【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于電機及新能源汽車設計及制造。
技術介紹
1、隨著新能源汽車尤其是純電動汽車產業的快速發展，對電動的高速性能及高功率密度提出更高要求，隨著電機轉速的提升對電機及相關零部件性能均提出更高要求，電機轉子及高速區軸承、齒輪的高速性能nvh提出更苛刻要求，成本增加，同時安全性、故障率等問題隨之而來，雙轉子電機特別是對轉雙轉子電機是一種可以成倍數提升電機功率密度的技術方向，但對轉雙轉子電機會帶來一技術命題，即：外轉子或內轉子至少其中之一的電流輸入問題是一技術工藝難點，按照現有技術手段基本需采取電刷電環的摩擦接觸方式進行電流傳導，尤其是針對大功率電機來講，采用有刷方案將使得電機壽命、安全性受到很大影響。
技術實現思路
1、在先申請“高功率密度雙盤永磁同步電機及設計方法”基礎上，本專利技術公開一種分盤式高功率密度電機及設計方法，采用雙盤或多盤結構，類似發動機的多缸互補原理，將直流電或交流電或單相交流電進行“裂相”完成電機的連續圓周旋轉或直線運動，此具體實施方案可以是針對直流有刷電機，直流無刷電機，永磁同步電機，感應異步電機來完成，由于具有多盤互補效應，轉子定子極對數可以相等，可以增加單位空間內的定子轉子相互作用力點數密集度，增加電磁力矩或磁阻力矩密度，可以采用方波代替正弦波電流，采用適時對方波換向交錯區進行瞬態斷電可以有效消除負扭矩，以上綜合措施可以大大提升電機功率密度。
2、按照目前功率密度最高的永磁同步電機對比分析，按照三相正弦波繞組排線法，極對數與線槽數比值為6，而
3、分析：以上提升能量密度的三種方案，第一種方案“繞組槽相電流波形凝聚法”是靠提升電流有效做功槽相數空間及波形面積分獲得的，根據能量守恒定律，其電功率必然提升相應倍數，則熱功耗也會相應增加，所以，考慮電磁線電流密度太大發熱問題加劇因素，一般針對“繞組槽相電流波形凝聚法”方案，采用優化方案有：1、減小電流強度(注：減小電流強度只是針對該方案的電流強度而言，由于其單相代替三相的因素，使得單位繞組槽內電流有效功增加，定子轉子作用點增加3倍，且用方波，所以其整體電流強度并不比傳統交流同步異步電機小，反而增大)；2、減少繞組環滿率(環滿率定義：360定子圓周上繞組圓周陣列的排布密度飽和率)密度，也即減少定子轉子極對數受力點來變相減少熱量發生來實現，這樣可以在不減小電流強度前提下減少繞組數量，進而降低成本及重量，并有足夠空間設置導熱間隙通道空間提升散熱效率。所以，如果按照抗熱能力提升1.5倍允許值設計，即：允許電流強度提升1.5倍計算，則最大理論減重為3.77/1.5＝2.51倍，即：在確保功率密度不變前提下，繞組及鐵芯重量可減輕2.51倍(假設不允許熱耗增加，則必須減少3.77倍繞組比率方可獲得能量等效或熱等效平衡)。顯見：此方式可以增加能量密度或減小電機重量級成本。
4、對于上述第二及第三方案，第二方案為：“對轉雙轉子提升2倍同步氣隙磁場相對轉速法”，此方式等效于是通過提升2倍電機轉速來獲得功率密度提升，電流沒有增加，顯見此方式對熱耗沒有影響，所以采用此方式提升功率密度幾乎沒有制約考慮因素。第三方案為“雙向磁通法”，由于電機轉矩密度與氣隙面積成正比，因此增加有效氣隙面積就意味著轉矩密度增加，雙向磁通可以增加氣隙面積約2倍，所以扭矩可以增加約2倍，此方式似乎并沒有增大繞組電流(注：由于反電動勢增加，所以要保證其功率密度不變其電壓需增加2倍)，因而其熱耗也沒有增加，所以采用此方式提升功率密度也沒有電磁范疇制約因素，有空間及元件數量增加，成本會相應增加。
5、總結：顯見：上述三種增加能量密度方案，第二種第三種幾乎沒有制約因素，而第一種如果要采用則需考慮采用更好的散熱措施，比如水冷油冷或強化風冷等綜合方案。
6、此方案核心創新點，采用“物理空間移位裂相法”，使得可以用直流電或方波或單相交流電代替三相交流電，且采用在電磁力作用元件(繞組及永磁體)力學相位關系進入“扭矩零區時的越中(繞組及磁鋼二者作用力進入力矩為零或兩側作用力平衡抵消區域)”問題通過適時斷電及雙盤相位互補得以圓滿解決，而且適時斷電也徹底消除了負扭矩效應并節約電能，可以使的轉子定子數量相等，使得轉子定子的相互作用力點位數密度大大增加，最大限度發揮單位空間內各電磁力作用元件(繞組及永磁體)的功率潛能，提升功率密度。
