CN113726118A - 多裂齿比多端口磁场调制电机 - Google Patents

多裂齿比多端口磁场调制电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多裂齿比多端口磁场调制电机，该电机由带有环形绕组的不同裂齿比定子以及内、外转子组成，定子为电端口，内、外转子为两个机械端口。该电机定子施加于内、外转子中间，定子齿用于调制内、外气隙磁场。其中，定子内齿数少于定子外齿数，定子齿漏磁少且铁芯利用率高。环形绕组嵌入定子内、外槽，跨过定子轭连接，通三相正弦交变电流的环形绕组可为内、外气隙提供极对数不同的电枢磁场，且外电枢磁场的极对数高于内电枢极对数。该电机具有双速输出、大转矩、宽运行范围的特点，且电机散热性好、功率因数高、铜耗低，适用于电动汽车、全电飞机等要求低速大转矩、多速运行要求的场合。

Description

多裂齿比多端口磁场调制电机
技术领域
本发明涉及永磁磁场调制电机，尤其涉及一种多裂齿比多端口磁场调制电机。
背景技术
随着永磁材料性能的提升与其工业应用前景的扩展，永磁电机以高效、高功率密度及运行可靠等优点已取代传统电励磁电机广泛应用于航天、航海及交通运输等领域。在工程上，大部分永磁电机驱动***采用“高速电机+机械齿轮”的组合，以提高电机的转矩密度。然而，这样的组合会带来摩擦损耗增大、噪声增大、效率降低以及运行可靠性降低等一系列问题。为了解决这些问题，电机研究人员将磁齿轮与永磁电机相结合，提出了磁场调制电机，其基于“磁齿轮效应”，电机内转速较高的电枢磁场可以被调制成转速较低的谐波磁场，与极对数较低的旋转磁场耦合产生大转矩，使电机具有低速大转矩的特点，并提高了电机的转矩密度，受到了国内外学者的广泛关注。
然而，传统磁场调制电机是由一组绕组和一个定子配合来带动一个转子旋转，很难应用在多端口差速输出场合，为了解决这一问题，研究人员提出引入额外的调制环放在两个转子中间，由调磁环的磁场调制作用使得两个转子旋转。但是引入了额外的调磁环在结构上增加了气隙数目，其空间利用率低且谐波畸变大，导致电机运行效率很低；针对这一问题，研究人员又提出一种双转子磁场调制电机，该电机使用上下开槽的结构，单内外定子齿数目固定且相等，两个机械端口输出能力相同，因此应用范围受到限制。
发明内容
为了实现磁场调制电机能在多端口场合实现高效应用，本发明在探索新型定子结构磁场调制电机和多端口磁场调制电机等技术的基础上，提出全新的多裂齿比多端口磁场调制电机，以内外沿周向均匀分布不同数目的调制齿为基础，采用特殊的环形绕组接线方式，产生一个能兼顾内外转子的空间电枢磁场，由于裂齿比可以不为一，内外调制齿数目不同，则在内外气隙调制出的空间电枢磁场极对数也不同，则内外转子转速和转矩输出能力亦不同。本发明具有多端口输出、大转矩、宽运行范围的特点，并且由于采取环形绕组的连接方式，电机散热性好、功率因数高、铜耗低，在电动汽车、全电飞机等要求低速大转矩和多速运行的场合具有良好的发展前景。
技术方案：为实现以上目的，本发明采用如下的技术方案：
一种多裂齿比多端口磁场调制电机，具有一个电气端口和两个机械端口，电气端口为通电的上、下开槽的多裂齿比定子和环形绕组，机械端口为磁极对数不同的内转子和外转子，具体包括：
多裂齿比定子、内转子和外转子，所述多裂齿比定子放置在内转子和外转子之间，所述多裂齿比定子包括：
定子轭，所述定子轭的内、外表面沿定子轭圆周方向均匀分布定子齿，内、外两层定子齿经过***或合并形成数目不同的调制齿，分别是位于定子轭内表面的内调制齿和位于定子轭外表面的外调制齿；所述内调制齿在定子轭内表面均匀间隔排列形成定子内槽；所述外调制齿在定子轭外表面均匀间隔排列形成定子外槽；
所述内转子包括内转子铁芯和周向布置在所述内转子铁芯外表面的内转子永磁阵列；
所述外转子包括外转子铁芯和周向布置在所述外转子铁芯内表面的外转子永磁阵列；
第一层气隙，设置于所述内转子永磁和多裂齿比定子之间；
第二层气隙，设置于外转子永磁和多裂齿比定子之间；
环形绕组，其分别嵌入定子内槽和定子外槽，通三相正弦电流时产生电枢磁场，位于内层的所述第一层气隙和位于外层的所述第二层气隙利用不同的电枢磁场齿谐波与内、外转子永磁磁场耦合产生输出转矩。
优选的，所述内调制齿的齿数和外调制齿的齿数不同，且内调制齿的齿数少于外调制齿的齿数，内、外调制齿为径向同向排列，或为径向错位排列。
