CN105978199B - 永磁游标电机 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于电机结构技术领域，公开了永磁游标电机，其包括定子和与定子转动配合的转子，定子包括定子铁芯和设于定子铁芯上的定子绕组，转子包括转子铁芯和设于转子铁芯上的永磁体，定子绕组包括第一套绕组和第二套绕组，第一套绕组和第二套绕组相互独立运行，且第一套绕组的极对数大于或小于第二套绕组的极对数。本发明通过在现有单定子铁芯、单定子绕组的基础上增设一套绕组来充分利用气隙中有用的谐波磁场，这样，在不增加电机结构复杂度的前提下，有效提高了电机的空间利用率和电机材料的利用率，进而利于提升电机的转矩和功率等级，并有效增强了电机的系统运行可靠性和容错运行能力。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，尤其涉及永磁游标电机。
背景技术
永磁游标电机作为一种低速大转矩的直接驱动型电机，在电动汽车、风力发电、海浪发电等新能源领域有着广泛的应用前景。永磁游标电机一般包括转子铁芯、永磁体、定子铁芯和定子绕组，定子铁芯上设有调磁块，调磁块具有磁场调制作用，永磁游标电机利用调制后的高速磁场实现电枢的高速设计。
然而，现有的永磁游标电机在具体应用中仍存在不足之处，具体体现如下：现有永磁游标电机中一般为单定子铁芯、单定子绕组的电机，这样很难充分利用气隙中存在的丰富有用谐波磁场，从而使得电机的转矩密度未得到充分提升，电机空间和材料未得到充分利用。具体地，现有单定子铁芯、单定子绕组的游标永磁电机中，转子的多数极对数磁场，经过定子齿的调磁作用，转化为定子的少数极对数磁场，从而实现了电枢的高速设计；但是，这样会导致大量的谐波磁通未被利用，进而限制了电机转矩密度的进一步提升。此外，采用单定子铁芯、单定子绕组的设置方式，电机在定子绕组部分故障状态下不能很好地容错运行，从而严重影响了电动汽车和新能源发电的连续可靠运行。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的至少一个不足之处，提供了永磁游标电机，其解决了现有永磁游标电机中存在气隙谐波磁场利用率低、转矩密度低、电机空间利用率低、电机材料利用率低、电机容错运行可靠性差的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：永磁游标电机，包括定子和与所述定子转动配合的转子，所述定子包括定子铁芯和设于所述定子铁芯上的定子绕组，所述转子包括转子铁芯和设于所述转子铁芯上的永磁体，所述定子绕组包括第一套绕组和第二套绕组，所述第一套绕组和所述第二套绕组相互独立运行，且所述第一套绕组的极对数大于或小于所述第二套绕组的极对数。
可选地，所述定子铁芯具有若干个沿周向间隔分布且靠近所述转子的槽口，定义所述第一套绕组的极对数为P，定义所述第二套绕组的极对数为Npm，定义所述槽口的数量为Ns，则有P＝|Ns±Npm|。
可选地，所述第二套绕组的极对数与所述转子的极对数相等。
可选地，所述定子铁芯包括定子轭和若干个沿周向间隔分布于所述定子轭上的定子齿，每个所述定子齿都包括齿颈和齿靴，任意相邻两所述齿颈之间都形成一个主线槽，每个齿靴上都凸设有若干个调磁块，任意相邻两所述调磁块之间都形成一个所述槽口，所述第一套绕组分布于各所述主线槽内，所述第二套绕组分布于各所述槽口内。
可选地，所述定子铁芯包括定子轭和若干个沿周向间隔分布于所述定子轭上的凸齿，该凸齿为所述调磁块，所述第一套绕组和所述第二套绕组分布于各所述槽口内。
可选地，所述凸齿为矩形齿块，所述槽口为矩形开口槽，且所述凸齿的宽度与所述槽口的宽度相当。
可选地，所述定子位于所述转子的内侧；或者，所述定子位于所述转子的外侧。
可选地，所述永磁体包括若干个第一磁体和若干个极性与所述第一磁体极性相反的第二磁体，各所述第一磁体和各所述第二磁体沿周向交替分布于所述转子铁芯上。
可选地，各所述第一磁体和各所述第二磁体贴附固定于所述转子铁芯的表面；或者，各所述第一磁体和各所述第二磁体插入固定于所述转子铁芯内；或者，各所述第一磁体和各所述第二磁体内置于所述转子铁芯内。
