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CN107968539A - 一种永磁体分段的新型开关磁链电机 - Google Patents

一种永磁体分段的新型开关磁链电机 Download PDF

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CN107968539A CN201711369890.3A CN201711369890A CN107968539A CN 107968539 A CN107968539 A CN 107968539A CN 201711369890 A CN201711369890 A CN 201711369890A CN 107968539 A CN107968539 A CN 107968539A
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Abstract

一种永磁体分段的新型开关磁链电机，属于电机技术领域；本发明为了解决现有技术中的电机永磁体体积大、利用率不高、影响电机性能的问题；本发明包括定子、转子和永磁体，定子由若干周向布置的U形定子铁芯拼合而成，相邻两个定子铁芯侧壁构成定子齿，每个定子齿上均嵌设有永磁体，定子齿通过三相电枢绕组构成整体结构，每个永磁体在周向方向上分成至少两段，径向方向上分成至少两段；本发明结构简单，加工制造方便，并能提高永磁体的利用率，降低电机的成本，减小永磁开关磁链电机的转矩脉动和齿槽转矩。

Description

一种永磁体分段的新型开关磁链电机
技术领域
一种新型开关磁链电机属于电机技术领域，主要涉及一种永磁体分段的新型开关磁链电机。
背景技术
传统永磁开关磁链电机作为一种定子励磁型电机，定、转子均采用双凸极结构，转子仅有铁心，永磁体安装在定子齿部，结构比较简单，既具有传统永磁同步电机转矩密度和功率密度大的优点，又能消除开关磁阻电机振动噪声大的缺点，从而得到了国内外学者的广泛关注。传统12/10极永磁开关磁链电机主要包括定子、转子、绕组以及位置传感器等，12块永磁体分别置于12块U形定子铁心单元之间，定子齿上缠绕集中式绕组，电机转子除转子铁心外无其他结构。12块永磁体均沿圆周切向进行充磁，相邻两块永磁体的充磁方向相反。在空间上互成90度的4个绕组组成一相。
传统永磁开关磁链电机，由于定子被永磁体隔离，对生产加工要求极高。并且在传统的永磁开关磁链电机的设计中，U形定子铁心单元的齿宽、轭部高度、槽口宽、永磁体的宽度以及转子铁心的极宽相等。采用这样的设计方法在设计功率较大的电机时所需永磁体的体积也较大，提高了电机的成本，同时永磁体的利用率也比较低。另外，永磁体的形状和结构对电机性能也有较大影响。电机在运行时，转矩波动是一个很重要的性能指标，转矩波动主要包含两部分，即齿槽转矩和转矩脉动。齿槽转矩是永磁电机固有的一种谐波转矩，齿槽转矩的存在会使电机在运行时产生振动和噪声，在低速运行时尤其严重；转矩脉动是由定子电流谐波和反电动势谐波互相作用产生，反电动势谐波主要与永磁体产生的励磁磁场在空间中的分布有关。所以，永磁体的形状和结构要影响转矩脉动，减小齿槽转矩和转矩脉动是电机设计时需要考虑的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种永磁体分段的新型开关磁链电机，以改变永磁体产生的磁场在电机中的分布，从而减小电机的转矩脉动和齿槽转矩，同时还提高永磁体利用率，降低成本，并方便加工。
本发明的目的是这样实现的：
一种永磁体分段的新型开关磁链电机，包括定子、转子和永磁体，定子由若干周向布置的U形定子铁芯拼合而成，相邻两个定子铁芯侧壁构成定子齿，每个定子齿上均嵌设有永磁体，定子齿通过三相集中电枢绕组构成整体结构，即绕组节距为1，缠在每个定子齿上每个永磁体在周向方向上分成至少两段，径向方向上分成至少两段。
进一步的，所述周向方向上的两段永磁体之间留有第一间隙。
进一步的，所述第一间隙宽度至少为0.1mm。
进一步的，所述径向方向上相邻永磁体之间留有第二间隙。
进一步的，所述第二间隙的宽度至少为0.1mm。
进一步的，同一定子齿内的永磁体N极和S极排列方式一致，均为沿圆周切向充磁，相邻定子齿上的永磁体N极和S极排列方式相反。
进一步的，所述定子和转子均由硅钢片叠压而成。