优选的，根据裂齿比不同，内、外定子齿***或合并为数目不同的调制齿，内调制齿齿数与外调制齿齿数满足如下公式：
Figure 446087DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 956703DEST_PATH_IMAGE004
为外调制齿的数目，
Figure 205282DEST_PATH_IMAGE006
为内调制齿数目，k为裂齿比。
优选的，所述定子齿以对称***或者不对称***方式形成所述调制齿。
优选的，所述环形绕组跨过定子轭连接嵌入在径向相邻或错开一个槽距的内、外定子槽中。
优选的，所述内转子永磁阵列和外转子永磁阵列均为径向充磁且磁极方向相反的高剩磁永磁体交替排列构成，或均为径向充磁且磁极方向相同高剩磁永磁体与转子铁芯极交替排列构成。
本发明进一步公开了一种多裂齿比多端口磁场调制电机，具有两个电气端口和一个机械端口，即双定子单转子电机，两个电气端口分别为缠绕在内、外定子上的两套通电电枢绕组，一个机械端口为位于两个定子之间的转子，两个定子均采用多裂齿结构，且内、外定子裂齿数目不同，具体包括：
内定子、外定子和转子，所述转子放置在内定子和外定子之间，
第一层气隙位于内定子和转子之间、第二层气隙位于转子和外定子之间；所述外定子内部以及内定子外部沿圆周方向均匀分布定子齿，内、外定子齿通过***或合并形成数目不同的调制齿；
内定子和内定子绕组配合，外定子和外定子绕组配合，
两套绕组可以同时工作也可以分时工作，同时工作时，内、外绕组极对数如果满足：
Figure 928387DEST_PATH_IMAGE008
，即内、外电枢绕组在内、外气隙内产生相同极对数的空间电枢磁场，则可使转子实现高转矩密度输出；
其中，Zso为外定子调制齿数目，p so为外定子绕组极对数，Zsi为内定子调制齿数目，p si为内定子绕组极对数，p r为转子磁极对数，f为频率；
分时工作时，在外定子单独作用下，转子以
Figure 834770DEST_PATH_IMAGE010
转每分钟的速度旋转；在内定子单独作用下，转子以
Figure 126074DEST_PATH_IMAGE012
转每分钟的速度旋转。
所述内定子调质齿均匀间隔排列形成内定子槽，外定子调制齿均匀间隔排列形成外定子槽；
所述外定子绕组嵌入外定子槽，所述内定子绕组嵌入内定子槽。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
（1）本发明采用了性能优良的多裂齿比定子结构，采用内、外表面分别开槽的方式，由于裂齿比的不同，内、外定子齿***或合并为不同数目的调制齿，从而使电枢在内、外气隙中产生极对数不同的空间电枢磁场，对于外转子，空间电枢磁场极对数与调制齿数相差大，可利用永磁极对数多的外转子产生大输出转矩；对于内转子，空间电枢磁场极对数与调制齿数相差小，可利用永磁极对数少的内转子使电机获得高速运行的特点。
（2）本发明采用环形绕组的连接方式与提出的多裂齿比定子结构配合，不仅能产生同时兼顾内外转子的电枢磁场，被定子结构的两组调制齿分别调制为不同极对数的空间电枢磁场，而且该绕线方式与传统的整数槽分布式绕组、分数槽集中式绕组等连接方式相比，装配简单、易于散热，由于端部短，能大大减少铜线的使用量，从而提高导线利用率、还可降低铜耗及端部漏抗。
（3）本发明一种结构是具有一个电气端口和两个机械端口的多端口磁场调制电机，和传统的多端口磁场调制电机相比，不仅没有引入额外的调磁结构造成气隙结构的增多，而且使得内外两个机械端口的输出能力不同，运行范围宽；同时本发明的另外一种结构为具有两个电气端口和一个机械端口的形式，通过选择不同的裂齿比，由极对数不同的内外两组通电绕组在内外气隙中产生极对数相同的空间电枢磁场，使单转子获得高功率密度输出的能力；另一方面可以采用分时的工作方式，当内、外定子电枢各自单独工作时，分别带动内、外转子以不同的速度单独转动，该工作方式本质为两个额定转速不同的内外转子磁场调制电机共用转子结构，该工作模式切换自由、应用范围更加广泛。
附图说明
图1为本发明多裂齿比多端口磁场调制电机沿轴线的剖面示意图；
其中，2为外转子；3为多裂齿比定子；4为环形绕组；101为转轴；103为内转子永磁；202为外转子永磁；
