螺线管线圈绕组，绕组的匝数和绕组的长度，根据电机设计的直径，电机的功率，电机的额定电压，电机的额定电流等综合确定；

2为软磁铁心上的挡圈装置，用以限位和固定电磁铁，防止软磁铁心在永磁体作用力下从螺线管线圈中固定座3中脱离；

3和201为螺线管线圈的线圈固定座，采用耐高温的绝缘材料制作而成，内部穿过软磁铁心；

4和202为电磁铁铁心气隙处的端面，电磁铁线圈通电时电能转换为磁能，铁心端面处的磁体强度最大，从而对磁气隙处的永磁体产生磁作用力；

5和50为软磁铁心，磁体磁隙的端面形状为梯形形状（未倒角状态时）或扇面形状，软磁铁心为直线型形状或‘C’形结构设计，软磁铁心的加工采用冲片结构叠压制作，防止软磁铁心在频繁变化的磁场作用下产生强涡流而发热，影响电机性能。

在图1和图2的电磁铁中，电磁铁的铁心采用磁导率高的软磁材料制作而成，由于软磁材料的具有优良导磁性能和抗磁饱和性能，电磁铁线圈通电时电能转换为磁能，软磁铁心将线圈内部的磁场有效传递到端面位置，并且端面处的磁体强度最大，对转子上对应位置区域的永磁体产生有效的磁作用力。永磁体产生的作用力的一个分力方向和定子的轴向方向相同，所以又成为轴向磁力电机，但是引起电机转动的是磁作用力的切向分力的合力作用，即电磁铁线圈对永磁体的磁作用力的切向作用力的合力是推动转子转动的有效作用力。

转子上永磁体个数的选择原则是根据电机的定子电磁铁铁心的形状和分立电磁铁的个数，分立电磁铁线圈的连接方式等确定的。根据电机理论，电机定子线圈经过一个通电周期后，定子的磁场旋转的角度等于转子上一对磁极的角度。因此转子的磁极数为2n（n=1,2,3……）的方式，即2的自然数（不包括零）倍数关系而确定。相邻磁体极性在圆周范围内交错排列的方式布置，即N-S-N-S-N……S-或S-N-S-N-S……N-，对于步进电机，分立电磁铁的个数可以和永磁体的个数相同，对于直流无刷电机或三相交流永磁同步电机来说，分立电磁铁的个数要大于转子上永磁体的个数，（可以按照5/6 或2/6 的关系确定永磁体的个数，但是使用2/6确定个数的永磁体的扇形面积约为软磁铁心端面面积的3倍），永磁体采用粘接或采用弱磁性材料制作的压条的方式固定在转子上，转子的材料通常使用铸铁或铝合金材料。

电磁铁线圈在通过直流或交变电流后，电磁铁将电能转换为磁能，并且铁心端面处的磁感应强度最大，并且端面处的磁感应强度大小和方向跟随通电电流大小和方向产生变化。电磁体产生的磁场不仅对转子上的软磁体产生磁力作用，还可能对转子上两永磁体之间的铁磁型材料进行磁化和产生磁吸力，这种吸引力的存在会影响电机的运转性能。为了防止或弱化这种磁吸力作用，在永磁体之间需要采用非（弱）磁性材料（包括顺磁性物质或抗磁性物质），如空气、铝或铜等材料进行隔离或填充，或直接其他固化性质的粘接剂进行填充。

由多个分立电磁铁组成的永磁电机定子，分立电磁铁之间的接线方式可参考成熟的直流无刷电机绕组布线规则和交流永磁同步电机绕组布线规则去进行和完成，定子绕组通过电机上的接线盒连接电机控制器或驱动器输送符合设计要求的直流或三相交流电源，这样电机的定子软磁铁心端面上会产生旋转和变化的磁场，对转子上的永磁体产生磁作用力。永磁体磁作用力的切向方向上的合力是让电机转子围绕定子轴心产生转动力矩的有效作用力，转子在磁作用力转矩的作用下同步跟随磁场而转动，从而让电机完成电能到机械能的转换输出。

