CN109245471B - 一种交替极式永磁游标电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交替极式永磁游标电机，包括外定子部分、转子部分及内定子部分，外定子部分包括外定子铁心，外定子铁心内周向均匀间隔分布有外定子槽和外定子齿；所述外定子槽内嵌有电枢绕组；所述外定子齿包括交替布置的定子齿A和定子齿B，所述定子齿A端部为一个调制极；所述定子齿B的端部分裂为两个调制极，调制极之间布置有外定子永磁体阵列。本发明的有益效果为：本发明设内定子和外定子，这种双定子结构可有效利用交替极永磁体磁场，减小漏磁，提高转矩；外定子铁心上两种定子齿交替排列，有利于增大槽容积；外定子上的Halbach永磁体阵列有利于增大气隙磁密，提高输出转矩。
Description
技术领域
本发明涉及电机设备技术领域，具体涉及一种交替极式永磁游标电机。
背景技术
永磁游标电机在传统的永磁电机定子齿上引入了调制极结构，利用特殊的游标效应，调制低极对数高转速的定子电枢绕组磁场，以获得可以与高极对数低转速的永磁体磁场相匹配且作用的谐波磁场分量。这种方式能够在不增加电机的体积和槽数的条件下，实现低速大转矩的目标。
永磁游标电机的低速大转矩能力，可以应用于电机直驱的场合，如轮毂电机等，采用永磁电机直接驱动能够避免使用齿轮箱，简化机械结构，消除由于齿轮啮合传动引起的噪声和故障，从而提高系统的效率和可靠性。但是永磁游标电机在突破扭矩限制和降低齿槽转矩上还需更多的努力和投入。近几年有学者提出了一种利用双向场调制效应设计的永磁电机，双向场调制效应与游标效应原理相似，通过在定子上引入Halbach永磁体阵列来增强电机的气隙气密，以增大电机的输出转矩，但是电机的磁漏和齿槽转矩等问题仍然较为明显，而且定子结构复杂，增大了制造和安装的难度以及成本。
交替极电机结构常用于无轴承电机，以实现磁悬浮绕组和转矩绕组在结构上解耦，简化控制方法。近年来，有研究者使用交替极结构配合Halbach阵列改善径向电机的气隙磁密，为径向电机设计提供了一个新的思路。但是Halbach阵列在一定程度上会增大电机的转矩脉动，而且令电机的磁场不易调制。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种低速下转矩大、齿槽转矩小的交替极式永磁游标电机。
本发明采用的技术方案为：一种交替极式永磁游标电机，包括外定子部分、转子部分及内定子部分，外定子部分包括外定子铁心，外定子铁心内周向均匀间隔分布有外定子槽和外定子齿；所述外定子槽内嵌有电枢绕组；所述外定子齿包括交替布置的定子齿A和定子齿B，所述定子齿A端部为一个调制极；所述定子齿B的端部分裂为两个调制极，调制极之间布置有外定子永磁体阵列。
按上述方案，每个外定子永磁体阵列包括一个外定子径向永磁体，及两个分别位于外定子径向永磁体两侧的外定子周向永磁体；所述外定子径向永磁体沿径向向外方向或径向向内方向磁化，两个外定子周向永磁体沿相反方向切向磁化。
按上述方案，所述转子部分包括转子铁心，转子铁心周向间隔开设转子槽，在相邻两个转子槽形成的转子齿之间嵌入转子永磁体，转子齿与转子永磁体形成阵列的交替极结构，交替极结构可视为同向的永磁体将转子齿磁化为极性相反的磁体。
按上述方案，所述内定子部分包括内定子铁心，内定子铁心中心穿孔，内定子铁心外周面沿周向间隔开设有内定子槽，内定子槽内嵌有电枢绕组。
按上述方案，所述内定子铁心的外壁固定有导磁环，导磁环的外周面上设有凸极结构。
按上述方案，所述转子永磁体均为同极。
按上述方案，所述外定子永磁体阵列的极对数与导磁环上凸极结构的数量Ps相等，导磁环上凸极结构的数量Ps、电枢绕组的极对数Pw，转子永磁体的极对数Pr满足关系：Ps－Pw＝Pr。
按上述方案，所述外定子铁心、内定子铁心、导磁环及转子铁心均由具有高磁导率的硅钢材料制成。
按上述方案，所述外定子径向永磁体、外定子周向永磁体及转子永磁体均由钕铁硼材料制成。
本发明的有益效果为：
1、本发明设内定子和外定子，这种双定子结构可有效利用交替极永磁体磁场，减小漏磁，提高转矩；
2、外定子铁心上两种定子齿交替排列：定子齿A端部有一个调制极；定子齿B在端部分裂为两个调制极，调制极之间布置的Halbach永磁体阵列有利于增大外侧气隙磁密，提高输出转矩；
3、外定子永磁体按照Halbach阵列排布，外定子径向永磁体沿径向向外或向内的方向磁化，而另外两个外定子周向永磁体沿相反方向切向磁化，以增强外气隙单侧磁场强度，提高了电机的转矩密度，可获取更大的输出转矩；
4、转子使用交替极结构，降低了永磁体的用量；
