CN115622288A - 一种双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机由转子和定子这两个部分组成；转子由转子背轭、转子齿、转轴和永磁体组成；定子由三个定子单元组成，其中每个定子单元均由定子背轭、定子齿、裂齿、辅助齿、电枢绕组和永磁体组成；三个定子单元沿圆周呈120度对称分布在转子的外面。该电机的定子II和转子I侧均放置永磁体，定子永磁体和转子永磁体所产生的永磁体磁动势分别被转子齿和定子齿所调制，为双向磁场调制效应，双向磁场调制效应，有效提升了气隙磁密谐波的成分与幅值，使得本发明公开的双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机具有较高的转矩密度、永磁体利用率，较低的转矩脉动，可应用于大口径天文望远镜等低速大转矩直驱场合。

Description

一种双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机
技术领域
本发明属于永磁同步电机领域，具体涉及一种双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机。
背景技术
针对大口径天文望远镜的传统方式，传统的驱动方式大多“旋转电机+机械传动机构”的间接传动方式，其不仅具有结构复杂、体积庞大的问题，还存在摩擦磨损、弹性变形和反向间隙等缺陷，难以满足大口径天文望远镜低速大转矩以及高精度跟踪的性能要求；
为解决上述问题，一种以弧线永磁电机作为驱动电机的直驱方式被提出，并成功应用于大口径天文望远镜的驱动，国内外学者对弧线永磁电机开展了深入研究，但目前的大口径天文望远镜用弧线电机还存在诸多科学问题亟待解决，如电机转矩密度、永磁体利用率进一步提高，制造成本进一步降低等。
为此，我们提出一种双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于公开一种双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机，用以提升弧线永磁电机的转矩密度和永磁体利用率。具体为：一方面，该电机定转子两侧均放置有永磁体，为双边永磁型弧线永磁电机，其可看作定子永磁型与转子永磁型两类弧线永磁电机的叠加，其具有双向磁场调制效应特点。双向磁场调制效应提升了有效气隙磁密谐波成分与幅值，实现了空载反电势与转矩密度的提升；另一方面，该电机的定/转子永磁体均采用N-iron阵列的交替极结构，相比于N-S的永磁体阵列，N-iron阵列的交替极结构使得弧线永磁电机在保持足够高的转矩性能前提下，降低了电机的永磁体用量，提高了永磁体利用率。因此，该电机解决了现有技术中在电机运动的过程中存在电机转矩密度和永磁体利用率相对较低的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机由转子和定子这两个部分组成；转子由转子背轭、转子齿、转轴和永磁体组成；定子由三个定子单元组成，其中每个定子单元均由定子背轭、定子齿、裂齿、辅助齿、电枢绕组和永磁体组成；三个定子单元沿圆周呈120度对称分布在转子的外面。
作为进一步的优选方案，所述定子由三个定子单元组成，三个定子单元沿圆周呈120度对称分布在转子外面；每个定子单元和转子均组成一个6定子齿/14转子齿极槽配合的单元电机。
作为进一步的优选方案，所述定子单元上的6个电枢绕组以非重叠式集中绕组的形式缠绕在6个定子齿上；定子单元两侧的2个辅助齿上无电枢绕组；三个所述的定子单元的同相电枢绕组以串联的形式连接，最终构成了一个完整的三相绕组。
作为进一步的优选方案，所述定子的定子背轭、定子齿、裂齿和辅助齿；以及转子的转子背轭、转子齿均由导磁性能好的硅钢片压制而成。
作为进一步的优选方案，所述定转子两侧的永磁体的充磁方向相同，均为径向向外充磁(N极)；两种永磁体的材料均为磁能积高的钕铁硼。
作为进一步的优选方案，所述每个定子单元定子齿上的裂齿和永磁体组成呈“裂齿-永磁体-裂齿-永磁体”分布的交替极结构阵列。
作为进一步的优选方案，转子上均匀分布70个转子齿和70个永磁体，转子齿和永磁体组成呈“转子齿-永磁体”分布的交替极结构阵列，该阵列在整个圆周上形成70对极的转子永磁磁场。
本公开的有益效果：
该电机的定子II和转子I侧均放置永磁体，定子永磁体和转子永磁体所产生的永磁体磁动势分别被转子齿和定子齿所调制，表现为双向磁场调制效应，双向磁场调制效应，有效提升了气隙磁密谐波的成分与幅值，使得本发明公开的双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机具有较高的转矩密度、永磁体利用率，较低的转矩脉动，可应用于大口径天文望远镜等低速大转矩直驱场合；提高了弧线永磁电机的空载反电势、转矩密度与永磁体利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的电机的整体结构示意图；
