CN104682641A - 双定子轴向磁场电机 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电机领域，公开了双定子轴向磁场电机，其包括转子、设于转子之轴向一侧的电枢定子和设于转子之轴向另一侧的励磁定子，电枢定子包括电枢铁芯和设于电枢铁芯上的电枢绕组，励磁定子包括励磁铁芯和若干个凸设于励磁铁芯上的磁极。本发明，通过将转子两侧的两个定子分别设为电枢定子和励磁定子，从而使得转子两侧的两个定子的控制电流并不相同，进而有效降低了双定子轴向磁场电机的电流控制难度；且由于在双定子轴向磁场电机的运行中，励磁定子会产生励磁磁场，故，在转子旋转时，会在电枢绕组中产生反电动势，且该反电动势会与电枢定子上交变的电枢电流作用产生功率和转矩，进而增大了双定子轴向磁场电机的转矩密度。

Description

双定子轴向磁场电机

技术领域

本发明属于电机领域，尤其涉及一种双定子轴向磁场电机。

背景技术

传统的双定子电机大多为双定子径向磁场电机，当双定子电机的极数比较多、双定子电机的轴向长度与外径比率比较小时，双定子径向磁场电机就会存在效率低、单位输出转矩小的问题。

为了克服上述传统双定子径向磁场电机的不足之处，现有技术提出了双定子轴向磁场电机的设计方案。与双定子径向磁场电机相比，当双定子电机的极数足够多，轴向长度与外径的比率足够小时，双定子轴向磁场电机在效率和单位输出转矩方面都具有明显的优势，且双定子轴向磁场电机相对于双定子径向磁场电机而言还具有结构紧凑、转动惯量小、定子绕组散热条件良好等优点。然而，现有双定子轴向磁场电机在具体应用中仍存在诸多不足之处，具体体现在：

1)现有的双定子轴向磁场电机都采用对称结构，即转子两侧的两定子的结构是对称的，且转子两侧的两个定子的功能是一致的(转子两侧的两个定子都是电枢定子)，这样，在应用中其须保证两定子控制电流的一致性，从而使得现有的双定子轴向磁场电机在电流控制上存在较大的难度；

2)现有的双定子轴向磁场电机的转矩密度受电机空间限制，很难再进一步增大，故而，使得现有双定子轴向磁场电机的转矩密度受到限制，严重限制了双定子轴向磁场电机性能的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了双定子轴向磁场电机，其解决了双定子轴向磁场电机电流控制难度大的问题，并进一步提升了双定子轴向磁场电机的转矩密度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：双定子轴向磁场电机，包括转子、设于所述转子之轴向一侧的电枢定子和设于所述转子之轴向另一侧的励磁定子，所述电枢定子包括电枢铁芯和设于所述电枢铁芯上的电枢绕组，所述励磁定子包括励磁铁芯和若干个凸设于所述励磁铁芯上的磁极。

