定子無鐵心Halbach永磁陣列軸向磁通電機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明定子無鐵心Halbach永磁陣列軸向磁通電機涉及永磁電機領(lǐng)域，特別涉及一種定子無鐵心永磁電機。
【背景技術(shù)】
[0002]軸向磁通電機是一種氣隙為平面、磁場方向為軸向的電機，因為其外形類似于日常使用的盤子，因而一般也稱為盤式電機。由于軸向磁通電機扁平的形狀、緊湊的結(jié)構(gòu)和高的轉(zhuǎn)矩密度，其在電動汽車、高速離心機、閥門控制、機器人等場合具有廣闊的應(yīng)用前景。特別需要指出的是，軸向磁通電機轉(zhuǎn)子外徑較大導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動慣量也很大，因此在飛輪儲能系統(tǒng)中作為電動/發(fā)電機具有明顯的優(yōu)勢。需要注意的是，軸向磁通電機易于由單級軸向級聯(lián)組合成多級級聯(lián)式軸向磁通電機，使得這類電機朝向系列化、組合化方向發(fā)展。
[0003]傳統(tǒng)電機由于有定子鐵心的存在，運行時會產(chǎn)生較大的定子鐵心損耗；另外，定子鐵心上有齒槽，運行時會產(chǎn)生齒槽脈動，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動。采用定子無鐵心技術(shù)構(gòu)成的永磁電機具有效率高、轉(zhuǎn)矩脈動低、過載能力強等優(yōu)點，是一種具有較好前景的新型電機。軸向磁通電機的主磁場為軸向，其轉(zhuǎn)子和定子一般都為盤狀，沿軸向排列，其電樞由繞組在圓盤上疊放而成，易于制作成定子無鐵心結(jié)構(gòu)。
[0004]然而，對于定子無鐵心軸向磁通永磁電機的兩個關(guān)鍵技術(shù)是定子繞組成型和產(chǎn)生高正弦度氣隙磁場的永磁轉(zhuǎn)子設(shè)計。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中的無鐵心軸向磁通永磁電機的無鐵心定子繞組一般是將多相繞組線圈繞制成型后，按圓周方向?qū)⒚肯嗬@組線圈按照疊繞組或波繞組連接方式呈輻射狀分布。為了加強定子繞組結(jié)構(gòu)強度，將采用環(huán)氧樹脂封裝整個線圈，固化后形成一個整體的定子繞組盤。然而，這種定子無鐵心繞組設(shè)計制造的工藝性差，加工成型后維護(hù)困難。此外，繞組完全封裝在導(dǎo)熱系數(shù)低的環(huán)氧樹脂里面，散熱性差，在大功率場合散熱效果差的缺點表現(xiàn)的更為明顯。另外，無鐵心軸向磁通永磁電機的定子也可以做成印制電路板，但目前也只限于小功率場合。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中的無鐵心軸向磁通永磁電機的永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣隙磁場通常分為方波和正弦波兩類。一般的，為了減小定子繞組上的渦流損耗，采用產(chǎn)生正弦波氣隙磁場的永磁轉(zhuǎn)子可以顯著提高電機運行效率。通過合理設(shè)計永磁體的形狀或采用Halbach永磁體陣列可以產(chǎn)生正弦波氣隙磁場。針對軸向磁通永磁電機采用的Halbach永磁體陣列，通常有:一個極下兩塊充磁方向相差90度的永磁體構(gòu)成Halbach陣列、一個極下三塊充磁方向相差60度的永磁體構(gòu)成Halbach陣列和一個極下四塊充磁方向相差90度的永磁體構(gòu)成的Halbach陣列。然而，這些Halbach陣列產(chǎn)生的氣隙磁密仍然具有較大的諧波含量；而且，對于極數(shù)較少，外形尺寸較大的電機，每極下永磁體分塊數(shù)較少，每塊永磁體極弧寬度大，不利于永磁體的加工充磁。
[0007]綜上，盡管定子無鐵心軸向磁通永磁電機具有高效、高轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)點，但是仍然有定子加工制作工藝性差、氣隙磁場諧波含量大導(dǎo)致繞組渦流損耗大、定子繞組散熱性差等缺點需要克服。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有定子無鐵心軸向磁通永磁電機的不足，提供一種定子無鐵心轉(zhuǎn)子Halbach永磁陣列軸向磁通電機。
