阅读说明：本技术 一种具有多层复合三维磁极阵列的盘式电机 (Disc type motor with multilayer composite three-dimensional magnetic pole array ) 是由 严亮 董子薇 田得可 于 2019-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有多层复合三维磁极阵列的盘式电机，其包括设于电机外壳内且沿电机转轴的轴向依次同轴套装的上层定子磁铁盘、上层转子线圈、中层定子磁铁盘、下层转子线圈、下层定子磁铁盘，上、下层定子磁铁盘上的永磁体均为轴向和切向交替排列的磁极阵列，中层定子磁铁盘上的永磁体为轴向的磁极阵列，三者的轴向永磁体一一相对且充磁方向相同，上、下层定子磁铁盘上的切向永磁体一一相对且充磁方向相反；上、下层转子线圈间隔地均布有多个绕组单元，相邻的两个绕组单元的通电方向相反；上、下层绕组单元一一相对且通电方向相同。采用本发明，能够确保电机中的气隙磁通密度足够大的同时，提高转子运动余度，提升电机动态性能。(The invention discloses a disc type motor with a multilayer composite three-dimensional magnetic pole array, which comprises an upper layer stator magnet disc, an upper layer rotor coil, a middle layer stator magnet disc, a lower layer rotor coil and a lower layer stator magnet disc which are arranged in a motor shell and coaxially sleeved in sequence along the axial direction of a motor rotating shaft, wherein permanent magnets on the upper layer stator magnet disc and the lower layer stator magnet disc are magnetic pole arrays which are alternately arranged in the axial direction and the tangential direction; a plurality of winding units are uniformly distributed on the upper layer rotor coil and the lower layer rotor coil at intervals, and the electrifying directions of two adjacent winding units are opposite; the upper and lower layer winding units are opposite one to one and have the same electrifying direction. By adopting the invention, the air gap flux density in the motor can be ensured to be large enough, the motion redundancy of the rotor is improved, and the dynamic performance of the motor is improved.)

一种具有多层复合三维磁极阵列的盘式电机

技术领域

本发明涉及一种盘式电机，特别是涉及一种具有多层复合三维磁极阵列的盘式电机。

背景技术

盘式永磁电机又称轴向磁场电机，由于具有轴向尺寸短，体积小，重量轻等优点，成为电机研究领域的热点。

稀土永磁材料的应用改善了传统盘式电机铁心利用率低等问题，使得盘式电机得到了进一步的推广。与此同时，考虑到稀土永磁材料的储量少而需求量大的矛盾，我们需要充分利用永磁材料的磁性，在盘式永磁电机的设计过程中，在保证电机性能的前提下，应该尽可能地减少永磁材料的使用量，从而达到节约电机成本的目的。也就是说，用最少的永磁材料提高气隙磁通密度，来确保电机中的气隙磁通密度足够大。一般可以从两个方面提高永磁电机气隙磁通密度，一是选择性能更好的永磁材料，然而高性能的永磁材料，往往意味着更高的价格成本，这限制了永磁材料的选择。二是改变永磁体磁极阵列的排列结构从而提高气隙磁通密度，这是一项有效的措施。所以本发明提出了一种新型的三维磁极阵列的盘式电机，从自屏蔽、增强磁场和多动子输出等方面提升了盘式电机的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种具有多层复合三维磁极阵列的盘式电机，能够确保电机中的气隙磁通密度足够大的同时，提高转子运动余度与独立性，并形成自屏蔽，降低电机质量，降低电机发热，提升电机动态性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有多层复合三维磁极阵列的盘式电机，其包括电机外壳、电机转轴以及设于所述电机外壳内且沿所述电机转轴的轴向依次同轴套装的上层定子磁铁盘、上层转子线圈、中层定子磁铁盘、下层转子线圈、下层定子磁铁盘，所述上层定子磁铁盘、中层定子磁铁盘和下层定子磁铁盘分别与所述电机外壳固定相连，所述上层转子线圈和下层转子线圈分别与所述电机转轴固定相连且能相对各个定子磁铁盘转动；

所述上层定子磁铁盘沿其圆周方向均布有多个上层永磁体，多个所述上层永磁体为轴向和切向交替排列的磁极阵列，所述上层永磁体包括上层轴向永磁体和上层切向永磁体；所述中层定子磁铁盘沿其圆周方向间隔地均布有多个中层永磁体，多个所述中层永磁体为轴向的磁极阵列，所述中层永磁体包括中层轴向永磁体；所述下层定子磁铁盘沿其圆周方向均布有多个下层永磁体，多个所述下层永磁体为轴向和切向交替排列的磁极阵列，所述下层永磁体包括下层轴向永磁体和下层切向永磁体；所述上层轴向永磁体、所述中层轴向永磁体和所述下层轴向永磁体一一相对且充磁方向相同；所述上层切向永磁体与所述下层切向永磁体一一相对且充磁方向相反；