优选地，所述磁极为设于所述励磁铁芯上的永磁体；或者，所述磁极包括凸设于所述励磁铁芯上的励磁齿和设于所述励磁齿上的励磁绕组。

优选地，所述励磁绕组沿所述励磁铁芯轴向延伸的轴向长度小于或等于所述励磁齿沿所述励磁铁芯轴向延伸的轴向长度。

优选地，所述励磁铁芯呈板状，其具有朝向所述转子的第一轴侧面和背对所述转子的第二轴侧面，所述磁极凸设于所述的第一轴侧面上。

具体地，所述转子包括若干个沿周向分离设置的转子齿。

具体地，所述电枢铁芯包括电枢轭和若干个凸设于所述电枢轭上的电枢齿，所述电枢绕组设于所述电枢齿上。

优选地，所述电枢绕组沿所述电枢轭轴向延伸的轴向长度小于或等于所述电枢齿沿所述电枢轭轴向延伸的轴向长度。

优选地，所述电枢轭呈板状，其具有朝向所述转子的第三轴侧面和背对所述转子的第四轴侧面，所述电枢齿凸设于所述的第三轴侧面上。

优选地，所述电枢齿的数量为三的整数倍，且该整数倍大于或等于一倍。

优选地，各所述电枢齿上都设有所述电枢绕组；或者，只有部分所述电枢齿上设有所述电枢绕组。

本发明提供的双定子轴向磁场电机，通过将转子两侧的两定子设为非对称定子，并具体将转子两侧的两个定子分别设为电枢定子和励磁定子，从而使得转子两侧的两个定子的功能并不相同，这样，一方面使得电枢定子和励磁定子在设计中不需严格要求结构对称，从而使得电枢定子和励磁定子的结构设计比较灵活；另一方面使得电枢定子与励磁定子的控制电流并不相同(电枢定子的控制电流为交变电流，励磁定子可采用永磁励磁或者励磁定子的控制电流为直流电流)，有效降低了双定子轴向磁场电机的电流控制难度；再一方面由于在双定子轴向磁场电机的运行中，励磁定子会产生励磁磁场，故，在转子旋转时，会在电枢绕组中产生反电动势，且该反电动势会与电枢定子上交变的电枢电流作用产生功率和转矩，进而增大了双定子轴向磁场电机的转矩密度，为双定子轴向磁场电机的性能提高提供了新的解决方案。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的转子、电枢定子和励磁定子的分解示意图；

图2是本发明实施例一提供的电枢铁芯的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的励磁定子的结构示意图；

图4是本发明实施例二提供的转子、电枢定子和励磁定子的分解示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

实施例一：

如图1～3所示，本发明实施例一提供的双定子轴向磁场电机，包括转子1a、设于转子1a之轴向一侧的电枢定子2a和设于转子1a之轴向另一侧的励磁定子3a，电枢定子2a包括电枢铁芯21a和设于电枢铁芯21a上的电枢绕组22a，励磁定子3a包括励磁铁芯31a和若干个凸设于励磁铁芯31a上的磁极32a。电枢定子2a的控制电流为交变电流，励磁定子3a上不设置控制电流(励磁定子3a采用永磁励磁)，即电枢绕组22a的输入电流为交变电流、磁极32a上不设输入电流，这样，由于电枢定子2a与励磁定子3a的控制电流并不相同，故，其有效降低了双定子轴向磁场电机的电流控制难度。本实施例中，通过将转子1a两侧的两定子设为非对称定子，并具体将转子1a两侧的两个定子分别设为电枢定子2a和励磁定子3a，从而使得转子1a两侧的两个定子的功能并不相同，这样，使得电枢定子2a和励磁定子3a在设计中不需要求结构对称，从而使得电枢定子2a和励磁定子3a的结构设计比较灵活。同时，由于在双定子轴向磁场电机的运行中，励磁定子3a会产生励磁磁场，故，在转子1a旋转时，会在电枢绕组22a中产生反电动势，且该反电动势会与电枢定子2a上交变的电枢电流作用产生功率和转矩，进而增大了双定子轴向磁场电机的转矩密度，为双定子轴向磁场电机的性能提高提供了新的解决方案。

具体地，励磁铁芯31a呈圆形平板状，其具有朝向转子1a的第一轴侧面311a和背对转子1a的第二轴侧面312a，磁极32a凸设于的第一轴侧面311a上，且任意两个周向相邻的磁极32a的极性都相反。磁极32a只位于励磁铁芯31a的轴向一侧，其利于减小励磁定子3a的轴向长度，从而利于减小双定子轴向磁场电机的体积和提高双定子轴向磁场电机的效率。

优选地，磁极32a为设于励磁铁芯31a上的永磁体，具体生产中，励磁铁芯31a与磁极32a分别单独生产制造后，再将磁极32a固定于励磁铁芯31a上；其中，励磁铁芯31a具体可由软磁复合材料(SMC)压制而或者由硅钢片叠压而成，永磁体具体可由烧结钕铁硼材料制成。本实施例中，励磁定子3a的磁极32a直接采用永磁体，这样，使得励磁定子3a和电枢定子2a在结构和功能上都不相同，并使得励磁定子3a在工作过程中不需要输入控制电流，从而极大程度地减小了双定子轴向磁场电机的电流控制难度；同时，其将磁极32a与励磁铁芯31a分体设置，并使励磁铁芯31a采用磁性略差的材料制成，在保证励磁铁芯31a磁性的前提下，可进一步减小励磁定子3a的材料成本。

