CN115765235A - 一种双定子磁场调制弧线永磁直驱电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁场调制永磁电机技术领域，具体公开了一种双定子磁场调制弧线永磁直驱电机。该电机包括外定子、内定子、转子、外电枢绕组以及内电枢绕组。本发明通过采用双定子结构能够有效提高空间利用率；电机采用两套电枢绕组参与电磁能量转换，能够有效地提高转矩和功率密度；同时，本发明电机通过利用外转子齿对外定子永磁体磁场的调制作用以及内转子齿对内定子永磁体磁场的调制作用，能够产生丰富的内、外气隙磁密工作谐波，从而有效地提高电机的转矩密度。另外，本发明内、外定子均采用模块化设计，便于加工和组装，提高了工程实用价值。由于本发明电机具有高转矩密度的特点，因而在包括大口径天文望远镜驱动等场合有良好的直驱应用前景。

Description

一种双定子磁场调制弧线永磁直驱电机

技术领域

本发明属于磁场调制永磁电机技术领域，涉及一种双定子磁场调制弧线永磁直驱电机。

背景技术

在大口径天文望远镜驱动***中，通常采用电机与齿轮箱相结合的方案来满足低速大转矩的设计需求，然而这种方案带来了机械结构复杂、动态性能较差以及控制精度较低等缺点。

为了解决上述问题，弧线永磁直驱电机被提出，其具有结构简单、转矩密度大以及便于组装等优势，已在包括西班牙GTC望远镜和欧洲天文台VLT望远镜等场合实现应用。

此外，国内高校及科研院所也对弧线永磁电机进行了深入研究并取得了较多成果。目前，国内外提出的弧线永磁电机多为转子永磁型电机，即将永磁体布置在电机转子侧。

然而，由于弧线永磁电机的定子采用多段式的模块化设计，在电机工作的任一时刻仅有部分转子永磁体能够参与电磁能量转换，因此转子永磁型弧线永磁电机的永磁体利用率较低。

为了改善这一问题，定子永磁型弧线永磁电机近年来受到了一定关注，例如专利文献1公开了一种多谐波励磁型弧线永磁同步电机。

在该专利文献1中，将永磁体布置在定子侧，并将转子设计为凸极结构，用于对定子永磁体磁场进行调制，从而利用“磁场调制效应”实现大转矩输出。

然而，此类定子永磁型弧线永磁电机的转矩密度相对较低，如何进一步提高该型电机的转矩密度，加强其在大口径天文望远镜直驱方案中的竞争力是亟待解决的问题。

专利文献1

中国发明专利申请，公开号：CN 112688528 A，公开日期：2021.04.20。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种双定子磁场调制弧线永磁直驱电机，以提高电机的转矩密度。本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种双定子磁场调制弧线永磁直驱电机，包括外定子、内定子、转子、外电枢绕组以及内电枢绕组；其中，外定子和内定子分别位于转子的外侧以及内侧；外定子与转子之间，以及内定子与转子之间均留有气隙；

外定子由三个具有弧形结构的外定子模块组成；三个外定子模块沿转子外侧的一个圆周方向均匀布设；内定子由三个具有弧形结构的内定子模块组成；三个内定子模块沿转子内侧的一个圆周方向均匀布设；外定子中各个外定子模块与内定子中各个内定子模块的位置一一对应；

各个外定子模块的结构相同，且每个外定子模块均由外定子轭部、外定子齿、外定子辅助齿以及外定子永磁体组成；外定子轭部为弧形，在外定子轭部的内侧连接多个外定子齿以及两个外定子辅助齿；

其中，两个外定子辅助齿分别对应位于外定子轭部的一个端侧；所有外定子齿均位于两个外定子辅助齿之间，且在外定子轭部的内侧均匀分布；每一个外定子齿的顶部均安装有一块外定子永磁体，外定子永磁体与该外定子永磁体所在外定子齿顶部的铁极相邻；

各个内定子模块的结构相同，且每个内定子模块均由内定子轭部、内定子齿、内定子辅助齿以及内定子永磁体组成；内定子轭部为弧形，在内定子轭部的外侧连接多个内定子齿以及两个内定子辅助齿；

其中，两个内定子辅助齿分别对应位于内定子轭部的一个端侧；所有内定子齿均位于两个内定子辅助齿之间，且在内定子轭部的外侧均匀分布；每一个内定子齿的顶部均安装有一块内定子永磁体，内定子永磁体与该内定子永磁体所在内定子齿顶部的铁极相邻；

