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CN109104059A - 一种双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机 - Google Patents

一种双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机 Download PDF

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CN109104059A
CN109104059A CN201810391727.5A CN201810391727A CN109104059A CN 109104059 A CN109104059 A CN 109104059A CN 201810391727 A CN201810391727 A CN 201810391727A CN 109104059 A CN109104059 A CN 109104059A
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CN
China
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permanent magnet
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stator
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CN201810391727.5A
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李建贵
罗瑞仁
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Wuhan University of Technology WUT
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Wuhan University of Technology WUT
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Abstract

本发明公开了一种双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机，包括依次呈轴向设置的外定子、转子、外定子，其特征在于：两外定子的结构相同，在两外定子上均设有爪极式调制齿，在定子槽上绕有三相绕组，两外定子上的爪极式调制齿相对设置，所述转子的两侧与两外定子之间均设有气隙，在转子上设有转子永磁体，两个所述外定子调制齿之间交错有一定的角度β。本发明输出转矩大，齿槽转矩小，转矩脉动低，定子齿聚磁，永磁体利用率高。与传统的轴向磁通电机相比，功率密度大，气隙磁密增大，效率提高。

Description

一种双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机
技术领域
本发明涉及一种轴向磁通永磁游标电机，尤其涉及一种双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机，应用于电动汽车、机器人、离心机等相关领域的驱动系统中。
背景技术
随着高性能永磁材料的出现，轴向磁通永磁电机也在迅速发展，轴向磁通电机结合永磁游标电机，既能满足尺寸参数要求，又能达到直驱大转矩输出，在例如电动汽车的轮毂电机等应用环境上，具有较大的研究潜力与发展前景。
传统的轴向磁通电机气隙磁密小，效率较低。目前存在的双定子轴向磁通永磁游标电机具有较大的转矩密度和功率密度，其电机定子为平行齿矩形槽。近年来，分别有学者提出了单定子双转子轴向磁通永磁游标电机和爪极式单定子双转子轴向磁通永磁游标电机，这两种电机皆为单定子双转子电机，后者与前者相比，其电机定子为爪极式，爪极式定子齿能达到聚磁的效果，与非爪极式定子齿电机相比，定子为爪极式的电机磁能利用率更高。此外，还有学者提出了双定子爪极式径向磁通永磁游标电机，这种电机定子也为爪极式定子，能大幅减小漏磁，提高永磁体利用率，但这种电机磁通方向为径向，是一种径向磁通电机，相比于轴向磁通电机，其轴向尺寸不够灵活。目前国内外对于定子采用爪极式的双定子轴向磁通永磁游标电机的研究还不够深入。针对此点，本发明提出了一种具有爪极式定子齿、平底槽的双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种齿槽转矩小、转矩脉动低、能提供大转矩的双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机。
本发明所采用的技术方案为：一种双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机，包括依次呈轴向设置的外定子、转子、外定子，其特征在于：两外定子的结构相同，在两外定子上均设有爪极式调制齿，在定子槽上绕有三相绕组，两外定子上的爪极式调制齿相对设置，所述转子的两侧与两外定子之间均设有气隙，在转子上设有转子永磁体，两个所述外定子调制齿之间交错有一定的角度β。
按上述技术方案，
其中，θm为电机d轴与电机q轴之间交错角度；
θ为调制齿齿宽所占角度与调制齿齿槽所占角度之和。
按上述技术方案，调制齿齿宽所占角度与角度θ比值在0.4-0.6。
按上述技术方案，θpm为每极转子永磁体与相邻铁芯共同所占角度；为每极转子永磁体所占角度，角度与角度θpm比值在0.2-0.4。
