定子無鐵心Halbach永磁陣列軸向磁通電機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明定子無鐵心Halbach永磁陣列軸向磁通電機涉及永磁電機領域，特別涉及一種定子無鐵心永磁電機。
【背景技術】
[0002]軸向磁通電機是一種氣隙為平面、磁場方向為軸向的電機，因為其外形類似于日常使用的盤子，因而一般也稱為盤式電機。由于軸向磁通電機扁平的形狀、緊湊的結構和高的轉矩密度，其在電動汽車、高速離心機、閥門控制、機器人等場合具有廣闊的應用前景。特別需要指出的是，軸向磁通電機轉子外徑較大導致其轉動慣量也很大，因此在飛輪儲能系統中作為電動/發電機具有明顯的優勢。需要注意的是，軸向磁通電機易于由單級軸向級聯組合成多級級聯式軸向磁通電機，使得這類電機朝向系列化、組合化方向發展。
[0003]傳統電機由于有定子鐵心的存在，運行時會產生較大的定子鐵心損耗；另外，定子鐵心上有齒槽，運行時會產生齒槽脈動，從而引起轉矩脈動。采用定子無鐵心技術構成的永磁電機具有效率高、轉矩脈動低、過載能力強等優點，是一種具有較好前景的新型電機。軸向磁通電機的主磁場為軸向，其轉子和定子一般都為盤狀，沿軸向排列，其電樞由繞組在圓盤上疊放而成，易于制作成定子無鐵心結構。
[0004]然而，對于定子無鐵心軸向磁通永磁電機的兩個關鍵技術是定子繞組成型和產生高正弦度氣隙磁場的永磁轉子設計。
[0005]現有技術中的無鐵心軸向磁通永磁電機的無鐵心定子繞組一般是將多相繞組線圈繞制成型后，按圓周方向將每相繞組線圈按照疊繞組或波繞組連接方式呈輻射狀分布。為了加強定子繞組結構強度，將采用環氧樹脂封裝整個線圈，固化后形成一個整體的定子繞組盤。然而，這種定子無鐵心繞組設計制造的工藝性差，加工成型后維護困難。此外，繞組完全封裝在導熱系數低的環氧樹脂里面，散熱性差，在大功率場合散熱效果差的缺點表現的更為明顯。另外，無鐵心軸向磁通永磁電機的定子也可以做成印制電路板，但目前也只限于小功率場合。
[0006]現有技術中的無鐵心軸向磁通永磁電機的永磁轉子產生的氣隙磁場通常分為方波和正弦波兩類。一般的，為了減小定子繞組上的渦流損耗，采用產生正弦波氣隙磁場的永磁轉子可以顯著提高電機運行效率。通過合理設計永磁體的形狀或采用Halbach永磁體陣列可以產生正弦波氣隙磁場。針對軸向磁通永磁電機采用的Halbach永磁體陣列，通常有:一個極下兩塊充磁方向相差90度的永磁體構成Halbach陣列、一個極下三塊充磁方向相差60度的永磁體構成Halbach陣列和一個極下四塊充磁方向相差90度的永磁體構成的Halbach陣列。然而，這些Halbach陣列產生的氣隙磁密仍然具有較大的諧波含量；而且，對于極數較少，外形尺寸較大的電機，每極下永磁體分塊數較少，每塊永磁體極弧寬度大，不利于永磁體的加工充磁。
[0007]綜上，盡管定子無鐵心軸向磁通永磁電機具有高效、高轉矩密度等優點，但是仍然有定子加工制作工藝性差、氣隙磁場諧波含量大導致繞組渦流損耗大、定子繞組散熱性差等缺點需要克服。

【發明內容】

[0008]本發明的目的是針對現有定子無鐵心軸向磁通永磁電機的不足，提供一種定子無鐵心轉子Halbach永磁陣列軸向磁通電機。
[0009]本發明的定子無鐵心Halbach永磁陣列軸向磁通電機主要包括:定子盤、轉子盤、空心軸以及機殼，轉子盤分為上、下轉子盤，在所述上、下轉子盤之間為定子盤，外側設有端蓋，所述端蓋、機殼封閉為一腔體，將定子盤、轉子盤安裝在腔體內，整體套裝在空心軸的軸壁上，其特征在于:所述定子盤為無鐵芯定子盤，其包括高分子材料合成的圓環支架、電樞繞組、定子內環固定套以及高分子材料薄板，所述高分子材料合成的圓環支架的兩側安裝有電樞繞組，電樞繞組的外側為高分子材料薄板；所述定子盤呈環形，內圓周處設有定子內環固定套，外圓周與電機的機殼固定連接；所述定子內環固定套對高分子材料合成的圓環支架、高分子材料薄板壓緊固定。
[0010]所述高分子材料合成的圓環支架的兩個側面上均開有徑向導槽，用于安裝電樞繞組的線圈，高分子材料合成的圓環支架靠近外圓周處均勻開有一圈孔，用于通過線圈；稱高分子材料合成的圓環支架支架的兩個側面為上、下兩面，所述電樞繞組包括三相，則每相包含若干對上、下繞組，每相電樞繞組線圈的繞法為:
以一個下繞組作為起始繞組，從其靠近外圓周處一點開始沿逆時針方向向內或沿順時針方向向外旋轉，若干圈后從高分子材料合成的圓環支架上的孔延伸至高分子材料合成的圓環支架的上面，繼續沿相同方向對應旋轉，旋轉圈數與下繞組相同，則第一對繞組繞制完成；以第一對繞組的結束點作為第二對繞組的起始點，往第一對繞組的相鄰位置或者第一對繞組的一側間隔若干個他相繞組的位置以相反方向旋，轉旋轉圈數與第一對繞組相同，直至從高分子材料合成的圓環支架上的孔延伸至高分子材料合成的圓環支架的下面，繼續沿相同方向對應旋轉，旋轉圈數與上繞組相同，則第二對繞組繞制完成；依次類推，完成一相繞組的繞制；