进一步的，所述定子齿数为12，转子齿数为10。
进一步的，永磁体的材料为钕铁硼、钐钴或铁氧体材料。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果，本发明的永磁体分段的新型开关磁链电机结构简单，由于可以将传统的12块U形定子铁芯组成一个整体，因此具有加工方便的优点，同时也增加了电机的机械强度。经过有限元分析可以证明，这种永磁体分段的新型开关磁链电机具有转矩脉动小、齿槽转矩小的优点，本发明旨在提供一种电机优化设计的方法，而具体的间隙大小需要参考不同功率等级的电机而做出调整。由于永磁体分成若干段，并且适当选择永磁体各段间的距离，可以减小永磁体的体积，减小成本，提高了永磁体的利用率。
附图说明
图1是仅考虑永磁体径向分段时，分不同段数时对电磁转矩的影响,图中为不分段情况，为分2段情况，为分3段，为分4段；
图2是仅考虑永磁体径向分段时，分不同段数时对齿槽转矩的影响，图中为不分段情况，为分2段情况，为分3段，为分4段；
图3是仅考虑永磁体切向分段时，分不同段数时对电磁转矩的影响，图中为不分段情况，为分2段情况，为分3段，为分4段；
图4是仅考虑永磁体切向分段时，分不同段数时对齿槽转矩的影响，图中为不分段情况，为分2段情况，为分3段情况，为分4段情况；
图5是永磁体分段时，永磁体的径向和切向不同间距组合时对电磁转矩平均值的影响，图中，为0mm径向间距时波形，为0.1mm径向间距时波形，为径向间距时波形；
图6是永磁体分段时，永磁体的径向和切向不同间距组合时对转矩脉动的影响，图中为0mm径向间距时波形，为0.1mm径向间距时波形，为0.2mm径向间距时波形；
图7是永磁体分段时，永磁体的径向和切向不同间距组合时对齿槽转矩的影响，图中为0mm径向间距时波形，为0.1mm径向间距时波形，为0.2mm径向间距时波形；
图8是永磁体分段前永磁体产生的磁场在空间中的分布；
图9是永磁体分段后永磁体产生的磁场在空间中的分布；
图10是有限元分析得出的永磁体分段的新型开关磁链电机与传统永磁开关磁链电机的电磁转矩波形的对比，图中，——为传统永磁开关磁链电机波形，-----为新型永磁开关磁链电机波形；
图11是有限元分析得出的永磁体分段的新型开关磁链电机与传统永磁开关磁链电机的齿槽转矩波形的对比，图中，——为传统永磁开关磁链电机波形，-----为新型永磁开关磁链电机波形；
图12是永磁体分段的新型开关磁链电机的剖面示意图；
图13是永磁体分段的新型开关磁链电机的定子冲片图；
图14是永磁体分段的新型开关磁链电机的永磁体结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
本例实施的一种永磁体分段的新型开关磁链电机，图12所示，包括定子1、永磁体2、三相集中绕组3和转子4。其中，定子1的结构如图13所示，由若干周向布置的U形定子铁芯拼合而成，相邻两个定子铁芯侧壁构成定子齿，每个定子齿上均嵌设有永磁体，定子齿通过三相集中电枢绕组构成整体结构，即绕组节距为1，缠在每个定子齿上，每个永磁体在周向方向上分成至少两段，径向方向上分成至少两段，所述定子1和转子4均由硅钢片叠压而成，本实施例所述定子齿数为12，转子齿数为10。
在永磁开关磁链电机的设计中，U形定子铁心单元的齿宽、轭部高度、槽口宽、永磁体的宽度以及转子铁心的极宽相等；本发明通过对一台1000W，3000r/min永磁开关磁链电机的有限元分析，证明了这种结构电机的优点，但是针对不同功率等级的电机需要做出不同的间隙调整。
将永磁体按照径向分为2段、3段、4段，当不考虑间距影响时，分不同段数时对电磁转矩和齿槽转矩的影响分别如图1、图2所示，从图中可以看出，永磁体径向分段对永磁开关磁链电机的电磁转矩、转矩脉动以及齿槽转矩几乎没有影响。
考虑间距影响时，永磁体按照径向分为2段，3段和4段时，永磁体不同间距对转矩性能的影响，相邻永磁体间嵌入与定子铁心材料相同的铁心，永磁体径向分不同段数时，径向方向上相邻永磁体之间留有第二间隙，第二间距从0mm到0.5mm对永磁开关磁链电机的电磁转矩和齿槽转矩的影响如表1。通过分析发现，随着第二间距的增加，电磁转矩平均值有所增加，在到达一定间距后随着间距的增加，电机的电磁转矩明显下降。转矩脉动随着径向间距的增加呈减小的趋势，齿槽转矩的变化趋势与转矩脉动一致。对于本发明的12/10极永磁开关磁链电机，永磁体径向分为3段且相邻间距为0.2mm时，电磁转矩基本不变，同时转矩脉动以及齿槽转矩很小，电机的综合转矩性能最好。
