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申请/专利权人：合肥学院

摘要：本发明的一种定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机，可解决现有横向磁通电机定子空间利用率低、永磁材料利用率低、齿槽转矩较高的技术问题。转子部分包括转子支撑体、转子铁芯和转子轴，转子铁芯嵌入转子支撑体外表面；每相转子单元包含沿着圆周以等腰三角波的形状均匀分布的p个转子铁芯，p个转子铁芯与1个转子支撑体组成一相转子单元，总共m个相同该单元沿轴向排列成m相转子单元；定子部分包括定子铁芯、永磁体、线圈绕组和机座外壳；每相定子单元包含p个定子铁芯、p个永磁体与1个绕组，总共m个相同该单元沿轴向排列成m相定子单元；本发明结构简单，转矩密度及功率密度较高，齿槽转矩小，永磁体材料得到充分利用，性价比高。

主权项：1.一种定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机，包括转子部分1和定子部分2，其特征在于：所述转子部分1包括转子支撑体3、转子铁芯4和转子轴5，所述转子铁芯4嵌入转子支撑体3外表面，转子支撑体3固定在转子轴5上；转子铁芯4分属A、B、C三相，每相转子单元包含p个转子铁芯4，p为偶数，p个转子铁芯4沿着圆周以等腰三角波的形状均匀分布，p个转子铁芯4组成一相转子单元，总共m个相同该单元沿轴向排列成m相转子单元；定子部分2包括定子铁芯6、永磁体7、线圈绕组8和机座外壳9；每相定子单元包含p个定子铁芯6，p个定子铁芯6沿着圆周均匀分布，p个定子铁芯6的开口部位10均沿径向朝向转子部分1，所述永磁体7沿圆周位于相邻两个定子铁芯轭11之间，共有p个永磁体7，均为圆周切向充磁，但相邻两个永磁体7的充磁方向相反；p个定子铁芯6、p个永磁体7和1个线圈绕组8组成一相定子单元，总共m个相同该单元沿轴向排列成m相定子，m相定子嵌放在机座外壳9上，机座外壳9由不导磁材料制成；所述转子部分1为m相，各相转子单元之间沿轴向以相同间隔依次同方向错开，所述错开的角度为360°p×m；各相定子单元之间不错开角度，即定子铁芯6及定子铁芯6间充磁方向相同的永磁体7均对齐排列；所述定子部分2为m相，所述各相定子单元之间沿轴向依次同方向错开的角度为360°p×m，即定子铁芯6及定子铁芯6间极性相同的永磁体7依次同方向错开的角度也为360°p×m，而各相转子单元之间不错开角度，均对齐排列。

全文数据：定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机技术领域本发明涉及横向磁通永磁电机技术领域，具体涉及一种定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机。背景技术自世界上诞生第一台电机以来，电机工业已经经历了将近两百年的发展历史。在这两百年中，随着社会经济和科学技术的发展，不论是工农业生产、航空航天、国防、交通运输，还是家用电器等不同领域，无处不有电机的身影，而且随着科技的进步和人们环保意识的增强，电机的应用范围也在日益扩大，如原先使用发动机的汽车正在被使用电机的汽车所代替，使用各种联合动力装置机械推进的舰船正在被全电力推进舰船代替。在我国，随着国民经济的迅速发展，能源供应已经处于并将长期处于相对短缺的阶段，要解决这一矛盾，除了采用开发新的可利用能源和增加发电能力外，就是研制新的节能设备，提高能源的利用率。作为我国工业企业和民用行业中被广泛使用的用电设备——电机，据统计其用电量占到全年发电总量的80％以上，因此，进一步提高电动机效率，使电机具有更高的转矩密度、功率密度等特性，可以极大的缓解经济发展过程中能源供应相对短缺的矛盾，并进而实现节能环保之目的，为此各国的电机研究者不断的努力着。但传统的径向和轴向磁通电机，由于齿槽位于同一平面，受电机温升限制，电机的绕组槽截面和磁通齿截面相互制约，因此电机的性能总是难以有效提高。