专利名称：轴向磁场永磁无刷电机及装配方法
技术领域：
本发明涉及一种电机,尤其是一种电负荷和磁负荷可以独立设置的轴向磁场永磁无刷电机及装配方法。
背景技术：
目前电机是通过电磁感应进行电能和机械能之间能量转换的装置，电机的电负荷和磁负荷是电机中两个最重要的参数之一，其大小不但影响到电机经济性，更影响到其性能。目前通用电机电磁负荷的选取互相制约，这无疑降低了电机电、磁负荷的选择空间，影响到电机经济性和性能的优化。轴向磁场永磁无刷电机兼具轴向磁场电机和永磁电机的综合性能优势，具有高效、高转矩密度、高功率密度、高功率因数及高转矩/转动惯量的性能特点和短形盘式的结构特点。每个齿中套一个线圈的分数槽集中绕组结构在内周绕组空间远小于外周绕组空间的轴向磁场永磁无刷电机中具有巨大优越性，不但降低了绕组端部，降低了电机的电阻及铜耗和用铜量，降低了电机轭部铁心厚度，而且电机的电负荷的选取不受内部空间的限制，对电机的性能优化有利，再者，由于每个齿上只有一个线圈，即当某一线圈出故障后，可以只更换该线圈，但各个线圈的磁路还是相互耦合，因此该种电机只是具有一定的容错能力。单定子盘双转子盘轴向磁场永磁无刷电机(两边转子盘中间定子盘)和双定子盘单转子盘轴向磁场永磁无刷电机(两边定子盘中间转子盘)对降低电机齿槽转矩脉动和消除轴向磁拉力具有重要意义。所有这些方法，提高了轴向磁场永磁无刷电机的性能，扩大了该种电机的应用。但目前通用的轴向磁场永磁无刷电机还具有以下缺陷(I)电机电、磁负荷的选取互相制约，这为电机的设计、经济性和性能的优化带来了难度；(2)叠片铁心制造工艺复杂；(3)各绕组组成线圈磁路并不独立，因此电机的容错能力低。目前，横向磁通永磁电机是目前唯--种可以进行电负荷和磁负荷独立设置的电
机，该种电机即可以是普通径向磁场永磁无刷电机，也可以是轴向磁场永磁无刷电机。当横向磁通型式应用于轴向磁场永磁无刷电机时，便得到了电、磁负荷独立设置的轴向磁场永磁无刷电机。但横向磁通电机很大的漏磁、极为复杂的定子铁心及转子磁体结构，使其很难得到实际应用，特别是横向磁通轴向磁场永磁无刷电机，不但没有得到应用而且很少涉及。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种新型结构和原理的轴向磁场永磁无刷电机及装配方法，其具有电、磁负荷独立设置、定子叠片铁心制作简单及定子绕组各组成线圈磁路互相独立的优点，有利于降低电机的设计难度、降低电机的制造成本、提高电机的性能。 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种轴向磁场永磁无刷电机，包括定子、转子、下端盖和上端盖，转子位于定子中心，定子包括若干个定子C型铁心及设于其上的绕组线圈；转子包括不导磁转子盘、永磁体及转轴，不导磁转子盘中心装有转轴，不导磁转子盘圆周边均匀嵌设有若干块永磁体，若干个定子C型铁心嵌于上、下端盖的槽中；若干定子C型铁心均匀环绕分布在不导磁转子盘圆周，而且定子C型铁心的上、磁极面与不导磁转子盘的永磁体相对应，以保证定子C型铁心上的线圈通电后产生的磁场正好与转子永磁体产生的磁场对正。
所述定子C型铁心采用叠片铁心叠压而成，或者采用整块导磁材料构成；在采用叠片铁心时，定子C型铁心各处截面形状相同都是矩形，且截面积都相同；在采用整块导磁材料时，定子C型铁心各处截面形状及截面积不相同；所述每个定子C型铁心根据作用和部位不同分成5部分，即C型开口的对面为极身、定子C型铁心的上下两部分分别为上极轭和下极轭，C型开口处上下两部分为上磁极和下磁极，下磁极面和上磁极面均与不导磁转子盘相对。所述每个定子C型铁心上均有一个绕组线圈，或者间隔一个定子C型铁心放置一个绕组线圈，绕组线圈放置于定子C型铁心的极身位置，或者将一个定子C型铁心上的一个绕组线圈等分成两部分，分别放置于定子C型铁心的上下磁极上；所有绕组线圈相互串联或并联组成定子的m相对称绕组，m为自然数。