一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机，转子同轴位于定子内部，定子沿轴向上设有三排齿，转子沿轴向上也设有三排齿，定子的每排齿沿电机旋转的圆周方向上均匀分布有8个定子齿，转子的每排齿沿电机旋转的圆周方向上均匀分布有6个转子齿；转子的三排齿与定子的三排齿在轴向上一一对应，转子齿的齿宽和定子齿的极靴宽度相等；定子的第一排齿和第三排齿的定子齿上均绕有调节绕组，在靠近定子的第二排齿的齿根位置嵌有径向充磁的永磁体，在第二排齿的定子齿上绕有转矩绕组；调节绕组产生的磁场和永磁体与转矩绕组产生的磁场相叠加产生不对称的气息磁场，从而产生沿径向和轴向的悬浮力，能够同时产生可调的径向力和轴向力。
【专利说明】
-种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机
技术领域
[0001] 本发明设及到飞轮电池、电机、磁悬浮技术、薄片电机等领域，具体是一种无轴承 电机，主要适用于高速、空间紧凑的智能电动车飞轮电池。
【背景技术】
[0002] 智能电动汽车与传统汽车相比，智能化程度高、清洁且使用的能源为可再生的电 能，电动汽车采用飞轮电池能够有效克服使用化学电池寿命短、对环境有污染等缺点，飞轮 电池在工作过程中转速可W达到数万甚至数十万转。
[0003] 无轴承电机是一种结合磁轴承与电机功能于一体的一种新型电机，在结构上与传 统电机相比内部除了有一套用来产生转矩的绕组外，还有一套用来产生悬浮力的绕组，通 过调节两套绕组的电流大小W及相位可W实现电机转子旋转的同时能够产生悬浮力，它在 正常工作时不需要径向轴承支撑，也就无机械磨损W及由此引起的发热等问题。因此，无轴 承电机非常适合飞轮电池、航空航天等需要高速甚至超高速运行的领域。
[0004] 目前用在电动车飞轮电池上的无轴承电机，主要由定子、转子W及极对数相差一 的转矩绕组与悬浮力绕组构成，通过控制两套绕组内的电流产生两组不同的磁场，从而同 时实现转子的自悬浮与旋转。但是运种无轴承电机存在几点不足之处:雷一般无轴承电机 只能产生径向力，只能限制水平与垂直方向上的两个自由度，因此必须在飞轮电池内增加 一套轴向支撑系统，运势必会增加飞轮电池的轴向长度且降低整个系统的效率。護运种无 轴承电机中的两套绕组必须满足极对数相差一的要求，运给无轴承电机设计带来了很大的 约束。瀑运种无轴承电机中的两套绕组的电流相位之间的关系对悬浮力有很大的影响，因 此导致电机的控制系统较为复杂。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了克服现有电动车飞轮电池用无轴承电机的不足，提出了一种 能够同时产生可调径向力和轴向力、设计灵活、控制简单的五自由度轴向磁通无轴承电机。
[0006] 本发明一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机采用的技术方案是： 包括定子和转子，转子同轴位于定子内部，定子沿轴向上设有=排齿，转子沿轴向上也设有 =排齿，定子的每排齿沿电机旋转的圆周方向上均匀分布有8个定子齿，转子的每排齿沿电 机旋转的圆周方向上均匀分布有6个转子齿;转子的=排齿与定子的=排齿在轴向上一一 对应，转子的=排齿轴向厚度与定子的=排齿轴向厚度分别对应地相等，转子齿的齿宽和 定子齿的极靴宽度相等;定子的第一排齿和第=排齿的定子齿上均绕有调节绕组，在靠近 定子的第二排齿的齿根位置嵌有径向充磁的永磁体，永磁体的N极靠近转子，在第二排齿的 定子齿上绕有转矩绕组。
[0007] 进一步地，定子的第一排齿和第=排齿上的调节绕组分别由4组线圈组成，4组线 圈两两对称布置，每两组线圈之间间隔一个定子齿;转矩绕组为四相两极绕组。
[000引本发明的有益效果是： 1、本发明电机两端的调节绕组内的电流可W单独调节，调节绕组产生的磁场和永磁体 与转矩绕组产生的磁场相叠加产生不对称的气息磁场，从而产生沿径向和轴向的悬浮力， 能够同时产生可调的径向力和轴向力，调节两端调节绕组内的电流可W控制电机转轴的摆 动与轴向移动，可W限制除电机沿轴线旋转W外的其他五个自由度，不需要额外的轴向支 撑系统，因此结构简单紧凑、轴向长度小、体积小，效率高，大大简化了飞轮电池的内部结 构。