20世纪80年代，德国Brunswick理工大学的HerbertWeh教授等人提出了一种横向磁通电机TransverseFluxMotor，简称TFM，由于这种电机的线圈槽和铁芯齿在空间上相互垂直，实现了电负荷和磁负荷的解耦，避免了传统径向电机和轴向电机齿槽截面的相互竞争，对线圈截面积和磁路尺寸的调整具有极高的自由度，从而获得了比传统电机更高的功率密度和转矩密度，并且由于相间相互独立所谓相间相互独立，是指一相运行时对其他相运行无影响，即不影响另外一相输入的电流、感应电动势等，使得设计多相电机实现容错冗余运行变得较为方便。可以预见：横向磁通电机将具有广阔的应用前景。但是，值得一提的是：现有结构的横向磁通电机多属于单极性磁通，定子空间利用率低，尚存齿槽转矩大、成本较高等不足，即使实现了双极性磁通，但仅有一半的永磁体材料得到利用，导致电机成本增高，性价比低，极大限制了横向磁通永磁电机在工农业生产、航空航天、国防、交通运输、新能源汽车领域和家电领域的进一步应用。发明内容本发明提出的一种定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机，可解决现有的横向磁通电机多属于单极性磁通，定子空间利用率低，齿槽转矩大、成本较高的技术问题。为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机，包括转子部分和定子部分，其中：转子部分包括转子支撑体及嵌入转子支撑体外表面的转子铁芯和转子轴，每相转子单元包含p个转子铁芯p为偶数，p个转子铁芯沿着圆周以等腰三角波的形状均匀分布，p个转子铁芯和1个支撑体组成一相转子单元，总共m个相同该单元沿轴向排列成m相转子单元；定子部分包括定子铁芯、永磁体、线圈绕组和机座外壳，每相定子单元包含p个定子铁芯，p个定子铁芯沿着圆周均匀分布，p个定子铁芯的开口部位均沿径向朝向转子，所述永磁体沿圆周位于相邻两个定子铁芯轭之间，共有p个永磁体，均为圆周切向充磁，但相邻两个永磁体的充磁方向相反，p个定子铁芯、p个永磁体和1个线圈绕组组成一相定子单元，总共m个相同该单元沿轴向排列成m相定子，m相定子嵌放在机座外壳上。进一步的说明：本发明所述的定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机，其中，各相转子单元之间沿轴向依次同方向错开的角度为360°p×m，各相定子单元之间不错开角度，即构成定子单元的定子铁芯及定子铁芯间极性相同的永磁体均对齐排列。本发明所述的定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机，其中，各相定子单元之间沿轴向依次同方向错开的角度为360°p×m，即构成定子单元的定子铁芯及定子铁芯上极性相同的永磁体沿轴向依次同方向错开的角度为360°p×m，而各相转子单元之间不错开角度，均对齐排列。本发明所述的定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机，其中沿圆周方向看，定子铁芯形状呈“C”形，定子铁芯齿部圆弧直径与定子铁芯的内径相同。本发明所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其中，永磁体的形状呈长方形。本发明所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其中，转子铁芯整体形状呈等腰三角波形，转子铁芯齿部圆弧直径与转子铁芯的外径一样。由上述技术方案可知，本发明通过有限元分析与理论磁网络法计算，提出了双极性横向磁通永磁同步电机，结构简单，转矩密度及功率密度较高，齿槽转矩小，永磁体材料得到充分利用，是一种性价比高的定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机。