按上述技术方案，所述调制齿个数、转子永磁体极对数、三相绕组极对数只需满足“游标效应”，即NS＝Pr1+Pr2，其中，NS为调制齿个数，Pr1为转子永磁体极对数，Pr2为三相绕组极对数。
按上述技术方案，所述转子包括转子永磁体和转子铁芯，转子永磁体分为N极和S极，均匀交错内嵌于所述转子铁芯上，并与其固连。
按上述技术方案，所述转子还包括转子外端盖，转子支撑架，转子支撑环，所述转子铁芯套在所述转子支撑架上，所述转子支撑环套在所述转子铁芯上，所述转子支撑架与传动轴相连。
按上述技术方案，在转子支撑架上设有多个通风孔。
按上述技术方案，还包括传动轴，电机壳体，所述电机壳体包括电机前盖和电机后盖，电机前盖和电机后盖分别通过轴承与传动轴相配置，两定子分别与电机前盖和电机后盖固定连接。
本发明所取得的有益效果为：
1、本发明输出转矩大，齿槽转矩小，转矩脉动低，定子齿聚磁，永磁体利用率高。与传统的轴向磁通电机相比，功率密度大，气隙磁密增大，效率提高。
2、引入爪极式调制齿，具有聚磁特点，提高电机的气隙磁密，提高永磁体利用率，磁能利用率增高，解决了轴向磁通电机气隙磁密低的问题，电机效率得以提高。
3、双外定子之间交错角度，永磁体利用率提高，电机功率密度大大提高。
4、与传统轴向磁通永磁游标电机相比，本发明输出转矩大，功率密度高，磁能利用率高，具有优秀的工程性能。
5、与传统双定子爪极式径向磁通永磁游标电机相比，本发明为轴向磁通电机，轴向长度短，尺寸灵活，能适应各种对电机尺寸要求高的场合，例如电动汽车轮毂等。
附图说明
图1为本发明的三维示意图。
图2为本发明电机装配关系示意图。
图3为图2的B-B剖视图。
图4为本发明转子装配关系示意图.
图5为图4的A-A剖视图。
图6为本发明关键尺寸参数示意图。
图7为本发明输出转矩与齿槽转矩仿真结果图。
图中：1三相绕组、2外定子、3转子永磁体、4调制齿、5转子铁芯、6传动轴、7角接触球轴承、8电机前端盖、9转子、10垫圈、11螺母、12双头螺柱、13电机后端盖、14角接触球轴承、15小套筒、16大套筒、17转子外端盖、18十字槽螺钉、19开槽球面大圆柱头螺钉、20转子支撑架、21转子支撑环。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1-5所示，本实施例提供了一种双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机，包括传动轴6、电机壳体、外定子2、转子9、外定子2，外定子2、转子9、外定子2呈轴向依次设置，两外定子2的结构相同，在两外定子上均设有爪极式调制齿4，在定子槽上绕有三相绕组1，两外定子上的爪极式调制齿相对设置，所述转子的两侧与两外定子之间均设有气隙，转子9与两外定子2之间的气隙在1mm-2mm之间，优选1.5mm。在转子上设有转子永磁体，两外定子调制齿之间交错有一定的角度β。
本实施例中，所述电机壳体包括电机前端盖8和电机后端盖13，电机前端盖8和电机后端盖13分别通过角接触球轴承7与传动轴6相配置，角接触球轴承7通过轴肩和所述电机前端盖8来定位，角接触球轴承14通过电机后端盖13与小套筒15来定位，小套筒15通过所述角接触球轴承14和大套筒16来定位。两定子分别与电机前端盖8和电机后端盖13焊接固定。电机前端盖8与电机后端盖13通过垫圈10、螺母11、双头螺柱12相固连。所述垫圈10、螺母11、双头螺柱12分别为18对、18对、18个。
所述转子包括转子永磁体3、转子铁芯5、转子支撑架20、转子支撑环21、转子外端盖17。转子永磁体3分为N极和S极，均匀交错内嵌于所述转子铁芯5上，并与其固连。转子铁芯5套在转子支撑架20上，转子支撑架与传动轴相连，转子支撑环21套在转子铁芯5上，转子外端盖17通过十字槽螺钉18与所述转子铁芯5固连，转子外端盖17通过开槽球面大圆柱头螺钉19与转子支撑架20固连。其中，十字槽螺钉18为14个，所述开槽球面大圆柱头螺钉19为6个。所述转子支撑架20上均匀开有6个通风孔。所述转子9通过轴肩与所述大套筒16来定位。所述大套筒16通过所述小套筒15和所述转子9来定位。
本实施例中，外定子设有9个定子槽，定子槽为平底槽，调制齿4为18块，所述三相绕组1绕成8极。所述三相绕组1上通以三相电流，调节三相电流的频率，即可调节电机输出转速。转子永磁体3分为N极和S极，均匀交错内嵌于所述转子铁芯5上。所述转子永磁体3极对数为14对极。其中，调制齿4个数、转子永磁体3极对数、三相绕组1极对数只需满足“游标效应”，即NS＝Pr1+Pr2，NS为调制齿个数，Pr1为转子永磁体极对数，Pr2为三相绕组极对数。
优选的，如图6所示，参数hm为所述转子永磁体3长度，参数与参数分别为两外定子2上所述调制齿4齿宽所占角度，参数与分别为两外定子2上所述调制齿4齿槽所占角度，参数d与q分别为电机的d轴与q轴，参数θm为电机d轴与q轴之间交错角度，参数θ为所述调制齿4齿宽所占角度与所述调制齿4齿槽所占角度之和，参数θpm为每极转子永磁体3与相邻转子铁芯5共同所占宽度，参数为每极转子永磁体3所占宽度。
当其中，θm为电机d轴与电机q轴之间交错角度；θ为调制齿齿宽所占角度与调制齿齿槽所占角度之和。改变角度β，电机输出转矩大幅变化。当β值等左右时，电机输出转矩大，齿槽转矩小，转矩脉动低，功率密度高。
同时改变所述调制齿4齿宽所占角度与电机性能会随之改变。当所述角度与所述角度θ比值在0.45之间时，电机能保持高输出转矩，低转矩脉动。
当角度与角度θpm比值在0.35左右时，电机气隙磁密较高，轭部磁密合理，不饱和。
图7为本发明输出转矩与齿槽转矩仿真结果图。由图7可知，本发明在保持较大输出转矩的同时，还能保持较小的齿槽转矩，其转矩脉动小，工作稳定性高，噪声小，具有优秀的工程性能。

