本發(fā)明屬于電機技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機。
背景技術(shù)：
目前常用的永磁電機一般分為徑向磁通和軸向磁通永磁電機兩類，然而其端部利用率都較低，電機整體空間利用率不高，低速與高速運行性能無法兼顧，電機轉(zhuǎn)矩密度和功率密度仍具有提升空間。
傳統(tǒng)的電機設(shè)計中，對電機進行尺寸優(yōu)化，例如在徑向式永磁電機采用長徑比大的結(jié)構(gòu)，軸向式永磁電機采用長徑比小的結(jié)構(gòu)；采用分?jǐn)?shù)集中繞組等技術(shù)來提高轉(zhuǎn)矩密度，但其效果有限，且電機繞組端部都難以得到利用，所以人們尋求更加緊湊的電機結(jié)構(gòu)。
實用新型專利201520407320.9提出了一種軸徑向混合磁通永磁電機，其特點在于電機為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子鐵芯的軸向兩側(cè)和徑向外側(cè)的機殼上都排布有永磁體，電機磁路經(jīng)過機殼與定子鐵芯閉合并形成軸徑向混合磁路，每個定子鐵芯上都設(shè)置有兩個軸向和一個徑向繞組。但其繞組接線與控制系統(tǒng)復(fù)雜，電機無法兼顧低速與高速運行性能，對電機全局效率有一定影響。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機，旨在解決現(xiàn)有軸徑向混合磁通永磁電機啟動轉(zhuǎn)矩低，啟動過程不平穩(wěn)，無法兼顧低速與高速運行性能的技術(shù)問題。
本發(fā)明提供了一種籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機，包括電機外殼、定子和轉(zhuǎn)子，電機外殼包括：轉(zhuǎn)軸、軸承、端蓋、壓蓋和機殼；機殼為圓筒形，機殼兩端各有一個端蓋通過螺絲固定在機殼上，兩個端蓋的外側(cè)各有一個壓蓋通過螺絲固定在端蓋上，端蓋與壓蓋的圓心處均設(shè)置有圓形孔，端蓋處圓形孔用于放置軸承，轉(zhuǎn)軸通過圓形孔橫穿壓蓋、端蓋和軸承；定子包括：多個模塊化t形定子鐵芯、繞組和鋁環(huán)，t形定子鐵芯沿周向環(huán)繞排布在凸極轉(zhuǎn)子外圍，鋁環(huán)處于t形定子鐵芯外圍并固定在機殼上，貫穿t形定子鐵芯內(nèi)部打有兩個第一散熱孔，每個t形定子鐵芯對應(yīng)的鋁環(huán)處設(shè)置有第一定位孔和第二定位孔，鋁環(huán)通過第一定位孔以螺栓固定在機殼上，t形定子鐵芯通過第二定位孔以螺栓固定在鋁環(huán)上；轉(zhuǎn)子包括：同軸固定的兩個外轉(zhuǎn)子和設(shè)置在中間的凸極轉(zhuǎn)子，凸極轉(zhuǎn)子與兩個外轉(zhuǎn)子固定在轉(zhuǎn)軸上；兩個外轉(zhuǎn)子均包括：外轉(zhuǎn)子軛、永磁體、鼠籠槽和所述鼠籠環(huán)；外轉(zhuǎn)子軛的內(nèi)圓周側(cè)打有所述第二散熱孔，外轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)端面上沿著周向均勻間隔地排布設(shè)置有多個扇形所述永磁體，所述鼠籠環(huán)嵌入所述鼠籠槽內(nèi)。
更進一步地，凸極轉(zhuǎn)子與兩個外轉(zhuǎn)子均采用鍵連接的方式固定在所述轉(zhuǎn)軸上。
更進一步地，同一外轉(zhuǎn)子上的永磁體排布向同一方向傾斜，兩個外轉(zhuǎn)子上永磁體的傾斜方向相反，構(gòu)成雙向斜級結(jié)構(gòu)。
更進一步地，外轉(zhuǎn)子軛與永磁體之間、永磁體與鼠籠槽之間、鼠籠槽與所述鼠籠環(huán)之間均采用膠接的方式固定。