图2为本发明的电机的转子示意图；
图3为本发明的电机的一个定子单元示意图；；
图4为仅定子永磁体励磁时，单元电机的空载气隙磁密及其谐波分析；
图5为仅转子永磁体励磁时，单元电机的空载气隙磁密及其谐波分析；
图6为双边永磁体励磁时，单元电机的空载气隙磁密及其谐波分析；
图7为仅定子永磁体励磁时，弧线永磁电机的空载反电势及其谐波分析；
图8为仅转子永磁体励磁时，弧线永磁电机的空载反电势及其谐波分析；
图9为双边永磁体励磁时，弧线永磁电机的空载反电势及其谐波分析。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机，包括转子I和定子II两部分；其中，定子II由三个定子单元III组成，三个定子单元III沿圆周呈120度对称分布在转子的外面。
如图2所示，所述转子I由转子齿1、转子背轭2、转轴3和永磁体4这四部分组成，转子齿1和转子背轭2均由导磁性能好的硅钢片压制而成，转轴3由不导磁的不锈钢材料组成，永磁体4为径向向外充磁的钕铁硼永磁体；
进一步地，整个转子I上均匀分布70个转子齿1和70个转子永磁体4，70个转子齿1和70个转子永磁体4组成呈“转子齿1-转子永磁体4”分布的交替极结构阵列。该种转子结构设计具有两方面的优点，一方面，简单的转子齿结构简单、鲁棒性好，其不仅起到了磁路导通的作用，而且对定子永磁磁场起到磁场调制的作用。另一方面，相比于N-S的永磁体阵列，70个转子齿1和70个转子永磁体4交替排列所组成的“转子齿1-转子永磁体4”的阵列，降低了永磁体用量，提升了转子永磁体4利用率，特别是在大口径弧线永磁电机上尤为明显。
如图3所示，所述定子单元III由定子背轭5、定子齿6、裂齿7、定子永磁体8、辅助齿9和电枢绕组10组成，每个定子单元III有6个定子齿6和2个辅助齿9；每个定子齿顶部***成2个裂齿7，因此，每个定子单元III具有12个裂齿7；每个定子齿6上的裂齿7与定子永磁体8交替排列，逆时针形成“裂齿7-定子永磁体8-裂齿7-定子永磁体8”阵列。
进一步地，在每个定子齿6上缠绕着电枢绕组10，该绕组为非重叠式集中绕组，相比于分布式绕组，集中式电枢绕组10具有较短的端部长度，较高的槽满率，有效降低了电机的绕组损耗，提升整个电机的效率。
进一步地，所述三个定子单元III沿圆周呈120度对称分布在转子I的外面，每个定子单元III和转子均组成一个6定子齿/14转子齿的极槽配合的弧线永磁单元电机，因此，该电机可看作由三个单元电机(即，单元电机一、单元电机二、单元电机三)组成，每个单元电机的绕组相序各不相同，单元电机一的绕组相序为A-B-C-A-B-C，单元电机二的绕组相序为B-C-A-B-C-A，单元电机三的绕组相序为C-A-B-C-A-B；最后，三个单元电机的每相绕组以串联的形式连接组成一个新的相绕组。通过如此设计，可以很好解决电机因三相绕组不对称效应所引起的转矩脉动。
图4为仅定子永磁体励磁时，该电机的一个单元电机所产生的空载气隙磁密波形及其谐波分析。由该图可以看出，对于一个单元电机，每个定子单元上的12个裂齿7与12个定子永磁体8交替排列形成的“裂齿7-定子永磁体8-裂齿7-定子永磁体8”阵列所产生的定子永磁磁动势在14个转子齿1的调制作用下，所产生的气隙磁场具有2次、6次、12次、18次、24次的磁密谐波。
图5为仅转子永磁体励磁时，该电机的一个单元电机所产生的空载气隙磁密波形及其谐波分析。由该图可以看出，对于一个单元电机，转子上的14个转子齿1与14个转子永磁体4交替排列形成的“转子齿1-转子永磁体4”阵列所产生的转子永磁磁动势在12个裂齿7的调制作用下，所产生的气隙磁场存在2次、10次、14次、22次的磁密谐波。
图6为双边永磁体励磁时，该电机的一个单元电机所产生的空载气隙磁密波形及其谐波分析。由该图可以看出，定子II和转子I的永磁体所产生的永磁体磁动势在转子齿1和定子齿6的调制下，所产生的气隙磁场同时存在2次、6次、10次、12次、14次、16次、18次、22次和24次的磁密谐波。因此，该双边永磁型弧线永磁电机可看作定子永磁型与转子永磁型两类弧线永磁电机的叠加，其具有双向磁场调制效应特点。双向磁场调制效应有效提升了气隙磁密谐波的成分与幅值。
图7-9分别为仅定子永磁体、转子永磁体和双边永磁体励磁时，弧线永磁电机的空载反电势及其谐波分析。从图可以看出，受益于双向磁场调制效应，相比于仅定子永磁体、转子永磁体励磁时电机的空载反电势，双边永磁体励磁时的弧线永磁电机的空载反电势得到了有效提升，从而进一步提升了电机的转矩密度。