所述上层转子线圈沿其圆周方向间隔地均布有多个上层绕组单元，相邻的两个所述上层绕组单元的通电方向相反；所述下层转子线圈沿其圆周方向间隔地均布有多个下层绕组单元，相邻的两个所述下层绕组单元的通电方向相反；所述上层绕组单元和所述下层绕组单元一一相对且通电方向相同。

作为本发明优选的方案，所述上层转子线圈和下层转子线圈的通电方式相互独立。

作为本发明优选的方案，所述上层定子磁铁盘、中层定子磁铁盘和下层定子磁铁盘均为圆盘式结构。

作为本发明优选的方案，所述上层转子线圈和下层转子线圈均为扇叶式结构。

作为本发明优选的方案，所述上层永磁体、中层永磁体和下层永磁体的形状均为扇形，所述上层绕组单元和下层绕组单元的形状均为扇形。

作为本发明优选的方案，所述中层定子磁铁盘中的相邻中层永磁体之间连接有不导磁的间隔环。

作为本发明优选的方案，所述上层永磁体、中层永磁体和下层永磁体的材质均为钕铁硼永磁材料。

作为本发明优选的方案，所述上层转子线圈和下层转子线圈均设有线圈支架。

作为本发明优选的方案，所述线圈支架为轭铁。

实施本发明提供的一种具有多层复合三维磁极阵列的盘式电机，与现有技术相比较，其有益效果在于：

(1)通过上层定子磁铁盘、中层定子磁铁盘和下层定子磁铁盘的设计，优化了电机的轴向磁路，提升了电机内部的轴向磁场分量，从而极大地增大输出力矩。

(2)上层定子磁铁盘和下层定子磁铁盘均采用轴向和切向交替排列的磁极阵列，能够在电机内侧以及各层间形成自屏蔽作用，减少磁漏，有助于减少背铁，降低电机的总重量，降低电机发热，能够明显提升电机响应特性。

(3)将上层转子线圈和下层转子线圈通过电机转轴连接成一个整体，能够有效增强转子的总体输出力；而且由于上层转子线圈和下层转子线圈的通电方式相互独立，故能够通过分别控制两个转子线圈的电流输入，使上层转子线圈和下层转子线圈获得不同的输出力，两个转子互为备份提高了电机转子运动的余度特性，进而提升了电机加载可靠性；对于其他应用来说，双转子同轴输出也提升了电机运动灵活性以及集成度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是本发明提供的一种具有多层复合三维磁极阵列的盘式电机的结构示意图；

图2是上层定子磁铁盘的磁路结构图；

图3是上层转子线圈的通电示意图；

图4是中层定子磁铁盘的磁路结构图；

图5是下层转子线圈的通电示意图；

图6是下层定子磁铁盘的磁路结构图；

图7是本发明提供的具有多层复合三维磁极阵列的盘式电机的磁感线分布走势图；

图8是本发明提供的具有多层复合三维磁极阵列的盘式电机的转子输出力示意图；

图中，1、电机外壳，2、电机转轴，3、上层定子磁铁盘，31、上层轴向永磁体，32、上层切向永磁体，4、上层转子线圈，41、上层绕组单元，5、中层定子磁铁盘，51、中层轴向永磁体，52、间隔环，6、下层转子线圈，61、下层绕组单元，7、下层定子磁铁盘，71、下层轴向永磁体，72、下层切向永磁体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“上层”、“中层”、“下层”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，应当理解的是，除非另有明确的规定和限定，本发明中采用术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供的一种具有多层复合三维磁极阵列的盘式电机，其包括电机外壳1、电机转轴2以及设于所述电机外壳1内且沿所述电机转轴2的轴向依次同轴套装的上层定子磁铁盘3、上层转子线圈4、中层定子磁铁盘5、下层转子线圈6、下层定子磁铁盘7，所述上层定子磁铁盘3、中层定子磁铁盘5和下层定子磁铁盘7分别与所述电机外壳1固定相连，所述上层转子线圈4和下层转子线圈6分别与所述电机转轴2固定相连且能相对各个定子磁铁盘转动。

如图2所示，所述上层定子磁铁盘3沿其圆周方向均布有多个上层永磁体，多个所述上层永磁体为轴向和切向交替排列的磁极阵列，所述上层永磁体包括上层轴向永磁体31和上层切向永磁体32。具体的，所述上层定子磁铁盘3为圆盘式结构，所述上层永磁体的形状为扇形，所述上层永磁体的材质为具有高剩磁密度和高矫顽力的钕铁硼永磁材料。