所述定子C型铁心上的绕组线圈是成型线圈或非成型线圈；如果每个定子C型铁心上放置一个成型线圈，则在制作定子C型铁心时，将定子C型铁心分成两部分，再将成型线圈套入定子C型铁心的极身后，再将两部分铁心成型为定子C型铁心；在采用非成型线圈时，则直接制作整体定子C型铁心，将非成型线圈嵌绕在定子C型铁心的极身上；如果定子C型铁心的上下磁极上分别放置绕组线圈，则无论采用成型线圈还是非成型线圈，都是制作整体定子C型铁心。所述转子的不导磁转子盘是圆盘形，在其同一个圆周上均匀开若干个槽，所述若干个槽中放置沿轴向充磁、极性交错排列的永磁体，组成电机转子永磁磁极。所述转子永磁体中心线与定子C型铁心上、下磁极中心线位置对齐。所述定子C型铁心块数、定子绕组相数m及转子磁体数满足常规电机定子槽数、绕组相数及极数之间的关系。所述的上端盖和下端盖完全相同，上、下端盖的圆盘部分中心放置与转子轴相接的轴承，上、下端盖的圆筒部分在侧边均匀开出与定子C型铁心上、下极轭相同尺寸的槽，用以将定子C型铁心上、下极轭安装固定于上、下端盖上。一种轴向磁场永磁无刷电机的装配方法，首先将若干绕组线圈分别放置于若干定子C型铁心上，同时将若干块永磁体按照N、S交替排列的方式装到转子不导磁转子盘上，再将电机转轴装到不导磁转子盘上；然后将电机的下端盖安装到电机转轴的一端，这样电机下端盖与电机不导磁转子盘的相对位置固定好；再将所有的定子C型铁心的下极轭安装到下端盖侧面均匀分布的槽中；将上端盖安装到电机转轴的另一端，上端盖侧面均匀分布的槽正好卡在定子C型铁心的上极轭，最后，根据需要放置一个机壳，将上下两个端盖固定在一起。电机转矩脉动的大小与电机的转子极数2p、定子C型铁心块数Ns及相数m有关，2p、Ns、m越大(p、Ns、m均为自然数)，电机的转矩脉动就越小，因此本发明电机可以通过增加电机转子盘的直径，在保持永磁体及定子C型铁心的尺寸不变时，达到增加永磁体极数2p、定子C型铁心块数Ns和相数m的目的，从而降低电机的转矩脉动。
电机的电负荷和磁负荷对电机性能影响很大，在普通电机中，放置线圈的槽面积与电机的电负荷有关，槽面积越大，电负荷也就越大，齿面积与磁负荷有关，齿面积越大磁负荷也就越大，显然槽型面积和齿面积是彼此制约的，因此电、磁负荷互相制约，一个大另一个必须小。本发明电机中，放置线圈的窗口面积可以任意增大或缩小，与C型铁心上下极的截面积无关，因此本发明电机电、磁负荷没有制约关系，可以独立设置，这对电机设计及优化设计带来很大的方便。电机的铁心磁路与普通电机不同，本发明所述的电机磁路只是C型铁心，铁心磁路很短，因此电机的铁心损耗很低。可以看出，各个线圈磁路在磁上没有联系，如果不考虑各线圈每相之间的连接在电上也是彼此独立的，因此电机具有很强的容错能力，电机的其中一相出故障，可以切除该相，其他各相可以正常工作。通过增加电机的相数，从而保证一相切除后电机的性能影响不大，因此本发明电机具有很强的容错能力。如果电机的一个线圈短路或绝缘方面的故障，可以只更换该线圈即可，不影响其他线圈，这对电机的维修有利。通常的盘式电机定子铁心如果采用叠片铁心，必须有特殊的制造工艺，本电机定子铁心制作极为简单，成本低廉。本发明电机线圈都相同，制作简单，可以是成型线圈也可以不是成型线圈。本电机与普通双定子盘单转子盘轴向磁场永磁电机一样，转子盘主要材料为不导磁材料，可以采用铝材，降低了电机质量和转动惯量，而且当转子盘较大时，可以对其均匀开孔的方式进一步降低电机转子盘的质量和转动惯量。本发明的工作原理是本发明电机可以当做正弦波永磁无刷电机用，此时Ns或Ns/2个线圈组成的定子2p极的m相对称绕组通入m相对称交流电流,就会在电机转子盘和定子C型铁心极面间产生2p极旋转磁场，转子2p极的磁体也会产生与该磁场极数相同、转动方向和转动速度都相同的旋转磁场，这两个磁场相互作用就可以进行能量转化，电能变为机械能时，本发明电机当作电动机，机械能变为电能时本发明电机当作发电机。