与现有技术相比，本发明所述的双极性横向磁通永磁同步电机的优点如下：1、采用定子永磁型技术，转子无绕组，而定子绕组采用集中整距绕组，结构相对简单。2、本发明通过转子、定子、等腰三角波形状的转子铁芯和定子铁芯的综合匹配，使得电机运行过程中全部永磁体材料产生的磁通都能发挥作用，既实现了磁通的双极性，其功率密度与转矩密度将是目前采用单极性横向磁通电机的两倍，又可以在同样功率和转矩值下，比单极性横向磁通电机和现有的双极性横向磁通电机体积小，成本低，性价比更高。3、由于铁芯齿和线圈槽截面解耦，因此相对传统电机来说，电机结构设计更加灵活，通过优化设计，可以进一步提高转矩密度和功率密度；4、由于采用定子永磁型技术，永磁体和绕组均位于外定子上，利于散热，因此可以将铁芯磁密和绕组电流密度同时设计得较大，可以使电机体积减小，成本降低。附图说明图1为本发明实施例一中定子部分和转子部分的立体结构示意图；图2为本发明实施例一中转子部分立体结构示意图；图3为本发明实施例一中定子部分含有绕组的剖视立体结构示意图；图4为本发明实施例一中定子部分不含有绕组的剖视立体结构示意图；图5为本发明实施例一中“C”形定子铁芯的立体结构示意图；图6是图5的左视图；图7是图5的俯视图；图8为本发明实施例一中永磁体的立体结构示意图；图9为本发明实施例一中的一条双极性磁通路径形成示意图；图10为本发明实施例一中的另一条双极性磁通路径形成示意图；图11为本发明实施例一中转子铁芯部件立体结构示意图；图12为本发明实施例一中构成转子铁芯部件的单个硅钢片立体结构示意图；图13为本发明实施例一中初始转子铁芯部件立体结构示意图；图14为本发明实施例一中转子支撑体立体结构示意图；图15为本发明实施例二中定子部分和转子部分的立体结构示意图；图16为本发明实施例二中定子部分的剖视图；图17为本发明实施例二中转子部分的排列图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。实施例一如图1和图2所示，本发明实施例一的双极性横向磁通永磁同步电机为三相10极定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机，该同步电机包括转子部分1和定子部分2。包括转子支撑体3、转子铁芯4和转子轴5，所述转子铁芯4嵌入转子支撑体3外表面，转子支撑体3固定在转子轴5上；转子铁芯4分属A、B、C三相，每相的转子铁芯4沿着圆周以等腰三角波的形状均匀分布，每相转子铁芯4共形成10个等腰三角形，相邻的两个铁心构成三角波的两个边，如图2的转子铁芯4-1和转子铁芯4-2所示。如图2所示，转子部分1总共有A、B、C三相，各相转子单元之间沿轴向以相同间隔依次同方向错开，其错开角度均为12°，如图2中转子铁芯4-2、4-3和4-4所示，即转子铁芯4-2与4-3错开的角度为12°，转子铁芯4-3与4-4错开的角度也为12°。如图1和图3、图4所示，定子部分2包括定子铁芯6、永磁体7、线圈绕组8和机座外壳9。每相定子单元包含10个“C”形定子铁芯6，这10个“C”形定子铁芯6沿着圆周均匀分布，每个“C”形定子铁芯6的开口部位10均沿径向朝向转子，如图5所示。永磁体7沿圆周位于相邻的两个“C”形定子铁芯轭11之间，每个永磁体7与铁芯轭11接触部分的接触面积与如图8所示永磁体7的圆周方向表面12面积相同。如图8所示，永磁体7的单体形状可呈长方体状，采用圆周切向充磁、圆周方向排列，各相定子单元之间不错开角度，“C”形定子铁芯6及“C”形定子铁芯6间极性相同的永磁体7均对齐排列，如图3和图4所示，6-1、6-2和6-3分别表示每相的一个“C”形定子铁芯6，“C”形定子铁芯6-1、6-2和6-3在同一个轴向上，7-1、7-2和7-3分别表示每相的一个永磁体7，永磁体7-1、7-2和7-3在同一个轴向上，而8-1、8-2、8-3表示三相线圈绕组8，每相永磁体7均沿圆周切向充磁，但沿圆周方向分布的相邻永磁体7的充磁方向相反，例如永磁体7-1、7-4、7-7的充磁方向相同，永磁体7-5、7-6、7-8的充磁方向相同，但两组永磁体7-1、7-4、7-7与7-5、7-6、7-8的充磁方向却是相反的，如图9和图10所示。