如图3所示，所述中层定子磁铁盘5沿其圆周方向间隔地均布有多个中层永磁体，多个所述中层永磁体为轴向的磁极阵列，所述中层永磁体包括中层轴向永磁体51。具体的，所述中层定子磁铁盘5为圆盘式结构，所述中层永磁体的形状为扇形，所述中层永磁体的材质为具有高剩磁密度和高矫顽力的钕铁硼永磁材料；所述中层定子磁铁盘5中的相邻中层永磁体之间连接有不导磁的间隔环52，所述间隔环52通过粘结的方式与两侧的中层永磁体固定，方便中层永磁体安装固定。

如图4所示，所述下层定子磁铁盘7沿其圆周方向均布有多个下层永磁体，多个所述下层永磁体为轴向和切向交替排列的磁极阵列，所述下层永磁体包括下层轴向永磁体71和下层切向永磁体72。具体的，所述下层定子磁铁盘7为圆盘式结构，所述下层永磁体的形状为扇形，所述下层永磁体的材质为具有高剩磁密度和高矫顽力的钕铁硼永磁材料。

如图5所示，所述上层转子线圈4沿其圆周方向间隔地均布有多个上层绕组单元41，相邻的两个所述上层绕组单元41的通电方向相反。具体的，所述上层转子线圈4设有线圈支架，该线圈支架优选为轭铁；所述上层转子线圈4为扇叶式结构，所述上层绕组单元41为扇形。

如图6所示，所述下层转子线圈6沿其圆周方向间隔地均布有多个下层绕组单元61，相邻的两个所述下层绕组单元61的通电方向相反。具体性的，所述上层转子线圈4设有线圈支架，该线圈支架优选为轭铁；所述下层转子线圈6为扇叶式结构，所述下层绕组单元61的形状为扇形。

如图7所示，所述上层轴向永磁体31、所述中层轴向永磁体51和所述下层轴向永磁体71一一相对且充磁方向相同；所述上层切向永磁体32与所述下层切向永磁体72一一相对且充磁方向相反；所述上层绕组单元41和所述下层绕组单元61一一相对且通电方向相同。

需要说明的是，所述上层转子线圈4和下层转子线圈6的通电方式相互独立，也即可以分别控制上层转子线圈4和下层转子线圈6的输入电流，使上层转子线圈4和下层转子线圈6获得相同或不同的输出力(输出扭矩)。

假设磁感线B从上层定子磁铁盘3出发，经过上层转子线圈4、中层定子磁铁盘5、下层转子线圈6、下层定子磁铁盘7，最终经电机外壳1(背铁)回到上层定子磁铁盘3，形成完整的回路。三层定子磁铁盘之间穿插布置在上、下层转子线圈6，形成方向统一的轴向磁场，从而产生切向输出力F，保证转子转动，如图8所示。图8中“圆点”代表线圈横截面电流方向垂直纸面向外，“×”代表电流方向垂直纸面向内。若电流方向相反，则电机转子会产生反方向的输出力，反向转动。通过不断调整通电方向即可实现动子旋转运动。在实际加载过程中，通过改变通电电流的频率以及幅值，可以相应改变输出力方向变化频率以及输出力幅值大小，从而对被加载部件产生恒定的旋转运动或者两个独立的旋转运动。

综上所述，实施本发明提供的一种具有多层复合三维磁极阵列的盘式电机，其第一个关键在于：通过上层定子磁铁盘3、中层定子磁铁盘5和下层定子磁铁盘7的设计，优化了电机的轴向磁路，提升了电机内部的轴向磁场分量，从而极大地增大输出力矩。第二个关键在于：上层定子磁铁盘3和下层定子磁铁盘7均采用轴向和切向交替排列的磁极阵列，能够在电机内侧以及各层间形成自屏蔽作用，减少磁漏，有助于减少背铁，降低电机的总重量，降低电机发热，能够明显提升电机响应特性。第三个关键在于：将上层转子线圈4和下层转子线圈6通过电机转轴2连接成一个整体，能够有效增强转子的总体输出力；而且由于上层转子线圈4和下层转子线圈6的通电方式相互独立，故能够通过分别控制两个转子线圈的电流输入，使上层转子线圈4和下层转子线圈6获得不同的输出力，两个转子互为备份提高了电机转子运动的余度特性，进而提升了电机加载可靠性；对于其他应用来说，双转子同轴输出也提升了电机运动灵活性以及集成度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。