具体地，转子1a包括若干个沿周向分离设置的转子齿11a和用于连接各转子齿11a的转子支架(图未示)，转子齿11a采用导磁材料制成，转子支架采用非导磁材料制成。本实施例提供的双定子轴向磁场电机，还包括转轴(图未示)和机壳(图未示)等，各转子齿11a通过转子支架紧固安装于转轴上，电枢定子2a的中心位置轴向贯穿设有供转轴穿设的第一贯孔201a，励磁定子3a的中心位置轴向贯穿设有供转轴穿设的第二贯孔301a。

具体地，转子齿11a优选由软磁复合材料(SMC)通过模具一体压制而成，这样，在充分保证转子齿11a性能的前提下，可极大程度地减小转子齿11a的材料成本，从而利于双定子轴向磁场电机向低成本方向发展。当然了，具体应用中，转子齿11a也可由硅钢片叠压而成。

优选地，电枢铁芯21a包括电枢轭211a和若干个凸设于电枢轭211a上的电枢齿212a，各电枢齿212a沿圆周方向均匀等间隔分布，电枢绕组22a套设或绕设于电枢齿212a上。具体应用中，电枢轭211a与电枢齿212a可分体生产制造，其中，电枢轭211a具体可由硅钢片沿轴向叠压而成，电枢齿212a具体可由软磁复合材料(SMC)制成，然后再将电枢齿212a固定电枢轭211a上；或者，电枢轭211a与电枢齿212a也可一体生产制造，且电枢轭211a与电枢齿212a具体可由软磁复合材料通过模具一体压制而成。在双定子轴向磁场电机中，采用软磁复合材料代替硅钢片，在有效保证电枢铁芯21a性能的前提下，可进一步减小电枢铁芯21a的材料成本，从而利于双定子轴向磁场电机向低成本方向发展。

具体地，电枢绕组22a具体包括若干个电枢线圈221a，电枢线圈221a可由漆包线单独绕制形成后再套装于电枢齿212a上，电枢线圈221a的内侧具有中空内孔2211a，电枢线圈221a通过中空内孔2211a与电枢齿212a的卡插配合实现电枢线圈221a在电枢齿212a上的套入安装；或者，电枢线圈221a也可由漆包线直接绕制形成于电枢齿212a上。电枢绕组22a与电枢铁芯21a之间还可采用绝缘框架或绝缘膜(图未示)进行绝缘。

优选地，电枢齿212a具有远离电枢轭211a之中心的电枢齿外端和靠近电枢轭211a之中心的电枢齿内端，电枢齿外端到电枢轭211a中心之间的径向距离小于电枢轭211a的外径，即：电枢齿外端位于电枢轭211a的中心与电枢轭211a的外边缘之间，这样，一方面利于电枢绕组22a在电枢齿21a上的套装或绕制，另一方面利于减小电枢定子2a的径向尺寸，从而利于减小双定子轴向磁场电机的体积和提高双定子轴向磁场电机的效率。

优选地，电枢绕组22a沿电枢轭211a轴向延伸的轴向长度小于或等于电枢齿212a沿电枢轭211a轴向延伸的轴向长度，即：电枢绕组22a之靠近转子1a的轴向端面与电枢齿212a之靠近转子1a的轴向端面平齐；或者，电枢绕组22a之靠近转子1a的轴向端面沿电枢定子2a的轴向位于电枢齿212a之靠近转子1a的轴向端面与电枢轭211a之间，这样，由于电枢绕组22a不会增加电枢定子2a的轴向尺寸，故，其利于减小双定子轴向磁场电机的体积和提高双定子轴向磁场电机的效率。