本发明电机也可以当作方波永磁无刷电机,这时相电流是对称的120°方波电流，m相对称绕组在转子永磁磁场的作用下产生平顶宽度120°的梯形波永磁电动势，这一方波电流和梯形波电动势相互作用产生电磁功率，而进行能量转换。本发明的有益效果是(I)电机磁路由定子C型铁心、两气隙和转子盘厚组成，与转子直径无关，因此可以通过增加转子盘外径来增加电机极数、定子C形铁心数或相数，有利于降低电机的齿槽转矩脉动；(2)铁心磁路只包括路径很短的定子C型铁心，具有很低的铁耗；(3)转矩是电磁力和半径的乘积，因此在其他结构尺寸不变的前提下，可以只通过增加转子盘直径就可增加电机的转矩；同时，电负荷的选取与磁负荷无关，可以通过增加导体线规来提高电机转矩、功率及降低铜耗，而对磁路没有影响；(4)所有的定子C型铁心在磁上相互独立，在电上，如果不考虑每相之间的连接也是彼此独立的，因此该电机具有很强的容错能力；
(5)所有定子C型铁心和线圈都相同，制作简单；特别是，作为轴向磁场电机的作用原理，不需要通常盘式电机复杂的叠片铁心制作工艺；(6)转子盘材料为不导磁材料，可以采用铝材，降低了电机的质量和转动惯量，而且可采用对转子盘均匀挖孔的方式进一步降低电机的质量和转动惯量。
图I为3相12定子C型铁心10转子永磁磁极电机示意图；图2为12个定子C型铁心、12个线圈位置结构图；图3为整体转子示意图；图4为定子C型铁心示意图；图5为定子C型铁心组成部分示意图；图6由叠片铁心构成的定子C型铁心示意图；图7为定子C型铁心及其上的一个定子线圈示意图；图8为定子C型铁心和其上的两个线圈示意图；图9为转子不导磁盘及其上的永磁体；图10为端盖结构图；图11为整体转子盘与下端盖的装配图；图中，I为定子C型铁心，2为绕组线圈，3为下端盖，4为上端盖，5为转子不导磁盘，6为转子永磁体，7为转轴，11为极身，12为下极轭，13为上极轭，14为下磁极(下极)，15为上磁极(上极)，21为下线圈，22为上线圈。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。—种新型轴向磁场永磁无刷电机，由定子和转子构成，定子由Ns个定子C型铁心I及其上的绕组线圈2、下端盖3及上端盖4构成；转子由不导磁转子盘5、永磁体6及转轴7构成。图I为3相12定子C型铁心10转子永磁磁极本发明电机结构不意图，为了方便表示，只是将电机的下端盖3与定子C型铁心I扣在一起，电机的上端盖4并没有扣在电机的定子C型铁心上。图2为电机12个定子C型铁心及其上线圈的位置结构示意图，图3为整体转子盘示意图。定子C型铁心I如图4所示，定子C型铁心I根据各组成部分的作用和位置不同分为极身11、下极轭12、上极轭13、下磁极(简称下极)14和上磁极(简称上极)15，如图5所示。定子C型铁心I可以由叠片导磁铁心叠压而成，如图6所示叠片的叠压方向，也可以由整体导磁材料构成。如果采用叠片铁心叠压而成，则定子C型铁心各部分截面形状相同，都是矩形，而且截面积都相同；如果由整体导磁材料构成，则下极轭12和上极轭13截面形状相同且截面积相同，下极14和上极15截面形状相同且截面积相同，但他们都可以与机身11具有不同的截面形状和截面积。绕组线圈2 —般套在定子C型铁心的极身上，如图7所示。图7中的一个绕组线圈2可以等分成两个线圈(即上线圈22和下线圈21)分别放置到定子C型铁心的下极14和上极15上，如图8所示，图7中的一个线圈和图8中的两个线圈具有完全相同的作用。