图2是本发明多裂齿比多端口磁场调制电机的径向截面示意图；
其中，4为环形绕组；102为内转子铁芯；301为外调制齿；302为内调制齿；305为定子轭；
图3为本发明多裂齿比多端口磁场调制电机裂齿比k=2定子三维分解视图；
其中，303为定子内槽；304为定子外槽；
图4是本发明多裂齿比多端口磁场调制电机裂齿比k=4定子示意图；
图5是本发明多裂齿比多端口磁场调制电机裂齿比k=1定子示意图；
图6是本发明多裂齿比多端口磁场调制电机裂齿比k=3定子示意图；
图7是本发明多裂齿比多端口磁场调制电机内外调制齿错位排列示意图；
图8是本发明多裂齿比多端口磁场调制电机内外调制齿不对称***示意图；
图9是本发明多裂齿比多端口磁场调制电机环形绕组跨槽连接示意图；
图10为本发明多裂齿比多端口磁场调制电机内、外转子三维分解视图；
其中，201为外转子铁芯；202为外转子永磁；
图11为本发明内、外转子结构示意图；
其中，104为内转子铁芯极，203为外转子铁芯极。
图12是本发明多裂齿比多端口磁场调制电机采用双定子结构时，裂齿比k=1的径向截面示意图；
其中，5为内定子、501为内定子调制齿、502为内定子槽、6为外定子、601为外定子调制齿、602为外定子槽、7为内定子绕组、8为外定子绕组、9为转子；
图13是本发明多裂齿比多端口磁场调制电机采用双定子结构时，裂齿比k=2的径向截面示意图；
图14是本发明多裂齿比多端口磁场调制电机采用双定子结构时，裂齿比k=3的径向截面示意图；
图15是本发明多裂齿比多端口磁场调制电机采用双定子结构时的转子9示意图；
其中，901为转子永磁极，902为与901充磁方向相反的永磁极或铁芯极。
具体实施方式
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
一种多裂齿比多端口磁场调制电机，包括多裂齿比定子、环形绕组、内转子和外转子，多裂齿比定子放置在内转子和外转子之间，并相互留有气隙。
其中，环形绕组采用环形连接方式，分别穿过内定子槽和相应的外定子槽，给环形绕组通入三相正弦交变电流就能产生兼顾内外两个转子的旋转电枢磁场。
进一步，本发明采用径向充磁、方向相反的高剩磁永磁体间隔排列成内外转子永磁，内转子永磁体和外转子永磁体分别安装在内转子外侧和外转子内侧建立内外永磁磁动势，由于两者磁极对数不等，电机工作时各自旋转速度也不等。
再者，所述多裂齿比定子包括定子轭部、内定子齿和外定子齿，根据裂齿比不同，内、外定子齿***或合并为数目不同的调制齿。
记外调制齿的数目为
Figure 986582DEST_PATH_IMAGE004
，内调制齿数目为
Figure 654324DEST_PATH_IMAGE006
，裂齿比为k，外转子永磁极对数为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，内转子永磁极对数为
Figure 385520DEST_PATH_IMAGE016
，则调制齿的数目满足：
Figure 972359DEST_PATH_IMAGE018
当给环形绕组注入三相正弦交变电流使之产生一个极对数为
Figure DEST_PATH_IMAGE020
的空间电枢磁场时，电机正常运转的条件为上述参数满足如下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
Figure DEST_PATH_IMAGE024
。
实施例1
如图1、图2所示，本发明公开了一种多裂齿比多端口磁场调制电机，该电机包括多裂齿比定子3、环形绕组4、内转子1、内转子永磁103、转轴101、外转子2和外转子永磁202。第一层气隙位于内转子永磁103和多裂齿比定子3之间、第二层气隙位于外转子永磁202和多裂齿比定子3之间；所述定子轭305内外表面沿圆周均匀分布定子齿，内外两层定子齿经过***或合并形成数目不同的调制齿；所述内外调制齿分别均匀间隔排列形成定子外槽304和定子内槽303，所述环形绕组4嵌入径向同向的定子内槽303和定子外槽304；所述外调制齿301和内调制齿302均为径向同向；内转子1外表面沿圆周均匀贴有充磁方向相反且交替排列的永磁极103，外转子2内表面沿圆周均匀贴有充磁方向相反且交替排列的外转子永磁202；