更進一步地，所述t形定子鐵芯上繞組采用可變極扭環(huán)式單繞組，將定子繞組設(shè)置為倍極變極，采用雙端級聯(lián)驅(qū)動方式，其中一種極對數(shù)為p1，另一種極對數(shù)為p2，p2＝2p1。投入p1變頻電源時，轉(zhuǎn)子鼠籠繞組失效，定子繞組運行在p1模式，具有自啟動永磁同步運行高速特性；投入p2變頻電源時，定子繞組運行在p2模式，磁通不會穿過永磁體，電機呈現(xiàn)籠型感應(yīng)電機特性。
更進一步地，繞組的繞制方式為依次環(huán)繞過t形定子鐵芯的兩側(cè)齒與中間齒，繞制方向需滿足原則為：當(dāng)通入電流時，繞組中電流按照安培定則產(chǎn)生的磁力線方向為從t形定子鐵芯的兩側(cè)齒流入，中間齒流出，通以反向電流時，磁力線方向相反。
更進一步地，所述t形定子鐵芯的數(shù)量和所述永磁體的數(shù)量、所述鼠籠環(huán)的極數(shù)和所述凸極轉(zhuǎn)子的極數(shù)均根據(jù)具體的電機的極槽配合確定，電機的極槽配合由其轉(zhuǎn)速與電源頻率確定。
更進一步地，所述t形定子鐵芯采用軟磁復(fù)合材料經(jīng)粉末冶金的方法加工而成，外轉(zhuǎn)子軛與鼠籠槽采用鋼材料制成。
總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得以下有益效果：
(1)凸極轉(zhuǎn)子提供渦流同步磁阻，改善電機啟動性能，低速異步運行，感應(yīng)渦流，疊加異步轉(zhuǎn)矩；高速同步運行，疊加磁阻轉(zhuǎn)矩。
(2)籠型永磁轉(zhuǎn)子配合可變極扭環(huán)式單繞組，電機低速時多極對數(shù)，呈現(xiàn)感應(yīng)電機特性，輸出大轉(zhuǎn)矩；高速時少極對數(shù)，呈現(xiàn)自啟動永磁同步電機特性，拓寬調(diào)速范圍，兼顧低速與高速運行性能。
(3)采用t形定子鐵芯，軸徑向磁場完全利用，電機結(jié)構(gòu)緊湊，功率與轉(zhuǎn)矩密度得到大大提升。
(4)采用模塊化t形定子鐵芯，提高生產(chǎn)效率，便于加工與后期運行維修。
附圖說明
圖1為本發(fā)明籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機的t形定子鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3a為本發(fā)明籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機的扭環(huán)繞組結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3b為本發(fā)明籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機的扭環(huán)繞組繞制方式說明圖；
圖4為本發(fā)明籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機的鋁環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機的外轉(zhuǎn)子裝配示意圖；
圖6為本發(fā)明籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7為本發(fā)明籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機的凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8為本發(fā)明籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)示意圖。
