CN111181271B - 一种双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机及电磁设备 - Google Patents

一种双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机及电磁设备 Download PDF

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Abstract

本发明属于电机设计制造领域，提供一种双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机及电磁设备，它解决了现有磁通切换型永磁电机存在转矩密度提升和转矩脉动抑制不协调问题，具有高功率密度，强过载能力，低齿槽转矩，低转矩脉动和适合模块化制造的效果。其中该电机包括内定子，其布置在转子内侧；外定子，其布置在转子外侧；转子，其内侧和外侧分别均匀布设有若干内侧转子齿和外侧转子齿，且内侧转子齿和外侧转子齿错位布置，实现永磁磁通在转子内外侧气隙上交替聚合以提高转矩密度，通过转子内外侧气隙产生的转矩分量叠加来抑制转矩脉动。

Description

一种双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机及电磁设备
技术领域
本发明属于电机设计制造领域，尤其涉及一种双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机及电磁设备。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
根据永磁电机的永磁体安放位置的不同，可以将永磁电机分类为永磁定子型电机和永磁转子型电机。永磁定子型电机指将永磁体安放在电机定子上，永磁转子型电机指将永磁体安放在转子上。在目前工业应用中，永磁转子型电机占据主导地位。根据永磁体在转子上安放形式的不同，又可以将永磁转子型电机分为表贴式和内置式两种类型。然而对于表贴式永磁电机，在负载时电枢反应磁场的磁力线直接径向垂直地通过永磁体，在低速大转矩的负载条件下，负载时的电枢电流较大，电枢反应强烈，永磁体常常面临很大的不可逆退磁风险。对于内置式永磁电机，永磁体内置于转子内部，随着转子一起转动，散热较为困难，因此转子的温升是限制该类电机过载能力的主要因素。与之相反，永磁定子型电机的电枢反应磁力线并不直接垂直通过永磁体，而且永磁体是安放在静止的定子上，从而只需对定子处安装合适的强制散热冷却***便可以有效的减小永磁体的工作温度。
常见的永磁定子型电机主要是磁通切换型永磁电机，该类型电机工作原理是基于磁通切换原理和磁阻最小原理。传统的磁通切换型永磁电机是由多个U型铁心和多块永磁体依次紧贴装配而成。永磁体置放于相邻两块U型铁心之间，转子仅有硅钢片叠压而成。绕组通常采用集中式绕组，绕组线圈绕制于U型铁心齿-永磁体-U型铁心齿构成的“三明治”结构上。由于磁通切换型永磁电机上的集中绕组具有一致性和互补性，每个线圈中的反电势和永磁磁链的偶数次谐波分量可以被完全抵消，从而得到低谐波畸变率的磁链和反电动势。另外，该类电机由于相邻永磁体充磁方向相反，可以产生聚焦磁通的作用，从而提高了气隙磁通密度，可以产生较高的转矩密度。虽然如此，由于该类型电机是双凸极的结构，电机具有很高的齿槽转矩和转矩脉动的缺点，不可避免地产生振动和噪音。
发明人发现，尽管利用切削永磁体、斜极斜槽、优化齿部形状或采用复杂的驱动算法，可以一定程度上减少齿槽转矩和转矩脉动，但也不可避免造成输出转矩的下降并且增加制造难度，因此，现有磁通切换型永磁电机存在转矩密度提升和转矩脉动抑制两者不协调问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机，其采用内侧转子齿和外侧转子齿错位布置结构实现永磁磁通在内外侧气隙上的交替聚合，提高转矩密度，并通过双气隙产生的转矩分量叠加有效抑制转矩脉动。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机，包括：
