CN109962596A - 一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机，包括定子和转子，定子和转子都为导磁材料且二者之间存在气隙，定子上设有导磁齿，导磁齿上交替设置集中电枢绕组和永磁体。其中电枢绕组安放于槽中，永磁体表贴于齿尖，沿径向充磁，任意相邻两永磁体充磁方向相反；定子导磁齿的个数为Ns＝4*m*k*n；导磁齿设有集中电枢绕组和永磁体的个数相同，均为2*m*k*n，所述转子设有分段导磁块的个数为Nr＝(2*m*k±1)n，其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数。本发明电机具有无刷、转子结构简单、每相反电动势对称且近似正弦、转矩脉动小、永磁体用量少、功率密度高等特点。本发明可用于电动汽车等大功率要求场合；也适用于风力发电、海浪发电等场合。

Description

一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机

技术领域

本发明涉及的是一种永磁同步电机，具体涉及的是一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机，属于电机制造技术领域。

背景技术

随着新能源技术的发展，电机作为风力发电、轨道交通、新能源汽车等领域的核心部件，得到了广泛的研究和应用。直流电机由于电枢电流和励磁电流均可独立调节，因此无论用于电动机时的调速特性，还是作为发电机运行时的输出电压稳定性都是众多电机中最理想的。然而，由于直流电机结构上存在机械电刷和换向器，具有维护不便，可靠性差等缺点，从而限制了其使用范围。交流感应电机结构简单，无需电刷，维护方便，可靠性高，在普通传动领域得到了广泛应用，但是该电机的调速性能不佳、功率因数和效率较低。传统的永磁无刷交流电机由于功率密度大，功率因数高等优势近年来得到了较快的发展。但是，其转子上需安装永磁体来进行励磁，永磁体置于电机高速转子，不仅增加了电机的成本，而且存在受到高温、振动等因素带来的退磁风险。

近年来，一种双凸极无刷直流电机得到了相关学者的广泛关注，该电机的转子结构简单，仅由导磁材料组成，可靠性高，永磁体和电枢绕组均置于定子，受振动影响小。然而，研究表明该电机绕组磁链为单极性，而且存在诸多缺点，如反电势不对称且谐波含量大，输出转矩脉动大，功率密度低等，极大地限制其工程实用性。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的在于提供一种转子结构简单、成本低，反电势近似正弦、无电刷、运行可靠，电枢绕组和永磁体均置于定子且永磁体用量较少，功率密度和效率高，转矩脉动低的转子分段式磁路互补型永磁同步电机。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机，包括定子和转子，定子和转子都为导磁材料且二者之间存在气隙，定子上设有导磁齿，导磁齿上交替设置集中电枢绕组和永磁体；定子导磁齿的个数为Ns＝4*m*k*n；导磁齿设有集中电枢绕组和永磁体的个数相同，均为2*m*k*n，转子设有分段导磁块的个数为Nr＝(2*m*k±1)n；

永磁体和集中电枢绕组交替设置在定子导磁齿上，电枢绕组缠绕在一个定子导磁齿齿上，永磁体表贴于齿尖，沿径向充磁，任意相邻两永磁体充磁方向相反，其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中一相电枢绕组串联的集中电枢绕组对数。

上述每个电机单元中任意一相电枢绕组由k对集中电枢绕组串联组成，其中任意一对集中电枢绕组中的两集中电枢绕组与转子的相对位置相差半个转子极距，对应为180度电气角度，二者具有互补特性。

上述一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机是内转子或外转子结构。作为外转子结构时，由导磁块组成的转子设置在定子外部，作为内转子结构时，由导磁块组成的转子设置在定子内部。

上述一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机是电动机或发电机。

本发明作为驱动电机使用时，可以提高***的输出功率密度和带负载能力，因此特别适合大功率驱动场合，例如城市轨道交通驱动电机、电动汽车驱动电机等领域；本发明也适合作为发电机使用，用于风力发电、海浪发电等领域，该电机结构简单，无电刷，转子仅由导磁块组成，结构简单，维护方便。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1本发明一种转子分段式磁路互补型永磁电机实施例1电机结构示意图；