如图1所示，与转子部分1对应，定子部分2也为三相，10个“C”形定子铁芯6、10个永磁体7和1个线圈绕组8构成一相单元，总共三个相同该单元沿轴向以相同间隔排列形成三相定子，它们沿轴向对齐排列，固定在定子机座外壳9上。本具体实施例一中，本发明中两条双极性磁通路径如图9和图10所示，在图9中，磁通依次沿着永磁体7-1或7-6的N极—定子铁芯6-1—空气隙13-1—转子铁芯4—空气隙13-3或13-2—定子铁芯6-4或6-5—永磁体7-1或7-6的S极，形成磁通回路14-1或14-2。在图10中，磁通依次沿着永磁体7-1或7-6的N极—空气隙15-1—转子铁芯4—空气隙15-3或15-2—定子铁芯6-4或6-5—永磁体7-1或7-6的S极，形成磁通回路16-1或16-2。由图9和图10可知，随着转子转动，由定子铁芯6和永磁体7形成的线圈槽17中线圈绕组8匝链的磁通呈现为双极性。从图9和图10还可以看出，无论转子1位于任何位置，所有永磁体7发出的永磁磁链都能匝链线圈绕组8，因此永磁体材料的利用率高，因此本发明既实现了磁通的双极性，其功率密度与转矩密度将是目前采用单极性横向磁通电机的两倍，又可以在同样功率和转矩值下，比单极性横向磁通电机和现有的双极性横向磁通电机体积小，成本低，性价比更高。本具体实施例一中，如图2、图9和图10所示，转子铁芯4的整体形状呈等腰三角波形，它可以采用如图11所示的转子铁芯部件4-a作为等腰三角波形的边拼接而成。转子铁芯部件4-a可以采用如图12所示的长方形硅钢片4-b叠压粘接成型后进行切割，切割出拼接面18后形成初始转子铁芯部件4-c，如图13所示；再将初始转子铁芯部件4-c嵌入转子支撑体3铣出的槽19中，通过切削加工初始转子铁芯部件4-c面向定转子间气隙的面，形成转子铁芯4，使转子铁芯4所在外径与转子支撑体3的外径一致，如图2和图14所示。本具体实施例一中，如图2、图9和图10所示，转子铁芯4在实现双极性磁通的同时，具有斜槽特点，因此可以有效降低齿槽转矩，降低转矩脉动。本具体实施例一中，如图5、图6和图7所示，定子铁芯6的形状呈“C”形，定子铁芯6可以由形状如图7所示的定子硅钢冲片叠压粘接而成，叠压粘接后通过切削加工形成开口部位10，该开口部位所在位置也是放置线圈的线圈槽17，定子铁芯6齿部20的圆弧直径与定子内径R1相同，如图7所示。本发明所提出的定子永磁型双极性横向磁通永磁同步电机通过等效磁网络法理论分析与有限元软件三维建模分析，它通过定子铁芯、相邻充磁方向相反的永磁体、三角波形的转子铁芯的综合匹配，实现了磁通的双极性，其功率密度将是目前采用单极性横向磁通电机的两倍，实现横向磁通电机的高转矩高功率密度设计。本发明的运行原理是：定子永磁型双极性横向磁通永磁同步电机工作时遵循“磁阻最小原理”即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁力线扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩，拖动电机产生旋转运动。具体来说，在电机相数m＝3时，假定本发明的第一相定子绕组中在通入正弦交变电流后该相定子“C”形定子铁芯齿部20与转子铁芯三角波形的顶部对齐，那么在紧邻的下一相通入正弦交变电流后，由于三相转子单元依次错开12°，如此第二相定子绕组中通入正弦交变电流产生的磁通磁力线扭曲将形成磁阻性质的电磁转矩，它将拖动电机转子转动120度电角度，使第二相定子“C”形定子铁芯齿部20与转子铁芯三角波形的顶部对齐，同理第三相产生的电磁转矩将拖动转子旋转120度电角度，使第三相定子“C”形定子铁芯齿部20与转子铁芯三角波形的顶部对齐，如此依次按第一相→第二相→第三相→第一相…给三相绕组连续通电，就可以使电机的外转子产生连续的旋转运动。