[0009] 2、调节绕组线圈内的电流可W独立控制，因此调节绕组与转矩绕组之间不必受限 于传统无轴承电机两套绕组极对数相差一条件，也无需满足两套绕组内电流相位角的关 系，因此具有控制简单、调节响应速度高，响应迅速的优点。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机的主视图。
[0011] 图2是本发明一种智能电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机的左视 图。
[0012] 图3是图1中定子的左端第一排齿上的调节绕组分布图； 图4是图1中定子的右端第=排齿上的调节绕组分布图； 图5是图1中定子的中间第=排齿上的转矩绕组分布图； 图6是本发明工作原理示意图； 图中标号及名称为：1、定子;2、调节绕组;3、转子;4、永磁体;5、转矩绕组;6、转矩绕组 与永磁体产生的磁场;7、调节绕组产生的磁场。
【具体实施方式】
[0013] 参见图1和图2,本发明电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机由定子1、 调节绕组2、转子3、永磁体4、转矩绕组5构成。定子1的材料为导磁的娃钢片材料。定子1沿电 机的轴向方向上设有=排齿，分别是左端的第一排齿1-1，中间的第二排齿1-2W及右端的 第=排齿1-3。第一排齿1-1在定子1的最左端，第一排齿1-1的左端面是定子1的左端面;第 =排齿1-3在定子1的最右端，第=排齿1-3的右端面是定子1的右端面，第二排齿1-2位于第 一排齿1-1和第二排齿1-2的正中间。第一排齿1-1和第=排齿1-3在轴向的厚度尺寸相同， 并且小于中间第二排齿1-2在轴向的厚度尺寸，比较薄。每一排齿沿电机旋转的圆周方向上 均匀分布有8个尺寸相同的定子齿。每排齿中的8个定子齿在径向截面上的投影重合，位置 相同。
[0014] 第一排齿1-1和第=排齿1-3的定子齿上均绕有调节绕组2,第一排齿1-1和第=排 齿1-3上的调节绕组2分别由4组线圈组成，运4组线圈两两对称布置，由于定子齿数为8,所 W每两组线圈之间间隔了一个定子齿。调节绕组2的作用是产生悬浮力与轴向力。
[0015] 在靠近第二排齿1 -2的齿根位置嵌有径向充磁的永磁体4，永磁体4的N极向内靠近 转子3,永磁体4的S极向外靠近定子齿根。永磁体4的轴向厚度等于第二排齿1-2的轴向厚 度，永磁体4的宽度等于第二排齿1-2的齿宽，使永磁体4与第二排齿1-2成为一个整体。在第 二排齿1-2的8个定子齿上绕有转矩绕组5,用来产生转矩。
[0016] 转子3与定子1同轴布置，位于定子1内部，转子对才料为导磁的娃钢片。转子3沿电 机的轴向方向上也设有=排齿，转子3的每排齿沿电机旋转的圆周方向上均匀分布有6个转 子齿，转子3上的=排齿与定子1上的=排齿的位置在轴向上一一对应，转子齿的齿宽和定 子齿的极靴宽度相等，转子3的=排齿沿轴向上的厚度与定子1上的=排齿沿轴向上的厚度 分别对应地相等，即:转子3的左端第一排齿3-1与定子1的第一排齿1-1的轴向厚度相同，位 置对应;转子3的中间第二排齿3-2与定子1的第一排齿1-2的轴向厚度相同，位置对应;转子 3的右端第S排齿3-3与定子1的第S排齿1-3的轴向厚度相同，位置对应。转子齿和定子齿 之间留有径向气隙，定子1的第一排齿1-1和转子3的第一排齿3-1之间是左端气隙，定子1的 第二排齿1-2和转子3的第二排齿3-2之间是中间气隙，定子1的第=排齿1-3和转子3的第= 排齿3-3之间是右端气隙。
[0017] 参见图1和图3,定子1的第一排齿1-1上的调节绕组2由4组线圈曰1、(：1、曰2、〇2组成， 每两个线圈之间间隔一个定子齿，线圈al、cl、a2、c2沿圆周方向依序布置，线圈al、a2绕在 第一排齿1-1的对称的两个定子齿上，cl、c2绕在第一排齿1-1对称的两个定子齿上。
[001引参见图1和图4,定子1的第S排齿1-3上的调节绕组2也由4个线圈61、(11、62、(12组 成，每两个线圈之间间隔一个定子齿，线圈31、(：1、32、02沿圆周方向依序布置，线圈131、62绕 在第=排齿1-3的对称的两个定子齿上，线圈dl、d2绕在第=排齿1-3的对称的两个定子齿 上。
[0019] 通过调节线圈31、32、61、62内的电流可^调节沿垂直方向上的悬浮力；通过调节 线圈(：1、〇2、(11、(12内的电流可调节沿水平方向上的悬浮力。
[0020] 参见图1和图5,转矩绕组5为四相两极绕组，由线圈41、81、(：1、01、42、82、〔2、02组 成，通电顺序为A^B^C^D。永磁体4位于转矩绕组5所在齿的内部。