电磁铁铁心的两个端面同时对转子上固定的永磁体产生磁力的作用，相当于两个轴向磁场电机（电机的参数相同的情况下）的并联，有着启动转矩上的优势。同时由于采用分立的电磁铁结构方式，相对于现在通用的永磁电机，可以节省定子线圈的端部接线，具有一定的成本优势。同时分立电磁铁定子结构的永磁电机的转速计算和旋转磁场产生机理，旋转方向调整的方式等同于现有的交流永磁同步电机永磁电机或直流无刷电机等。

附图说明

说明书附图说明如下：

图1：传统电机的定子硅钢片的截面图；

图2：直线型铁心分立电磁铁的结构示意图；

图3：‘C’形铁心分立电磁铁的结构示意图；

图4：分立电磁铁外转子永磁电机示意图；

图5：分立电磁铁外转子永磁电机剖视图；

图6：外转子电机定子保持架示意图；

图7：外转子电机分立电磁铁定子示意图；

图8：分立电磁铁定子结构外转子电机的转子视角图（视角1）；

图9：分立电磁铁定子结构外转子电机的转子视角图（视角2）；

图10：分立电磁铁定子结构的内转子永磁电机示意图；

图11：分立电磁铁定子内转子永磁电机剖视图；

图12：分立电磁铁定子内转子永磁电机定子结构示意图；

图13：分立电磁铁定子内转子永磁电机定子结构剖视图；

图14：分立电磁铁定子结构内转子永磁电机的转子示意图。

具体实施方式

分立电磁铁定子结构永磁电机，根据图2和图3所示的软磁铁心的结构和形状，形成两类互补类型的电机结构，即采用图1类型的电磁铁组成的外转子结构的永磁电机：定子被安装在转子的内部，转子在定子的外部。分立电磁铁外转子永磁电机如图4所示，电机剖视图如图5所示，图5中，定子为30，转子为31，其中，定子30设计原则如下：

对于采用图2的分立电磁铁定子结构，分立电磁铁需要在定子保持架上进行安装和固定，电机的定子保持架的形状为图6所示，组装后的定子如图7所示，在图中：

13为两片式定子保持架，上面等距的开有分立电磁铁定位和固定的安装槽12，安装槽的个数和电机设计的分立电磁铁线圈个数相等，两片定子保持架通过穿过螺纹孔9的螺杆进行连接，分立电磁铁安装后电磁铁端面4和定子保持架的外部端面14持平或略高，分立电磁铁安装定位后，分立电磁铁压条11通过螺栓连接到孔10中，防止分立电磁铁脱离保持架。定子保持架上开有平键槽6通过平键如定子轴上的键槽7进行啮合，防止定子轴和定子保持架发生相对移动。定子轴8的一端需要钻中心孔15（或切槽），另一端采用实心设计的方式设计，同时在定子轴的有中心孔的那端钻穿线孔17，是为了让分立电磁线圈绕制连接后的动力线，电机定子上的控制信号线，监控信号线等通过保持架过线槽16经过孔17从轴孔15中引出，连接到电机外部的接线盒中。

分立电磁铁定子结构外转子永磁电机的转子31设计原则如下：

根据分立电磁铁定子上线圈的接线方式，铁心端面的形状，分立电磁铁定子结构外转子电机的转子组成如图8和图9所示，图8和图9为转子的不同视角的视图形状。图中转子的组成包括转子驱动轮24和转子驱动轮25，驱动轮上交错安装或粘接永磁体21和22，永磁体端面形状和电磁铁铁心端面形状相同和相似，永磁体排列原则为极性不同相邻原则，即相对于起点同一旋转方向时磁体按照N-S-N-S-N….S- （S-N-S-N-S……N-）的原则，永磁的个数和定子线圈的级数对应。转子驱动轮24和25上的磁体为镜像对称，且镜像对称位置的永磁体极性相反，这样才能和电磁铁线圈铁心端面的磁性成对应关系，永磁体对定子结构上的电磁铁铁心的轴向方向的磁作用力合力最小或为零。转子机构还包括转轮20，转轮20根据应用场合不同，形状设计可以设计成无绳槽或绳槽23，转轮和转子驱动轮通过连接孔19用螺杆连接。由于定子轴的两端直径的差别，驱动轮上的安装的轴承18会有不同的外径和内径27。