[0009]本發(fā)明的定子無鐵心Halbach永磁陣列軸向磁通電機主要包括:定子盤、轉(zhuǎn)子盤、空心軸以及機殼，轉(zhuǎn)子盤分為上、下轉(zhuǎn)子盤，在所述上、下轉(zhuǎn)子盤之間為定子盤，外側(cè)設(shè)有端蓋，所述端蓋、機殼封閉為一腔體，將定子盤、轉(zhuǎn)子盤安裝在腔體內(nèi)，整體套裝在空心軸的軸壁上，其特征在于:所述定子盤為無鐵芯定子盤，其包括高分子材料合成的圓環(huán)支架、電樞繞組、定子內(nèi)環(huán)固定套以及高分子材料薄板，所述高分子材料合成的圓環(huán)支架的兩側(cè)安裝有電樞繞組，電樞繞組的外側(cè)為高分子材料薄板；所述定子盤呈環(huán)形，內(nèi)圓周處設(shè)有定子內(nèi)環(huán)固定套，外圓周與電機的機殼固定連接；所述定子內(nèi)環(huán)固定套對高分子材料合成的圓環(huán)支架、高分子材料薄板壓緊固定。
[0010]所述高分子材料合成的圓環(huán)支架的兩個側(cè)面上均開有徑向?qū)Р?，用于安裝電樞繞組的線圈，高分子材料合成的圓環(huán)支架靠近外圓周處均勻開有一圈孔，用于通過線圈；稱高分子材料合成的圓環(huán)支架支架的兩個側(cè)面為上、下兩面，所述電樞繞組包括三相，則每相包含若干對上、下繞組，每相電樞繞組線圈的繞法為:
以一個下繞組作為起始繞組，從其靠近外圓周處一點開始沿逆時針方向向內(nèi)或沿順時針方向向外旋轉(zhuǎn)，若干圈后從高分子材料合成的圓環(huán)支架上的孔延伸至高分子材料合成的圓環(huán)支架的上面，繼續(xù)沿相同方向?qū)?yīng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與下繞組相同，則第一對繞組繞制完成；以第一對繞組的結(jié)束點作為第二對繞組的起始點，往第一對繞組的相鄰位置或者第一對繞組的一側(cè)間隔若干個他相繞組的位置以相反方向旋，轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與第一對繞組相同，直至從高分子材料合成的圓環(huán)支架上的孔延伸至高分子材料合成的圓環(huán)支架的下面，繼續(xù)沿相同方向?qū)?yīng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與上繞組相同，則第二對繞組繞制完成；依次類推，完成一相繞組的繞制；
各相繞組依次等距離均勻繞制在高分子材料合成的圓環(huán)支架上，定子盤還設(shè)有出線端口，每相繞組的起始端和截止端抽頭從出線端口引出。
[0011 ] 作為一種優(yōu)選，每相包含三對上、下繞組，且每個繞組纏繞五圈。
[0012]進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)子盤包括永磁體、轉(zhuǎn)子背軛和保護(hù)套，所述上、下轉(zhuǎn)子盤上均設(shè)有永磁體，兩個永磁體夾著定子盤，永磁體固定在轉(zhuǎn)子背軛上，轉(zhuǎn)子背軛的內(nèi)圓周處固定在空心軸的軸壁上；所述保護(hù)套固定在轉(zhuǎn)子背軛上，用于保護(hù)永磁體不被離心力甩出，其分為內(nèi)保護(hù)套和外保護(hù)套，分別安裝在永磁體的內(nèi)圓周和外圓周上。
[0013]更進(jìn)一步的，所述永磁體包括若干塊，形成若干對極的Halbach陣列固定在轉(zhuǎn)子背軛上，各永磁體在圓周方向上平均分布。
[0014]作為一種優(yōu)選，該電機的轉(zhuǎn)子為四對極，即所述永磁體在轉(zhuǎn)子背軛上形成四對極，每對極包括十二塊永磁體，各永磁體占相同極弧寬度安裝轉(zhuǎn)子背軛上。
[0015]對每對極中的十二塊永磁體充磁，以第一塊永磁體軸向充磁為0度，相鄰永磁體的充磁方向依次改變30度。
[0016]在所述高分子材料合成的圓環(huán)支架上設(shè)置有水槽，與兩片高分子材料薄片形成一個封閉的水道實現(xiàn)電機定子盤電樞繞組的水冷散熱。
[0017]所述水槽沿圓周徑向方向設(shè)置。
[0018]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
1、定子繞組采用集中繞組，每組集中繞組線包多匝線圈嵌繞在高強度的高分子材料合成的圓環(huán)支架導(dǎo)槽內(nèi)，使定子繞組線圈有效部分的受力全部作用到高分子材料合成的圓環(huán)支架高分子材料合成的圓環(huán)支架上，提高定子繞組的結(jié)構(gòu)強度，易于實現(xiàn)電機的大扭矩高速可靠運行；而且繞組端部每相每匝線圈沒有軸向重疊，整個定子繞組盤完全扁平，方便安裝在一個密封腔體內(nèi)實現(xiàn)整個繞組的液體冷卻。