绕组线圈2可以是成型线圈也可以不是成型线圈，如果采用成型线圈，同时一个定子C型铁心上套一个线圈，则在制作定子C型铁心时，将定子C型铁心截成两部分制作，即一个极轭和一个磁极做成一体，定子C型铁心的两外3部分做成一体，这样首先将成型线圈套在极身上，然后将定子C型铁心相连成型；如果采用成型线圈，同时一个定子C型铁心上套两个等分线圈，则直接制作好定子C型铁心和两个等分成型线圈，将两个等分成型线圈套在定子C型铁心的两个极上即可；如果采用非成型线圈，则无论一个定子C型铁心上有一个线圈还是两个等分线圈，都是制作定子C型铁 心，然后将线圈嵌绕在铁心上即可。以下以图7所示的一个线圈说明。由所有Ns个定子C型铁心I与其上的绕组线圈2组成电机定子的主体部分，如图2所示的12个定子C型铁心I及其上的12个绕组线圈2，各个绕组线圈2相互串联或并联组成对应转子永磁磁极数2p的m相对称绕组，定子C型铁心I块数Ns、转子磁极个数2p及定子相数m三者之间满足通常永磁无刷电机中定子槽数、极数及相数之间的关系。由于通常电机定子槽中可以采用双层绕组也可以采用单层绕组，因此在本发明的定子C型铁心中可以间隔放置绕组线圈2，也就是说，Ns个定子C型铁心只有Ns/2绕组线圈2。图2中为12个定子C型铁心，每个定子C型铁心都放置一个绕组线圈2，共12个绕组线圈2，12个绕组线圈2对应10个转子永磁磁极，按照通常电机的绕组排列组成3相对称绕组；图2中可以间隔一个定子C型铁心放置一个绕组线圈2，因此只有6个绕组线圈2，这6个绕组线圈2相互连接组成对应10转子永磁磁极的3相对称绕组。转子由转子不导磁盘5、永磁体6和转轴组成。在不导磁盘5的周边均匀开偶数槽，用以放置永磁体6，当作永磁磁极。永磁体沿轴向充磁，而且磁极极性交错排列，如图9所示的具有10个永磁磁极的转子盘，10个永磁磁极的极性是N、S交错排列的。10个永磁磁极的转子整体盘如图3所示。由于转子整体盘需要放置到所有定子C型铁心I内部，并且永磁体6与定子C型铁心I的下极12和上极13的极面对正，因此在制作转子盘的永磁体槽时，需要保证开槽的位置。图10为端盖的形状，下端盖3和上端盖4完全相同，在其一侧圆盘中心开孔，用于同转轴7相固定，另一侧圆环均匀开槽，用以将定子C型铁心I的极轭插入该槽中定位和固定定子C型铁心I (定子C型铁心的下极轭插入下端盖对应槽中，定子C型铁心的上极轭插入上端盖的对应槽中)。图10中的端盖用于12个定子C型铁心电机中，因此端盖圆环侧均匀开有12个与定子C型铁心极轭相同尺寸的槽。电机在装配时，首先将Ns个绕组线圈2分别放置于Ns个定子C型铁心I上，或将Ns/2个绕组线圈2间隔放置到Ns个定子C型铁心I上，同时将2p块永磁体6按照N、S交替排列的方式装到转子不导磁盘5上，再将电机转轴7装到转子不导磁盘5上。然后将电机的下端盖3安装到电机转轴7的一端,这样电机下端盖3与电机转子不导磁盘5的相对位置固定好。再将所有的定子C型铁心I的下极轭12安装到下端盖3侧面均匀分布的槽中。接着将上端盖4安装到电机转轴7的另一端，上端盖4侧面均匀分布的槽正好卡在定子C型铁心I的上极轭13上，最后，根据需要可以放置一个机壳，将上下两个端盖固定在一起。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。
权利要求
1.一种轴向磁场永磁无刷电机，包括定子、转子、下端盖和上端盖，转子位于定子中心，其特征是，定子包括若干个定子C型铁心及设于其上的绕组线圈；转子包括不导磁转子盘、永磁体及转轴，不导磁转子盘中心装有转轴，不导磁转子盘圆周边均匀嵌设有若干块永磁体，若干个定子C型铁心嵌于上、下端盖的槽中；若干定子C型铁心均匀环绕分布在不导磁转子盘圆周，而且定子C型铁心的上、磁极面与不导磁转子盘的永磁体相对应。
2.如权利要求I所述的轴向磁场永磁无刷电机，其特征是，所述定子C型铁心采用叠片铁心叠压而成，或者采用整块导磁材料构成；采用叠片铁心时，定子C型铁心各处截面形状相同都是矩形，且截面积都相同；采用整块导磁材料时，定子C型铁心各处截面形状及截面积不相同。