优选地，电枢轭211a呈圆形平板状，其具有朝向转子1a的第三轴侧面2111a和背对转子1a的第四轴侧面2112a，电枢齿212a凸设于的第三轴侧面2111a上，电枢齿212a和电枢绕组22a都只位于电枢轭211a的轴向一侧，电枢绕组22a沿轴向并没有交叠部分，故而利于减小电枢绕组22a的轴向长度。电枢绕组22a的轴向长度具体指电枢绕组22a之靠近转子1a的轴向端面到第三轴侧面2111a之间的距离，电枢齿212a的轴向长度具体指电枢齿212a之靠近转子1a的轴向端面到第三轴侧面2111a之间的距离。

优选地，本实施例提供的双定子轴向磁场电机为三相电机，电枢齿212a的数量为三的整数倍，且该整数倍大于或等于一倍，即电枢齿212a的数量可为三、六、九、十二、十五等三的整数倍；转子齿12a的数量可为任意值；励磁定子3a的极数(即磁极32a的数量)也可以为任意值。具体应用中，电枢齿212a的数量、转子齿12a的数量和励磁定子3a的极数可根据双定子轴向磁场电机的性能需求进行优化设计。

优选地，各电枢齿212a上都设有电枢绕组22a；或者，只有部分电枢齿212a上设有电枢绕组22a。具体应用中，电枢绕组22a的数量和分布方式可根据双定子轴向磁场电机的性能需求进行优化设计。

具体地，电枢齿212a之远离电枢轭211a的轴侧部还可凸设有电枢齿靴(图未示)，电枢齿212a沿电枢铁芯21a的轴向位于电枢轭211a与电枢齿靴之间，此时，受电枢齿靴的干涉，电枢绕组22a只能直接绕制形成于电枢齿212a上，而不能采用套装方式安装于电枢齿212a上；当然了，电枢齿212a之远离电枢轭211a的轴侧部也可不设有电枢齿靴，此时，电枢绕组22a既可采用绕制方式形成于电枢齿212a上也可采用套装方式安装于电枢齿212a上。转子齿12a之远离转子1a中心的端部可设有转子齿靴(图未示)，当然了，转子齿12a之远离转子1a中心的端部也可不设有转子齿靴。

本实施例提供的双定子轴向磁场电机，通过将转子1a两侧的两个定子分别设为电枢定子2a和励磁定子3a，增大了双定子轴向磁场电机的转矩密度，减小了双定子轴向磁场电机的体积，降低了双定子轴向磁场电机的成本，并有效降低了双定子轴向磁场电机的电流控制难度和提高了双定子轴向磁场电机的效率。

实施例二：

如图4所示，与实施例一相同的是，本实施例提供的双定子轴向磁场电机，也包括转子1b、设于转子1b之轴向一侧的电枢定子2b和设于转子1b之轴向另一侧的励磁定子3b，电枢定子2b包括电枢铁芯21b和设于电枢铁芯21b上的电枢绕组22b，励磁定子3b包括励磁铁芯31b和若干个凸设于励磁铁芯31b上的磁极32b；而本实施例与实施例一的主要不同之处在于励磁定子3b的设计，具体体现在：实施例一中的磁极32a为设于励磁铁芯31a上的永磁体，励磁定子3a在工作过程中不需要输入控制电流；而本实施例中，磁极32b包括凸设于励磁铁芯31b上的励磁齿321b和套设或者绕设于励磁齿321b上的励磁绕组322b，励磁定子3b在工作过程中需要输入直流的控制电流。本实施例中，由于电枢定子2b输入的控制电流为交变电流，励磁定子3b输入的控制电流为直流电流，故，电枢定子2b与励磁定子3b的控制电流也并不相同，从而其也可有效降低双定子轴向磁场电机的电流控制难度。同时，由于在双定子轴向磁场电机的运行中，当励磁绕组322b中输入直流电流时，励磁定子3b会产生励磁磁场，故，在转子1b旋转时，其也会在电枢绕组22b中产生反电动势，且该反电动势会与电枢定子2b上交变的电枢电流作用产生功率和转矩，进而也达到了增大双定子轴向磁场电机转矩密度的目的。

