專利名稱：一種雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于永磁電機(jī)，特別是涉及鐵氧體永磁電機(jī)技術(shù)。
背景技術(shù)：
高運(yùn)行效率和高轉(zhuǎn)矩密度是電機(jī)的基本性能要求，稀土永磁電機(jī)由于采用高性能的稀土磁體而很容易滿足這一要求，但價格昂貴的稀土磁體的采用大大提高了電機(jī)的制造成本；鐵氧體永磁電機(jī)因所用磁體材料廉價而具有很低的制造成本，但磁體磁性能低，而使電機(jī)具有較低的運(yùn)行效率和很低的轉(zhuǎn)矩密度。因此永磁電機(jī)由于價格和性能的矛盾難以廣泛普及應(yīng)用。
國外已公發(fā)的雙轉(zhuǎn)子徑向磁場永磁電機(jī)是由一臺外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)和一臺內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)套在一起并共用一個定子的新型電機(jī)，它可以以價格低廉的鐵氧體永磁代替稀土永磁，但仍具有較高的效率和轉(zhuǎn)矩密度。該電機(jī)于2003年首次見諸文獻(xiàn)并首先由美國人Thomas A Lipo等提出。這種電機(jī)的成本優(yōu)勢源于鐵氧體永磁的采用，性能優(yōu)勢僅源于其結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。但該電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子磁體采用常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)，即電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子磁體的塊數(shù)都與電機(jī)的極數(shù)相等，每塊磁體形成電機(jī)的一個磁極，因此該電機(jī)低氣隙磁密的本質(zhì)沒有變化，限制了該種電機(jī)性能的進(jìn)一步提高；同時，該電機(jī)采用常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)，所產(chǎn)生的氣隙磁密波形為梯形波，因此相電勢波形也是梯形波，并不適應(yīng)于正弦交流電源供電。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為解決上述問題，提供一種新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)。
本發(fā)明是在上述雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過采用新型磁體結(jié)構(gòu)，有效提高內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的氣隙磁密，降低內(nèi)外轉(zhuǎn)子軛部磁密從而可以減小甚至省去內(nèi)外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛，因而進(jìn)一步提高雙轉(zhuǎn)子鐵氧體永磁電機(jī)的運(yùn)行效率和轉(zhuǎn)矩密度；同時通過采用這一新型磁體結(jié)構(gòu)，可以有效保證內(nèi)、外轉(zhuǎn)子氣隙磁密波形的正弦性，從而保證電機(jī)相電勢波形的正弦性。
本雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)由內(nèi)外永磁轉(zhuǎn)子和雙轉(zhuǎn)子之間的定子組成，外轉(zhuǎn)子與定子之間形成電機(jī)的外氣隙，內(nèi)轉(zhuǎn)子與定子之間形成電機(jī)的內(nèi)氣隙，內(nèi)外轉(zhuǎn)子在端部固定在一起并同步旋轉(zhuǎn)。
外轉(zhuǎn)子由外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛及緊貼其內(nèi)的永磁體組成，外轉(zhuǎn)子每極磁體由兩塊或兩塊以上具有一定充磁規(guī)律的磁體塊組成。該種磁體結(jié)構(gòu)與常規(guī)外轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)相比，提高了電機(jī)氣隙磁密，降低了外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛中的磁密。
內(nèi)轉(zhuǎn)子由內(nèi)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛及緊貼其外的永磁體組成，內(nèi)轉(zhuǎn)子每極磁體同樣由兩塊或兩塊以上的具有一定充磁規(guī)律的磁體塊組成，該磁體結(jié)構(gòu)可以提高電機(jī)內(nèi)氣隙的氣隙磁密，降低內(nèi)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛中的磁密。
電機(jī)的內(nèi)外轉(zhuǎn)子共用一個定子，這一定子沿軸向固定在一垂直靜止的端蓋上。定子由定子鐵心和定子繞組組成。定子鐵心為圓柱形結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)外表面分別開有均勻分布的齒槽以放置定子繞組。定子繞組每一個線圈的兩個有效邊分別位于內(nèi)外定子槽中，這兩個槽的中心線一般位于同一半徑方向上，也可以有所錯位。電機(jī)的內(nèi)外氣隙磁場都以定子鐵心軛作為其閉合磁路的一部分，并在定子鐵心軛中具有相同的方向。因此在定子繞組每一個線圈中，位于定子外槽中的有效邊與外氣隙磁體相互作用，位于定子內(nèi)槽中的有效邊與外氣隙磁場相互作用。