图7的定子和图8（或图9）的转子完成装配，形成图4的电机结构。

图4结构的外转子电机，由于电磁铁线圈的长度、电机的外径、铁心所处的圆周直径、电磁铁线圈上绝缘铜导线绕制层数等因素共同作用下可以将电机设计成细长型结构或扁平式结构，所以实际应用根据灵活型，在一些不需要电机外壳的领域（电动车领域）有着广阔的应用前景。

图4结构的外转子电机，结构简单，但实际应用时需要确保：

驱动轮的永磁体固定端面在驱动轮转动状态时的轴向跳动范围，保证永磁体和电磁铁合理的磁体气隙距离和运转过程中转子上的永磁体不与定子上的电磁铁铁心端面发生摩擦或碰撞，造成永磁体损坏和报废；

同时还需要保证两驱动轮的同行度和径向跳动，确保两驱动轮中间连接的转子轮的运转平稳和径向跳动范围小；

合理的设计尺寸和精度，先进的装配工艺和装配流程是确保两永磁驱动轮气隙距离相似的基础，只有永磁体和定子铁心端面的磁体气隙相等，才可以确保永磁体对定子上电磁铁铁心的径向磁作用力分力最小或等于零。

分立电磁铁定子结构永磁电机，还包括另一类即采用图3的电磁铁组成的内转子结构永磁电机：转子驱动轮被安装在定子的内部，定子和机器外壳相连。分立电磁铁定子结构的内转子永磁电机如图10所示，电机剖视图如图11所示，图11中，电机的定子为40，转子为41，主机外壳为42。

分立电磁铁定子结构内转子电机的定子40的设计原则如下：

对于采用图3的分立电磁铁定子结构，电机的定子结构如图12所示，剖视图如图13所示，图中分立电磁铁用与固定在52的定子保持架上，并将定子保持架通过螺栓孔57将定子保持架和定子机器的外壳53相连接，定子保持架为半圆形设计，是为了转子驱动轮的安装需要。图12和图13中，55为电磁铁铁心的磁体气息，线圈通电后，螺线管内部的磁场通过磁化的铁心传递到铁心气隙位置55，对转子驱动轮的永磁体产生磁力作用，56为轴承安装孔，用以固定转子轴承，54为定子盖板连接孔，通过螺栓固定定子盖板58 ，让分立电磁线圈绕制连接后的动力线外加电机定子上的控制信号线，监控信号线，通过定子外壳53上的过线孔连接到外壳上的接线盒中。

分立电磁铁定子结构内转子永磁电机的转子41设计原则如下：

根据分立电磁铁定子上电磁铁铁心处端面形状，电磁铁线圈的接线方式，分立电磁铁定子电机的转子组成如图14所示。图中：转子的组成包括转子驱动轮59，和驱动轮定位固定装置64，驱动轮圆周面上交错安装或粘接永磁体62和63，为了安装和定位永磁体，驱动轮圆周面永磁体固定位置的地方需要开永磁体定位槽，定位槽的深度略大于永磁体的厚度，便于永磁体的粘接或固定，使固定后永磁体的磁极端面与驱动轮的圆周面相平。永磁体端面形状和电磁铁铁心端面形状相同和相似，驱动轮的永磁体排列原则为极性不同相邻原则，即相对于起点同一旋转方向时磁体按照N-S-N-S-N….S- （S-N-S-N-S……N-）的原则，永磁的个数和定子线圈的级数对应，保证转子驱动轮上的永磁体对电磁铁的铁心端面在一定的磁体气隙距离内产生电磁力的作用。磁作用力的圆周切向分量产生转矩，通过平键将转子驱动轮固定装置64上的平键槽66和主轴60固定为一体，防止转子转动时和主轴产生滑动位移。主轴60可以通过连接曳引轮的65的方式将电机的机械能输出。

图10结构的内转子电机，由于电磁铁线圈的长度、电机的外径、铁心端面下端所处的圆周直径、电磁铁线圈上绝缘铜导线绕制层数等因素共同作用下可以将电机设计成扁平式结构，永磁体双面磁场产生电磁力的作用，永磁体的成本降低。

