技术领域
背景技术
[0002] 盘式电机已经被广泛应用在
风力发电、电动
汽车等领域。
[0003] 传统的盘式电机的
定子主要有两种。一种是定子
铁芯采用
硅钢片卷绕成圆盘状,分别在圆盘的两个端面上开槽放置线圈,这种定子铁芯的轭部较长,占据了较多体积和重量,而且会产生轭部损耗。另一种是采用无铁心结构,该结构
电枢绕组用漆包线多层多排绕制而成,
制造过程中,需要采用高
精度的绕线机和专用卡具,生产工艺复杂,生产效率较低。此外,由于该结构定子为空心线圈,电机的实际气隙较大,从而
磁场的漏磁也比较大,造成
永磁体的
磁性能得不到充分利用,而且空心线圈的
涡流损耗也比较大。
[0004] 传统的盘式电机
转子采用的永磁体多为扇形结构,直接贴于机壳内侧或转子盘两侧,永磁体用量大,成本高。此外,该电机结构的机壳或转子盘需要充当磁路,因此必须采用导磁的钢铁材料,重量较重,进而造成电机的整体功率
密度较低。
[0005] 文献《WEIGHT REDUCTION OF PERMANENT MAGNET DISC MOTOR FOR ELECTRIC VEHICLE USING GENETIC ALGORITHM OPTIMAL DESIGN PROCEDURE》提出了一种双边定子中间转子的盘式电机结构。该盘式电机定子采用硅钢片卷绕成圆盘状,在圆盘的一个端面上开槽放置线圈。该盘式电机的转子盘采用非导磁
铝合金制作,圆周均匀分布扇形孔,扇形永磁体嵌入扇形孔中,永磁体的磁极沿圆周方向交替排列。该盘式电机结构主要有以下缺点:
[0006] 1)定子硅钢片卷绕工艺复杂,轭部较长,体积大,重量重;
[0007] 2)转子扇形永磁体用量大,成本较高,利用率低。
[0008] 3)定子轭部损耗大,转子
铝合金盘体也存在涡流损耗,电机整体效率偏低;
[0009] 文献《Electromagnetic Design and Analysis of a Novel Flux-Concentrated Transverse Flux Permanent Magnet Disk Generator》提出了一种横向磁通的双边定子中间转子的盘式电机结构。该盘式电机定子铁心采用软磁材料加工而成,直接在整
块定子盘内侧加工出两圈定子齿,
内圈齿与
外圈齿数量相等,交错排列。内圈齿和外圈齿之间嵌入单
匝电枢绕组。该盘式电机的转子盘也采用软磁材料加工而成,沿转子盘外沿依次径向嵌入横向磁通永磁体,永磁体与永磁体之间用软磁材料隔开,相邻永磁体的磁极的极性相反。该盘式电机结构主要有以下缺点:
[0010] 1)定子和转子都采用软磁材料直接加工成型,成本高,涡流损耗较大。
[0011] 2)定子电枢绕组只有一匝,电机只能产生一相
电流。如需传统的三相
电能输出,需要三个盘式电机同时协调工作,结构复杂。
[0012] 3)永磁体从转子盘外沿径向嵌入,破坏了转子盘原有的整体结构,电机可靠性较差。
发明内容
[0013] 本发明的目的是克服现有盘式电机重量大、功率密度小、加工难度大的缺点,提出一种重量轻、易于加工制造的盘式电机。
[0014] 为实现上述目的,本发明采用以下方案:
[0015] 本发明盘式电机由定子盘、定子铁心、转子盘、
转轴、固定盘和
轴承组成。所述定子盘、转子盘、转轴和固定盘均采用重量轻、强度大的超高分子量聚乙烯材料制成。所述转子盘位于两个定子盘中间,通过固定盘与转轴相互固定。转子盘的两侧分别装有一个轴承。
[0016] 所述定子盘内侧沿圆周方向均匀分布一定数量的窄凹槽和宽凹槽,两种凹槽
叠加形成“中”字型凹槽,凹槽内嵌有定子铁心。所述定子铁心由“U”型硅钢片叠压而成,定子铁心中部绕有绕组线圈。
[0017] 所述转子盘的圆周均匀分布两圈方形孔,内圈与外圈的方形孔数量相等,且沿半径方向对齐。方形孔内嵌有轴向充磁的方形永磁体,沿圆周方向永磁体的磁极交替排列,沿半径方向两块永磁体的极性相反。
[0018] 本发明的工作原理及工作过程为:
