CN112953046A - 一种低谐波损耗的定子模块化磁场调制电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低谐波损耗的定子模块化磁场调制电机，包括模块化定子和转子。模块化定子和转子之间存在气隙。模块化定子通过移除部分定子轭部形成。定子齿端靠近气隙一侧开虚槽并嵌入永磁体，转子表面开槽并嵌入永磁体，永磁体充磁方式均为径向充磁，充磁方向背离圆心。模块化定子和转子开槽后形成的凸极齿作为调制齿，对电机磁场产生调制作用。电枢绕组采用单层集中绕组方式，每个定子模块均绕有一个线圈。本发明将磁场调制电机与模块化定子相结合，由于模块化定子结构能够有效增加电机低次谐波磁路的磁阻而对电机主要工作谐波磁路影响很小，因此模块化定子能够对电机中低次谐波产生较好的抑制作用，在保证电机转矩密度的同时降低电机损耗。

Description

一种低谐波损耗的定子模块化磁场调制电机
技术领域
本发明涉及一种磁场调制电机的设计，尤其涉及具有定子模块化结构及低谐波损耗的磁场调制电机。
背景技术
磁场调制电机是一种基于磁场调制效应工作的电机，其利用磁齿轮原理通过调制效应将高转速的电枢反应磁场调制后与低转速的永磁磁场相互作用以产生低速大转矩的效果。在风力发电、船舶推进等诸多领域有着广泛的应用前景。
通常所说的磁场调制电机一般分为永磁体安装在定子上的定子永磁型和永磁体安装在转子上的转子永磁型两种。随着对磁场调制电机研究的不断深入，有学者发现这两种类型磁场调制电机的转矩密度受限于永磁体的单侧励磁。为了增加磁场调制电机的转矩密度，一种双永磁励磁磁场调制电机被提了出来，不同于定子永磁型和转子永磁型磁场调制电机，该种电机在定子和转子上均存在永磁体和调制齿，具有双向磁场调制效应，因而具有更高的转矩密度。然而除了有效的工作谐波外，双向磁场调制过程中还会产生很多不需要的谐波，这些谐波可能会在电机中产生额外的损耗。
目前，许多磁场调制电机采用单层分数槽集中绕组，单层集中绕组结构具有许多优点，如：减小电机绕组长度、减小电机相间耦合、使电机具有正弦反电势和低齿槽转矩等等。然而采用该绕组结构的电机具有损耗较大的缺点。这是因为分数槽集中绕组结构会在气隙中产生很多磁动势谐波，这些谐波中除了含有工作谐波外还含有大量非工作谐波，这些次谐波会在电机内产生大量损耗，增加电机工作时的温度，不利于电机的运行。因此，采取措施降低电机的谐波损耗是非常有意义的。
发明内容
本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种低谐波损耗的定子模块化磁场调制电机，其通过移除部分定子轭部形成模块化定子，在对电机主要工作谐波磁路影响很小的情况下，有效增加电机低次谐波磁路的磁阻，使得电机电枢反应磁场的低次谐波得到有效抑制，在保证电机转矩不会出现明显下降的同时，减少电机损耗。
为达到上述目的，本发明的设计方案如下：
一种低谐波损耗的定子模块化磁场调制电机，该电机由模块化定子和转子组成，模块化定子和转子之间具有气隙；
所述模块化定子通过移除电机部分定子轭部形成，定子齿端均开虚槽，槽中嵌入定子永磁体，开虚槽后所形成的虚齿作为定子调制齿；电枢绕组采用单层集中绕组方式，每个定子模块均绕有一个绕组线圈；转子表面开槽，槽中嵌入转子永磁体，开槽后所形成的均匀分布的凸极齿作为转子调制齿；所述定转子永磁体均为单极性，充磁方式均采用径向励磁，方向背离圆心；定子永磁体与转子调制齿、转子永磁体与定子调制齿分别组成一套调制结构，使得电机具有双向磁场调制效应，增强电机的永磁磁场。
进一步，所述模块化定子通过移除电机12个定子槽中每间隔1个槽的槽底轭部形成。
进一步，电枢绕组极对数Pa，转子极对数Pr，定子调制齿数Ns满足以下关系式：Ns＝Pa+Pr。
进一步，电机槽数与电枢绕组极数应相近，使模块化定子结构对电机工作谐波磁路影响较小，保证电机转矩密度不会出现明显下降。
进一步，每个定子模块均绕有一个线圈，电机电枢绕组在每个定子模块上产生的磁动势和为0。
进一步，电机的集中绕组结构会产生具有较长磁路的低次谐波，模块化定子结构能够增加电枢磁场低次谐波磁路磁阻，从而对电枢磁场低次谐波有产生抑制作用，降低电机的损耗。