可选地，所述转子铁芯上凸设有若干个沿周向间隔分布的凸极，所述永磁体包括若干个分别嵌入安装于各相邻两所述凸极之间的第三磁体。
本发明提供的永磁游标电机，通过在一个定子铁芯上设置两套可相互独立运行、且极对数不相同的绕组，即相当于在现有单定子铁芯、单定子绕组的基础上增设一套绕组来充分利用气隙中有用的谐波磁场，这样，在不增加电机结构复杂度的前提下，有效提高了电机的空间利用率和电机材料的利用率(尤其是永磁体的利用率)，进而利于提升电机的转矩和功率等级。此外，由于定子铁芯上的两套绕组是可相互独立运行、且极对数是不相同的，故，有效增强了电机的系统运行可靠性和容错运行能力。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的外转子永磁游标电机的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的外转子永磁游标电机中定子铁芯的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的内转子永磁游标电机中定子铁芯的结构示意图；
图4是本发明实施例一提供的转子的展开结构示意图；
图5是本发明实施例二提供的外转子永磁游标电机中定子铁芯的结构示意图；
图6是本发明实施例二提供的内转子永磁游标电机中定子铁芯的结构示意图；
图7是本发明实施例三提供的转子的展开结构示意图；
图8是本发明实施例四提供的转子的展开结构示意图；
图9是本发明实施例五提供的转子的展开结构示意图。
图4、图7、图8和图9中永磁体上的箭头表示磁体的充磁方向。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
还需要说明的是，以下实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
实施例一：
如图1-4所示，本发明实施例一提供的永磁游标电机，包括定子1和与定子1转动配合的转子2，定子1包括定子铁芯11和设于定子铁芯11上的定子绕组12，转子2包括转子铁芯21和设于转子铁芯21上的永磁体22，定子绕组12包括第一套绕组121和第二套绕组122，第一套绕组121和第二套绕组122相互独立运行，且第一套绕组121的极对数大于或小于第二套绕组122的极对数，即第一套绕组121的极对数和第二套绕组122的极对数不相等。第一套绕组121和第二套绕组122都可为单相绕组或者多相绕组(如三相绕组等)。本发明实施例提供的永磁游标电机，具体为一种在单定子铁芯11、双定子绕组12的电机，即相当于在现有单定子铁芯11、单定子绕组12的基础上增设一套绕组来充分利用气隙(转子2与定子1之间的间隙)中有用的谐波磁场，从而达到充分利用永磁游标电机气隙中有效谐波磁场的目的，这样，在不增加电机结构复杂度的前提下，有效提高了电机的空间利用率和电机材料的利用率(尤其是永磁体22的利用率)，进而利于提升电机的转矩和功率等级。此外，由于定子铁芯11上的两套绕组是可相互独立运行、且极对数是不相同的，故，有效增强了电机的系统运行可靠性和容错运行能力。
优选地，定子铁芯11具有若干个沿周向间隔分布且靠近转子2的槽口1101，定义第一套绕组121的极对数为P，定义第二套绕组122的极对数为Npm，定义槽口1101的数量为Ns，则有P＝|Ns±Npm|。槽口1101的数量可根据所设计电机的相数、转速、调制比等合理选取。此处，通过优化设计第一套绕组121极对数P、第二套绕组122极对数Npm和槽口1101数量Ns之间的关系，这样，可利用电机的磁路结构最大程度地提升有效谐波磁场，并可抑制不可利用的谐波磁场，从而使得所得到的谐波磁场幅值最优。
优选地，第二套绕组122的极对数与转子2的极对数相等，这样，利于充分利用电机气隙中的有用谐波磁场，从而利于提高电机的空间利用率、材料利用率和转矩密度。