进一步地，该电机的定子永磁体8和转子永磁体4均采用N-iron阵列的交替极结构，相比于N-S的永磁体阵列，N-iron阵列的交替极结构使得弧线永磁电机在保持足够高的转矩性能前提下，有效节省了电机的永磁体用量，提高了永磁体利用率。
进一步地，本发明的技术方案同样适用于外转子内定子多谐波励磁型弧线永磁同步电机，以上所述仅是本公开的优选实施方式。
工作原理
该电机的定子II和转子I侧均放置永磁体，定子永磁体8和转子永磁体4所产生的永磁体磁动势分别被转子齿1和定子齿6所调制，表现为双向磁场调制效应。双向磁场调制效应，有效提升了气隙磁密谐波的成分与幅值，使得本发明公开的双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机具有较高的转矩密度、永磁体利用率，较低的转矩脉动，可应用于大口径天文望远镜等低速大转矩直驱场合。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机，包括转子(I)和定子(II)，其特征在于，定子(II)包括多个定子单元(III)，定子单元(III)沿圆周均匀分布在转子(I)上，定子单元(III)包括定子背轭(5)和定子齿(6)，所述定子背轭(5)上设有多个定子齿(6)，定子齿(6)上均匀设有裂齿(7)和定子永磁体(8)，所述定子单元(III)的两侧设有辅助齿(9)。
2.根据权利要求1所述的双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机，其特征在于，所述转子(I)包括转子齿(1)、转子背轭(2)、转轴(3)和转子永磁体(4)，转轴(3)上设有转子背轭(2)，转子背轭(2)上设有均匀分布的多个转子齿(1)和多个转子永磁体(4)，转子永磁体(4)的充磁方向与定子上定子永磁体(8)的充磁方向一致，转子齿(1)和转子永磁体(4)组成呈“转子齿(1)-转子永磁体(4)”分布的交替极结构阵列。
3.根据权利要求2所述的双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机，其特征在于，所述转子(I)上均匀分布70个转子齿(1)和70个转子永磁体(4)。
4.根据权利要求1所述的双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机，其特征在于，所述定子(II)由三个定子单元(III)组成，三个定子单元(III)沿圆周呈120度对称分布在转子(I)外面。
5.根据权利要求1所述的双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机，其特征在于，所述定子齿(6)上设有电枢绕组(10)，电枢绕组(10)以非重叠式集中绕组的形式缠绕在定子齿(6)上。
6.根据权利要求1所述的双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机，其特征在于，每个定子单元(III)设有6个定子齿(6)和2个辅助齿(9)，其中，每个定子齿(6)上设有2个裂齿(7)。
7.根据权利要求1所述的双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机，其特征在于，每个定子齿(6)上的裂齿(7)与定子永磁体(8)交替排列，形成“裂齿(7)-定子永磁体(8)-裂齿(7)-定子永磁体(8)”阵列，在所述的裂齿(7)和定子永磁体(8)组成的“裂齿(7)-定子永磁体(8)-裂齿(7)-定子永磁体(8)”阵列中，定子永磁体(8)的充磁方向为径向充磁，每个定子单元(III)上的定子永磁体的高度及弧长均相等。
8.根据权利要求1所述的双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机，其特征在于，每个定子单元(III)总共有12块永磁体(8)。
9.根据权利要求5所述的双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机，其特征在于，三个所述的定子单元(III)的同相电枢绕组以串联的形式连接，构成一个完整的三相绕组。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116205113A (zh) * 2023-04-18 2023-06-02 合肥工业大学 一种永磁同步直线电机稳健性优化方法及***
CN116388499B (zh) * 2023-05-26 2023-08-11 山东科技大学 一种定子模块化双边永磁励磁型磁场调制风力发电机

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