[0019]2、轉(zhuǎn)子采用Halbach永磁體陣列，每對極下由12段等分的永磁體拼裝而成，不僅可以有效提高氣隙磁場的正弦度，減小定子繞組由高次諧波磁場引起的渦流損耗，提高電機運行效率；而且，考慮到不同永磁體加工充磁的工藝性，每極下永磁體分段數(shù)增多，有利于每段永磁體的加工，同時也有利于電機轉(zhuǎn)子少極的設(shè)計。
[0020]3、定子繞組沿用常規(guī)的繞組下線工藝，定子盤上所有定子線圈采用絕緣材料封裝固化成一個整體，從而有利于繞組的拆卸和維修。
【附圖說明】
[0021]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
圖1是本發(fā)明的定子無鐵心Halbach永磁陣列的軸向磁通電機整體結(jié)構(gòu)的剖視圖；
圖2是本發(fā)明的實施例定子盤兩面A相繞組連接示意圖；
圖3是本發(fā)明的實施例高分子材料合成的圓環(huán)支架安裝三相繞組后形成的定子繞組盤結(jié)構(gòu)不意圖；
圖4是本發(fā)明實施例定子盤上為12組線圈的定子盤的正反兩面三相繞組連接示意圖；
圖5是本發(fā)明的實施例的Halbach永磁陣列轉(zhuǎn)子盤結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明的實施例的兩個轉(zhuǎn)子盤一對極下的Halbach永磁陣列的充磁方向示意圖；
圖7是本發(fā)明的實施例的機殼結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8是本發(fā)明的實施例的前后端蓋結(jié)構(gòu)示意圖；
圖9是本發(fā)明的實施例的空心軸結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中元件符號說明:
1一一定子繞組、2—一嵌繞定子繞組的高分子材料合成的圓環(huán)支架、3—一環(huán)氧樹脂薄板、4一一永磁體、5—一轉(zhuǎn)子背軛、6—一轉(zhuǎn)子永磁體外環(huán)保護(hù)不銹鋼套、7—一轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)環(huán)保護(hù)不銹鋼套、8--定子固定內(nèi)環(huán)不銹鋼套、9--軸承、10--空心軸、11--后端蓋、12 iu端蓋、13 外殼。
【具體實施方式】
[0022]本發(fā)明提供一種定子無鐵心Halbach永磁陣列軸向磁通電機，為使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0023]如圖1所示為本發(fā)明的定子無鐵Halbach永磁陣列的軸向磁通永磁電機整體結(jié)構(gòu)的剖視圖，包括由定子繞組1、嵌繞定子繞組的高分子材料合成的圓環(huán)支架2、定子內(nèi)環(huán)固定套即定子固定內(nèi)環(huán)不銹鋼套8和環(huán)氧樹脂薄板3組成的內(nèi)定子盤，2個由Halbach陣列的永磁體4、轉(zhuǎn)子背軛5、轉(zhuǎn)子永磁體外環(huán)保護(hù)不銹鋼套6、轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)環(huán)保護(hù)不銹鋼套7組成的外轉(zhuǎn)子盤，軸承9，空心軸10，前端蓋12，后端蓋11以及外殼13。
[0024]圖1實施例的定子無鐵心轉(zhuǎn)子磁極采用Halbach永磁陣列的軸向磁通永磁電機為90槽8極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，90槽分為9組，每組共有10槽。定子盤主要由嵌繞定子繞組的高分子材料合成的圓環(huán)支架2，環(huán)氧樹脂薄板3、定子固定內(nèi)環(huán)不銹鋼套8和定子繞組1組成。在嵌繞定子繞組的高分子材料合成的圓環(huán)支架的正反兩面開有導(dǎo)槽，用于安裝定子繞組線圈的高分子材料合成的圓環(huán)支架正反兩面分別有90個繞組導(dǎo)槽、90個水槽、和9個繞組軸向穿孔。90個繞組導(dǎo)槽分成9組，每組10個導(dǎo)槽可以安裝5匝繞組線圈。如圖2所示，為定子