图12的定子和图14的转子装配完成后形成图10的内转子电机，结构相对复杂，特别是电磁铁铁心的设计加工方面，所以在装配过程中或设计中需要注意以下方面：

确保转子驱动轮转动状态下两个端面的轴向跳动范围小于永磁体对电磁铁的软磁铁心端面磁作用力的磁体气隙，并防止转子驱动轮运转是和电磁铁铁心端面摩擦，造成永磁体损坏和报废；

确保组装后定子铁心端面的平面度，并为了安装转子驱动轮，定子线圈支架采用两个半圆设计，等机器外壳和转子相对位置定位完成后插入机器外壳中，并用螺栓固定定子保持架；

合理的设计尺寸和精度，先进的装配工艺和装配流程是确保两永磁驱动轮气隙距离相似的基础，只有永磁体和定子铁心端面的磁体气隙相等，才可以确保永磁体对定子上电磁铁铁心的径向磁作用力分力最小或等于零。

由图4和图10的电机结构上看，电磁铁铁心的两个端面同时对转子上固定的永磁体产生磁力的作用，功能上相当于两个轴向磁场电机的并联，同时由于电磁铁线圈绕制的方便性，可以节省软磁铁心和铜线，因此由分立电磁铁定子组成的永磁电机是一种原理简单，结构新颖，成本低廉的一种进步的电机。

Claims (5)

1.一种分立电磁铁定子结构的新型永磁电机，其特征是：

新型永磁电机的定子使用单个的分立电磁铁，即使用绕制好的一定匝数的单个螺线管线圈，内部穿过软磁材料加工制作的导磁铁心，组装成单个的分立电磁铁，将多个相同型号的分立电磁铁在空间圆周上等距分布并固定在特有的保持架上，组装成新型内、外转子永磁电机的定子；

分立电磁铁定子结构的新型永磁电机的定子电磁铁铁心气隙位置的两个端面同时对转子上固定的永磁体产生磁力的作用，功能上相当于两个轴向磁场电机的并联。

2.根据权利要求1所述的新型永磁电机，其特征是还包括定子，定子上分立电磁铁软磁铁芯：

分立电磁铁的软磁铁芯为直线型形状结构，磁体气隙处的端面形状为梯形形状或扇面形状，将多个相同的分立电磁铁在空间圆周上等距分布并固定在保持架上，组装成外转子永磁电机的定子；

新型外转子永磁电机定子所需的分立电磁铁的个数根据设计电机的磁极对数和绕组接线方式确定，及分立电磁铁的个数采用6n，n=1,2,3……，即6的正整数倍的原则确定。

3.根据权利要求1或2所述的新型永磁电机，其特征是还包括转子：

转子为双驱动轮转子结构，两个驱动轮上均交错安装或粘接面极性相异的永磁体，永磁体端面形状和电磁铁铁芯端面形状相同或相似，永磁体个数由定子的极数决定，两个转子驱动轮镜像对称位置上的永磁体极性相异。

4.根据权利要求1所述的新型永磁电机，其特征是还包括定子，定子上分立电磁铁软磁铁芯：

分立电磁铁的软磁铁芯，在磁体磁隙的端面形状为梯形形状或扇面形状，软磁铁芯为的形状设计为“C”形结构，将多个相同的单个电磁铁空间圆周上等距分布并固定在保持架上后和电机外壳固定，组装成内转子永磁电机的定子。

新型外转子永磁电机定子所需的分立电磁铁的个数根据设计电机的磁极对数和绕组接线方式确定，及分立电磁铁的个数采用6n，n=1,2,3……，即6的正整数倍的原则确定。

5.根据权利要求1或4所述的新型永磁电机，其特征是还包括转子：

转子的结构包括转子驱动轮和驱动轮固定装置，转子驱动轮交错安装或粘接面极性相异的永磁体，永磁体端面形状和电磁铁铁芯端面形状相同或相似，永磁体个数由定子的极数决定，转子驱动轮固定装置定位和固定转子驱动轮。

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