图2本发明一种转子分段式磁路互补型永磁电机永磁体充磁方向示意图；

图3本发明一种转子分段式磁路互补型永磁电机实施例2电机结构示意图；

图4本发明一种转子分段式磁路互补型永磁电机实施例3电机结构示意图；

图5本发明一种转子分段式磁路互补型永磁电机实施例4电机结构示意图；

图6本发明一种转子分段式磁路互补型永磁电机实施例5电机结构示意图；

其中，10-转子，11-定子，110-导磁齿，111-电枢绕组，112-永磁体。

具体实施方式

本发明提供的一种转子分段式磁路互补型永磁电机，为使本发明的目的和技术手段、创作特征及效果更加易于明白，下面结合参照附图并举具体实例对本发明进一步详细说明。应当了解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参见图1，本发明的一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机包括定子11和转子10，定子11和转子10都为导磁材料且二者之间存在气隙，定子11上设有导磁齿110，导磁齿110上交替设置集中电枢绕组111和永磁体112。本实施例电机中，m＝3，k＝1，n＝1，其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中一相电枢绕组串联的集中电枢绕组对数。即，该电机为三相电机，具有A、B、C三相，包含有1个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组。所以定子11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*k*n＝12，导磁齿110设有集中电枢绕组111和永磁体112的个数相同，均为2*m*k*n＝6；转子10设有分段导磁块的个数为Nr＝(2*m*k±1)n，当k＝1，m＝3，n＝1时，Nr可为5，7，本实施例取Nr＝7。永磁体112和集中电枢绕组111交替设置在定子导磁齿110上，电枢绕组缠绕在一个定子导磁齿110上，永磁体112表贴于齿尖，沿径向充磁，任意相邻两永磁体112充磁方向相反。

本发明电机的每个电机单元中，集中电枢绕组111和永磁体112交替设置在定子导磁齿110上，二者个数都为2*m*k，任意一相电枢绕组所串联的集中电枢绕组111的对数为k，设置集中电枢绕组111的导磁齿110称为电枢绕组导磁齿，设置永磁体112的导磁齿110称为永磁体导磁齿；m相电枢绕组在空间上的排列方式具有如下特点，属于同相的k个集中电枢绕组置于两相邻的电枢绕组导磁齿上，属于不同相的集中电枢绕组111依次交替置于电枢绕组导磁齿上；按照上述排列方式，属于同相的2*k个集中电枢绕组111形成k对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两个集中电枢绕组111与转子的相对位置相差半个转子极距，对应电磁特性在空间上相差180度电气角度，形成互补结构，组成一相绕组时，互补的集中电枢绕组中的反电势谐波相互抵消，相电势比较正弦。n个电机单元的相电枢绕组的连接方式相同。

