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CN103795159A - 定转子双永磁型游标电机 - Google Patents

定转子双永磁型游标电机 Download PDF

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CN103795159A
CN103795159A CN201410002185.XA CN201410002185A CN103795159A CN 103795159 A CN103795159 A CN 103795159A CN 201410002185 A CN201410002185 A CN 201410002185A CN 103795159 A CN103795159 A CN 103795159A
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rotor
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permanent magnet
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丁石川
曹瑞武
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Abstract

本发明公开了一种定转子双永磁型游标电机，该电机包括定子（1）、与定子（1）同轴的转子（2），转子（2）和定子（1）之间设有气隙（9）；定子（1）包括定子轭和自定子轭外表面径向延伸的定子齿（8），相邻的定子齿（8）之间与定子轭共同构成了定子槽，定子槽内设有定子永磁体（5），且同一定子槽内的定子永磁体（5）之间间隔一定距离；相邻的定子齿（8）之间绕有电枢内层绕组（3）。本发明使得转子侧永磁体漏磁得到明显抑制；最大程度的提高转矩密度；爪极槽中的永磁体起到槽楔作用，将爪极绕组固定在槽中，使得结构更为紧凑；永磁体充磁方向一致，便于加工。

Description

定转子双永磁型游标电机
技术领域
本发明是一种高转矩密度的永磁同步电机，特别适用于低速直接驱动场合，属于永磁电机领域。
 
背景技术
游标电机适用于低速大转矩的场合，特别适用于载运设备的驱动装置，例如电动汽车、电力机车等。
要使游标电机产生低速大转矩，往往需要在转子上布置极对数较多的永磁体，这样导致的后果就是漏磁较多，虽然其低速转矩输出能力会有一定程度的提高，但电机的功率密度会下降，因此，这种场合特别适合使用单一磁化方向的内嵌式永磁体布置，从而一定程度上减小漏磁，但是对于转矩密度的提高并不理想。
游标电机的另外一个缺点与磁齿轮相似，就是爪极槽的空间没有有效利用，这就很大程度上降低了电机的转矩密度，有学者提出在爪极槽内布置特殊充磁方式的永磁体，做成类似海尔贝克阵列结构的聚磁式定子永磁游标电机。但该设计需要复杂的充磁工艺，且转子上没有永磁体，电机转矩密度较低。
发明内容
技术问题：针对现有技术存在的问题，提出一种定转子双永磁型游标电机，提高永磁游标电机的转矩密度，减小电机漏磁、提高永磁体的利用率。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种定转子双永磁型游标电机包括：定子、与定子同轴的转子，转子和定子之间设有气隙；
定子包括定子轭和自定子轭外表面径向延伸的定子齿，相邻的定子齿之间绕有电枢内层绕组，定子齿靠近气隙一侧布置有爪极；
转子靠近气隙的内表面设有转子永磁体。
优选的，爪极形成的槽内布置有的定子永磁体和电枢爪极绕组，且定子永磁体布置于槽口，靠近气隙。
优选的，所述电枢内层绕组采用双层集中绕组，设定子槽数为                                                
Figure 558212DEST_PATH_IMAGE001
Figure 252499DEST_PATH_IMAGE002
，该电枢内层绕组的基波磁场极对数
Figure 231956DEST_PATH_IMAGE003
Figure 11693DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 219952DEST_PATH_IMAGE005
次谐波磁场极对数
Figure 919104DEST_PATH_IMAGE007
Figure 186137DEST_PATH_IMAGE008
满足关系：
Figure 696621DEST_PATH_IMAGE009
Figure 365500DEST_PATH_IMAGE010
。
优选的，爪极的极数
Figure 421181DEST_PATH_IMAGE011
Figure 175510DEST_PATH_IMAGE012
为定子槽数
Figure 725571DEST_PATH_IMAGE001
Figure 248957DEST_PATH_IMAGE002
的整数倍，且平均分配在每个定子齿上。
优选的，定子永磁体的极对数
Figure 982743DEST_PATH_IMAGE014
等于转子永磁体极对数
Figure 257867DEST_PATH_IMAGE013
Figure 215852DEST_PATH_IMAGE015
与
Figure 551018DEST_PATH_IMAGE016
