CN113595281B - 一种高转矩密度复合永磁电机 - Google Patents

一种高转矩密度复合永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高转矩密度复合永磁电机，包括定子以及设于定子外侧的转子，所述的转子包括转子环以及均匀设置在转子环内壁上的Halbach阵列磁钢；所述的定子上均匀设有定子齿，每个定子齿的径向端部均设有至少两个调制齿，调制齿的总数为定子槽数的整数倍；所述的调制齿上设有径向朝外的齿部小槽，相邻调制齿之间构成齿部大槽；调制齿和Halbach阵列磁钢之间设有气隙；相邻定子齿之间构成定子槽，定子槽的底部设有定子绕组，定子槽的外端槽口处设有与调制齿固定的永磁体，相邻永磁体的极性相反。利用本发明，可以最大限度的利用电机内部空间，极大的提高电机的转矩及转矩密度。

Description

一种高转矩密度复合永磁电机
技术领域
本发明属于电机设备技术领域，尤其是涉及一种高转矩密度复合永磁电机。
背景技术
随着电机技术的发展，对电机的输出能力有更高的要求，要求电机在低速时有更高的转矩输出能力，且转矩脉动要求小，控制精度要求高。
永磁游标电机在传统的永磁电机定子齿上引入了调制极结构，利用特殊的游标效应，调制低极对数高转速的定子电枢绕组磁场，以获得可以与高极对数低转速的永磁体磁场相匹配且作用的谐波磁场分量。这种方式能够在不增加电机的体积和槽数的条件下，实现低速大转矩的目的。
永磁游标电机的低速大转矩适用于电机直驱场合，采用永磁电机直接驱动能够避免使用齿轮箱，简化机械结构，消除由于齿轮啮合传动引起的噪声和故障，从而提高***的效率和可靠性。但是永磁游标电机在突破扭矩限制和降低齿槽转矩上还需要更多的努力和投入。
近年来有学者提出了一种利用双向调制效应设计的永磁电机，双向场调制效应与游标效应原理相似，通过在定子上引入Halbach永磁体阵列来增强电机的气隙磁密，以增大电机的输出转矩，但是电机的漏磁和齿槽转矩等问题仍然较为明显。
公开号为CN 111064332A的中国专利文献公开了一种双边Halbach交替极式永磁游标电机，包括双定子、单转子，外定子和内定子的齿端部***成两个调制极；转子铁心内外两边周向间隔开设内转子槽和外转子槽，槽中嵌入Halbach永磁体。公开号为CN109245471A的中国专利文献公开了一种交替极式永磁游标电机，包括外定子部分、转子部分及内定子部分，外定子部分包括外定子铁心，外定子铁心内周向均匀间隔分布有外定子槽和外定子齿；所述外定子槽内嵌有电枢绕组；所述外定子齿包括交替布置的定子齿A和定子齿B，所述定子齿A端部为一个调制极；所述定子齿B的端部***为两个调制极，调制极之间布置有外定子永磁体阵列。
上述两种现有的电机结构均可以增大电机的有效气隙面积，但是电机转矩密度仍然不够高，双定子结构复杂，增大了制造和安装的难度以及成本，且易导致气隙不均匀，电机振动噪音大。
发明内容
本发明提供了一种高转矩密度复合永磁电机，可以最大限度的利用电机内部空间，极大的提高电机的转矩及转矩密度。
一种高转矩密度复合永磁电机，包括定子以及设于定子外侧的转子，所述的转子包括转子环以及均匀设置在转子环内壁上的Halbach阵列磁钢；
所述的定子包括定子齿和定子槽，每个定子齿的径向端部均设有至少两个调制齿，调制齿的总数为定子槽数的整数倍；所述的调制齿上设有径向朝外的齿部小槽，相邻调制齿之间构成齿部大槽；调制齿和Halbach阵列磁钢之间设有气隙；
所述定子槽的底部设有定子绕组，定子槽的外端槽口处设有与调制齿固定的永磁体，永磁体的与调制齿的外端面共圆弧布置，相邻永磁体的极性相反。
本发明中，在转子环的内壁上采用黏贴方式设置Halbach磁钢阵列，可以省去转子磁轭部件，转子外环直接采用不导磁结构，能最大限度的利用电机内部空间。调制齿采用特殊结构设计，在每个调制齿上开设有小槽，可以降低转矩波动，充分利用谐波，进一步提高了电机转矩。同时，在定子槽口设有径向充磁、NS极交替均布的永磁体，可以充分利用电机内部空间，提高电机气隙磁密，从而提升电机转矩密度和功率密度。
进一步地，所述的Halbach阵列磁钢中，相邻两块充磁方向垂直的Halbach磁钢组成一个磁极对，相邻2个磁极对的极性相反；每块Halbach磁钢沿周向的宽度m3均相同，沿径向的厚度m4均相同。
