CN113489184A - 一种单层气隙的磁齿轮复合电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单层气隙的磁齿轮复合电机，包括外壳、外转子、永磁体和定子，外转子设置在定子外侧，外转子和定子之间形成一层气隙，外转子包括转子铁芯和沿转子周向均匀分布、交替切向充磁的永磁体，定子的外沿沿周向均布多个间隔的开槽，相邻开槽之间为定子齿，三相电枢绕组对称嵌套在定子齿上，以使定子齿兼做调磁极块进行磁场的调制。本发明既解决了磁齿轮复合电机多层气隙磁钢用量大，结构复杂的缺点，又可以通过转子磁钢聚磁设计，解决单层气隙磁齿轮复合电机转矩密度偏低的问题。

Description

一种单层气隙的磁齿轮复合电机

技术领域

本发明属于低速直驱大转矩电驱领域，更具体涉及到一种适用于大惯量飞轮调频***的单层气隙的磁齿轮复合电机。

背景技术

在电驱领域中，为了提高电驱***功率密度，通常采用高速电机经过高变速比齿轮箱减速的动力***结构方案，然而机械齿轮箱通过齿啮合实现能量的传递，将不可避免的出现机械噪声，磨合和维护等问题。因此采用磁齿轮替代机械齿轮，并通过将磁齿轮与电机巧妙地结合，组成结构紧凑的磁齿轮复合电机，是兼顾高速电机高功率密度和实际应用于低速运行需求的有效解决方案之一。

作为一种新型的直驱电机解决方案，受到了学者的广泛关注，目前磁齿轮复合电机已衍生出多种形式，就气隙层数而言，包括双层或者三层，就结构而言包括双转子，单转子等，这些方案很大一部分存在一些缺点：要么材料用量大，比如磁钢用量，要么存在结构复杂，比如包含特定调磁环或者双转子结构，相比普通电机大大增加了材料成本以及工艺成本。而单层气隙齿轮复合电机虽然结构简单，但是大多存在转矩密度低下的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种单层气隙的磁齿轮复合电机，既解决了磁齿轮复合电机多层气隙磁钢用量大，结构复杂的缺点，又可以通过转子磁钢聚磁设计，解决单层气隙磁齿轮复合电机转矩密度偏低的问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种单层气隙的磁齿轮复合电机，包括外壳、外转子、永磁体和定子，外转子设置在定子外侧，外转子和定子之间形成一层气隙，外转子包括转子铁芯和沿转子周向均匀分布、交替切向充磁的永磁体，定子的外沿沿周向均布多个间隔的开槽，相邻开槽之间为定子齿，三相电枢绕组对称嵌套在定子齿上，以使定子齿兼做调磁极块进行磁场的调制。

所述外转子的转子铁芯由多个硅钢片复合叠加而成。

所述定子上开槽的数量大于外转子上永磁极对数。

定子上电枢磁场极对数为Nst-Nrt，外转子极对数为Nrt，且Nrt＞(Nst-Nrt)，定子上三相电枢绕组极对数为Ps，调制后有效谐波极对数为Pe，且Ps＝Pe＝(Nst-Nrt)。

设外转子旋转角速度为Wr，气隙有效谐波旋转角速度为We，定子电枢磁场角速度为Ws，则We/Wr＝Ws/Wr＝Nrt/Pe＝Nrt/Ps。

本发明的有益效果是：本发明外转子可以增加有效气隙直径，改善单层气隙功率密度，外转子永磁体采用辐条状嵌入排布，可以产生聚磁效应，改善气隙磁通密度，提高电机功率密度，并且还可以使得永磁体在外转子旋转时承受压应力，避免脱落和损坏，能够提高外转子整体机械强度；定子的齿槽交替排布可以引起气隙磁导在圆周方向周期性变化，外转子永磁体产生的磁动势与该交变磁导作用，在气隙中会产生一系列空间谐波磁场，其极对数与外转子永磁极对数和定子齿槽数息息相关，因此通过调整定子齿槽数目和外转子永磁极对数，可以获得不同的减速效果，进而可以简化飞轮***的结构。

本发明提出的磁齿轮复合电机，相比现有的双气隙或三气隙磁齿轮复合电机，结构简单，不但降低了工艺难度，也大大节约了生产制造成本；相比目前的单层气隙磁齿轮复合电机，由于采用外转子聚磁式拓扑结构，很大程度改善了单气隙磁齿轮复合电机转矩密度低下问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明定子采用开口槽的磁场分布示意图；

图3为现有技术中采用裂槽式磁齿轮复合电机的磁场分布示意图；

图中标记：1、定子齿，2、定子，3、外壳，4、气隙，5、永磁体，6、磁化方向，7、外转子，8、三相电枢绕组。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