采用上述的设计方案后本发明具备如下有益效果：
1)本发明电机采用双永磁励磁结构，具有双向磁场调制效应，能够增加工作谐波气隙磁密分量的幅值，比单边励磁型磁场调制电机具有更高的转矩密度。
2)本发明电机采用单层集中绕组结构，其模块化定子结构和单层集中绕组结构均能够有效减小电机的相间耦合，此外，集中绕组结构电机绕组端部较短，能够减少电机的铜耗。
3)本发明采用定子模块化结构，使得电机定子体积减少了18％左右，相较于传统电机的重量有所下降，此外，由于定子模块化结构能够有效增加电机电枢反应磁场低次谐波磁路的磁阻而对电机主要工作谐波磁路影响很小，因此能够对电机电枢反应磁场中的低次谐波产生较好的抑制作用，在保证电机转矩密度不会出现明显下降的同时降低电机的损耗。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2是传统磁场调制电机结构示意图；
图3是本发明电枢反应磁场分布图；
图4是传统磁场调制电机电枢反应磁场分布图；
图5本发明与传统磁场调制电机电枢反应气隙磁密谐波分量对比图；
图6是本发明与传统磁场调制电机A相空载反电势波形对比图；
图7是本发明与传统磁场调制电机加载转矩波形对比图；
图8是本发明与传统磁场调制电机铁耗对比图；
图中：模块化定子1，转子2，电枢绕组3，定子调制齿4，定子永磁体5，转子调制齿6，转子永磁体7，传统磁场调制电机定子8。
具体实施方式
本发明的一种低谐波损耗的定子模块化磁场调制电机，该电机包括模块化定子1和转子2，模块化定子1和转子2之间具有气隙；所述模块化定子1通过移除电机部分定子轭部形成，定子齿端均开虚槽，形成的虚齿作为定子调制齿4，虚槽中嵌入定子永磁体5，电枢绕组3采用单层集中绕组方式缠绕于每个定子模块；转子2表面开槽，形成的均匀分布的凸极齿作为转子调制齿6，槽中嵌入转子永磁体7；所述定子永磁体5和转子永磁体7均为单极性，充磁方式均采用方向背离圆心的径向励磁方式；定子永磁体5与转子调制齿6组成一套调制结构，转子永磁体7与定子调制齿4组成另一套调制结构，使得电机具有双向磁场调制效应以达到增强励磁的效果。
所述模块化定子1通过移除电机12个定子槽中每间隔1个槽的槽底轭部形成。
所述电枢绕组极对数Pa，转子极对数Pr，定子调制齿数Ns满足以下关系式：Ns＝Pa+Pr。
所述电机槽数与电枢绕组极数应相近，使模块化定子结构对电机工作谐波磁路影响较小，保证电机转矩密度不会出现明显下降。
所述每个定子模块均绕有一个线圈，模块化定子结构使得电机电枢绕组3在每个定子模块上产生的磁动势和为0。
参照图1，本发明包括模块化定子1和转子2，模块化定子1和转子2之间具有气隙；参照图2的传统磁场调制电机结构，可以看到所述模块化定子1是通过移除电机12个定子槽中每间隔1个槽的槽底轭部形成；电机定子齿端均开虚槽，形成的虚齿作为定子调制齿4，虚槽中嵌入定子永磁体5；电枢绕组3采用单层集中绕组方式缠绕于每个定子模块；转子2表面开槽，形成的均匀分布的凸极齿作为转子调制齿6，槽中嵌入转子永磁体7；所述定子永磁体5和转子永磁体7均为单极性，充磁方式均采用径向励磁，方向背离圆心。
本发明采用三相单层集中绕组结构，每个定子模块均绕有一个线圈。12个定子齿端均开虚槽，形成均匀分布的24个等尺寸的定子调制齿4，转子2表面开槽并嵌入转子永磁体7，形成19对极的转子永磁磁场。根据磁场调制电机的调制关系：Ns＝Pa+Pr，得到Pa＝5，即电枢绕组形成5对极的电枢磁场。
图3是本发明电枢反应磁场分布图，图4是传统磁场调制电机电枢反应磁场分布图，从中可以看出在传统磁场调制电机中，电枢反应磁场以一次谐波为主，而对于本发明的定子模块化磁场调制电机，其电枢反应磁场发生了明显变化，一次谐波不再是主要谐波成分。
图5比较了本发明与传统磁场调制电机电枢反应气隙磁密的谐波分量。如图所示，由于模块化定子结构能够有效增加电机低次谐波磁路的磁阻，本发明的定子模块化磁场调制电机的电枢反应磁场具有更低的低次谐波，尤其是一次谐波有了极大的下降。由于电机的铁耗主要与铁芯中各次谐波的幅值有关而本发明的定子模块化结构能够有效减小电机电枢反应磁场的低次谐波，因此本发明电机具有更低的铁耗。