进一步地，Halbach阵列磁钢的极对数Pr、调制齿的总数Zm和定子绕组的极对数Ps满足以下关系：
Pr＝Zm±Ps。
满足该关系，电机的定子齿***并够成调制极，形成调制磁场，利用特殊的游标效应，调制低极对数高转速的定子电枢绕组磁场，以获得可以和高极对数低转速的永磁体磁场相匹配且作用的谐波磁场分量。这种结构能在不增加电机体积和槽数的情况下，实现低速大转矩。
进一步地，所述永磁体的宽度和厚度满足以下关系：
m1＝(1～1.5)m3
m2＝(1～1.5)m4
其中，m1表示永磁体沿周向的宽度，m2表示永磁体沿径向的厚度，m3表示Halbach磁钢沿周向的宽度，m4表示Halbach磁钢沿径向的厚度。
满足该关系时，电机产生的气隙磁密更大，且能充分利用气隙中存在的低次谐波，与电枢绕组作用，为电机提供转矩。即该关系能够充分利用谐波，进一步提高了电机转矩和转矩密度。
优选地，每个定子齿的外端部均设有两个调制齿；所述的调制齿上在居中位置设有一个齿部小槽，或者均布多个齿部小槽。
进一步地，所述调制齿的径向厚度t2与齿部小槽的径向深度s2相同；所述齿部大槽的周向宽度t1为定子齿的外端宽度t3的1/3；所述齿部小槽的周向宽度s1与齿部大槽的周向宽度t1满足关系：s1＝(0.1～0.4)t1。
满足上述关系时，电机转矩最大，转矩脉动最小。该发明有效利用了谐波，提高了转矩密度。
优选地，所述的定子绕组采用分数槽集中绕组。分数槽集中绕组相对于分布式绕组而言，其绕组端部较短，定子铜耗更少。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中，电机的转子采用阵列表贴式Halbach，能有效提高电机转矩能力；且在定子外圈设置调制齿，调制齿的齿数为槽数的整数倍；此时的定子不仅起到提供旋转磁场的作用，其齿部更起到了磁场调制的作用，进一步提高了电机功率和转矩，适用于大功率密度场合和大转矩场合。
2、本发明直接在定子上设置多个调制齿，形成带辅助齿的新定子齿，省去了调磁块，从而使定子槽数可以做到较少，可以采用分数槽集中绕组的形式，使得电机结构更为简单紧凑，加工制造更为方便快捷，且气隙中存在的低次谐波能与电枢绕组作用为电机提供转矩。
3、本发明调制齿采用特殊结构设计，在每个调制齿上开设有小槽。降低了转矩波动，充分利用谐波，进一步提高了电机转矩。
4、本发明在定子槽口设有永磁体，N、S极交替均布；充分利用了电机内部空间，提高了电机气隙磁密，提升了电机转矩密度和功率密度。
附图说明
图1为本发明一种高转矩密度复合永磁电机的结构示意图；
图2为图1中区域A的局部放大图。
图中：1-转子环，2-Halbach阵列磁钢，3-永磁体，4-气隙，5-定子，6-定子齿，7-调制齿，8-齿部小槽，9-齿部大槽，10-定子槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1和图2所示，一种高转矩密度复合永磁电机，包括定子5以及设于定子5外侧的转子，转子包括转子环1以及均匀设置在转子环1内壁上的Halbach阵列磁钢2。
定子5包括定子齿6和定子槽10，每个定子齿6的外端部均设有两个调制齿7，调制齿7的总数为定子槽数的整数倍；调制齿7上设有径向朝外的齿部小槽8，相邻调制齿7之间构成齿部大槽9；调制齿7和Halbach阵列磁钢2之间设有气隙4。
定子槽10的底部设有定子绕组，定子槽10的外端槽口处设有与调制齿7固定的永磁体3，相邻永磁体3的极性相反。
具体的，Halbach阵列磁钢2采用黏贴方式固定于转子环1的内壁上，Halbach阵列磁钢2中，相邻两块Halbach磁钢的充磁方向垂直，组成一个磁极对，相邻2个磁极对的极性相反。
每块Halbach磁钢沿周向的宽度m3均相同，沿径向的厚度m4均相同。
Halbach阵列磁钢2的极对数Pr、调制齿7的总数Zm和定子绕组的极对数Ps满足以下关系：Pr＝Zm±Ps。
永磁体3的宽度和厚度满足以下关系：
m1＝(1～1.5)m3
m2＝(1～1.5)m4
其中，m1表示永磁体沿周向的宽度，m2表示永磁体沿径向的厚度，m3表示Halbach磁钢沿周向的宽度，m4表示Halbach磁钢沿径向的厚度。
调制齿7上在居中位置设有一个齿部小槽8，调制齿7的径向厚度t2与齿部小槽8的径向深度s2相同；齿部大槽9的周向宽度t1为定子齿6的外端宽度t3的1/3；齿部小槽8的周向宽度s1与齿部大槽9的周向宽度t1满足关系：s1＝(0.1～0.4)t1。此时电机转矩最大，转矩脉动最小。