外电枢绕组绕在外定子齿上，内电枢绕组绕在内定子齿上；

转子采用双侧凸极结构，由转子轭部、外转子齿以及内转子齿组成；转子轭部为圆环形，外转子齿有多个且沿着转子轭部的外侧圆周方向均匀分布，内转子齿有多个且沿着转子轭部的内侧圆周方向均匀分布，外转子齿与内转子齿的数量相等且在转子轭部的位置上一一对应。

本发明具有如下优点：

如上所述，本发明述及了一种双定子磁场调制弧线永磁直驱电机，该电机通过采用内外双定子结构能够有效提高空间利用率；此外，电机采用两套电枢绕组（即外电枢绕组和内电枢绕组）参与电磁能量转换，能够有效地提高转矩和功率密度；同时，该电机通过利用外转子齿对外定子永磁体磁场的调制作用以及内转子齿对内定子永磁体磁场的调制作用，能够产生丰富的内、外气隙磁密工作谐波，从而有效地提高电机的转矩密度。此外，本发明电机的内外定子均采用模块化设计，便于加工和组装，提高了工程实用价值。由于本发明电机具有高转矩密度的特点，因而在包括大口径天文望远镜驱动等场合有良好的直驱应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中双定子磁场调制弧线永磁直驱电机的横截面结构图。

图2为本发明实施例中双定子磁场调制弧线永磁直驱电机的一个外定子模块的横截面结构图，图中箭头方向表示外定子永磁体的充磁方向。

图3为本发明实施例中双定子磁场调制弧线永磁直驱电机的一个内定子模块的横截面结构图，图中箭头方向表示内定子永磁体的充磁方向。

图4为本发明实施例中双定子磁场调制弧线永磁直驱电机的转子的横截面结构示意图。

图5为本发明实施例中双定子磁场调制弧线永磁直驱电机的空载磁力线分布图。

图6为本发明实施例中双定子磁场调制弧线永磁直驱电机的内外气隙磁密波形图。

图7为本发明实施例中双定子磁场调制弧线永磁直驱电机的内外气隙磁密傅里叶谐波分析图。

图8为本发明实施例中双定子磁场调制弧线永磁直驱电机的空载相反电动势图。

其中，I-外定子，II-内定子，III-转子，IV-外电枢绕组，V-内电枢绕组，1-外定子模块，2-内定子模块，11-外定子轭部，12-外定子齿，13-外定子辅助齿，14-外定子永磁体，15-铁极，21-内定子轭部，22-内定子齿，23-内定子辅助齿，24-内定子永磁体，25-铁极，31-转子轭部，32-外转子齿，33-内转子齿。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，本实施例述及了一种双定子磁场调制弧线永磁直驱电机，其包括外定子I、内定子II、转子III、外电枢绕组IV以及内电枢绕组V。

其中，外定子I位于转子III的外侧，在外定子I与转子III之间留有外气隙。内定子II位于转子III的内侧，在内定子II与转子III之间留有内气隙。

气隙的厚度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及电机装配工艺有关。

外定子I由三个具有弧形结构的外定子模块1组成。其中，三个外定子模块1沿转子III外侧的一个圆周方向均匀布设。内定子II由三个具有弧形结构的内定子模块2组成；其中，三个内定子模块2沿转子III内侧的一个圆周方向均匀布设，如图1所示。

