【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电机及新能源汽车设计及制造。
技术介绍
1、随着新能源汽车尤其是纯电动汽车产业的快速发展，对电动的高速性能及高功率密度提出更高要求，随着电机转速的提升对电机及相关零部件性能均提出更高要求，电机转子及高速区轴承、齿轮的高速性能nvh提出更苛刻要求，成本增加，同时安全性、故障率等问题随之而来，双转子电机特别是对转双转子电机是一种可以成倍数提升电机功率密度的技术方向，但对转双转子电机会带来一技术命题，即：外转子或内转子至少其中之一的电流输入问题是一技术工艺难点，按照现有技术手段基本需采取电刷电环的摩擦接触方式进行电流传导，尤其是针对大功率电机来讲，采用有刷方案将使得电机寿命、安全性受到很大影响。
技术实现思路
1、在先申请“高功率密度双盘永磁同步电机及设计方法”基础上，本专利技术公开一种分盘式高功率密度电机及设计方法，采用双盘或多盘结构，类似发动机的多缸互补原理，将直流电或交流电或单相交流电进行“裂相”完成电机的连续圆周旋转或直线运动，此具体实施方案可以是针对直流有刷电机，直流无刷电机，永磁同步电机，感应异步电机来完成，由于具有多盘互补效应，转子定子极对数可以相等，可以增加单位空间内的定子转子相互作用力点数密集度，增加电磁力矩或磁阻力矩密度，可以采用方波代替正弦波电流，采用适时对方波换向交错区进行瞬态断电可以有效消除负扭矩，以上综合措施可以大大提升电机功率密度。
2、按照目前功率密度最高的永磁同步电机对比分析，按照三相正弦波绕组排线法，极对数与线槽数比值为6，而
3、分析：以上提升能量密度的三种方案，第一种方案“绕组槽相电流波形凝聚法”是靠提升电流有效做功槽相数空间及波形面积分获得的，根据能量守恒定律，其电功率必然提升相应倍数，则热功耗也会相应增加，所以，考虑电磁线电流密度太大发热问题加剧因素，一般针对“绕组槽相电流波形凝聚法”方案，采用优化方案有：1、减小电流强度(注：减小电流强度只是针对该方案的电流强度而言，由于其单相代替三相的因素，使得单位绕组槽内电流有效功增加，定子转子作用点增加3倍，且用方波，所以其整体电流强度并不比传统交流同步异步电机小，反而增大)；2、减少绕组环满率(环满率定义：360定子圆周上绕组圆周阵列的排布密度饱和率)密度，也即减少定子转子极对数受力点来变相减少热量发生来实现，这样可以在不减小电流强度前提下减少绕组数量，进而降低成本及重量，并有足够空间设置导热间隙通道空间提升散热效率。所以，如果按照抗热能力提升1.5倍允许值设计，即：允许电流强度提升1.5倍计算，则最大理论减重为3.77/1.5＝2.51倍，即：在确保功率密度不变前提下，绕组及铁芯重量可减轻2.51倍(假设不允许热耗增加，则必须减少3.77倍绕组比率方可获得能量等效或热等效平衡)。显见：此方式可以增加能量密度或减小电机重量级成本。
4、对于上述第二及第三方案，第二方案为：“对转双转子提升2倍同步气隙磁场相对转速法”，此方式等效于是通过提升2倍电机转速来获得功率密度提升，电流没有增加，显见此方式对热耗没有影响，所以采用此方式提升功率密度几乎没有制约考虑因素。第三方案为“双向磁通法”，由于电机转矩密度与气隙面积成正比，因此增加有效气隙面积就意味着转矩密度增加，双向磁通可以增加气隙面积约2倍，所以扭矩可以增加约2倍，此方式似乎并没有增大绕组电流(注：由于反电动势增加，所以要保证其功率密度不变其电压需增加2倍)，因而其热耗也没有增加，所以采用此方式提升功率密度也没有电磁范畴制约因素，有空间及元件数量增加，成本会相应增加。
5、总结：显见：上述三种增加能量密度方案，第二种第三种几乎没有制约因素，而第一种如果要采用则需考虑采用更好的散热措施，比如水冷油冷或强化风冷等综合方案。
6、此方案核心创新点，采用“物理空间移位裂相法”，使得可以用直流电或方波或单相交流电代替三相交流电，且采用在电磁力作用元件(绕组及永磁体)力学相位关系进入“扭矩零区时的越中(绕组及磁钢二者作用力进入力矩为零或两侧作用力平衡抵消区域)”问题通过适时断电及双盘相位互补得以圆满解决，而且适时断电也彻底消除了负扭矩效应并节约电能，可以使的转子定子数量相等，使得转子定子的相互作用力点位数密度大大增加，最大限度发挥单位空间内各电磁力作用元件(绕组及永磁体)的功率潜能，提升功率密度。