3.如权利要求I或2所述的轴向磁场永磁无刷电机，其特征是，所述每个定子C型铁心根据作用和部位不同分成5部分，即C型开口的对面为极身、定子C型铁心的上下两部分分别为下极轭和上极轭，C型开口处上下两部分为下磁极和上磁极，下磁极面和上磁极面均与不导磁转子盘相对。
4.如权利要求3所述的轴向磁场永磁无刷电机，其特征是，所述每个定子C型铁心上均有一个绕组线圈，或者间隔一个定子C型铁心放置一个绕组线圈，绕组线圈放置于定子C型铁心的极身位置，或者将一个定子C型铁心上的一个绕组线圈等分成两部分，分别放置于定子C型铁心的上下磁极上；所有绕组线圈相互串联或并联组成定子的m相对称绕组，m为自然数。
5.如权利要求4所述的轴向磁场永磁无刷电机，其特征是，所述定子C型铁心上的绕组线圈是成型线圈或非成型线圈；如果每个定子C型铁心上放置一个成型线圈，则在制作定子C型铁心时，将定子C型铁心分成两部分，在将成型线圈套入定子C型铁心的极身后，再将两部分铁心成型为定子C型铁心；在采用非成型线圈时，则直接制作整体定子C型铁心，将非成型线圈嵌绕在定子C型铁心的极身上；如果定子C型铁心的上下磁极上分别放置绕组线圈，则无论采用成型线圈还是非成型线圈，都是制作整体定子C型铁心。
6.如权利要求5所述的轴向磁场永磁无刷电机，其特征是，所述转子的不导磁转子盘是圆盘形，在其同一个圆周上均匀开若干个槽，所述若干个槽中放置沿轴向充磁、极性交错排列的永磁体，组成电机转子永磁磁极。
7.如权利要求6所述的轴向磁场永磁无刷电机，其特征是，所述转子永磁体中心线与定子C型铁心上、下磁极中心线位置对齐。
8.如权利要求7所述的轴向磁场永磁无刷电机，其特征是，所述定子C型铁心块数、定子绕组相数m及转子磁体数满足常规电机定子槽数、绕组相数及极数之间的关系。
9.如权利要求I所述的轴向磁场永磁无刷电机，其特征是，所述的上端盖和下端盖完全相同，上、下端盖的圆盘部分中心放置安装与转子轴相接的轴承，上、下端盖的圆筒部分在侧边均匀开出与定子C型铁心上、下极轭相同尺寸的槽，用以将定子C型铁心上、下极轭安装固定于上、下端盖上。
10.一种权利要求1-9任一项所述的轴向磁场永磁无刷电机的装配方法，其特征是，步骤如下 首先将若干绕组线圈分别放置于若干定子C型铁心上，同时将若干块永磁体按照N、S交替排列的方式装到转子不导磁转子盘上，再将电机转轴装到不导磁转子盘上；然后将电机的下端盖安装到电机转轴的一端，这样电机下端盖与电机不导磁转子盘的相对位置固定好； 再将所有的定子C型铁心的下极轭安装到下端盖侧面均匀分布的槽中； 将上端盖安装到电机转轴的另一端，上端盖侧面均匀分布的槽正好卡在定子C型铁心的上极轭，最后，根据需要放置一个机壳，将上下两个端盖固定在一起。
全文摘要
本发明公开了一种轴向磁场永磁无刷电机，包括定子、转子、下端盖和上端盖，转子位于定子中心，其特征是，定子包括若干个定子C型铁心及设于其上的绕组线圈；转子包括不导磁转子盘、永磁体及转轴，不导磁转子盘中心装有转轴，不导磁转子盘圆周边均匀嵌设有若干块永磁体，若干个定子C型铁心嵌于上、下端盖的槽中；若干定子C型铁心均匀环绕分布在不导磁转子盘圆周，而且定子C型铁心的上、磁极面与不导磁转子盘的永磁体相对应。本发明同时还公开了该电机的装配方法。其具有电、磁负荷独立设置、定子叠片铁心制作简单及定子绕组各组成线圈磁路互相独立的优点，有利于降低电机的设计难度、降低电机的制造成本、提高电机的性能。
文档编号H02K1/12GK102624183SQ20121008507
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月27日 优先权日2012年3月27日
发明者徐衍亮 申请人:山东大学