内定子，其布置在转子内侧；
外定子，其布置在转子外侧；
转子，其内侧和外侧分别均匀布设有若干内侧转子齿和外侧转子齿，且内侧转子齿和外侧转子齿错位布置，实现永磁磁通在转子内外侧气隙上交替聚合以提高转矩密度，通过转子内外侧气隙产生的转矩分量叠加来抑制转矩脉动。
作为一种实施方式，所述内定子包括若干内定子U型铁心单元、内定子永磁体和内定子绕组；内定子永磁体设置在相邻的两个内定子U型铁心单元之间；所述外定子绕组采用多线圈相组集中式绕组且可独立控制。
上述技术方案的优点在于，采用多线圈相组集中式绕组提高绕组系数并减少端部绕组，显著提高转矩密度并利于实现模块化设计。
作为一种实施方式，所述内定子U型铁心单元包括内定子相间U型铁心单元和内定子相内U型铁心单元，在内定子的圆周方向上，每间隔排列若干个内定子相内U型铁心单元设置一个内定子相间U型铁心单元，以实现定子模块化设计。
作为一种实施方式，所述内定子永磁体的充磁方向为圆周切向，内定子上相邻的两块永磁体充磁方向相反，以产生聚磁效应，增大气隙磁通密度。
上述技术方案的优点在于，当内定子绕组通电时产生的电枢反应磁场方向与内定子永磁体的充磁方向垂直，该电机在重载下对永磁体的不可逆退磁有很高的承受能力，从而具有很高的过载容量。
作为一种实施方式，所述内定子永磁体为扇形底面或矩形底面的柱状结构，呈轮辐状排列。
作为一种实施方式，所述外定子包括若干外定子U型铁心单元、外定子永磁体和外定子绕组；外定子永磁体设置在相邻的两个内定子U型铁心单元之间；所述外定子绕组采用多线圈相组集中式绕组且可独立控制。
上述技术方案的优点在于，采用多线圈相组集中式绕组提高绕组系数并减少端部绕组，显著提高转矩密度并利于实现模块化设计。
作为一种实施方式，所述外定子U型铁心单元包括外定子相间U型铁心单元和外定子相内U型铁心单元，在外定子的圆周方向上，每间隔排列若干个外定相内U型铁心单元设置一个外定子相间U型铁心单元，以实现定子模块化设计。
作为一种实施方式，所述外定子永磁体的充磁方向为圆周切向，外定子上相邻的两块永磁体充磁方向相反，以产生聚磁效应，增大气隙磁通密度。
上述技术方案的优点在于，当外定子绕组通电产生的磁场方向与外定子永磁体的充磁方向垂直，该电机在重载下对永磁体的不可逆退磁有很高的承受能力，从而具有很高的过载容量。
作为一种实施方式，所述内侧转子齿和外侧转子齿的数量和宽度均相等，内侧转子齿和外侧转子齿在周向互错一个转子齿宽。
为了解决上述问题，本发明的第二个方面提供一种电磁设备，其包括双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机，采用内侧转子齿和外侧转子齿错位布置结构实现永磁磁通在内外侧气隙上的交替聚合，提高转矩密度，并通过双气隙产生的转矩分量叠加有效抑制转矩脉动。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电磁设备，其包括上述所述的双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机。
本发明的有益效果是：
(1)采用内侧转子齿和外侧转子齿错位布置结构，实现永磁磁通在转子内外侧气隙上交替聚合以提高转矩密度，通过转子内外侧气隙产生的转矩分量叠加来抑制转矩脉动。
(2)内定子绕组和外定子绕组均采用多线圈相组集中式绕组，提高了绕组系数并减少了端部绕组，显著提高了转矩密度并利于实现模块化设计。
(3)内定子绕组和外定子绕组可独立控制，各自独立运行，从而获得较高的故障容错能力。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机二维结构示意图。
图2是本发明实施例的转子结构示意图。