本实施例中，电机采用18槽56极。转子环1的内壁上均布Halbach阵列磁钢2，共56极，一极由2块Halbach磁钢组成，相邻2极极性相反。转子环1的外径D4＝204mm，内径D3＝200mm；Halbach磁钢的周向宽度m3＝5.6mm，径向厚度m4＝4mm，磁钢的内圆直径D2＝192mm。
转子与定子5之间设有0.35mm的气隙(即调制齿7和Halbach阵列磁钢2之间的气隙)。定子外径D1＝191.3mm，定子槽数为18。定子齿6上设有调制齿7，调制齿数为36。符合本发明的基本关系，Halbach阵列磁钢的极对数Pr为28，定子调制齿的个数Zm为36和定子绕组的极对数Ps为8，遵循以下关系：Pr＝Zm±Ps，即28＝36-8。
调制齿7上的居中位置开有齿部小槽8。调制齿7的径向厚度t2和齿部小槽的径向深度s2相等，尺寸均为3.5mm。齿部大槽9的周向宽度t1＝8mm，定子齿6的外端宽度t3＝24。定子槽10的槽底设有电枢绕组，槽口顶部设有永磁体3，永磁体3采用径向充磁，相邻永磁体3的N、S交替均布，共18个极。永磁体的周向宽度m1＝7.4mm；径向厚度m2＝4.8mm。
相较于传统的外转子电机和磁齿轮电机。本发明采用了Halbach阵列磁钢2于转子环内壁，增强了电机的气隙磁密，以增大电机的输出转矩。省去了转子磁轭，直接贴于不导磁的转子部分，充分利用了电机内部空间，进一步提升了电机转矩密度。
通过在定子的外圈上设置调制齿，定子不仅起到提供旋转磁场的作用，其齿部更起到磁场调制的作用，同时达到输出扭矩的作用，进而提高了电机的扭矩输出能力，且结构简单，制造加工难度低。
通过在定子槽口设置N、S极交替均布的永磁体，充分利用了电机内部空间，提高了电机气隙磁密，提升了电机转矩密度和功率密度。
本发明的磁场调制电机具有高转矩密度和高功率密度，低转矩波动的特点。特别适用于低速大转矩的应用场合。另外，本发明不局限与外转子电机，同样适用于内转子的高转矩密度复合型永磁电机。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高转矩密度复合永磁电机，包括定子(5)以及设于定子(5)外侧的转子，其特征在于，所述的转子包括转子环(1)以及均匀设置在转子环(1)内壁上的Halbach阵列磁钢(2)；
所述的定子(5)包括定子齿(6)和定子槽(10)，每个定子齿(6)的外端部均设有至少两个调制齿(7)，调制齿(7)的总数为定子槽数的整数倍；所述的调制齿(7)上设有径向朝外的齿部小槽(8)，相邻调制齿(7)之间构成齿部大槽(9)；调制齿(7)和Halbach阵列磁钢(2)之间设有气隙(4)；
所述定子槽(10)的底部设有定子绕组，定子槽(10)的外端槽口处设有与调制齿(7)固定的永磁体(3)，永磁体的(3)与调制齿(7)的外端面共圆弧布置，永磁体(3)采用径向充磁，相邻永磁体(3)的极性相反；
所述的Halbach阵列磁钢(2)中，相邻两块充磁方向垂直的Halbach磁钢组成一个磁极对，相邻2个磁极对的极性相反；每块Halbach磁钢沿周向的宽度m3均相同，沿径向的厚度m4均相同；
Halbach阵列磁钢(2)的极对数Pr、调制齿(7)的总数Zm和定子绕组的极对数Ps满足以下关系：Pr＝Zm±Ps；
所述永磁体(3)的宽度和厚度满足以下关系：
m1＝(1～1.5)m3
m2＝(1～1.5)m4
其中，m1表示永磁体沿周向的宽度，m2表示永磁体沿径向的厚度，m3表示Halbach磁钢沿周向的宽度，m4表示Halbach磁钢沿径向的厚度；
所述调制齿(7)的径向厚度t2与齿部小槽(8)的径向深度s2相同；所述齿部大槽(9)的周向宽度t1为定子齿(6)的外端宽度t3的1/3；所述齿部小槽(8)的周向宽度s1与齿部大槽(9)的周向宽度t1满足关系：s1＝(0.1～0.4)t1。
2.根据权利要求1所述的高转矩密度复合永磁电机，其特征在于，每个定子齿(6)的外端部均设有两个调制齿(7)；所述的调制齿(7)上在居中位置设有一个齿部小槽(8)，或者均布多个齿部小槽(8)。
3.根据权利要求1所述的高转矩密度复合永磁电机，其特征在于，所述的定子绕组采用分数槽集中绕组。
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