由于本实施例中k＝1，因此与永磁体112交替设置在定子导磁齿110上的集中电枢绕组111的个数为6，其中属于不同相的电枢绕组A，B，C依次交替置于电枢绕组导磁齿110上，属于同相的2个集中电枢绕组111形成1对互补集中电枢绕组，两个集中电枢绕组111与转子10的相对位置相差半个转子极距，对应电磁特性在空间上相差180度电气角度。如图1中A相两集中电枢绕组A1和A2。此时，集中电枢绕组A1所在的定子齿中心线正对着转子10模块中心线，而集中电枢绕组A2所在的定子齿中心线正对着两转子10模块之间的中心线，二者与转子10的相对位置相差半个转子极距，二者在空间上相差180度电气角度。通过改变A1，A2绕线方向，使二者反电势相互叠加。因此，永磁体112通入直流电后，集中电枢绕组A1和A2串联组成A相绕组的反电势基波值约为每个集中电枢绕组中反电势基波值的2倍。但是，当转子10旋转一个电气周期360°(即，旋转一个转子极距)过程中，A相集中电枢绕组A1和A2与转子10相对位置存在磁路上的差异。如图1所示位置时，如假定此时集中电枢绕组A1中的磁链近似为零，称为第一平衡位置.此时集中电枢绕组A2中的磁链也近似为零，由于集中电枢绕组A2与A1相对转子的位置不同，相差半个转子极距，因此该位置称为第二平衡位置。在转子10逆时针旋转一个电气周期过程中，A相集中电枢绕组A1中磁链幅值变化过程为：第一平衡位置——正最大幅值——第二平衡位置——负最大幅值——第一平衡位置；而A相集中电枢绕组A2中磁链幅值变化过程为：第二平衡位置——正最大幅值——第一平衡位置——负最大幅值——第二平衡位置。因此，两部分电枢绕组中的磁链变化趋势对称互补。A相集中电枢绕组A1和A2中产生的磁链都为双极性磁链(即，有正有负)，此特点与传统的双凸极电机不同。A相集中电枢绕组A1和A2中产生的反电势波形也具有对称性，串联组成A相绕组后，其谐波分量相互抵消，得到的相反电势具有较好的正弦特性，从而减小了转矩波动，非常适用于无刷交流(BLAC)控制。

B，C两相同样具有A相的特点，三相之间相位互差120°电角度。

图2为本发明实施例1一种转子分段式磁路互补型永磁电机永磁体充磁方向示意图。下文所述实施例永磁体充磁方向与本实施例类同，不再赘述。

实施例2

图3也为一台三相转子分段式磁路互补型永磁同步电机。本实施例与实施例1电机的不同之处仅在于，本实施例采用内转子结构，转子10置于定子11内部，二者之间存在气隙，因此本实施例电机同样具备本发明电机的特点。

实施例3

图4也为一台转子分段式磁路互补型永磁同步电机。本实施例中，k＝1，n＝2，m＝3，即，该电机为三相电机，包含有2个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组。所以，其定子11导磁齿110的个数为Ns＝24，导磁齿110设有集中电枢绕组111和永磁体112的个数相同，均为12；转子10中的分段导磁块的个数为Nr＝(2*m*k±1)n，Nr可为10，14，本实施例取Nr＝14。定子11中相邻两永磁体112所充磁方向相反，A相电枢绕组由两个集中电枢绕组A1，A2串联组成。集中电枢绕组A1和A2与转子的相对位置互差半个转子极距，对应180度电气角度。因此，集中电枢绕组A1和A2具有互补特性，二者串联组成A相绕组时，其中所产生的反电势谐波含量相互抵消，相反电势较正弦。同样，第二电机单元中的永磁体112和集中电枢绕组A3和A4也具有第一电机单元的特性，因此，集中电枢绕组A3和A4之间也具有互补特性。当两电机单元中的集中电枢绕组A1，A2，A3和A4串联组成A相绕组时，集中绕组中产生的反电势高次谐波相互抵消，A相绕组反电势基波幅值近似为集中绕A1，A2，A3和A4基波幅值的四倍，具有较好的正弦性。