外定子I中各个外定子模块1与内定子II中各个内定子模块2的位置一一对应。此处的对应是指径向对应，即每个外定子模块1在径向上对应一个内定子模块2。

各个外定子模块1的结构相同，且每个外定子模块1均由外定子轭部11、外定子齿12、外定子辅助齿13以及外定子永磁体14组成，如图2所示。

外定子轭部11为弧形，在外定子轭部11的内侧连接多个外定子齿12以及两个外定子辅助齿13；其中，外定子齿12以及外定子辅助齿13的排布如下：

两个外定子辅助齿13分别对应位于外定子轭部11的一个端侧，此处的两个端侧具体是指沿外定子轭部11伸展方向上的一组相对端侧，如图2所示。

本实施例中两个外定子辅助齿13分别位于外定子模块1的一个端侧，能够起到引导磁路流通的作用，可降低因边端效应引起的磁场突变，从而降低转矩脉动。

同一外定子模块1中的所有外定子齿12均位于两个外定子辅助齿13之间，且各个外定子齿12在外定子轭部11的内侧均匀分布。

每一个外定子齿12的顶部均安装有一块外定子永磁体14，外定子永磁体14与该外定子永磁体14所在外定子齿12顶部的铁极15相邻。

安装在外定子齿12顶部的外定子永磁体14的充磁方向均为径向朝外，如图2箭头所示。

同一个外定子模块1中沿外定子轭部11的一端侧向另一端侧的方向看去，每相邻两个外定子齿12上的外定子永磁体14与外定子齿12顶部的铁极15组成一对极永磁体。

该对极永磁体的排布方式为“铁极15-外定子永磁体14-外定子永磁体14-铁极15”。

本实施例中外定子永磁体14与铁极15相邻并形成交替极永磁体排布，此种排布结构与传统“NS”永磁体排布结构相比，减少了永磁体用量，并降低了永磁体退磁风险。

各个内定子模块2的结构相同，且每个内定子模块2均由内定子轭部21、内定子齿22、内定子辅助齿23以及内定子永磁体24组成，如图3所示。

内定子轭部21为弧形，在内定子轭部21的外侧连接多个内定子齿22以及两个内定子辅助齿23。其中，内定子齿22以及内定子辅助齿23的排布方式如下：

两个内定子辅助齿23分别对应位于内定子轭部21的一个端侧；此处的两个端侧具体是指沿外内定子轭部21伸展方向上的一组相对端侧，如图3所示。

本实施例中两个内定子辅助齿23分别位于内定子模块2的一个端侧，能够起到引导磁路流通的作用，可降低因边端效应引起的磁场突变，从而降低转矩脉动。

同一内定子模块2中所有内定子齿22均位于两个内定子辅助齿23之间，且各个内定子齿22在内定子轭部21的外侧均匀分布。

每一个内定子齿22的顶部均安装有一块内定子永磁体24，内定子永磁体24与该内定子永磁体24所在内定子齿22顶部的铁极25相邻。

安装在内定子齿22顶部的内定子永磁体24的充磁方向均为径向朝内，如图3箭头所示。

同一个内定子模块2中沿内定子轭部21的一端侧向另一端侧的方向看去，每两个相邻内定子齿22上的内定子永磁体24与内定子齿22顶部的铁极组成一对极永磁体。

该对极永磁体的排布方式为 “铁极25-内定子永磁体24-内定子永磁体24-铁极25”。

本实施例内定子永磁体24与铁极25相邻并形成交替极永磁体排布，此种排布结构与传统“NS”永磁体排布结构相比，减少了永磁体用量，并降低了永磁体退磁风险。

如图4所示，本实施例中转子III采用双侧凸极结构。

该转子III由转子轭部31、外转子齿32以及内转子齿33组成。其中，外转子齿32用于对外定子永磁体14磁场进行调制，内转子齿22用于对内定子永磁体24磁场进行调制。

转子轭部31为圆环形，外转子齿32有多个，且沿着转子轭部31的外侧圆周方向均匀分布。内转子齿33有多个，且沿着转子轭部31的内侧圆周方向均匀分布。

其中，外转子齿32与内转子齿33的数量相等且在转子轭部31的位置上一一对应。

由于转子III上没有永磁体，因而具有结构简单和机械强度高的优点。

外电枢绕组IV绕在外定子齿12上，内电枢绕组V绕在内定子齿22上。

外电枢绕组IV和内电枢绕组V均采用非重叠集中绕组形式，有利于减少端部长度，降低铜耗，从而提高双定子磁场调制弧线永磁直驱电机的运行效率。

三个外定子模块1的各相电枢绕组以串联的形式连接，构成一个完整的三相外电枢绕组IV。三个内定子模块2的各相电枢绕组以串联的形式连接，构成一个完整的三相内电枢绕组V。外电枢绕组IV与内电枢绕组V之间采用同相串联形式。

本实施例中电机外定子I、内定子II及转子III铁心均由硅钢片叠压而成，硅钢片厚度通常选取在0.35mm~0.5mm之间，叠压系数约为0.95。

本实施例中外定子永磁体14和内定子永磁体24的材料可根据电机性能需求、工作温度和成本进行选择，例如使用钕铁硼或铁氧体等永磁材料。

如图5至图8所示，本实施例中双定子磁场调制弧线永磁直驱电机基于“磁场调制效应”工作，其运行原理如下：

在不考虑转子凸极的情况下，电机内、外气隙磁密中的谐波成分仅包含由内、外定子永磁体磁动势贡献的初始谐波，包括6次谐波、12次谐波和18次谐波。但由于内、外定子永磁体是静止的，这些静止谐波无法作为工作谐波参与反电动势和转矩的产生。为使电机能够正常工作，并充分利用“磁场调制效应”实现大转矩输出，本发明涉及电机采用双面凸极结构，电机通过利用外转子齿32对外定子永磁体14磁场的调制作用以及内转子齿33对内定子永磁体24磁场的调制作用，在内、外气隙磁密中可以产生丰富的调制谐波，包括5次谐波、7次谐波、17次谐波等。所产生的这些内、外气隙磁密调制谐波为旋转谐波，可作为工作谐波直接参与电机反电动势和转矩的产生。因此，本发明涉及电机通过利用丰富的内、外气隙磁密工作谐波，可大幅度提高电机的转矩密度，在包括大口径天文望远镜驱动等场合有良好的直驱应用前景。