优选地，一并参照图1-3所示，定子铁芯11包括定子轭111和若干个沿周向间隔分布的定子齿112，每个定子齿112都包括齿颈1121和齿靴1122，定子轭111为周向封闭的环状结构，定子齿112凸设于定子轭111的内侧或者外侧，且齿颈1121位于定子轭111与齿靴1122之间，任意相邻两齿颈1121之间都形成一个主线槽1102，每个齿靴1122上都凸设有若干个调磁块1123，调磁块1123具有磁场调制作用，任意相邻两调磁块1123之间都形成一个槽口1101，第一套绕组121分布于各主线槽1102内，第二套绕组122分布于各槽口1101内，第一套绕组121和第二套绕组122沿定子铁芯11径向呈内、外分布。槽口1101的数量与调磁块1123的数量相等，主线槽1102的数量与齿颈1121的数量相等。此处，定子1为裂极式定子结构，现有裂极式定子结构中只在主线槽1102内设置一套绕组，其利用调磁块1123的磁场调制作用，可将转子2的多数极对数磁场转化为定子1的少数极对数磁场，从而实现电枢的高速设计；本实施例，在现有裂极式定子结构的基础上，在槽口1101内增设第二套绕组122来充分利用气隙中的有用谐波磁场，从而可提高电机的转矩密度，并可有效提高电机的容错运行能力。
具体地，由于槽空间有限，故，为了充分利用槽空间，可对定子绕组12的导线进行优化设计以使其满足槽形状，并采用矩形线方案减少槽空间浪费，提高槽利用率。
具体地，一并参照图1和图2所示，本实施例提供的永磁游标电机可为外转子2、内定子1的结构，即定子1位于转子2的内侧，此时，槽口1101沿定子铁芯11的径向位于主线槽1102的外侧，第二套绕组122沿定子铁芯11的径向位于第一套绕组121的外侧；或者，参照图3所示，本实施例提供的永磁游标电机也可为内转子2、外定子1的结构，即定子1位于转子2的外侧，此时，槽口1101沿定子铁芯11的径向位于主线槽1102的内侧，第二套绕组122沿定子铁芯11的径向位于第一套绕组121的内侧。
优选地，一并参照图1和图4所示，永磁体22包括若干个第一磁体221和若干个极性与第一磁体221极性相反的第二磁体222，第一磁体221和第二磁体222的极性分别为N极和S极，各第一磁体221和各第二磁体222沿周向交替分布于转子铁芯21上。第一磁体221和第二磁体222可沿电机径向充磁形成，此处，第一磁体221和第二磁体222沿电机气隙圆周方向交替排列成N-S交替充磁结构，这样，可使得气隙内的磁通密度接近于正弦分布。
优选地，各第一磁体221和各第二磁体222沿周向间隔交替分布于转子铁芯21上，这样，利于第一磁体221和第二磁体222的分别充磁。
优选地，第一磁体221和第二磁体222之间的极距略大于调磁块1123的宽度，这样，可更好地发挥调磁作用。
优选地，参照图4所示，各第一磁体221和各第二磁体222贴附固定于转子铁芯21的表面，这样，可有效实现第一磁体221和第二磁体222在转子铁芯21上的安装固定，且各第一磁体221和各第二磁体222都是凸露于转子铁芯21的表面。具体地，当电机为外转子2、内定子1的结构时，各第一磁体221和各第二磁体222贴附固定于转子铁芯21的内圆周表面；而当电机为内转子2、外定子1的结构时，各第一磁体221和各第二磁体222贴附固定于转子铁芯21的外圆周表面。本实施例中，各第一磁体221和各第二磁体222采用表面贴附方式固定于转子铁芯21上，其安装结构简单，转子铁芯21和永磁体22都不需要设置安装结构，安装操作方便，并利于各第一磁体221和各第二磁体222的径向充磁，从而形成沿周向分布的N-S交替磁体结构。
优选地，定子铁芯11和转子铁芯21分别采用硅钢片等导磁材料沿电机轴向叠片而成，其结构简单、制造方便。当然了，具体应用中，定子铁芯11和转子铁芯21也可采用导磁材料直接一体铸造成型。
本实施例提供的永磁游标电机，具体为一种单定子铁芯11、双绕组的永磁游标电机，其具有永磁游标电机和双绕组电机的双重优点，具体应用中，根据实际需要，可通过优化分配定子1槽空间以分别安装两套绕组，来将本实施例的永磁游标电机设计成高转矩密度电机或者高容错电机。由于本实施例中两套绕组对应于不同的气隙谐波磁场，故，其有效提高了电机气隙谐波磁场的利用率，降低了电机的漏磁，提高了电机的转矩密度、电机空间利用率和电机材料利用率。
实施例二：