所述转轴101、内转子1、内转子永磁103、多裂齿比定子3、外转子2和外转子永磁202均为同轴套设。
如图2所示，环形绕组4分别嵌入定子内槽303和定子外槽304，通过给环形绕组赋予三相正弦交变电流来产生电枢磁场，该电枢磁场分别被内调制齿302和外调制齿301调制，内外气隙利用不同的电枢磁场齿谐波与内、外转子永磁磁场耦合产生输出转矩。
如图2、图3、图4、图5、图6所示，定子轭305的内外表面分别均匀排布有外调制齿301和内调制齿302，两层调制齿都可以根据设计需要，做出合并或***以达到不同的裂齿比。除了在图3所示的
Figure DEST_PATH_IMAGE026
结构外，还可以演变为如图4、图5和图6所示的结构，其k分别为4、1、3。考虑到漏磁、装备难度等因素，一般要求内调制齿数目较外调制齿数目少，则
Figure DEST_PATH_IMAGE028
一般大于1；当
Figure DEST_PATH_IMAGE030
时，内外调制齿数目相等，则两机械端口同步运行。裂齿比
Figure 149525DEST_PATH_IMAGE028
越大，则外转子永磁极对数和内转子永磁极对数相差越大，此时内外两机械端口的转速相差越大。
如图7、图8、图9所示，本发明所提出的新型定子结构还可以演变为三种不对称结构：内、外调制齿不仅可以采取径向同向排列，也可以采取径向错位排列；
作为本实施例的优选，内外调制齿可以采取对称***也可以采取不对称***；
作为本实施例的优选，定子环形绕组不仅可以嵌入径向同向的定子内、外槽，跨过定子轭连接的连接方式，也可以采取错开一个槽距嵌入内外槽的连接方式。
当采用上述几种新型定子结构时，可以在总输出转矩降低很小的前提下，降低转矩脉动，提高电机输出可靠性。
实施例2
如图12、13所示，本发明进一步公开了多裂齿比多端口磁场调制电机的第二种结构，即采用双定子电端口以及一个转子9机械输出端口。该电机包括外定子6、内定子5、外定子绕组8、内定子绕组7、转子9以及转轴101。第一层气隙位于内定子5和转子9之间、第二层气隙位于转子9和外定子6之间；所述外定子6内部以及内定子5外部沿圆周方向均匀分布定子齿，内、外定子齿通过***或合并形成数目不同的调制齿；所述内、外调制齿分别均匀间隔排列形成外定子槽602和内定子槽502，所述外定子绕组8嵌入外定子槽，内定子绕组7嵌入内定子槽；所述外定子调制齿601和内定子调制齿501均为径向同向；转子9为杯型结构，901为转子永磁极，902为与901充磁方向相反的永磁极或铁芯极。
所述外定子6、转子9、内定子5、转轴101均为同轴套设。
如图12所示，通过给两绕组通入三相正弦交变电流来产生电枢磁场，该电枢磁场分别被外定子调制齿601以及内定子调制齿501调制，在内、外气隙中与转子9产生的永磁磁场耦合产生输出转矩。两套电枢绕组可以同时工作也分时工作。同时工作时，内、外绕组极对数如果满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，则可使转子实现高转矩密度输出。分时工作时，在外定子单独作用下，转子以
Figure 948853DEST_PATH_IMAGE034
转每分钟的速度旋转；在内定子单独作用下，转子以
Figure DEST_PATH_IMAGE036
转每分钟的速度旋转。该工况实质上是一台内转子磁场调制电机和一台外转子磁场调制电机共用转子结构，此时工作模式切换十分方便并且具有宽运行范围的优点。
如图12所示，外定子6的内表面以及内定子5的外表面分别均匀排布有外定子调制齿601和内定子调制齿501，两部分调制齿都可以根据设计需要，做出合并或***达到不同的裂齿比。除了在图12所示的k=1结构外，还可以演变为图13、14所示的结构，其中k=2、3。

Claims (8)

1.一种多裂齿比多端口磁场调制电机，具有一个电气端口和两个机械端口，电气端口为通电的上、下开槽的多裂齿比定子（3）和环形绕组（4），机械端口为磁极对数不同的内转子（1）和外转子（2），具体包括：
多裂齿比定子（3）、内转子（1）和外转子（2），所述多裂齿比定子（3）放置在内转子和外转子之间，其特征在于，所述多裂齿比定子（3）包括：