参照附图所示，一种单层气隙的磁齿轮复合电机，包括外壳3、外转子7、永磁体5和定子2，外转子7设置在定子2外侧，外转子7和定子2之间形成一层气隙4，外转子7包括转子铁芯和沿转子周向均匀分布、交替切向充磁的永磁体5，转子铁芯由多个硅钢片复合叠加而成，此种采用辐条嵌入式永磁体5排布的方式，一方面使得永磁体5在外转子7旋转时承受压应力，避免脱落和损坏，能够提高外转子7整体机械强度；另一方面该永磁体5的排布方式能够产生聚磁效应，改善气隙4磁通密度，提高电机功率密度，其中永磁体5的磁化方向6如图1所示。定子2的外沿沿周向均布多个间隔的开槽，使气隙磁导发生变化而重构，相邻开槽之间为定子齿1，定子齿槽交替排布都会引起气隙磁导在圆周方向周期性变化，外转子7永磁体5产生的磁动势与该交变磁导作用，在气隙4中会产生一系列空间谐波磁场，其极对数与外转子永磁极对数和定子齿槽数息息相关。三相电枢绕组8对称嵌套在定子齿1上，以使定子齿1兼做调磁极块进行磁场的调制，省去了调磁极块，有效的提高了空间利用率，而且原来被调磁极块短路的磁励线能够顺利通过定子齿1有效匝链电枢绕组，进而提高了永磁体5的利用率。

图2为本发明定子采用开口槽的磁场分布示意图，图3为现有技术中采用裂槽式磁齿轮复合电机的磁场分布示意图，可以发现图3中裂槽式定子齿部漏磁较大，降低了铁磁材料利用率。

因为外转子磁齿轮复合电机，主要是用于直驱大扭矩场合，所以外转子7属于低速部分，磁齿轮复合电机定子槽数应略大于转子永磁极对数，保证气隙4中Nst-Nrt对极谐波磁场具有较小的极对数和较高的旋转速度。此时磁齿轮复合电机中三相电枢绕组8不再和普通永磁同步电机电枢绕组设计为极对数为Nrt，而是设计为Nst-Nrt。

磁齿轮复合电机定子电枢磁场极对数为Nst-Nrt，数值较小，为高速设计提供保证，外转子的极对数Nrt相比Nst-Nrt较大，为外转子的低转速设计提供保证。定子绕组极对数Ps与调制后有效谐波极对数Pe相等，且有Ps＝Pe＝Nst-Nrt。

外转子旋转角速度Wr，气隙有效谐波旋转角速度We，定子电枢磁场角速度Ws满足以下关系：We/Wr＝Ws/Wr＝Nrt/Pe＝Nrt/Ps。

比如图一中的磁齿轮复合电机，定子槽数Nst＝18，转子极对数为Nrt＝28/2＝14，则Ps＝Pe＝18-14＝4，定子磁场和外转子角速度速比为G＝14/4，相当于一台普通永磁同步电机接一台减速比为14/4的减速器的作用，大大简化了***结构的复杂度，同时也节约了大量的成本。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单层气隙的磁齿轮复合电机，包括外壳、外转子、永磁体和定子，其特征在于：外转子设置在定子外侧，外转子和定子之间形成一层气隙，外转子包括转子铁芯和沿转子周向均匀分布、交替切向充磁的永磁体，定子的外沿沿周向均布多个间隔的开槽，使气隙磁导发生变化而重构，相邻开槽之间为定子齿，三相电枢绕组对称嵌套在定子齿上，以使定子齿兼做调磁极块进行磁场的调制。

2.根据权利要求1所述的一种单层气隙的磁齿轮复合电机，其特征在于：所述外转子的转子铁芯由多个硅钢片复合叠加而成。

3.根据权利要求1所述的一种单层气隙的磁齿轮复合电机，其特征在于：所述定子上开槽的数量大于外转子上永磁极对数。

4.根据权利要求1所述的一种单层气隙的磁齿轮复合电机，其特征在于：定子上电枢磁场极对数为Nst-Nrt，外转子极对数为Nrt，且Nrt＞(Nst-Nrt)，定子上三相电枢绕组极对数为Ps，调制后有效谐波极对数为Pe，且Ps＝Pe＝(Nst-Nrt)。

5.根据权利要求1所述的一种单层气隙的磁齿轮复合电机，其特征在于：设外转子旋转角速度为Wr，气隙有效谐波旋转角速度为We，定子电枢磁场角速度为Ws，则We/Wr＝Ws/Wr＝Nrt/Pe＝Nrt/Ps。

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