图6比较了本发明与传统磁场调制电机的A相空载反电势波形。从图中可以看出本发明的定子模块化磁场调制电机的反电势略低于传统磁场调制电机，这说明模块化定子结构对电机的主要工作谐波影响较小，保证了电机性能不会出现明显的下降。
图7比较了本发明与传统磁场调制电机加载转矩波形。由图可知，电机转矩性能变化与反电势相似，模块化定子结构磁场调制电机的转矩也略低于传统磁场调制电机，但转矩降低幅度小于传统磁场调制电机。这是因为模块化定子结构能够降低电机的磁饱和。
图8比较了本发明与传统磁场调制电机在相同负载与转速下的铁耗。如图所示，由于模块化定子结构抑制了电枢反应一次谐波，本发明的定子模块化磁场调制电机明显具有更低的铁耗。由于电机涡流损耗极小，因此电机最终具有低谐波损耗的特点。
本发明公开了一种低谐波损耗的定子模块化磁场调制电机，电机结构包括模块化定子和转子。模块化定子和转子之间存在气隙。模块化定子通过移除部分定子轭部形成。定子齿端靠近气隙一侧开虚槽并嵌入永磁体，转子表面开槽并嵌入永磁体，永磁体充磁方式均为径向充磁，充磁方向背离圆心。模块化定子和转子开槽后形成的凸极齿作为调制齿，对电机磁场产生调制作用。电枢绕组采用单层集中绕组方式，每个定子模块均绕有一个线圈。本发明将磁场调制电机与模块化定子相结合，由于模块化定子结构能够有效增加电机低次谐波磁路的磁阻而对电机主要工作谐波磁路影响很小，因此模块化定子能够对电机中低次谐波产生较好的抑制作用，在保证电机转矩密度的同时降低电机损耗。
综上，本发明所述定子模块化磁场调制电机通过移除电机12个定子槽中每间隔1个槽的槽底轭部形成模块化定子结构。该结构与集中绕组结构共同作用，有效减小了电机的相间耦合，提高了电机的可靠性。此外，通过选取电机槽数与电枢绕组极数相近的槽极配合，模块化定子结构可以使电机在保持永磁磁场基本不变的情况下增大电机电枢磁场低次谐波磁路的磁阻，从而有效抑制电机电枢磁场的低次谐波，在保证电机转矩密度不出现明显下降的同时减少电机的损耗。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种低谐波损耗的定子模块化磁场调制电机，其特征在于：该电机包括模块化定子(1)和转子(2)，模块化定子(1)和转子(2)之间用气隙隔开；
所述模块化定子(1)通过移除电机12个定子槽中每间隔1个槽的槽底轭部形成，其齿端开虚槽，所形成的虚齿作为定子调制齿(4)，虚槽中嵌入定子永磁体(5)；定子槽中的电枢绕组(3)采用单层集中绕组方式缠绕于每个定子模块；转子(2)表面开槽，形成均匀分布的转子调制齿(6)，槽中嵌入转子永磁体(7)；所述定子永磁体(5)和转子永磁体(7)充磁方式均采用方向背离圆心的径向励磁；定子永磁体(5)与转子调制齿(6)组成一套调制结构，转子永磁体(7)与定子调制齿(4)组成另一套调制结构，使得电机具有双向磁场调制效应以达到增强励磁的效果；电机槽数与电枢绕组极数应相近，使得模块化定子(1)对电机工作谐波磁路影响较小，保证电机转矩密度不会出现明显下降。
2.根据权利要求1所述的具有低谐波损耗的定子模块化磁场调制电机，其特征在于：所述模块化定子(1)中，当电机的槽极配合选为相近时，它们的主磁路均跨两个齿形成回路，保证了模块化定子(1)对电机工作谐波磁路影响较小。
3.根据权利要求1所述的具有低谐波损耗的定子模块化磁场调制电机，其特征在于：所述电枢绕组(3)极对数Pa，转子极对数Pr，定子调制齿数Ns满足以下关系式：Ns＝Pa+Pr。
4.根据权利要求1所述的具有低谐波损耗的定子模块化磁场调制电机，其特征在于：所述模块化定子(1)的每个定子模块均绕有一个线圈，不同于传统磁场调制电机中电枢绕组产生的磁动势在整个电机上的和为0，所述电枢绕组(3)在每个定子模块上产生的磁动势和为0。
5.根据权利要求1所述的具有低谐波损耗的定子模块化磁场调制电机，其特征在于：所述电枢绕组(3)会产生具有较长磁路的低次谐波，模块化定子(1)能够有效增加低次谐波磁路磁阻，对低次谐波有较好的抑制效果，从而有效降低电机损耗。
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