[0019] 本发明作为发电机使用时,外部动力源拖动带有永磁体的转子盘在两个定子盘之间旋转。当转子盘径向上的两块永磁体旋转到两个正对的“U”型定子铁心中间时,由于径向上两块永磁体极性相反,从而与两侧正对的“U”型定子铁心形成闭合磁路。随着转子盘的旋转,沿圆周方向永磁体磁极交替变化,永磁体在两侧“U”型定子铁心中形成的磁场也随之交替变化,进而在定子铁心的绕组上感应出电流。多个定子铁心的线圈按照一定的顺序连接,形成稳定的电能输出。
[0020] 本发明作为
电动机使用时,根据转子盘上永磁体的
位置,分别给相应的定子铁心的绕组线圈通入电流,在两个正对的“U”定子铁心之间形成旋转磁场,带动转子盘旋转,形成稳定的机械能输出。
[0021] 本发明的有益效果为:
[0022] 1、本发明盘式电机的定子盘、转子盘、转轴和固定盘等主要大结构部件均采用重量轻、强度大的超高分子量聚乙烯材料制成,可以有效降低电机的总体重量,提高电机的功率密度。
[0023] 2、本发明盘式电机的定子铁心模块由“U”型硅钢片叠压而成,中部绕有绕组线圈,结构简单,体积小巧,容易加工,采用硅钢片的边
角料即可制作,节约成本。
[0024] 3、本发明盘式电机采用的永磁体为方型结构,容易加工,便于充磁,体积小巧,利用率高。
[0025] 4、本发盘式电机的定子铁心和永磁体分别镶嵌于定子盘和转子盘内部。一方面,相对于传统表贴式结构,本发明结构具有更高的可靠性;另一方面,由于铁心和永磁体都嵌入在定子盘和转子盘内部,经过简单的环
氧灌封,本发明可以完全投入
水中或
海水中运行,可以有效避免金属
腐蚀问题。
[0026] 5、本发明盘式电机的定子铁心和转子永磁体均采用模块化设计,其数量可根据定转子极槽配合任意选取,有效克服电机绕组谐波和
齿槽转矩,改善电机运行性能。
附图说明
[0027] 图1是本发明盘式电机的结构示意图,图中:1定子盘、2定子铁心、3固定盘、4转子盘、5转轴、6轴承;
[0028] 图2是本发明盘式电机的定子盘结构示意图,图中:101定子盘装配孔、102窄凹槽、103宽凹槽、104轴承室;
[0029] 图3是本发明盘式电机的转子盘结构示意图,图中:401转子盘体、402永磁体、403转子盘装配孔;
[0030] 图4是本发明盘式电机的定子铁心示意图,图中:201“U”型铁心;202绕组线圈;
[0031] 图5是本发明盘式电机的转轴结构示意图,图中:501转子盘
定位台阶、502转轴装配孔;
[0032] 图6是本发明盘式电机的固定盘结构示意图,图中,301固定盘装配孔。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
[0034] 如图1所示,本发明盘式电机包括定子盘1、定子铁心2、转子盘3、转轴4、固定盘3和轴承6。转子盘4位于两个定子盘1中间,通过固定盘3与转轴5相互固定。
[0035] 如图1或图2或图4所示,“U”型硅钢片叠压形成具有一定厚度的“U”型铁心201,“U”型铁心201中部缠绕绕组线圈202,形成定子铁心2。定子铁心2嵌入定子盘1内侧的凹槽内,“U”型铁心201对应窄凹槽102,绕组线圈202对应宽凹槽103。
[0036] 如图1或图3或图5或图6所示,永磁体402嵌入转子盘体401的方形孔内,形成转子盘4。永磁体402的磁极沿圆周方向交替排列,沿半径方向两块永磁体的极性相反。转子盘4、固定盘3套入转轴5中,转子盘4位于固定盘3和转子盘定位台阶501之间,利用固定盘3和转子盘定位台阶501将转子盘4夹紧。固定盘装配孔301、转子盘装配孔403和转轴装配孔502对齐,通过
螺栓固定。两个轴承6分别位于转子盘4的两侧,左侧轴承紧贴固定盘3,右侧轴承紧贴转子盘定位台阶501。
[0037] 如图1所示,两个嵌有定子铁心2的定子盘1分别位于转子盘4两侧,轴承6嵌入定子盘1的轴承室104内。两侧的定子盘装配孔101对齐,通过螺栓固定。