图3是本发明实施例的双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机的周向展开示意图。
图4(a)是本发明实施例的外定子相间U型铁心单元结构示意图。
图4(b)是本发明实施例的外定子相内U型铁心单元结构示意图。
图4(c)是本发明实施例的内定子相间U型铁心单元结构示意图。
图4(d)是本发明实施例的内定子相内U型铁心单元结构示意图。
图5(a)是本发明实施例的内侧转子齿正对内定子齿的磁路示意图。
图5(b)是本发明实施例的转子旋转过90度电角度的磁路示意图。
图5(c)是本发明实施例的转子旋转过180度电角度的磁路示意图。
图6是本发明实施例的双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机结构装配示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例一
如图1所示，本实施例的一种双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机，包括内定子、外定子和转子。
其中，内定子布置在转子3内侧；内定子包括内定子U型铁心单元2、内定子永磁体和内定子绕组6；外定子布置在转子3外侧；外定子包括外定子U型铁心单元1、外定子永磁体4和外定子绕组5。所述外定子绕组5和所述内定子绕组6均采用多线圈相组集中式绕组，可独立控制；内定子永磁体设置在相邻的两个内定子U型铁心单元之间，并紧密贴装；定子永磁体设置在相邻的两个定子U型铁心单元之间，并紧密贴装。内定子和外定子上均设置有轴向孔7。
转子3，其仅由硅钢片叠压而成，位于内外定子之间。
错位结构：如图2所示，其内侧和外侧分别均匀布设有若干内侧转子齿和外侧转子齿，且内侧转子齿和外侧转子齿错位布置。其中内侧转子齿和外侧转子齿的数量和宽度均相等，内侧转子齿和外侧转子齿在周向互错一个转子齿宽。转子两侧的槽宽θ1和转子齿宽θ2满足关系θ1＝3θ2。
如图3所示，为了具体说明本实施例的尺寸约束和绕组设置，将该电机沿圆周方向展开。在同一侧的相邻两块永磁体充磁方向相反，从而实现聚磁效应。所述外定子U型铁心单元1包括外定子相间U型铁心单元1.1和外定子相内U型铁心单元1.2。所述内定子U型铁心单元2包括内定子相间U型铁心单元2.1和内定子相内U型铁心单元2.2。外定子相间U型铁心单元1.1和内定子相间U型铁心单元2.1周向尺寸完全相同；外定子相内U型铁心单元1.2和内定子相内U型铁心单元2.2周向尺寸完全相同；转子齿宽θ1、定子齿宽w1、相内定子U型铁心单元槽宽w2、永磁体宽w3、相间定子U型铁心单元槽宽w4满足关系θ1＝w1＝w2＝w3＝3/5w4。
外定子绕组5和内定子绕组6分别对应设置在外定子槽和内定子槽；所述外定子绕组5和内定子绕组6采用多线圈相组集中式绕组；所述多线圈相组集中式绕组含有若干个相组，每个相组的各个线圈分别包绕在定子齿-永磁体-定子齿构成的“三明治”结构上，且若干个相组的线圈在电路上全部串联连接。本实施例中，采用2个相组，每个相组含有6个线圈。A相的第一相组的6个线圈依次包绕在6个“三明治”结构上，A相第二相组的6个线圈依次包绕在第一相组圆周对侧的6个“三明治”结构上，所有A相组的12个线圈串联连接，从而使得该12个线圈中磁链相位相同，并且互相抵消磁链的偶数次谐波，实现模块化结构。同理，B相绕组和C相绕组分别设置在间隔A相绕组1个相间定子U型铁心单元槽后的“三明治”结构上，从而使A、B、C相绕组依次相差120°相位角。
参见图4(a)和图4(b)，外定子相间U型铁心单元1.1与外定子相内U型铁心单元1.2在径向、轴向上尺寸相同，区别仅在于单元内的槽宽不同。在径向上，外定子相间U型铁心单元的轭宽h1、槽深h2、单元径向长度h3满足关系h3＝h1+h2。外定子相间U型铁心单元径向长度h3和轴向长度l为非关键参数，根据电机功率尺寸方程决定。单元的轭宽h1根据有设计的工况进行适当选取。