7、注：上述“物理空间转角位裂相法”或称之为“分盘裂相法”的物理空间分盘并没有从实质上对电流波形进行相位移位裂相，而是针对力矩扭矩范畴而言的裂相越中互补，从而获得稳定可持续的扭矩输出；而电流的裂相或电流方向的换向或波形移位是借助有刷或无刷换向器捕捉转子位置来适时改变电流方向进行换向或亦可以称之为相位移位(例如方波的相位变化)，或者通过外部控制器进行电流相位变化来实现；但是，此方案的意义在于，将绕组密度设计及有效做功密度增大，或者，把三相交流电变为单相交流电或方波交流电或脉动直流电，并通过分盘裂相实现了电磁势能的连续展开，类似回旋加速器一样，转化为连续稳定的单向转矩机械能，所以，其绕组的有效输出功密度大大增加，即：原来需要6槽改为2槽，三相变单相，有效输出功密度增加，且可以用方波进一步提升能量密度。
8、此“物理空间转角位裂相法”、“绕组槽相电流波形凝聚法”、“2倍相对转速法”、“双向磁通法”适用于所有类型电机，可以用于：直流有刷电机、直流无刷电机、永磁同步电机、感应异步电机、开本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.分盘式高功率密度电机及设计方法，包括电机绕组、永磁体、机壳等，其特征是：采用双盘或多盘结构，将直流电或三相交流电或单相交流电或正弦波交流电或方波交流电进行“裂相”完成电机的连续圆周旋转或直线运动，此具体实施方案可以是针对直流有刷电机，直流无刷电机，永磁同步电机，感应异步电机，开关磁阻电机来完成，由于具有多盘互补效应，转子定子极对数可以相等，可以增加单位空间内的定子转子相互作用力点数密集度，增加电磁力矩或磁阻力矩密度，可以采用方波代替正弦波电流，采用适时对方波换向交错区进行瞬态断电可以有效消除负扭矩，可以大幅度提升电机功率密度，此技术方案同样适用于发电机。
2.根据权利要求1所述的分盘式高功率密度电机及设计方法，其特征是：以目前功率密度最高的永磁同步电机分析，按照三相正弦波绕组排线法，极对数与线槽数比值为6，而本案采用直流或调制交流方波或单相电流电，相位裂相差为90度，极对数与线槽数比值可以是2，定子转子电磁作用点为数增加3倍；按照双盘方波“重叠度占比”设定在95％(通过定子转子的恒磁阻界限面效应分析，只要不出界则不会产生负扭矩，则断电间隙接近于换向间歇，其断电间隙
3.根据权利要求1所述的分盘式高功率密度电机及设计方法，其特征是：此方案核心创新点，采用“物理空间移位裂相法”，使得可以用直流电或方波或单相交流电代替三相交流电，且采用在电磁力作用元件(绕组及永磁体)力学相位关系进入“扭矩零区时的越中(绕组及磁钢二者作用力进入力矩为零或两侧作用力平衡抵消区域)”问题通过适时断电及双盘相位互补得以圆满解决，而且适时断电也彻底消除了负扭矩效应并节约电能，可以使的转子定子数量相等，使得转子定子的相互作用力点位数密度大大增加，最大限度发挥单位空间内各电磁力作用元件(绕组及永磁体)的功率潜能，提升功率密度；
4.根据权利要求1所述的分盘式高功率密度电机及设计方法，其特征是：对于开关磁阻电机的控制策略为：其双盘或多盘构型模式的控制方式均必须是：越过中位即将远离的磁阻盘在此期间必处于断电状态，靠其他盘把其拉到合适位置时才能给电，此合适位置为：当给电时其产生的磁拉力可以产生正向扭矩的区域；对于电磁扭矩方案，则是只要一换向即可，而磁阻电机则是必须断电，即：通过通电断电的方式来获得类似换向效果，由于磁阻磁拉力与电流方向性无关，即其没有方向性，只有磁阻大小有关，即：总是沿着磁阻最小的趋势运动，所以，其相邻磁极必须有一定空间距离，靠此空间距离来构造出正向扭矩磁拉力，这就是开关磁阻电机磁极布局密度不能太大且必须是凸极原因；但通过分盘设计，将很好解决此问题，且控制系统的设计也简化了；
5.根据权利要求1所述的分盘式高功率密度电机及设计方法，其特征是：该电机总成由彼此相对独立的四层电机模块盘(或者，其层数或盘数可以是2、3、4、5、6……N层)同轴布置组成，每层电机模块盘由各自的定子铁芯及定子绕组及转子铁芯组成(或者：也可以是外转子结构，即：定子铁芯及定子绕组在内部静止，转子铁芯在外部旋转；或者，也可以是轴向磁通电机，见下文)，每层电机模块盘的定子铁芯均与电机壳体固定或者彼此间按照设定的间距角错位固联一体形成电机总成定子及电机外壳，每层电机模块盘的转子轴向对齐并彼此固定并与电机输出轴固联；或者，是定子绕组轴向对齐，各转子彼此间按照设定的间距角错位固联一体形成电机转子；
6.根据权利要求1所述的分盘式高功率密度电机及设计方法，...