在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1為機殼，2為鋁環(huán)，3為凸極轉(zhuǎn)子，4為轉(zhuǎn)軸，5為外轉(zhuǎn)子，6為外轉(zhuǎn)子軛，7為永磁體，8為鼠籠槽，9為鼠籠環(huán)，10為第一定位孔，11為第二定位孔，12為端蓋，13為壓蓋，14為軸承，15為定子鐵芯，16為第一散熱孔，17為第二散熱孔，18為繞組，19為鍵槽。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明提供了一種既可以提升電機空間利用率，又能夠提高轉(zhuǎn)矩品質(zhì)、轉(zhuǎn)矩密度和系統(tǒng)效率，同時能夠兼顧低速與高速運行性能的永磁電機，該電機可用于高端數(shù)控機床電主軸、機器人關(guān)節(jié)、電動汽車輪轂驅(qū)動等場合。
如圖1所示，本發(fā)明提供了一種籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機，包括定子、轉(zhuǎn)子，以及由轉(zhuǎn)軸、軸承、端蓋、壓蓋和機殼構(gòu)成的電機外殼，其中，定子由多個模塊化t形定子鐵芯、繞組和鋁環(huán)組成，t形定子鐵芯沿周向環(huán)繞排布在凸極轉(zhuǎn)子外圍，鋁環(huán)處于t形定子鐵芯外圍并固定在機殼上，貫穿t形定子鐵芯內(nèi)部打有兩個散熱孔，每個t形定子鐵芯對應(yīng)的鋁環(huán)處打有三個定位孔，鋁環(huán)通過定位孔以螺栓固定在機殼上，t形定子鐵芯通過定位孔以螺栓固定在鋁環(huán)上；轉(zhuǎn)子由同軸固定的兩個外轉(zhuǎn)子和中間的凸極轉(zhuǎn)子共同組成，其中，兩個外轉(zhuǎn)子均由外轉(zhuǎn)子軛部、永磁體、鼠籠槽以及鼠籠環(huán)構(gòu)成。外轉(zhuǎn)子軛部打有散熱孔，外轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)端面上沿著周向均勻間隔地排布著多個扇形永磁體，且同一外轉(zhuǎn)子上的永磁體排布向同一方向傾斜，兩個外轉(zhuǎn)子上永磁體的傾斜方向相反，組成雙向斜級結(jié)構(gòu)，鼠籠環(huán)嵌入鼠籠槽內(nèi)，外轉(zhuǎn)子軛部與永磁體、永磁體與鼠籠槽、鼠籠槽與鼠籠環(huán)之間均采用膠接的方式固定。凸極轉(zhuǎn)子與兩個外轉(zhuǎn)子均采用鍵連接的方式固定在轉(zhuǎn)軸上。
電機的工作過程為：空載磁通從兩側(cè)轉(zhuǎn)子盤上永磁體n極出發(fā)，經(jīng)過軸向氣隙進入t形定子鐵芯的軸向定子齒中，再從t形定子鐵芯徑向定子齒經(jīng)過徑向氣隙進入凸極轉(zhuǎn)子，在凸極轉(zhuǎn)子中沿周向進入臨近的凸極轉(zhuǎn)子齒，經(jīng)過徑向氣隙進入t形定子鐵芯，沿著反向路徑回到轉(zhuǎn)子盤上永磁體s極，經(jīng)過轉(zhuǎn)子軛部回到最初的永磁體。電樞繞組通入電流時，產(chǎn)生的電樞磁場與永磁磁場相互作用產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩。啟動過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未達到同步轉(zhuǎn)速，在凸極中感應(yīng)渦流，產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，改善啟動性能；高速同步運行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步，凸極渦流消失，依同步磁阻作用原理，可產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，疊加電磁轉(zhuǎn)矩，增大轉(zhuǎn)矩密度。
在本發(fā)明實施例中，t形定子鐵芯上繞組采用可變極扭環(huán)式單繞組，繞組的繞制方式為依次環(huán)繞過t形定子鐵芯的兩側(cè)齒與中間齒，繞制方向需以達到以下效果為原則：當(dāng)通入電流時，繞組中電流按照安培定則產(chǎn)生的磁力線方向為從t形定子鐵芯的兩側(cè)齒流入，中間齒流出，通以反向電流時，磁力線方向相反。