表1永磁体径向分段间距对转矩性能的影响
当不考虑间距影响时，切向方向上相邻永磁体之间留有第一间隙，永磁体切向分段对电机转矩性能的影响如图3、图4所示，通过对比分析可以得出，永磁体切向分2段时对电机转矩性能的改善效果最好，电机电磁转矩大小基本不变，转矩脉动减小，同时齿槽转矩幅值由141.57mN·m减小至140.53mN·m，当分为切向3段和4段时，电磁转矩的大小有所降低，同时转矩脉动和齿槽转矩也会增加。可以得出：永磁体分为切向2段时，可以提高电机的转矩性能，分段过多时会导致转矩性能的下降。
永磁体切向2段不同间距对电机转矩性能的影响如表2所示，通过分析可知，随着永磁体间间距的增加，转矩脉动和齿槽转矩都有很大程度的减小，电磁转矩呈先大幅增加后逐渐减小的趋势，在电磁转矩大小不减小时，切向2段且间距为0.5mm时，电机的转矩性能最优。
表2永磁体切向分段间距对转矩性能的影响
基于上述对比分析，本发明将传统永磁开关磁链电机中的每个永磁体分为6段，以切向和径向混合的排列方式，永磁体各段间采用定子铁心相同的导磁材料，因而12个定子铁心单元可以组成一个整体。
本发明分别对径向和切向不同间距组合时对电磁转矩平均值、转矩脉动、齿槽转矩做了分析，分析结果分别如图5、图6、图7所示，通过分析可知，采用该结构的永磁开关磁链电机可以大幅改善电机的转矩性能。选择0.4mm的切向间距与0.1mm的径向间距的组合时，转矩脉动由8.86％将至5.53％，齿槽转矩的幅值由135.84mN·m减小至96.75mN·m。
综上，本实施例的每个定子齿上有6段永磁体，形状如图14所示，其中，排列方式为径向3排，切向2列，该6段永磁体N极和S极排列方式一致，均为沿圆周切向充磁，相邻齿上的永磁体N极和S极排列方式相反，由于本发明将传统电机的一个永磁体分成为6段永磁体，并在空间上进行了有规律的排列，使得永磁体产生的磁场在电机中的分布发生了改变，如图8、图9所示，从而改变永磁开关磁链电机的转矩脉动大小，并对齿槽转矩产生影响。经有限元仿真得出的该新型结构与传统永磁开关磁链电机的电磁转矩波形如图10所示，从图中可以明显看出，本发明的永磁体分段的新型开关磁链电机可以明显减小转矩脉动。经有限元仿真得出的该新型结构与传统永磁开关磁链电机的齿槽转矩波形如图11所示，同样可以得出，本发明的永磁体分段的新型开关磁链电机可以明显减小电机的齿槽转矩。
本实施例的同一定子齿内的永磁体N极和S极排列方式一致，均为沿圆周切向充磁，相邻定子齿上的永磁体N极和S极排列方式相反，永磁体采用钕铁硼、钐钴或铁氧体永磁材料。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种永磁体分段的新型开关磁链电机，包括定子、转子和永磁体，其特征在于：定子由若干周向布置的U形定子铁芯拼合而成，相邻两个定子铁芯侧壁构成定子齿，每个定子齿上均嵌设有永磁体，定子齿通过三相电枢绕组构成整体结构，每个永磁体在周向方向上分成至少两段，径向方向上分成至少两段。
2.根据权利要求1所述一种永磁体分段的新型开关磁链电机，其特征在于：所述周向方向上的两段永磁体之间留有第一间隙。
3.根据权利要求2所述一种永磁体分段的新型开关磁链电机，其特征在于：所述第一间隙宽度至少为0.1mm。
4.根据权利要求1所述一种永磁体分段的新型开关磁链电机，其特征在于：所述径向方向上相邻永磁体之间留有第二间隙。
5.根据权利要求4所述一种永磁体分段的新型开关磁链电机，其特征在于：所述第二间隙的宽度至少为0.1mm。
6.根据权利要求1所述一种永磁体分段的新型开关磁链电机，其特征在于：同一定子齿内的永磁体N极和S极排列方式一致，均为沿圆周切向充磁，相邻定子齿上的永磁体N极和S极排列方式相反。
7.根据权利要求1所述一种永磁体分段的新型开关磁链电机，其特征在于：所述定子和转子均由硅钢片叠压而成。
8.根据权利要求1所述一种永磁体分段的新型开关磁链电机，其特征在于：所述定子齿数为12，转子齿数为10。
9.根据权利要求1所述一种永磁体分段的新型开关磁链电机，其特征在于：永磁体的材料为钕铁硼、钐钴或铁氧体材料。
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