定子轭（305），所述定子轭（305）的内、外表面沿定子轭圆周方向均匀分布定子齿，内、外两层定子齿经过***或合并形成数目不同的调制齿，分别是位于定子轭（305）内表面的内调制齿（301）和位于定子轭（305）外表面的外调制齿（301）；所述内调制齿（301）在定子轭（305）内表面均匀间隔排列形成定子内槽（303）；所述外调制齿（301）在定子轭（305）外表面均匀间隔排列形成定子外槽（304）；
所述内转子（1）包括内转子铁芯（102）和周向布置在所述内转子铁芯（102）外表面的内转子永磁（103）阵列；
所述外转子（2）包括外转子铁芯（201）和周向布置在所述外转子铁芯（201）内表面的外转子永磁（202）阵列；
第一层气隙，设置于所述内转子永磁（103）和多裂齿比定子（3）之间；
第二层气隙，设置于外转子永磁（202）和多裂齿比定子（3）之间；
环形绕组（4），其分别嵌入定子内槽（303）和定子外槽（304），通三相正弦电流时产生电枢磁场，位于内层的所述第一层气隙和位于外层的所述第二层气隙利用不同的电枢磁场齿谐波与内、外转子永磁磁场耦合产生输出转矩。
2.根据权利要求1所述的多裂齿比多端口磁场调制电机，其特征在于，
所述内调制齿（301）的齿数和外调制齿（302）的齿数不同，且内调制齿（302）的齿数少于外调制齿（301）的齿数，内、外调制齿为径向同向排列，或为径向错位排列。
3.根据权利要求1所述的多裂齿比多端口磁场调制电机，其特征在于：
根据裂齿比不同，内、外定子齿***或合并为数目不同的调制齿，内调制齿齿数与外调制齿齿数满足如下公式：
Figure 532862DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 431548DEST_PATH_IMAGE004
为外调制齿的数目，
Figure 266648DEST_PATH_IMAGE006
为内调制齿数目，k为裂齿比。
4.根据权利要求3所述的多裂齿比多端口磁场调制电机，其特征在于：
所述定子齿以对称***或者不对称***方式形成所述调制齿。
5.根据权利要求1所述的多裂齿比多端口磁场调制电机，其特征在于：
所述环形绕组（4）跨过定子轭（305）连接嵌入在径向相邻或错开一个槽距的内、外定子槽中。
6.根据权利要求1所述的多裂齿比多端口磁场调制电机，其特征在于：
所述内转子永磁（103）阵列和外转子永磁（202）阵列均为径向充磁且磁极方向相反的高剩磁永磁体交替排列构成，或均为径向充磁且磁极方向相同高剩磁永磁体与转子铁芯极交替排列构成。
7.一种多裂齿比多端口磁场调制电机，具有两个电气端口和一个机械端口，即双定子单转子电机，其特征在于，两个电气端口分别为缠绕在内、外定子上的两套通电电枢绕组，一个机械端口为位于两个定子之间的转子，两个定子均采用多裂齿结构，且内、外定子裂齿数目不同，具体包括：
内定子（5）、外定子（6）和转子（9），所述转子（9）放置在内定子（5）和外定子（6）之间，
第一层气隙位于内定子（5）和转子（9）之间、第二层气隙位于转子（9）和外定子（6）之间；所述外定子（6）内部以及内定子（5）外部沿圆周方向均匀分布定子齿，内、外定子齿通过***或合并形成数目不同的调制齿；
内定子（5）和内定子绕组（7）配合，外定子（6）和外定子绕组（8）配合，
两套绕组可以同时工作也可以分时工作，同时工作时，内、外绕组极对数如果满足：
Figure 276193DEST_PATH_IMAGE008
，即内、外电枢绕组在内、外气隙内产生相同极对数的空间电枢磁场，则可使转子实现高转矩密度输出；
其中，Zso为外定子调制齿数目，p so为外定子绕组极对数，Zsi为内定子调制齿数目，p si为内定子绕组极对数，p r为转子磁极对数，f为频率；
分时工作时，在外定子单独作用下，转子以
Figure 247560DEST_PATH_IMAGE010
转每分钟的速度旋转；在内定子单独作用下，转子以
Figure 51568DEST_PATH_IMAGE012
转每分钟的速度旋转。
8.根据权利要求7所述的多裂齿比多端口磁场调制电机，其特征在于，所述内定子调制齿均匀间隔排列形成内定子槽（502），外定子调制齿均匀间隔排列形成外定子槽（602）；
所述外定子绕组（8）嵌入外定子槽（602），所述内定子绕组（7）嵌入内定子槽（502）。
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