在本發(fā)明實施例中，t形定子鐵芯和永磁體的數(shù)量、鼠籠環(huán)和凸極轉(zhuǎn)子的極數(shù)都根據(jù)具體的電機極槽配合而定，而電機的極槽配合由其轉(zhuǎn)速與電源頻率決定，所述凸極轉(zhuǎn)子的軸向截面為平行齒的齒輪狀，上面可適應(yīng)性開孔來改善電機散熱與伺服性能。
在本發(fā)明實施例中，t形定子鐵芯的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性決定需采用軟磁復(fù)合材料經(jīng)粉末冶金的方法加工而成，同時，該材料擁有很高的電阻率，可有效削弱定子鐵芯的渦流損耗，轉(zhuǎn)子軛部與鼠籠槽采用鋼材料制成。
為了更進一步的說明本發(fā)明實施例提供的籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機，現(xiàn)結(jié)合附圖及具體實例詳述如下：
如圖1所示，籠型轉(zhuǎn)子軸徑向混合磁通多盤式永磁電機包括由轉(zhuǎn)軸4、軸承14、端蓋12、壓蓋13和機殼1共同構(gòu)成的電機外殼、同軸固定的兩個外轉(zhuǎn)子5和中間的凸極轉(zhuǎn)子3共同構(gòu)成的電機轉(zhuǎn)子、周向分布的多個模塊化t形定子鐵芯15、繞組18和鋁環(huán)2構(gòu)成的電機定子，t形定子鐵芯通過定位孔11以螺栓固定在鋁環(huán)2上，鋁環(huán)2通過定位孔10以螺栓固定在機殼1上，轉(zhuǎn)軸4上設(shè)有三個鍵槽19，兩個外轉(zhuǎn)子5和凸極轉(zhuǎn)子3采用鍵連接的方式固定在轉(zhuǎn)軸4上，外轉(zhuǎn)子軛、永磁體、鼠籠槽、鼠籠環(huán)之間均采用膠接的方式固定。
籠型永磁轉(zhuǎn)子配合可變極扭環(huán)式單繞組，電機低速時多極對數(shù)，呈現(xiàn)感應(yīng)電機特性，輸出大轉(zhuǎn)矩；高速時少極對數(shù)，呈現(xiàn)自啟動永磁同步電機特性，拓寬調(diào)速范圍，兼顧低速與高速運行性能。
如圖2所示，t形定子鐵芯15內(nèi)部沿徑向打有兩個第一散熱孔16，用以提高定子的散熱效率，從而提高電機功率密度，沿著軸向兩側(cè)和徑向一側(cè)都有定子齒用以繞制扭環(huán)式單繞組18。采用模塊化的t形定子鐵芯，軸徑向磁場完全利用，電機結(jié)構(gòu)緊湊，功率與轉(zhuǎn)矩密度得到大大提升，提高生產(chǎn)效率，便于加工與后期運行維修。
如圖3a、3b所示，扭環(huán)式單繞組18采用圖3b的方式繞制在t形定子鐵芯15上，可以保證磁通從軸向的兩個定子齒流入，從徑向的定子齒流出，當(dāng)繞組18通以反相電流時，磁通流向相反。
如圖4所示，鋁環(huán)2上打有定位孔10、11，鋁環(huán)2內(nèi)側(cè)為正多邊形狀，每一邊都通過定位孔11以螺栓來固定一個t形定子鐵芯15，鋁環(huán)2外側(cè)為圓形，通過定位孔10以螺栓來固定在機殼1上。
如圖5、圖6所示，外轉(zhuǎn)子5由外轉(zhuǎn)子軛6、永磁體7、鼠籠槽8和鼠籠環(huán)9組成，其相互之間以膠接的方式固定，其中扇形永磁體排布沿同一方向傾斜，兩個外轉(zhuǎn)子5上扇形永磁體7傾斜方向相反，構(gòu)成雙向斜級結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子軛上沿軸向打有第二散熱孔17。
如圖7所示，凸極轉(zhuǎn)子的軸向截面為平行齒的齒輪狀，上面可適應(yīng)性開孔來改善電機散熱與伺服性能，提供渦流同步磁阻，改善電機啟動性能，低速異步運行，感應(yīng)渦流，疊加異步轉(zhuǎn)矩；高速同步運行，疊加磁阻轉(zhuǎn)矩。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。