优选地，励磁齿321b具有远离励磁铁芯31b之中心的励磁齿外端和靠近励磁铁芯31b之中心的励磁齿内端，励磁齿外端到励磁铁芯31b中心之间的径向距离小于励磁铁芯31b的外径，即：励磁齿外端沿励磁铁芯31b的径向位于励磁铁芯31b的中心与励磁铁芯31b的外边缘之间，这样，一方面利于励磁绕组322b在励磁齿321b上的套装或者绕制，另一方面利于减小励磁定子3b的径向尺寸，从而利于减小双定子轴向磁场电机的体积和提高双定子轴向磁场电机的效率。

优选地，励磁绕组322b沿励磁铁芯31b轴向延伸的轴向长度小于或等于励磁齿321b沿励磁铁芯31b轴向延伸的轴向长度，这样，励磁绕组322b不会增加励磁定子3b的轴向尺寸，从而利于减小双定子轴向磁场电机的体积和提高双定子轴向磁场电机的效率。

更为优选地，为了降低双定子轴向磁场电机的生产成本、提高部件的互换性和便于部件的大批量生产制造，本实施例中，可将电枢定子2b和励磁定子3b设计为相同的结构，这样，在生产中，电枢定子2b和励磁定子3b可作为同一个部件进行生产制造，而在控制时只需将电枢定子2b的控制电流和励磁定子3b的控制电流设为不同即可。

除了上述励磁定子3b的设计不同之外，本实施例提供的双定子轴向磁场电机的其他结构的设计原理都与实施例一相同，在此不再详述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.双定子轴向磁场电机，其特征在于：包括转子、设于所述转子之轴向一侧的电枢定子和设于所述转子之轴向另一侧的励磁定子，所述电枢定子包括电枢铁芯和设于所述电枢铁芯上的电枢绕组，所述励磁定子包括励磁铁芯和若干个凸设于所述励磁铁芯上的磁极。

2.如权利要求1所述的双定子轴向磁场电机，其特征在于：所述磁极为设于所述励磁铁芯上的永磁体；或者，所述磁极包括凸设于所述励磁铁芯上的励磁齿和设于所述励磁齿上的励磁绕组。

3.如权利要求2所述的双定子轴向磁场电机，其特征在于：所述励磁绕组沿所述励磁铁芯轴向延伸的轴向长度小于或等于所述励磁齿沿所述励磁铁芯轴向延伸的轴向长度。

4.如权利要求1至3任一项所述的双定子轴向磁场电机，其特征在于：所述励磁铁芯呈板状，其具有朝向所述转子的第一轴侧面和背对所述转子的第二轴侧面，所述磁极凸设于所述的第一轴侧面上。

5.如权利要求1至3任一项所述的双定子轴向磁场电机，其特征在于：所述转子包括若干个沿周向分离设置的转子齿。

6.如权利要求1至3任一项所述的双定子轴向磁场电机，其特征在于：所述电枢铁芯包括电枢轭和若干个凸设于所述电枢轭上的电枢齿，所述电枢绕组设于所述电枢齿上。

7.如权利要求6所述的双定子轴向磁场电机，其特征在于：所述电枢绕组沿所述电枢轭轴向延伸的轴向长度小于或等于所述电枢齿沿所述电枢轭轴向延伸的轴向长度。

8.如权利要求6所述的双定子轴向磁场电机，其特征在于：所述电枢轭呈板状，其具有朝向所述转子的第三轴侧面和背对所述转子的第四轴侧面，所述电枢齿凸设于所述的第三轴侧面上。

9.如权利要求6所述的双定子轴向磁场电机，其特征在于：所述电枢齿的数量为三的整数倍，且该整数倍大于或等于一倍。

10.如权利要求6所述的双定子轴向磁场电机，其特征在于：各所述电枢齿上都设有所述电枢绕组；或者，只有部分所述电枢齿上设有所述电枢绕组。