【技术特征摘要】
1.分盘式高功率密度电机及设计方法，包括电机绕组、永磁体、机壳等，其特征是：采用双盘或多盘结构，将直流电或三相交流电或单相交流电或正弦波交流电或方波交流电进行“裂相”完成电机的连续圆周旋转或直线运动，此具体实施方案可以是针对直流有刷电机，直流无刷电机，永磁同步电机，感应异步电机，开关磁阻电机来完成，由于具有多盘互补效应，转子定子极对数可以相等，可以增加单位空间内的定子转子相互作用力点数密集度，增加电磁力矩或磁阻力矩密度，可以采用方波代替正弦波电流，采用适时对方波换向交错区进行瞬态断电可以有效消除负扭矩，可以大幅度提升电机功率密度，此技术方案同样适用于发电机。
2.根据权利要求1所述的分盘式高功率密度电机及设计方法，其特征是：以目前功率密度最高的永磁同步电机分析，按照三相正弦波绕组排线法，极对数与线槽数比值为6，而本案采用直流或调制交流方波或单相电流电，相位裂相差为90度，极对数与线槽数比值可以是2，定子转子电磁作用点为数增加3倍；按照双盘方波“重叠度占比”设定在95％(通过定子转子的恒磁阻界限面效应分析，只要不出界则不会产生负扭矩，则断电间隙接近于换向间歇，其断电间隙几乎逼近于零，可以保守按照最大不超5％占空比计算)计算，理论上可以提升2.85倍，如果将极对数尽量细分则双盘方波“重叠度占比”可以提升到98％甚至更高，则理论上可以提升2.9倍以上；另外，由于方波的能量面积分是正弦波的1.4倍，如果考虑转子旋转过程受气隙角度及力臂角度因素影响，按照1.3计算，则功率密度可以提升值＝2.9*1.3＝3.77倍；或者，实际中，也可以按照标准无间断方波交流电(电流换向时间按照零计算，正向电流负向电流衔接点为同一时间)控制方案，即使使用无刷或有刷方案(有刷方案会有小间隙)，也是可以做到类似无间断方波或者是由直流电经有刷或无刷换向器调制后的方波交流电或脉冲交流电，按照无间断方波交流电或无间断脉冲交流电，其理论上功率密度＝3*1.3＝3.9，以上方案名词定义为“绕组槽相电流波形凝聚法”；再结合在先申请的对转双转子工作原理可以再提升2倍功率密度(命名为：对转双转子提升2倍同步气隙磁场相对转速法，简称：“2倍相对转速法”)，如果再按照在先申请的单绕组双向磁通对应双磁钢(或单磁钢双向磁通对应双绕组)双作用原理还可提升2倍功率功率(命名为：“双向磁通法”)，则三方案的叠加功率密度最大理论值可以提升3.77*2*2＝15.08倍；或者3.9*2*2＝15.6倍；
3.根据权利要求1所述的分盘式高功率密度电机及设计方法，其特征是：此方案核心创新点，采用“物理空间移位裂相法”，使得可以用直流电或方波或单相交流电代替三相交流电，且采用在电磁力作用元件(绕组及永磁体)力学相位关系进入“扭矩零区时的越中(绕组及磁钢二者作用力进入力矩为零或两侧作用力平衡抵消区域)”问题通过适时断电及双盘相位互补得以圆满解决，而且适时断电也彻底消除了负扭矩效应并节约电能，可以使的转子定子数量相等，使得转子定子的相互作用力点位数密度大大增加，最大限度发挥单位空间内各电磁力作用元件(绕组及永磁体)的功率潜能，提升功率密度；
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