以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (4)

1.一种双定子磁场调制弧线永磁直驱电机，其特征在于，

包括外定子（I）、内定子（II）、转子（III）、外电枢绕组（IV）以及内电枢绕组（V）；其中，外定子（I）和内定子（II）分别位于转子（III）的外侧以及内侧；外定子（I）与转子（III）之间，以及内定子（II）与转子（III）之间均留有气隙；

外定子（I）由三个具有弧形结构的外定子模块（1）组成；三个外定子模块（1）沿转子（III）外侧的一个圆周方向均匀布设；内定子（II）由三个具有弧形结构的内定子模块（2）组成；三个内定子模块（2）沿转子（III）内侧的一个圆周方向均匀布设；外定子（I）中各个外定子模块（1）与内定子（II）中各个内定子模块（2）的位置一一对应；

各个外定子模块（1）的结构相同，且每个外定子模块（1）均由外定子轭部（11）、外定子齿（12）、外定子辅助齿（13）以及外定子永磁体（14）组成；外定子轭部（11）为弧形，在外定子轭部（11）的内侧连接多个外定子齿（12）以及两个外定子辅助齿（13）；

其中，两个外定子辅助齿（13）分别对应位于外定子轭部（11）的一个端侧；所有外定子齿（12）均位于两个外定子辅助齿（13）之间，且各个外定子齿（12）在外定子轭部（11）的内侧均匀分布；每一个外定子齿（12）的顶部均安装有一块外定子永磁体（14），外定子永磁体（14）与该外定子永磁体（14）所在外定子齿（12）顶部的铁极（15）相邻；

各个内定子模块（2）的结构相同，且每个内定子模块（2）均由内定子轭部（21）、内定子齿（22）、内定子辅助齿（23）以及内定子永磁体（24）组成；内定子轭部（21）为弧形，在内定子轭部（21）的外侧连接多个内定子齿（22）以及两个内定子辅助齿（23）；

其中，两个内定子辅助齿（23）分别对应位于内定子轭部（21）的一个端侧；所有内定子齿（22）均位于两个内定子辅助齿（23）之间，且各个内定子齿（22）在内定子轭部（21）的外侧均匀分布；每一个内定子齿（22）的顶部均安装有一块内定子永磁体（24），内定子永磁体（24）与该内定子永磁体（24）所在内定子齿（22）顶部的铁极（25）相邻；

外电枢绕组（IV）绕在外定子齿（12）上，内电枢绕组（V）绕在内定子齿（22）上；

转子（III）采用双侧凸极结构，由转子轭部（31）、外转子齿（32）以及内转子齿（33）组成；转子轭部（31）为圆环形，外转子齿（32）有多个且沿着转子轭部（31）的外侧圆周方向均匀分布，内转子齿（33）有多个且沿着转子轭部（31）的内侧圆周方向均匀分布，外转子齿（32）与内转子齿（33）的数量相等且在转子轭部（31）的位置上一一对应。

2.根据权利要求1所述的双定子磁场调制弧线永磁直驱电机，其特征在于，

安装在外定子齿（12）顶部的外定子永磁体（14）的充磁方向均为径向朝外；同一个外定子模块（1）中沿外定子轭部（11）的一端侧向另一端侧的方向看去，每相邻两个外定子齿（12）上的外定子永磁体（14）与外定子齿（12）顶部的铁极（15）组成一对极永磁体，具体排布方式为“铁极（15）-外定子永磁体（14）-外定子永磁体（14）-铁极（15）”。

3.根据权利要求1所述的双定子磁场调制弧线永磁直驱电机，其特征在于，

安装在内定子齿（22）顶部的内定子永磁体（24）的充磁方向均为径向朝内；同一个内定子模块（2）中沿内定子轭部（21）的一端侧向另一端侧的方向看去，每两个相邻内定子齿（22）上的内定子永磁体（24）与内定子齿（22）顶部的铁极（25）组成一对极永磁体，具体排布方式为 “铁极（25）-内定子永磁体（24）-内定子永磁体（24）-铁极（25）”。

4.根据权利要求1所述的双定子磁场调制弧线永磁直驱电机，其特征在于，

所述外电枢绕组（IV）和内电枢绕组（V）均采用非重叠集中绕组形式；

三个外定子模块（1）的各相电枢绕组以串联的形式连接，构成一个完整的三相外电枢绕组（IV）；三个内定子模块（2）的各相电枢绕组以串联的形式连接，构成一个完整的三相内电枢绕组（V）；外电枢绕组（IV）与内电枢绕组（V）之间采用同相串联形式。

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