電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度與電機(jī)氣隙表面積、氣隙磁密值成正比，本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，不但具有內(nèi)外兩個氣隙增大了氣隙表面積，而且由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子磁體都采用特殊的磁體結(jié)構(gòu)而增大了內(nèi)外轉(zhuǎn)子氣隙磁密，因此增大了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度；同時本發(fā)明所采用的特殊磁體結(jié)構(gòu)，可以使內(nèi)外轉(zhuǎn)子軛部磁密降低很多，大大減少甚至省去內(nèi)外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛，極大地降低電機(jī)的體積和重量，從而更加提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)特殊的定子線圈結(jié)構(gòu)能有效提高電機(jī)銅線利用率，降低繞組電阻，同時所采用的特殊磁體結(jié)構(gòu)有效地提高了磁負(fù)荷，從而降低了電負(fù)荷，因此可以有效降低電機(jī)的銅耗，提高電機(jī)的運(yùn)行效率。
本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)采用特殊的內(nèi)外轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)，不但使內(nèi)、外轉(zhuǎn)子氣隙磁密提高、使內(nèi)外轉(zhuǎn)子軛部磁密降低，從而提高電機(jī)的運(yùn)行效率和轉(zhuǎn)矩密度，而且使內(nèi)外轉(zhuǎn)子氣隙磁密呈正弦分布，能夠保證繞組電勢呈正弦分布。


圖1為雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的橫截面圖。
圖2為雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的軸截面圖由外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛1、外轉(zhuǎn)子磁體2組成外轉(zhuǎn)子，由轉(zhuǎn)軸8、內(nèi)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛7及內(nèi)轉(zhuǎn)子磁體6組成內(nèi)轉(zhuǎn)子。內(nèi)、外轉(zhuǎn)子通過端部園盤9固連在一起并由軸承11、12支撐在靜止座13和垂直靜止端蓋10上。定子4固定在垂直靜止端蓋10上。外轉(zhuǎn)子與定子之間形成電機(jī)的外氣隙3，內(nèi)轉(zhuǎn)子與定子之間形成電機(jī)的內(nèi)氣隙5。
圖3為內(nèi)、外轉(zhuǎn)子磁體圖分別由多塊相同結(jié)構(gòu)尺寸、不同充磁方向的磁體塊組成。其中θi表示某一磁體塊的位置，箭頭方向為該磁體塊充磁方向，并用角度θm表示，θm＝(1±p)θi，當(dāng)磁體塊用作外磁體時取“+”，當(dāng)磁體塊用作內(nèi)磁體時取“-”，p為電機(jī)的極對數(shù)。
圖4、圖5、圖6、圖7分別為4極雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)每極2塊磁體和3塊磁體時內(nèi)、外轉(zhuǎn)子磁體的實例圖其中圖4為4極雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)每極2塊磁體時的外轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)，圖5為4極雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)每極2塊磁體時的內(nèi)轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)，圖6為4極雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)每極3塊磁體時外轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)，圖7為4極雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)每極3塊磁體時內(nèi)轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)，在圖3、圖4、圖5、圖6、圖7中，箭頭方向為磁體塊的充磁方向。電機(jī)的極對數(shù)可以是任意整數(shù)，電機(jī)每極磁體塊數(shù)可以是大于1的任意整數(shù)。
圖8為每極4塊磁體4極外轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場分布圖，其中箭頭方向為磁體充磁方向，各閉合曲線代表磁場磁力線?？梢钥闯龃朋w外部磁場很弱，而內(nèi)部磁場很強(qiáng)；因此磁體外部的導(dǎo)磁軛可以很薄甚至可以省去磁體外部導(dǎo)磁軛，同時具有很強(qiáng)的內(nèi)部磁場。
圖9為每極4塊磁體4極內(nèi)轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場分布圖，其中箭頭方向為磁體充磁方向，各閉合曲線代表磁力線?？梢钥闯龃朋w內(nèi)部磁場很弱，而外部磁場很強(qiáng)；因此磁體內(nèi)部的導(dǎo)磁軛可以很薄甚至可以省去磁體內(nèi)部導(dǎo)磁軛，同時具有很強(qiáng)的外部磁場。
圖10為雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的定子立體圖，由定子鐵心1和定子繞組2組成。
圖11為定子的軸截面圖，其中1為定子鐵心，2為定子繞組一個線圈的兩個有效邊。