Figure 342257DEST_PATH_IMAGE016
次谐波磁场极对数
Figure 421071DEST_PATH_IMAGE007
Figure 732098DEST_PATH_IMAGE008
之差，即
Figure 503745DEST_PATH_IMAGE017
Figure 516700DEST_PATH_IMAGE018
，定子永磁体的磁化方向全部相同。
优选的，爪极采用单层集中绕组。
优选的，电枢爪极绕组的基波磁场极对数 与电枢内层绕组的基波磁场极对数
Figure 5822DEST_PATH_IMAGE003
Figure 506074DEST_PATH_IMAGE021
相同、相数相同，且电枢内层绕组与电枢爪极绕组的各相绕组串联。
优选的，转子采用永磁体内嵌式设计，转子永磁体极对数
Figure 926691DEST_PATH_IMAGE013
Figure 399260DEST_PATH_IMAGE015
等于爪极槽数
Figure 325759DEST_PATH_IMAGE022
Figure 250990DEST_PATH_IMAGE023
与电枢内层绕组基波磁场极对数
Figure 537615DEST_PATH_IMAGE003
Figure 599112DEST_PATH_IMAGE004
之差，即
Figure 209695DEST_PATH_IMAGE024
Figure 622222DEST_PATH_IMAGE025
，转子永磁体的磁化方向全部相同，并且与定子永磁体得磁化方向相同。
优选的，该电机是内转子结构或者外转子结构。
有益效果：
本发明与现有技术相比，有如下显著优点：(1)定子绕组的基波和谐波都得到了利用，转矩密度得以提高；(2)游标电机爪极的槽内采用导线和永磁体填充，结构紧凑坚固；(3)转子永磁体的漏磁减少，提高了永磁体利用率。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是本发明所包电机的单个定子齿放大图。
图3是本发明所包含定转子双永磁型游标电机定子的绕组示意图，内外两套绕组采用串联连接，图中X端与a端连接，Y端与b端连接，Z端与c端连接。
图4是相同尺寸的本发明电机与传统游标电机的空载反电势波形。
图5是相同尺寸的本发明电机与传统游标电机的静态转矩波形。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明所包含的定转子双永磁型游标电机，在定子爪极槽内布置永磁体，靠近槽口处永磁体对气隙磁场作用较大，所以在爪极槽内侧布置绕组，充分利用空间，增加转矩密度。针对不同设计，定子永磁体的高度要发生变化，同时爪极槽内的绕组匝数也应该做相应调整，二者的分配以产生最大转矩为设计目标。
本发明所包含的定转子双永磁型游标电机，转子采用磁化方向相同的永磁体内嵌式布置。这是因为用于低速大转矩场合的游标电机，其转子磁极一般较多，这就造成漏磁比较严重，采用磁化方向相同的永磁体内嵌式布置可以有效减小漏磁，提高永磁体利用率。采用内嵌式布置形成的转子齿槽，也为本电机的另一个设计创新点提供了条件。
本发明所包含的定转子双永磁型游标电机，在原理上结合了传统的定子永磁型游标电机和转子永磁型游标电机。首先是电枢绕组的基波磁场、爪极齿槽和转子永磁体磁场构成了一台转子永磁型游标电机；其次是电枢绕组的谐波磁场、转子齿槽和定子永磁体磁场又构成了一台定子永磁型游标电机，这是本发明电机的第二个创新点，这种结构在传统游标电机的基础上，提高了电机整体的转矩密度。
参见图1，本发明提供的定转子双永磁型游标电机，该电极包括定子1、与定子1同轴的转子2，转子2和定子1之间设有气隙9。
定子1包括定子轭和自定子轭外表面径向延伸的定子齿8，相邻的定子齿8之间绕有电枢内层绕组3，定子齿8靠近气隙9一侧布置有爪极7；
转子2靠近气隙9的内表面设有转子永磁体6。
爪极7形成的槽内布置有定子永磁体5和电枢爪极绕组4，且定子永磁体5布置于槽口，靠近气隙。
所述电枢内层绕组3采用双层集中绕组，设定子槽数为
Figure 650221DEST_PATH_IMAGE001
Figure 894121DEST_PATH_IMAGE002
，该电枢内层绕组3的基波磁场极对数
Figure 83794DEST_PATH_IMAGE003
Figure 796666DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 362776DEST_PATH_IMAGE005
次谐波磁场极对数
Figure 87336DEST_PATH_IMAGE007
Figure 786039DEST_PATH_IMAGE008
满足关系：
Figure 155841DEST_PATH_IMAGE009
Figure 108753DEST_PATH_IMAGE010
。
爪极7的极数
Figure 905808DEST_PATH_IMAGE011
Figure 514644DEST_PATH_IMAGE012
为定子槽数
Figure 501185DEST_PATH_IMAGE001
Figure 511867DEST_PATH_IMAGE002
的整数倍，且平均分配在每个定子齿8上。
定子永磁体5的极对数
Figure 542140DEST_PATH_IMAGE013
Figure 638272DEST_PATH_IMAGE026