参见图4(c)和图4(d)，内定子相间U型铁心单元2.1与内定子相内U型铁心单元2.2在径向、轴向上尺寸相同，区别仅在于单元内的槽宽不同。在径向上，内定子相间U型铁心单元的轭宽h4、槽深h5、内定子相间U型铁心单元径向长度h6满足关系h6＝h4+h6。内定子相间U型铁心单元径向长度h6和轴向长度l为非关键参数，根据电机功率尺寸方程决定。内定子相间U型铁心单元的轭宽h4根据有设计的工况进行适当选取。
本实施例的双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机运行原理是基于“磁通切换原理”和“磁阻最小原理”；本实施例的双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机的转矩密度提升和齿槽转矩削弱的原理为：
仅考虑某一相的情况时，当外侧转子齿部与外定子U型铁心单元齿部对齐时，与外定子U型铁心单元齿部所相邻的两块永磁体通过聚磁效应，将所有磁通聚焦于外侧气隙中，从而加强了外侧气隙磁通密度。在转子旋转90度电角度(即一个转子齿宽)后，内侧转子齿部与内定子U型铁心单元齿部对齐，与内定子U型铁心单元齿部所相邻的两块永磁体通过聚磁效应，将所有磁通聚焦于内侧气隙中，从而加强了内侧气隙磁通密度。因此本实施例相比传统单气隙的磁通切换型永磁电机，双定子的设计可以充分利用电机的内部空间，从而提升转矩密度。
由于转子内外侧齿部错位设计，在空载情况下，外气隙的磁通密度的波形函数相位与内气隙磁通密度的波形函数相位始终保证反相位。从而在转子不断运动时，外侧转子齿受到的齿槽转矩始终与内侧转子齿受到的齿槽转矩相位相反，使得两个齿槽转矩的波峰与波谷相抵，极大的削弱了转子整体受到的齿槽转矩，从而降低转矩脉动。
具体地运行原理为：
参见图5(a)，此时第一内侧转子齿12正对于第一内定子齿11。由第一内定子永磁体8产生的磁通经过内定子铁轭10与第二内定子永磁体9产生的磁通共同聚焦于第一内定子齿11。该聚合磁通经过第一内定子齿11-内侧气隙-第一内侧转子齿12-转子铁轭13-第二内侧转子齿14-内侧气隙-第二内定子齿15，最后一部分磁通回到第一内定子永磁体8。此时内定子线圈16中的永磁体磁通量为正向最大值。
参见图5(b)，转子旋转了一个齿宽(90°电角度)，此时第一外侧转子齿17正对于第一外定子齿18。由第二外定子永磁体20产生的磁通经过外定子铁轭21与第一外定子永磁体19产生的磁通共同聚焦于第一外定子齿18。该聚合磁通经过第一外定子齿18-外侧气隙-第一外侧转子齿17-转子铁轭13-第二外侧转子齿22-外侧气隙-第二外定子齿23，最后一部分回到第二外定子永磁体20。此时内定子线圈16中的永磁体磁通量为0，而外定子线圈24中的永磁体磁通量达到正向最大值。
参见图5(c)，转子旋转了两个齿宽(180°电角度)，此时第一内侧转子齿12正对于第三内定子齿25。由第二内定子永磁体9产生的磁通经过内定子铁轭10与第一内定子永磁体8产生的磁通共同聚焦于第二内定子齿25。该聚合磁通经过第三内定子齿25-内侧气隙-第一内侧转子齿12-转子铁轭13-第三内侧转子齿26-第四内定子齿27，最后一部分回到第二内定子永磁体9。此时内定子线圈16中的永磁体磁通量达到负向最大值，而外定子线圈24中的永磁体磁通量为0。转子继续旋转，永磁体磁通周而复始地在上述三种回路之间交替切换，从而实现了磁通切换过程。根据这样的磁通切换原理，在内定子绕组和外定子绕组中分别感应出相位相差90°电角度的低谐波畸变率的三相反电势。
本实施例采用了双定子结构，将转子的外侧齿和内侧齿互错一个齿宽(90°电角度)，并引入了相间铁心单元的特殊结构以及合理约束铁心单元尺寸、永磁体尺寸和转子尺寸之间的关系，使得转子在运动时，永磁磁通交替地只交链一侧的定子绕组，增大了气隙磁通密度，提高了转矩密度。