(五)具體實施方案雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的實施由雙轉(zhuǎn)子實施、定子實施及雙轉(zhuǎn)子與定子的裝配組成。雙轉(zhuǎn)子實施如圖1-圖10所示。圓桶型的內(nèi)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛7套在轉(zhuǎn)軸8上，圓桶型的外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛1通過端面園盤9固定連接在轉(zhuǎn)軸8上，內(nèi)外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛軸向長度相近并且大體正對；根據(jù)所要求的電機(jī)極數(shù)及每極磁體塊數(shù)，制作組成外轉(zhuǎn)子磁體2和內(nèi)轉(zhuǎn)子磁體6的磁體塊，組成外轉(zhuǎn)子磁體的各磁體塊結(jié)構(gòu)尺寸相同，組成內(nèi)轉(zhuǎn)子磁體的各磁體塊結(jié)構(gòu)尺寸也相同。對各磁體塊按圖3所示的磁體充磁方向進(jìn)行充磁，然后將各磁體塊按圖3所示依次放置在外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛內(nèi)表面上和內(nèi)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛的外表面上，構(gòu)成外轉(zhuǎn)子磁體2和內(nèi)轉(zhuǎn)子磁體6。
定子實施如圖11、圖12所示。按圖11所示沖制定子鐵心沖片，按要求的軸向長度疊壓鐵心片形成電機(jī)的定子鐵心，按圖12所示的方式放置定子線圈，并按一定的規(guī)律將各線圈相互連接而組成定子繞組，這樣形成雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的定子。
雙轉(zhuǎn)子與定子的裝配將靠近端面園盤9的轉(zhuǎn)軸軸端通過軸承11支撐在垂直靜止座13上；將定子一端沿軸向固定在垂直靜止端蓋10上；轉(zhuǎn)軸另一軸端通過軸承12支撐在垂直靜止端蓋10上。
發(fā)明的2.2kW雙轉(zhuǎn)子鐵氧體永磁電機(jī)，與相似功率的商用感應(yīng)電機(jī)及內(nèi)置式釹鐵硼永磁電機(jī)相比較，轉(zhuǎn)矩密度分別為1Nm/kg、0.35Nm/kg、0.5Nm/kg，效率分別為87％、82％、86％。因此雙轉(zhuǎn)子電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)及內(nèi)置式永磁電機(jī)相比具有高的效率和轉(zhuǎn)矩密度，而雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的高轉(zhuǎn)矩密度就意味著電機(jī)的體積小，耗用材料少，同時雙轉(zhuǎn)子電機(jī)采用鐵氧體永磁，因此本項發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)成本低廉。
權(quán)利要求
1.一種雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，由外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子及內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間的定子組成，雙轉(zhuǎn)子共用一個定子，其特征在于，外轉(zhuǎn)子磁體緊貼在外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛內(nèi)表面，其每極磁體由2塊或2塊以上具有一定充磁方向規(guī)律的磁體塊組成；內(nèi)轉(zhuǎn)子磁體緊貼在內(nèi)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛外表面，其每極磁體由2塊或2塊以上具有一定充磁方向規(guī)律的磁體塊組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一一種雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，其特征在于，所述的雙轉(zhuǎn)子共用一個定子，定子由定子鐵心和定子繞組組成，定子鐵心為圓柱形結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)、外表面有均勻分布的齒槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1或2所述的一種雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，其特征在于，定子繞組每個線圈的兩個有效邊分別置于內(nèi)外定子槽中。
全文摘要
本發(fā)明公開一種雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，采用鐵氧體永磁因此具有很低的制造成本；采用特殊的內(nèi)外轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)，雙轉(zhuǎn)子共用一個定子，定子鐵心為圓柱形結(jié)構(gòu)，能有效提高內(nèi)、外轉(zhuǎn)子鐵氧體磁體所產(chǎn)生的內(nèi)、外氣隙永磁磁密，并使氣隙磁密成正弦分布，同時大大降低內(nèi)、外轉(zhuǎn)子軛部導(dǎo)磁鐵心厚度。本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，不但具有很低的成本而且具有很高的運(yùn)行效率和轉(zhuǎn)矩密度。2.2kW雙轉(zhuǎn)子鐵氧體雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)樣機(jī)具有1Nm/kg的轉(zhuǎn)矩密度、87％的運(yùn)行效率，遠(yuǎn)高于價格昂貴的釹鐵硼永磁電機(jī)0.5Nm/kg的轉(zhuǎn)矩密度和86％的運(yùn)行效率。
文檔編號H02K16/02GK1645719SQ20041007576
公開日2005年7月27日 申請日期2004年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者徐衍亮 申請人:山東大學(xué)