等于转子永磁体6极对数
Figure 529578DEST_PATH_IMAGE015
与
Figure 730752DEST_PATH_IMAGE016
Figure 314180DEST_PATH_IMAGE016
次谐波磁场极对数
Figure 362219DEST_PATH_IMAGE008
之差，即
Figure 671977DEST_PATH_IMAGE017
Figure 805018DEST_PATH_IMAGE027
，定子永磁体5的磁化方向全部相同。
爪极7采用单层集中绕组。
电枢爪极绕组4的基波磁场极对数
Figure 858425DEST_PATH_IMAGE019
Figure 9789DEST_PATH_IMAGE020
与电枢内层绕组3的基波磁场极对数
Figure 490449DEST_PATH_IMAGE003
Figure 782890DEST_PATH_IMAGE021
相同、相数相同，且电枢内层绕组3与电枢爪极绕组4的各相绕组串联。
转子2采用永磁体内嵌式设计，转子永磁体6极对数
Figure 396591DEST_PATH_IMAGE015
等于爪极槽数
Figure 861202DEST_PATH_IMAGE022
Figure 906518DEST_PATH_IMAGE028
与电枢内层绕组(3)基波磁场极对数
Figure 364044DEST_PATH_IMAGE003
Figure 912837DEST_PATH_IMAGE004
之差，即
Figure 315393DEST_PATH_IMAGE024
Figure 582427DEST_PATH_IMAGE029
，转子永磁体6的磁化方向全部相同，并且与定子永磁体5得磁化方向相同。
该电机是内转子结构或者外转子结构。
本发明的优选实例中，采用定子槽数
Figure 781327DEST_PATH_IMAGE030
Figure 246943DEST_PATH_IMAGE031
，爪极齿槽数
Figure 505886DEST_PATH_IMAGE032
Figure 73265DEST_PATH_IMAGE033
，是定子槽数的3倍，且平均分布于定子槽的顶部。定子绕组采用集中绕组，基波磁场极对数
Figure 810277DEST_PATH_IMAGE005
Figure 395979DEST_PATH_IMAGE034
，相应的谐波磁场极对数
Figure 825823DEST_PATH_IMAGE035
Figure 801869DEST_PATH_IMAGE036
，满足
Figure 654157DEST_PATH_IMAGE009
Figure 297628DEST_PATH_IMAGE010
的关系，其中基波磁场与谐波磁场是一对旋转方向相反的磁场，且满足：
Figure 695111DEST_PATH_IMAGE037
Figure 424033DEST_PATH_IMAGE038
          (i)
其中，
Figure 315896DEST_PATH_IMAGE011
Figure 813874DEST_PATH_IMAGE039
是基波磁场转速，
Figure 598476DEST_PATH_IMAGE041
是谐波磁场转速，
Figure 795496DEST_PATH_IMAGE001
Figure 147979DEST_PATH_IMAGE042
是绕组中电流频率。
为了满足磁齿轮效应，转子永磁体极对数满足：
Figure 90528DEST_PATH_IMAGE043
，从而有转速关系：
Figure 11396DEST_PATH_IMAGE045
Figure 297015DEST_PATH_IMAGE046
                  (ii)
电枢绕组的谐波磁场、转子齿槽和定子永磁体磁场又构成了另一组磁齿轮，所以定子永磁体极对数满足：
Figure 144885DEST_PATH_IMAGE047
，从而有转速关系：
Figure 356741DEST_PATH_IMAGE049
               (iii)
       (i)(ii)(iii)说明两组磁齿轮的速比关系是相互吻合的，可以协调于同一个游标电机中。且同步电机转速可以表达为：
Figure 279752DEST_PATH_IMAGE051
。
    定转子永磁体的磁化方向可以参考图2。
    定子永磁体布置在爪极槽口部位，如图2所示，本实例中永磁体高度占爪极槽高度的1/4，剩余面积布置绕组，这里的面积分配针对具体设计具体分析。
    为了方便下线，爪极槽内绕组采用单层集中绕组，且布置时要避开定子齿之间的爪极槽，以便于固定，这一点如图2所示。
    定子绕组与爪极绕组中每相串联，绕组展开图如图3所示。
    本优选实例中，基于以上原理设计了一台定转子双永磁型游标电机。并且将其运行参数与相同尺寸的传统游标电机进行了对比。图4是转速150rpm时的空载反电势波形对比，图5是10A电流输入下静态转矩的对比。很明显，本发明提出的定转子双永磁型游标电机的转矩密度相比传统游标电机而言，有了很大程度的提高。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示的内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (9)