7、注：上述“物理空間轉角位裂相法”或稱之為“分盤裂相法”的物理空間分盤并沒有從實質上對電流波形進行相位移位裂相，而是針對力矩扭矩范疇而言的裂相越中互補，從而獲得穩定可持續的扭矩輸出；而電流的裂相或電流方向的換向或波形移位是借助有刷或無刷換向器捕捉轉子位置來適時改變電流方向進行換向或亦可以稱之為相位移位(例如方波的相位變化)，或者通過外部控制器進行電流相位變化來實現；但是，此方案的意義在于，將繞組密度設計及有效做功密度增大，或者，把三相交流電變為單相交流電或方波交流電或脈動直流電，并通過分盤裂相實現了電磁勢能的連續展開，類似回旋加速器一樣，轉化為連續穩定的單向轉矩機械能，所以，其繞組的有效輸出功密度大大增加，即：原來需要6槽改為2槽，三相變單相，有效輸出功密度增加，且可以用方波進一步提升能量密度。
8、此“物理空間轉角位裂相法”、“繞組槽相電流波形凝聚法”、“2倍相對轉速法”、“雙向磁通法”適用于所有類型電機，可以用于：直流有刷電機、直流無刷電機、永磁同步電機、感應異步電機、開本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.分盤式高功率密度電機及設計方法，包括電機繞組、永磁體、機殼等，其特征是：采用雙盤或多盤結構，將直流電或三相交流電或單相交流電或正弦波交流電或方波交流電進行“裂相”完成電機的連續圓周旋轉或直線運動，此具體實施方案可以是針對直流有刷電機，直流無刷電機，永磁同步電機，感應異步電機，開關磁阻電機來完成，由于具有多盤互補效應，轉子定子極對數可以相等，可以增加單位空間內的定子轉子相互作用力點數密集度，增加電磁力矩或磁阻力矩密度，可以采用方波代替正弦波電流，采用適時對方波換向交錯區進行瞬態斷電可以有效消除負扭矩，可以大幅度提升電機功率密度，此技術方案同樣適用于發電機。
2.根據權利要求1所述的分盤式高功率密度電機及設計方法，其特征是：以目前功率密度最高的永磁同步電機分析，按照三相正弦波繞組排線法，極對數與線槽數比值為6，而本案采用直流或調制交流方波或單相電流電，相位裂相差為90度，極對數與線槽數比值可以是2，定子轉子電磁作用點為數增加3倍；按照雙盤方波“重疊度占比”設定在95％(通過定子轉子的恒磁阻界限面效應分析，只要不出界則不會產生負扭矩，則斷電間隙接近于換向間歇，其斷電間隙
3.根據權利要求1所述的分盤式高功率密度電機及設計方法，其特征是：此方案核心創新點，采用“物理空間移位裂相法”，使得可以用直流電或方波或單相交流電代替三相交流電，且采用在電磁力作用元件(繞組及永磁體)力學相位關系進入“扭矩零區時的越中(繞組及磁鋼二者作用力進入力矩為零或兩側作用力平衡抵消區域)”問題通過適時斷電及雙盤相位互補得以圓滿解決，而且適時斷電也徹底消除了負扭矩效應并節約電能，可以使的轉子定子數量相等，使得轉子定子的相互作用力點位數密度大大增加，最大限度發揮單位空間內各電磁力作用元件(繞組及永磁體)的功率潛能，提升功率密度；
4.根據權利要求1所述的分盤式高功率密度電機及設計方法，其特征是：對于開關磁阻電機的控制策略為：其雙盤或多盤構型模式的控制方式均必須是：越過中位即將遠離的磁阻盤在此期間必處于斷電狀態，靠其他盤把其拉到合適位置時才能給電，此合適位置為：當給電時其產生的磁拉力可以產生正向扭矩的區域；對于電磁扭矩方案，則是只要一換向即可，而磁阻電機則是必須斷電，即：通過通電斷電的方式來獲得類似換向效果，由于磁阻磁拉力與電流方向性無關，即其沒有方向性，只有磁阻大小有關，即：總是沿著磁阻最小的趨勢運動，所以，其相鄰磁極必須有一定空間距離，靠此空間距離來構造出正向扭矩磁拉力，這就是開關磁阻電機磁極布局密度不能太大且必須是凸極原因；但通過分盤設計，將很好解決此問題，且控制系統的設計也簡化了；
5.根據權利要求1所述的分盤式高功率密度電機及設計方法，其特征是：該電機總成由彼此相對獨立的四層電機模塊盤(或者，其層數或盤數可以是2、3、4、5、6……N層)同軸布置組成，每層電機模塊盤由各自的定子鐵芯及定子繞組及轉子鐵芯組成(或者：也可以是外轉子結構，即：定子鐵芯及定子繞組在內部靜止，轉子鐵芯在外部旋轉；或者，也可以是軸向磁通電機，見下文)，每層電機模塊盤的定子鐵芯均與電機殼體固定或者彼此間按照設定的間距角錯位固聯一體形成電機總成定子及電機外殼，每層電機模塊盤的轉子軸向對齊并彼此固定并與電機輸出軸固聯；或者，是定子繞組軸向對齊，各轉子彼此間按照設定的間距角錯位固聯一體形成電機轉子；
6.根據權利要求1所述的分盤式高功率密度電機及設計方法，...
