[发明专利]径向-轴向气隙式多相横向磁通永磁电机

说明书

本发明公开了径向‑轴向气隙式多相横向磁通永磁电机，多相电机单元错开360/m电角度后轴向排列，每相电机单元包括极靴状定子铁心和极靴状永磁体组成的定子、径向‑轴向式转子和电枢绕组，永磁体沿周向磁化且相邻两个永磁体的磁化方向相反，电枢绕组绕制在定子的凹槽内，径向‑轴向式转子包含径向齿、轴向齿和直角轭，径向齿与定子径向外侧铁心相对，轴向齿与定子铁心靴状齿部相对，径向齿和轴向齿通过直角轭连接，相邻径向齿相隔360/n度机械角度，相邻轴向齿相隔360/n度机械角度，同一对极下的径向齿与轴向齿相隔180/n度机械角度。本发明采用极靴状定子铁心使得轴向定转子齿相对面积增大，并且槽截面增大，绕组匝数增多，从而磁链增大。

技术领域

本发明属于横向磁通电机技术领域。

背景技术

横向磁通电机结构由德国教授Herbert Weh在20世纪80年代初提出，此结构定子齿和电枢绕组在空间上互相垂直，齿宽和线圈横截面尺寸可独立设计，能够从根本上获得更大的转矩密度。横向磁通永磁电机具有低速大转矩特性，相间耦合小，容错能力强等优势，特别适用于风力发电、电动汽车、直升机、舰船驱动等电力直驱领域。

横向磁通永磁电机发展至今，在原型机基础上已提出多种拓扑结构，按照转子永磁体放置方式不同，可将其分为表贴式、聚磁式、无源转子式三种结构。表贴式结构较为简单，但永磁体利用率低；无源转子式结构可靠性高，但永磁体用量增加；聚磁式结构气隙磁密大，同时结构复杂。

较早期，英国皇家海军与英国Rolls.Royce公司合作开发了3兆瓦横向磁通永磁电机用于护卫舰推进，双边结构使得电机体积增加较小时获得双倍扭矩，但不会增加单位有效材料电机产生的扭矩。Peradeniya,Sri Lanka大学和瑞典斯德哥尔摩皇家工学院合作开发了一台三相周向排列的横向磁通永磁电机，C型定子铁心内嵌入转子，盘式转子上的永磁体轴向磁化，该电机可实现较高的转矩密度，但功率因数低。澳大利亚维也纳科技大学提出一种聚磁式双边定子结构，永磁体嵌在转子铁心内，沿周向磁化，定子轭部采用SMC材料压制。

国内对横向磁通永磁电机的研究起步较晚，我国将横向磁通永磁电机的研究纳入了国家高技术研究发展计划(863计划)。近些年，许多高校对横向磁通永磁电机展开研究，现已取得一些成果。

沈阳工业大学提出的一种横向磁通永磁电机中，定子铁心由硅钢片卷绕而成，内置式聚磁转子，定子结构能有效减少电机涡流损耗，提高电机效率和材料利用率；设计并制造了一台3相5kW的样机，此台样机转矩密度和功率因数都较高，但没有采用双边结构，永磁体利用率较低。清华大学邱阿瑞教授课题组提出一种新型聚磁式横向磁通永磁电机结构，转子磁极采用三面墙聚磁式结构，U型定子铁心。该结构较好地发挥了永磁体的聚磁作用，提高气隙磁密的同时简化了定子铁心结构，但永磁体用量较多，转子结构较复杂。浙江大学基于横向磁通永磁电机的三维磁场特性，提出了一种混合铁心结构，定子齿用硅钢，定子轭用SMC，永磁体安放在转子铁心上，此样机可以获得较高的转矩密度，但没有采用聚磁式结构。湘潭大学提出一种径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机，此电机采用单转子双定子结构，使其具有双绕组；转子放在两个定子之间，每个转子铁心内嵌入一对永磁体，充分利用空间结构，提高永磁体的利用率。

以上几种横向磁通永磁电机的永磁体均放置在转子上，考虑到一些应用场合中永磁体的振动与散热问题比较严重，无源转子横向磁通永磁电机结构被提出，但无源转子式的相关文献较少。

加拿大Alberta大学的B.E.Hasubek教授等人提出的一种无源转子横向磁通永磁电机中，永磁体和绕组均放在在定子上，转子倾斜一个极距，该结构冷却方便，机械冲击敏感度降低，获得了和有源转子结构相同的转矩密度，但是该结构转子铁心之间没有导磁材料连接，导致漏磁通较大，永磁体利用率不高等问题。哈尔滨工业大学的寇宝泉教授等人提出一种新型无源转子横向磁通永磁电机结构，电枢绕组和永磁体均放在定子上，定子由径向定子环和轴向定子桥组成，永磁体贴在定子表面。该电机冷却方便，转子结构简单可靠，在永磁体用量较小的情况下提供了较高的转矩密度，但定子结构较复杂，而且没有用聚磁式结构，气隙磁密较低。