1.一种定转子双永磁型游标电机，其特征在于，该电机包括定子（1）、与定子（1）同轴的转子（2），转子（2）和定子（1）之间设有气隙（9）；
定子（1）包括定子轭和自定子轭外表面径向延伸的定子齿（8），定子齿（8）之间的槽内绕有电枢内层绕组（3），定子齿(8)靠近气隙(9)一侧布置有爪极(7)；
转子（2）靠近气隙（9）的内表面设有转子永磁体（6）。
2.根据权利要求1所述的定转子双永磁型游标电机，其特征在于：爪极(7)构成的槽内布置有定子永磁体（5）和电枢爪极绕组（4），并且定子永磁体（5）靠近气隙（9）。
3.根据权利要求1或2所述的定转子双永磁型游标电机，其特征在于：所述电枢内层绕组(3)采用双层集中绕组，设定子槽数为                                                
Figure 215963DEST_PATH_IMAGE001
Figure 236003DEST_PATH_IMAGE002
，该电枢内层绕组(3)的基波磁场极对数
Figure 349452DEST_PATH_IMAGE003
Figure 337000DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 561308DEST_PATH_IMAGE005
次谐波磁场极对数
Figure 218740DEST_PATH_IMAGE007
Figure 631267DEST_PATH_IMAGE008
满足关系：
Figure 716215DEST_PATH_IMAGE010
。
4.根据权利要求3所述的定转子双永磁型游标电机，其特征在于：爪极(7)的极数
Figure 171467DEST_PATH_IMAGE011
Figure 805710DEST_PATH_IMAGE012
为定子槽数
Figure 434138DEST_PATH_IMAGE001
Figure 735806DEST_PATH_IMAGE002
的整数倍，且平均分配在每个定子齿(8)上。
5.根据权利要求1所述的定转子双永磁型游标电机，其特征在于：定子永磁体(5)的极对数
Figure 676474DEST_PATH_IMAGE013
Figure 798014DEST_PATH_IMAGE014
等于转子永磁体(6)极对数 与
Figure 996411DEST_PATH_IMAGE016
Figure 605247DEST_PATH_IMAGE016
谐波磁场极对数
Figure 586158DEST_PATH_IMAGE008
之差，即
Figure 554114DEST_PATH_IMAGE017
Figure 961830DEST_PATH_IMAGE018
，定子永磁体(5)的磁化方向全部相同。
6.根据权利要求1所述的定转子双永磁型游标电机，其特征在于：爪极(7)采用单层集中绕组。
7.根据权利要求3所述的定转子双永磁型游标电机，其特征在于：电枢爪极绕组(4)的基波磁场极对数
Figure 673434DEST_PATH_IMAGE019
Figure 600939DEST_PATH_IMAGE020
与电枢内层绕组(3)的基波磁场极对数
Figure 739797DEST_PATH_IMAGE003
Figure 136274DEST_PATH_IMAGE021
相同、相数相同，且电枢内层绕组(3)与电枢爪极绕组(4)的各相绕组串联。
8.根据权利要求7所述的定转子双永磁型游标电机，其特征在于：转子(2)采用永磁体内嵌式设计，转子永磁体(6)极对数
Figure 651569DEST_PATH_IMAGE013
Figure 433580DEST_PATH_IMAGE015
等于爪极齿数
Figure 128577DEST_PATH_IMAGE023
与电枢内层绕组(3)基波磁场极对数
Figure 181984DEST_PATH_IMAGE003
Figure 84081DEST_PATH_IMAGE004
之差，即
Figure 935810DEST_PATH_IMAGE025
，转子永磁体(6)的磁化方向全部相同，并且与定子永磁体(5)得磁化方向相同。
9.根据权利要求1所述的定转子双永磁型游标电机，其特征在于：该电机是内转子结构或者外转子结构。
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Application publication date: 20140514

Assignee: SUMEC Machinery & Electric Co., Ltd.

Assignor: Southeast University

Contract record no.: 2017320000098

Denomination of invention: Stator-rotor double-permanent-magnet-type-vernier motor

Granted publication date: 20160210

License type: Exclusive License

Record date: 20170407

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