实施例二：如图15、16和17所示，对比实施例一，本发明实施例二的区别主要体现在三相定子单元沿轴向依次同方向错开12°，即各相定子铁芯6与永磁体7也依次同方向错开角度12°，而各相转子单元之间不错开角度，均对齐排列。如图16所示，B相定子较A相定子整体错开了12°，C相定子较B相定子整体错开了12°，即与A相定子整体错开24°。与实施例一相同的是，每相中的10个“C”形定子铁芯6与10个永磁体7仍旧沿圆周方向交错分布，均匀排列，所有的永磁体7均沿圆周切向充磁，但相邻的两个永磁体7充磁方向相反，如图16所示。由于实施例二中的其它结构、磁通形成路径及运行原理均与实施例一相同，故不再赘述。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

权利要求：1.一种定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机，包括转子部分1和定子部分2，其特征在于：所述转子部分1包括转子支撑体3、转子铁芯4和转子轴5，所述转子铁芯4嵌入转子支撑体3外表面，转子支撑体3固定在转子轴5上；转子铁芯4分属A、B、C三相，每相转子单元包含p个转子铁芯4，p为偶数，p个转子铁芯4沿着圆周以等腰三角波的形状均匀分布，p个转子铁芯4组成一相转子单元，总共m个相同该单元沿轴向排列成m相转子单元；定子部分2包括定子铁芯6、永磁体7、线圈绕组8和机座外壳9；每相定子单元包含p个定子铁芯6，p个定子铁芯6沿着圆周均匀分布，p个定子铁芯6的开口部位10均沿径向朝向转子部分1，所述永磁体7沿圆周位于相邻两个定子铁芯轭11之间，共有p个永磁体7，均为圆周切向充磁，但相邻两个永磁体7的充磁方向相反；p个定子铁芯6、p个永磁体7和1个线圈绕组8组成一相定子单元，总共m个相同该单元沿轴向排列成m相定子，m相定子嵌放在机座外壳9上，机座外壳9由不导磁材料制成。2.根据权利要求1所述的定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述转子部分1为m相，各相转子单元之间沿轴向以相同间隔依次同方向错开，所述错开的角度为360°p×m；各相定子单元之间不错开角度，即定子铁芯6及定子铁芯6间充磁方向相同的永磁体7均对齐排列。3.根据权利要求1所述的定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述定子部分2为m相，所述各相定子单元之间沿轴向依次同方向错开的角度为360°p×m，即定子铁芯6及定子铁芯6间极性相同的永磁体7依次同方向错开的角度也为360°p×m，而各相转子单元之间不错开角度，均对齐排列。4.根据权利要求1或2或3所述的定子永磁型双极性聚磁式横向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述定子铁芯6的形状沿轴向呈“C”形，定子铁芯6齿部圆弧直径与定子铁芯6的内径相同。5.根据权利要求1或2或3所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述永磁体7的形状呈长方形，沿圆周方向充磁，相邻两个永磁体7的充磁方向相反。6.根据权利要求1或2或3所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述转子铁芯4沿圆周均匀分布，且整体看上去呈等腰三角波的形状，转子铁芯4齿部圆弧直径与转子铁芯4的外径一样。7.根据权利要求4所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述永磁体7沿圆周位于相邻的两个“C”形定子铁芯轭11之间，每个永磁体7与定子铁芯轭11接触部分的接触面积与永磁体7的圆周方向表面面积相同。

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