各相繞組依次等距離均勻繞制在高分子材料合成的圓環支架上，定子盤還設有出線端口，每相繞組的起始端和截止端抽頭從出線端口引出。
[0011 ] 作為一種優選，每相包含三對上、下繞組，且每個繞組纏繞五圈。
[0012]進一步的，所述轉子盤包括永磁體、轉子背軛和保護套，所述上、下轉子盤上均設有永磁體，兩個永磁體夾著定子盤，永磁體固定在轉子背軛上，轉子背軛的內圓周處固定在空心軸的軸壁上；所述保護套固定在轉子背軛上，用于保護永磁體不被離心力甩出，其分為內保護套和外保護套，分別安裝在永磁體的內圓周和外圓周上。
[0013]更進一步的，所述永磁體包括若干塊，形成若干對極的Halbach陣列固定在轉子背軛上，各永磁體在圓周方向上平均分布。
[0014]作為一種優選，該電機的轉子為四對極，即所述永磁體在轉子背軛上形成四對極，每對極包括十二塊永磁體，各永磁體占相同極弧寬度安裝轉子背軛上。
[0015]對每對極中的十二塊永磁體充磁，以第一塊永磁體軸向充磁為0度，相鄰永磁體的充磁方向依次改變30度。
[0016]在所述高分子材料合成的圓環支架上設置有水槽，與兩片高分子材料薄片形成一個封閉的水道實現電機定子盤電樞繞組的水冷散熱。
[0017]所述水槽沿圓周徑向方向設置。
[0018]本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果:
1、定子繞組采用集中繞組，每組集中繞組線包多匝線圈嵌繞在高強度的高分子材料合成的圓環支架導槽內，使定子繞組線圈有效部分的受力全部作用到高分子材料合成的圓環支架高分子材料合成的圓環支架上，提高定子繞組的結構強度，易于實現電機的大扭矩高速可靠運行；而且繞組端部每相每匝線圈沒有軸向重疊，整個定子繞組盤完全扁平，方便安裝在一個密封腔體內實現整個繞組的液體冷卻。
[0019]2、轉子采用Halbach永磁體陣列，每對極下由12段等分的永磁體拼裝而成，不僅可以有效提高氣隙磁場的正弦度，減小定子繞組由高次諧波磁場引起的渦流損耗，提高電機運行效率；而且，考慮到不同永磁體加工充磁的工藝性，每極下永磁體分段數增多，有利于每段永磁體的加工，同時也有利于電機轉子少極的設計。
[0020]3、定子繞組沿用常規的繞組下線工藝，定子盤上所有定子線圈采用絕緣材料封裝固化成一個整體，從而有利于繞組的拆卸和維修。
【附圖說明】
[0021]以下將結合附圖對本發明作進一步說明:
圖1是本發明的定子無鐵心Halbach永磁陣列的軸向磁通電機整體結構的剖視圖；
圖2是本發明的實施例定子盤兩面A相繞組連接示意圖；
圖3是本發明的實施例高分子材料合成的圓環支架安裝三相繞組后形成的定子繞組盤結構不意圖；
圖4是本發明實施例定子盤上為12組線圈的定子盤的正反兩面三相繞組連接示意圖；
圖5是本發明的實施例的Halbach永磁陣列轉子盤結構示意圖；
圖6是本發明的實施例的兩個轉子盤一對極下的Halbach永磁陣列的充磁方向示意圖；
圖7是本發明的實施例的機殼結構示意圖；
圖8是本發明的實施例的前后端蓋結構示意圖；
圖9是本發明的實施例的空心軸結構結構示意圖；
圖中元件符號說明:
1一一定子繞組、2—一嵌繞定子繞組的高分子材料合成的圓環支架、3—一環氧樹脂薄板、4一一永磁體、5—一轉子背軛、6—一轉子永磁體外環保護不銹鋼套、7—一轉子永磁體內環保護不銹鋼套、8--定子固定內環不銹鋼套、9--軸承、10--空心軸、11--后端蓋、12 iu端蓋、13 外殼。
【具體實施方式】
[0022]本發明提供一種定子無鐵心Halbach永磁陣列軸向磁通電機，為使本發明的目的，技術方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0023]如圖1所示為本發明的定子無鐵Halbach永磁陣列的軸向磁通永磁電機整體結構的剖視圖，包括由定子繞組1、嵌繞定子繞組的高分子材料合成的圓環支架2、定子內環固定套即定子固定內環不銹鋼套8和環氧樹脂薄板3組成的內定子盤，2個由Halbach陣列的永磁體4、轉子背軛5、轉子永磁體外環保護不銹鋼套6、轉子永磁體內環保護不銹鋼套7組成的外轉子盤，軸承9，空心軸10，前端蓋12，后端蓋11以及外殼13。
[0024]圖1實施例的定子無鐵心轉子磁極采用Halbach永磁陣列的軸向磁通永磁電機為90槽8極拓撲結構，90槽分為9組，每組共有10槽。定子盤主要由嵌繞定子繞組的高分子材料合成的圓環支架2，環氧樹脂薄板3、定子固定內環不銹鋼套8和定子繞組1組成。在嵌繞定子繞組的高分子材料合成的圓環支架的正反兩面開有導槽，用于安裝定子繞組線圈的高分子材料合成的圓環支架正反兩面分別有90個繞組導槽、90個水槽、和9個繞組軸向穿孔。90個繞組導槽分成9組，每組10個導槽可以安裝5匝繞組線圈。如圖2所示，為定子