Claims (10)

1.一种双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机，包括依次呈轴向设置的外定子、转子、外定子，其特征在于：两外定子的结构相同在两外定子上均设有爪极式调制齿，在定子槽上绕有三相绕组，两外定子上的爪极式调制齿相对设置，所述转子的两侧与两外定子之间均设有气隙，在转子上设有转子永磁体，两个所述外定子调制齿之间交错有一定的角度β。
2.根据权利要求1所述的双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机，其特征在于：
其中，θm为电机d轴与电机q轴之间交错角度；
θ为调制齿齿宽所占角度与调制齿齿槽所占角度之和。
3.根据权利要求2所述的双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机，其特征在于：调制齿齿宽所占角度与角度θ比值在0.4-0.6。
4.根据权利要求2所述的双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机，其特征在于：θpm为每极转子永磁体与相邻铁芯共同所占角度；为每极转子永磁体所占角度，角度与角度θpm比值在0.2-0.4。
5.根据权利要求1或2所述的双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机，其特征在于：所述调制齿个数、转子永磁体极对数、三相绕组极对数只需满足“游标效应”，即NS＝Pr1+Pr2，其中，NS为调制齿个数，Pr1为转子永磁体极对数，Pr2为三相绕组极对数。
6.根据权利要求1或2所述的双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机，其特征在于：所述转子包括转子永磁体和转子铁芯，转子永磁体分为N极和S极，均匀交错内嵌于所述转子铁芯上，并与其固连。
7.根据权利要求6所述的双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机，其特征在于：所述转子还包括转子外端盖，转子支撑架，转子支撑环，所述转子铁芯套在所述转子支撑架上，所述转子支撑环套在所述转子铁芯上，所述转子支撑架与传动轴相连。
8.根据权利要求7所述的双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机，其特征在于：在转子支撑架上设有多个通风孔。
9.根据权利要求1或2所述的双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机，其特征在于：还包括传动轴，电机壳体，所述电机壳体包括电机前盖和电机后盖，电机前盖和电机后盖分别通过轴承与传动轴相配置，两定子分别与电机前盖和电机后盖固定连接。
10.根据权利要求1或2所述的双定子爪极式轴向磁通永磁游标电机，其特征在于：转子与两外定子之间的气隙在1mm-2mm之间。
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