外定子绕组和内定子绕组采用多线圈相组集中式绕组能够显著减少端部用铜量，提高绕组系数，并且结合双定子结构和转子错位齿结构，实现了模块化设计。不仅如此，巧妙的错位齿设计和尺寸约束关系，使得内外两侧气隙磁通密度的波形函数始终保证反相位，从而在空载时外侧转子齿受到的齿槽转矩和内侧齿受到的齿槽转矩相互抵消，可以极大削弱转子整体的齿槽转矩，从而降低转矩脉动。由于这种错位齿结构使得内外定子绕组的三相反电势相差90°电角度，因此可以将内外定子绕组接在两个相位相差90°电角度的逆变器上，从而提高故障容错能力。
实施例二
本实施例提供了如实施例一所述的电磁设备，该电磁设备包括双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机，其采用内侧转子齿和外侧转子齿错位布置结构实现了永磁磁通在内外侧气隙上的交替聚合，提高了转矩密度，并通过双气隙产生的转矩分量叠加有效了抑制转矩脉动。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机，其特征在于，包括：
内定子，其布置在转子内侧；
外定子，其布置在转子外侧；
转子，其内侧和外侧分别均匀布设有若干内侧转子齿和外侧转子齿，且内侧转子齿和外侧转子齿错位布置，实现永磁磁通在转子内外侧气隙上交替聚合以提高转矩密度，通过转子内外侧气隙产生的转矩分量叠加来抑制转矩脉动；
所述内定子包括若干内定子U型铁心单元、内定子永磁体和内定子绕组，所述内定子U型铁心单元包括内定子相间U型铁心单元和内定子相内U型铁心单元；所述内定子永磁体设置在相邻的两个内定子U型铁心单元之间；
所述外定子包括若干外定子U型铁心单元、外定子永磁体和外定子绕组；所述外定子U型铁心单元包括外定子相间U型铁心单元和外定子相内U型铁心单元；所述外定子永磁体设置在相邻的两个外定子U型铁心单元之间；
在内定子的圆周方向上，每间隔排列若干个内定相内U型铁心单元设置一个内定子相间U型铁心单元，以实现定子模块化设计；在外定子的圆周方向上，每间隔排列若干个外定相内U型铁心单元设置一个外定子相间U型铁心单元，以实现定子模块化设计；
所述内定子绕组和所述外定子绕组均采用多线圈相组集中式绕组且可独立控制；所述多线圈相组集中式绕组含有若干个相组，每个相组的各个线圈分别包绕在定子齿-永磁体-定子齿构成的“三明治”结构上，且若干个相组的线圈在电路上全部串联连接；在内定子绕组和外定子绕组中分别感应出相位相差90°电角度的低谐波畸变率的三相反电势，具体的，A相绕组、B相绕组和C相绕组均采用2个相组，每个相组含有6个线圈；A相的第一相组的6个线圈依次包绕在6个“三明治”结构上，A相第二相组的6个线圈依次包绕在第一相组圆周对侧的6个“三明治”结构上，所有A相组的12个线圈串联连接，使得该12个线圈中磁链相位相同，并且互相抵消磁链的偶数次谐波，实现模块化结构；B相绕组和C相绕组分别设置在间隔A相绕组1个相间定子U型铁心单元槽后的“三明治”结构上，使A、B、C相绕组依次相差120°相位角；
所述内定子永磁体的充磁方向为圆周切向，内定子上相邻的两块永磁体充磁方向相反，以产生聚磁效应，增大气隙磁通密度；所述外定子永磁体的充磁方向为圆周切向，外定子上相邻的两块永磁体充磁方向相反，以产生聚磁效应，增大气隙磁通密度；
所述内侧转子齿和外侧转子齿的数量和宽度均相等，内侧转子齿和外侧转子齿在周向互错一个转子齿宽，转子齿宽θ1和转子两侧的槽宽θ2满足θ2＝3θ1，转子齿宽θ1、定子齿宽w1、相内定子U型铁心单元槽宽w2、永磁体宽w3、相间定子U型铁心单元槽宽w4满足关系θ1＝w1＝w2＝w3＝3/5w4。
2.如权利要求1所述的双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机，其特征在于，所述内定子永磁体为扇形底面或矩形底面的柱状结构，呈轮辐状排列。
3.一种电磁设备，其特征在于，包括如权利要求1-2中任一项所述的双定子错位转子齿磁通切换型永磁电机。
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