实施例4

图5也为一台三相转子分段式磁路互补型永磁同步电机。本实施例中，k＝2，n＝1，m＝3，即该电机为三相电机，包含有1个电机单元，每个电机单元中有k＝2对集中电枢绕组，所以定子11导磁齿110的个数为Ns＝24，导磁齿110设有集中电枢绕组111和永磁体112的个数相同，均为12；转子中的分段导磁块的个数为Nr＝(2*m*k±1)n，Nr可为11，13，本实施例取Nr＝13。可见，本实施例电机的集中电枢绕组111和永磁体112交替设置在定子导磁齿110上，任意一相电枢绕组所串联的集中电枢绕组111的对数为k＝2，三相电枢绕组在空间上的排列方式具有以下特点，属于同相的k＝2个集中电枢绕组置于相邻的两电枢绕组导磁齿上(如图4中集中电枢绕组A1，A2)，属于不同相的集中电枢绕组依次交替置于电枢绕组导磁齿上。按照上述排列方式，三相集中电枢绕组的排列方式为：A1A2--B1B2--C1C2--A3A4--B3B4--C3C4。属于同相的2*k＝4个集中电枢绕组形成k＝2对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两个集中电枢绕组(如集中电枢绕组A1与A3或A2与A4)与转子的相对位置相差半个转子极距，对应电磁特性在空间上相差180度电角度，形成互补结构，串联组成一相绕组时，互补的集中电枢绕组中的反电势谐波相互抵消，相电势比较正弦。值得说明的是，由于集中电枢绕组A1和A2，A3和A4与转子10的相对位置较接近，集中绕A1，A2，A3和A4串联组成A相绕组时，A相绕组反电势幅值稍小于集中绕A1，A2，A3和A4基波幅值的四倍。

实施例5

图6也为一台五相转子分段式磁路互补型永磁同步电机。本实施例中，k＝1，n＝1，m＝5，即该电机为五相电机，包含有1个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组，所以定子11导磁齿110的个数为Ns＝20，导磁齿110设有集中电枢绕组111和永磁体112的个数相同，均为10；转子中的分段导磁块的个数为Nr＝(2*m*k±1)n，Nr可为9，11，本实施例取Nr＝9。

本实施例五相电机中，每相绕组由两集中电枢绕组串联组成，如A相绕组由两集中电枢绕组A1和A2，此时，集中电枢绕组A1所在的定子齿中心线正对着转子模块中心线，而集中电枢绕组A2所在的定子齿中心线正对着两转子模块之间的中心线。因此，该电机同样具有本发明所提出的磁路互补特性，每相电枢绕组中所产生的反电势谐波分量被抵消，反电势正弦度好，转矩脉动小，特别适用于无刷交流(BLAC)运行模式。

本发明的转子分段式磁路互补型永磁同步电机可以是外转子结构或内转子结构，可以运行在电动机或发电机状态。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机，包括定子(11)和转子(10)，所述定子(11)和转子(10)都为导磁材料且二者之间存在气隙，所述定子(11)上设有导磁齿(110)，导磁齿(110)上交替设置集中电枢绕组(111)和永磁体(112)，其特征在于，

所述定子(11)导磁齿(110)的个数为Ns＝4*m*k*n；所述导磁齿(110)设有集中电枢绕组(111)和永磁体(112)的个数相同，均为2*m*k*n，所述转子(10)设有分段导磁块的个数为Nr＝(2*m*k±1)n；

所述永磁体(112)和集中电枢绕组(111)交替设置在定子导磁齿(110)上，电枢绕组缠绕在一个定子导磁齿(110)上，永磁体(112)表贴于齿尖，沿径向充磁，任意相邻两永磁体(112)充磁方向相反；

其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中任意一相电枢绕组串联的集中电枢绕组(111)对数。

2.根据权利要求1所述的一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机，其特征在于，每个电机单元中任意一相电枢绕组由k对集中电枢绕组(111)串联组成，其中任意一对集中电枢绕组(111)中的两集中电枢绕组与转子(10)的相对位置相差半个转子极距，对应为180度电气角度，二者具有互补特性。

3.根据权利要求1所述的一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机，其特征在于，所述一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机是内转子或外转子结构。

4.根据权利要求1所述的一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机，其特征在于，所述定子(11)或转子(10)通过翻转变化，构成双定子或双转子分段式磁路互补型永磁同步电机。

5.根据权利要求1所述的一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机，其特征在于，所述集中电枢绕组(111)为铜或超导材料。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机，其特征在于，所述一种转子分段式磁路互补型永磁同步电机是电动机或发电机。