【技術特征摘要】
1.分盤式高功率密度電機及設計方法，包括電機繞組、永磁體、機殼等，其特征是：采用雙盤或多盤結構，將直流電或三相交流電或單相交流電或正弦波交流電或方波交流電進行“裂相”完成電機的連續圓周旋轉或直線運動，此具體實施方案可以是針對直流有刷電機，直流無刷電機，永磁同步電機，感應異步電機，開關磁阻電機來完成，由于具有多盤互補效應，轉子定子極對數可以相等，可以增加單位空間內的定子轉子相互作用力點數密集度，增加電磁力矩或磁阻力矩密度，可以采用方波代替正弦波電流，采用適時對方波換向交錯區進行瞬態斷電可以有效消除負扭矩，可以大幅度提升電機功率密度，此技術方案同樣適用于發電機。
2.根據權利要求1所述的分盤式高功率密度電機及設計方法，其特征是：以目前功率密度最高的永磁同步電機分析，按照三相正弦波繞組排線法，極對數與線槽數比值為6，而本案采用直流或調制交流方波或單相電流電，相位裂相差為90度，極對數與線槽數比值可以是2，定子轉子電磁作用點為數增加3倍；按照雙盤方波“重疊度占比”設定在95％(通過定子轉子的恒磁阻界限面效應分析，只要不出界則不會產生負扭矩，則斷電間隙接近于換向間歇，其斷電間隙幾乎逼近于零，可以保守按照最大不超5％占空比計算)計算，理論上可以提升2.85倍，如果將極對數盡量細分則雙盤方波“重疊度占比”可以提升到98％甚至更高，則理論上可以提升2.9倍以上；另外，由于方波的能量面積分是正弦波的1.4倍，如果考慮轉子旋轉過程受氣隙角度及力臂角度因素影響，按照1.3計算，則功率密度可以提升值＝2.9*1.3＝3.77倍；或者，實際中，也可以按照標準無間斷方波交流電(電流換向時間按照零計算，正向電流負向電流銜接點為同一時間)控制方案，即使使用無刷或有刷方案(有刷方案會有小間隙)，也是可以做到類似無間斷方波或者是由直流電經有刷或無刷換向器調制后的方波交流電或脈沖交流電，按照無間斷方波交流電或無間斷脈沖交流電，其理論上功率密度＝3*1.3＝3.9，以上方案名詞定義為“繞組槽相電流波形凝聚法”；再結合在先申請的對轉雙轉子工作原理可以再提升2倍功率密度(命名為：對轉雙轉子提升2倍同步氣隙磁場相對轉速法，簡稱：“2倍相對轉速法”)，如果再按照在先申請的單繞組雙向磁通對應雙磁鋼(或單磁鋼雙向磁通對應雙繞組)雙作用原理還可提升2倍功率功率(命名為：“雙向磁通法”)，則三方案的疊加功率密度最大理論值可以提升3.77*2*2＝15.08倍；或者3.9*2*2＝15.6倍；
3.根據權利要求1所述的分盤式高功率密度電機及設計方法，其特征是：此方案核心創新點，采用“物理空間移位裂相法”，使得可以用直流電或方波或單相交流電代替三相交流電，且采用在電磁力作用元件(繞組及永磁體)力學相位關系進入“扭矩零區時的越中(繞組及磁鋼二者作用力進入力矩為零或兩側作用力平衡抵消區域)”問題通過適時斷電及雙盤相位互補得以圓滿解決，而且適時斷電也徹底消除了負扭矩效應并節約電能，可以使的轉子定子數量相等，使得轉子定子的相互作用力點位數密度大大增加，最大限度發揮單位空間內各電磁力作用元件(繞組及永磁體)的功率潛能，提升功率密度；
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