如图5和图6所示，本实施例提供的永磁游标电机，与实施例一的主要不同之处在于：实施例一中的定子1为裂极式定子结构，第一套绕组121和第二套绕组122沿定子铁芯11径向呈内、外分布；而本实施例中的定子1为开口槽式定子结构，具体地，本实施例的定子铁芯11包括定子轭111和若干个沿周向间隔分布于定子轭111上的凸齿113，定子轭111为周向封闭的环状结构，凸齿113凸设于定子轭111的内侧或者外侧，任意相邻两凸齿113之间都形成一个槽口1101，第一套绕组121和第二套绕组122分布于各槽口1101内。本实施例中，第一套绕组121和第二套绕组122共同分配相同的槽空间，只是第一套绕组121和第二套绕组122分别对应多数极对数的绕组和少数极对数的绕组，具体应用中，可根据所设计电机性能侧重点的不同进行合理分配第一套绕组121和第二套绕组122的槽空间，例如：针对侧重需要高转矩密度的电机，可将两套绕组中的一套设计为集中式绕组、另一套设计为分布式绕组，且集中式绕组的分配空间多，分布式绕组的分配空间少；针对短时间需要输出大力矩的电机，可将两套绕组中的一套设计为主绕组、另一套设计为辅助绕组，且安装主绕组的槽空间比辅助绕组槽空间大；针对需要容错运行的场合，两套绕组可平分槽空间。本实施例提供的永磁游标电机，也是在槽口1101内增设第二套绕组122来充分利用气隙中的有用谐波磁场，从而也可提高电机的空间利用率、材料利用率、转矩密度和容错运行能力。
优选地，凸齿113为矩形齿块，槽口1101为矩形开口槽，且凸齿113的宽度与槽口1101的宽度相当，即凸齿113和槽口1101为等宽结构。凸齿113的宽度具体指，凸齿113在定子铁芯11圆周方向上的投影距离，槽口1101的宽度具体指槽口1101在定子铁芯11圆周方向上的投影距离。各凸齿113都可形成一个凸出极体结构，可发挥磁场调制作用，从而可形成气隙的谐波磁场。
除了上述不同之外，本实施例提供的永磁游标电机的其它结构都可参照实施例一进行优化设计，在此不再详述。
实施例三：
如图7所示，本实施例提供的永磁游标电机，与实施例一、实施例二的主要不同之处在于第一磁体221和第二磁体222的安装方式不同。具体地，实施例一和实施例二中，各第一磁体221和各第二磁体222贴附固定于转子铁芯21的表面，各第一磁体221和各第二磁体222都是凸露于转子铁芯21的表面；而本实施例中，各第一磁体221和各第二磁体222插入固定于转子铁芯21内，转子铁芯21的表面设有若干个用于分别供各第一磁体221和各第二磁体222插入固定的安装槽，各第一磁体221和各第二磁体222都只有一个面与转子铁芯21的表面平齐。具体地，当电机为外转子2、内定子1的结构时，各安装槽沿周向间隔凹设于转子铁芯21的内表面，各第一磁体221和各第二磁体222分别插入固定于转子铁芯21的各安装槽内，各第一磁体221和各第二磁体222都具有与转子铁芯21内表面平齐的表面；而当电机为内转子2、外定子1的结构时，各安装槽沿周向间隔凹设于转子铁芯21的外表面，各第一磁体221和各第二磁体222分别插入固定于转子铁芯21的各安装槽内，各第一磁体221和各第二磁体222都具有与转子铁芯21外表面平齐的表面。采用本实施例中第一磁体221和第二磁体222的安装方式，也可有效实现第一磁体221和第二磁体222的安装固定，并可形成沿周向分布的N-S交替磁体结构。
除了上述不同之外，本实施例提供的永磁游标电机的其它结构都可参照实施例一、实施例二进行优化设计，在此不再详述。
实施例四：
如图8所示，本实施例提供的永磁游标电机，与实施例一、实施例二、实施例三的主要不同之处在于第一磁体221和第二磁体222的安装方式不同。具体地，实施例一和实施例二中，各第一磁体221和各第二磁体222贴附固定于转子铁芯21的表面，各第一磁体221和各第二磁体222都是凸露于转子铁芯21的表面；实施例三中，各第一磁体221和各第二磁体222插入固定于转子铁芯21内，各第一磁体221和各第二磁体222都只有一个面与转子铁芯21的表面平齐；而本实施例中，各第一磁体221和各第二磁体222内置于转子铁芯21内，各第一磁体221和各第二磁体222是完全嵌入转子铁芯21内，即各第一磁体221和各第二磁体222都没有与转子铁芯21表面平齐的表面。采用本实施例中第一磁体221和第二磁体222的安装方式，也可有效实现第一磁体221和第二磁体222的安装固定，并可形成沿周向分布的N-S交替磁体结构。