[0021] 如图6所示，本发明电机运行过程中，永磁体4与转矩绕组5产生磁场6,磁场6的路 径依次是:永磁体4^定子1的第二排齿1-2^中间气隙^转子3的第二排齿3-2^转子3的第 一排齿3-1或第S排齿3-3^左端气隙或者右端气隙^永磁体4。调节绕组2的四组线圈al、 a2、bl、b2产生调节磁场7,调节磁场7的路径依次是:定子1的第一排齿1-1或者第=排齿1-3 ^左端气隙或者右端气隙^转子3的第一排齿3-1或者第=排齿3-3^转子3的中间第二排 齿^中间气隙^定子1的中间第二排齿1-2^定子1的第一排齿1-1或者第=排齿1-3。如此， 线圈al、bl产生的调节磁场7与永磁体4和转矩绕组5产生的磁场6方向相同，因此两者叠加 后气隙磁场增强。线圈a2、b2产生的调节磁场7与永磁体4和转矩绕组5产生的磁场6方向相 反，两组磁场叠加后气隙磁场减弱。当同时增大线圈al、bl内的电流时，电机上方的气隙磁 场增强，可W增大悬浮力；当增大线圈a2、b2内的电流时，电机下方气隙磁场会减弱，也会起 到增大悬浮力的作用。当增大线圈al内的电流与减小线圈b2中的电流时，可W使转子3沿顺 时针方向的转动；当减小线圈b 1中的电流，增大线圈a2中的电流，也可W使转子3沿顺时针 方向的转动。同理，当减小线圈al内的电流与增大调节线圈b2中的电流时，可W使转子沿逆 时针方向的转动；当增大线圈bl中的电流，减小线圈a2中的电流也可W使转子3沿逆时针方 向的转动。增大线圈al中的电流，减小a2中的电流时，悬浮力大小不变，但此时会使得电机 左端齿的气隙磁场得到增强，可W产生更大的磁拉力，因此当转子3产生沿轴向方向的位移 时，磁拉力会使得转子3回到原来的位置。
【主权项】
1. 一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机，包括定子（1)和转子(3)，转 子(3)同轴位于定子（1)内部，其特征是:定子（1)沿轴向上设有三排齿，转子(3)沿轴向上也 设有三排齿，定子(1)的每排齿沿电机旋转的圆周方向上均匀分布有8个定子齿，转子(3 )的 每排齿沿电机旋转的圆周方向上均匀分布有6个转子齿;转子(3)的三排齿与定子（1)的三 排齿在轴向上一一对应，转子(3)的三排齿轴向厚度与定子（1)的三排齿轴向厚度分别对应 地相等，转子齿的齿宽和定子齿的极靴宽度相等;定子(1)的第一排齿和第三排齿的定子齿 上均绕有调节绕组(2)，在靠近定子(1)的第二排齿的齿根位置嵌有径向充磁的永磁体(4)， 永磁体(4)的N极靠近转子(3)，在第二排齿的定子齿上绕有转矩绕组(5)。2. 根据权利要求1所述一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机，其特征 是：定子（1)的第一排齿和第三排齿上的调节绕组(2)分别由4组线圈组成，4组线圈两两对 称布置，每两组线圈之间间隔一个定子齿;转矩绕组(5)为四相两极绕组。3. 根据权利要求1所述一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机，其特征 是:定子（1)的第一排齿和第三排齿的轴向厚度相同，小于定子（1)的中间第二排齿轴向厚 度，定子(1)的三排齿中的8个定子齿在径向截面上的投影重合。4. 根据权利要求1所述一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机，其特征 是:定子（1)的第一排齿在定子（1)的最左端，第一排齿的左端面是定子（1)的左端面，定子 (1)的第三排齿在定子（1)的最右端，第三排齿的右端面是定子（1)的右端面，第二排齿位于 第一排齿和第二排齿的正中间。5. 根据权利要求1所述一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机，其特征 是:永磁体(4)的轴向厚度等于定子(1)的第二排齿的轴向厚度，永磁体(4)的宽度等于定子 (1)的第二排齿的齿宽。
【文档编号】H02K7/09GK105827028SQ201610292874
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】孙晓东, 罗帅, 陈龙, 江浩斌, 杨泽斌, 陈建锋, 徐兴
【申请人】江苏大学