除了上述不同之外，本实施例提供的永磁游标电机的其它结构都可参照实施例一、实施例二进行优化设计，在此不再详述。
实施例五：
如图9所示，本实施例提供的永磁游标电机，与实施例一、实施例二、实施例三、实施例四的主要不同之处在于永磁体22的设置方式不同。具体地，实施例一、实施例二、实施例三和实施例四中，永磁体22都包括极性相反的第一磁体221和第二磁体222；而本实施例中，永磁体22只包括具有同一极性的第三磁体223。具体地，本实施例中，转子铁芯21上凸设有若干个沿周向间隔分布的凸极211，永磁体22包括若干个分别嵌入安装于各相邻两凸极211之间的第三磁体223。任意相邻两凸极211之间形成有一个供第三磁体223卡入安装的卡槽。第三磁体223嵌入安装于转子铁芯21上后，各凸极211会被第三磁体223磁化为极性与第三磁体223极性相反的磁体，即第三磁体223和转子铁芯21的极性分别为N极和S极，这样，可利用转子铁芯21上的凸极211来实现与第三磁体223的周向交替分布，这样，既可实现永磁体22在转子铁芯21上的安装固定，又可形成沿周向分布的N-S交替磁体结构。
除了上述不同之外，本实施例提供的永磁游标电机的其它结构都可参照实施例一、实施例二进行优化设计，在此不再详述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.永磁游标电机，包括定子和与所述定子转动配合的转子，所述定子包括定子铁芯和设于所述定子铁芯上的定子绕组，所述转子包括转子铁芯和设于所述转子铁芯上的永磁体，其特征在于：所述定子绕组包括第一套绕组和第二套绕组，所述第一套绕组和所述第二套绕组相互独立运行，且所述第一套绕组的极对数大于或小于所述第二套绕组的极对数，所述定子铁芯具有若干个沿周向间隔分布且靠近所述转子的槽口，定义所述第一套绕组的极对数为P，定义所述第二套绕组的极对数为Npm，定义所述槽口的数量为Ns，则有P＝|Ns±Npm|。
2.如权利要求1所述的永磁游标电机，其特征在于：所述第二套绕组的极对数与所述转子的极对数相等。
3.如权利要求2所述的永磁游标电机，其特征在于：所述定子铁芯包括定子轭和若干个沿周向间隔分布于所述定子轭上的定子齿，每个所述定子齿都包括齿颈和齿靴，任意相邻两所述齿颈之间都形成一个主线槽，每个齿靴上都凸设有若干个调磁块，任意相邻两所述调磁块之间都形成一个所述槽口，所述第一套绕组分布于各所述主线槽内，所述第二套绕组分布于各所述槽口内。
4.如权利要求2所述的永磁游标电机，其特征在于：所述定子铁芯包括定子轭和若干个沿周向间隔分布于所述定子轭上的凸齿，任意相邻两所述凸齿之间都形成一个所述槽口，所述第一套绕组和所述第二套绕组分布于各所述槽口内。
5.如权利要求4所述的永磁游标电机，其特征在于：所述凸齿为矩形齿块，所述槽口为矩形开口槽，且所述凸齿的宽度与所述槽口的宽度相当。
6.如权利要求1或2所述的永磁游标电机，其特征在于：所述定子位于所述转子的内侧；或者，所述定子位于所述转子的外侧。
7.如权利要求1或2所述的永磁游标电机，其特征在于：所述永磁体包括若干个第一磁体和若干个极性与所述第一磁体极性相反的第二磁体，各所述第一磁体和各所述第二磁体沿周向交替分布于所述转子铁芯上。
8.如权利要求7所述的永磁游标电机，其特征在于：各所述第一磁体和各所述第二磁体贴附固定于所述转子铁芯的表面；或者，各所述第一磁体和各所述第二磁体插入固定于所述转子铁芯内；或者，各所述第一磁体和各所述第二磁体内置于所述转子铁芯内。
9.如权利要求1或2所述的永磁游标电机，其特征在于：所述转子铁芯上凸设有若干个沿周向间隔分布的凸极，所述永磁体包括若干个分别嵌入安装于各相邻两所述凸极之间的第三磁体。
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