5、定/转子永磁体极对数和电枢绕组极对数满足双向场调制效应的关系，可获得低速大转矩的能力；利用双向场调制效应的方法调制了电机含有的高次谐波，降低了转矩脉动；
6、本发明设计带有一定数量凸极的导磁环结构，调制内定子电枢绕组的磁场，使内定子与转子的高低速旋转磁场能够相互作用；
7、本发明设计合理，可行性好，可靠性高。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的二维结构简图。
图2为本实施例的立体结构示意图。
图3为本实施例的单相反电势图。
图4本实施例的齿槽转矩图。
图5为本实施例在给予15A电流运行时的输出转矩图。
图6为本实施例负载时的磁力线图。
其中：1、绕组；2、外定子铁心；3、外定子径向永磁体；4、外定子周向永磁体；5、转子铁心；6、转子永磁体；7、导磁环；8、内定子铁心；9、外定子齿A；10、外定子齿B；11、凸极结构。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步地描述。
如图1和图2所示的一种交替极式永磁游标电机，包括外定子部分、转子部分及内定子部分，其中，
外定子部分包括外定子铁心2，外定子铁心2内周向均匀间隔分布有外定子槽和外定子齿；所述外定子槽内嵌有电枢绕组1；所述外定子齿包括交替布置的定子齿A9和定子齿B10，所述定子齿A9为常规结构，端部有一个调制极；所述定子齿B10在端部分裂为两个调制极，调制极之间布置有外定子永磁体阵列，也即Halbach永磁体阵列，每个外定子永磁体阵列包括一个外定子径向永磁体3，及两个分别位于外定子径向永磁体3两侧的外定子周向永磁体4；所述外定子径向永磁体3沿径向向外方向或径向向内方向磁化，而两个外定子周向永磁体4基于Halbach原理沿相反方向切向磁化；
所述转子部分包括转子铁心5，转子铁心5周向间隔开设转子槽，在相邻两个转子槽形成的转子齿之间嵌入转子永磁体6，转子齿与转子永磁体6形成阵列的交替极结构，交替极结构可视为同向的永磁体6将转子齿磁化为极性相反的磁体；
所述内定子部分包括内定子铁心8，内定子铁心8为普通直齿结构，其中心穿孔，内定子铁心8外周面沿周向间隔开设有内定子槽，内定子槽内嵌有4极单层链式的电枢绕组1；内定子铁心8通过螺栓固定有导磁环7，导磁环7的外周面上设有凸极结构11；凸极结构11同样起到调制极作用，以调制内定子铁心三相绕组1上的高速磁场。
本发明中，转子永磁体6均为同极，且极弧系数为1；外定子永磁体阵列的极对数、转子永磁体6的极对数和电枢绕组1的极对数满足双向场调制效应的要求，所述外定子永磁体阵列的极对数与导磁环7上凸极结构11的数量Ps相等，导磁环7上凸极结构11的数量Ps、电枢绕组1的极对数Pw，转子永磁体6的极对数Pr满足关系：Ps－Pw＝Pr。本实施例中，Ps为18，Pw为2，Pr为16。
本发明中，所述外定子铁心2、内定子铁心8、导磁环7及转子铁心5均由具有高磁导率的硅钢材料制成；所述外定子径向永磁体3、外定子周向永磁体4及转子永磁体6均由钕铁硼材料制成；电枢绕组1为4极单层链式的三相绕组。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种交替极式永磁游标电机，其特征在于，包括外定子部分、转子部分及内定子部分，外定子部分包括外定子铁心，外定子铁心内周向均匀间隔分布有外定子槽和外定子齿；所述外定子槽内嵌有电枢绕组；所述外定子齿包括交替布置的定子齿A和定子齿B，所述定子齿A的端部为一个调制极；所述定子齿B的端部分裂为两个调制极，调制极之间布置有外定子永磁体阵列；每个外定子永磁体阵列包括一个外定子径向永磁体，及两个分别位于外定子径向永磁体两侧的外定子周向永磁体；所述外定子径向永磁体沿径向向外方向或径向向内方向磁化，两个外定子周向永磁体沿相反方向切向磁化。
2.如权利要求1所述的交替极式永磁游标电机，其特征在于，所述转子部分包括转子铁心，转子铁心周向间隔开设转子槽，在相邻两个转子槽形成的转子齿之间嵌入转子永磁体，转子齿与转子永磁体形成阵列的交替极结构，交替极结构可视为同向的永磁体将转子齿磁化为极性相反的磁体。
3.如权利要求2所述的交替极式永磁游标电机，其特征在于，所述内定子部分包括内定子铁心，内定子铁心中心穿孔，内定子铁心外周面沿周向间隔开设有内定子槽，内定子槽内嵌有电枢绕组。
4.如权利要求3所述的交替极式永磁游标电机，其特征在于，所述内定子铁心的外壁固定有导磁环，导磁环的外周面上设有凸极结构。
5.如权利要求2所述的交替极式永磁游标电机，其特征在于，所述转子永磁体均为同极。
6.如权利要求4所述的交替极式永磁游标电机，其特征在于，所述外定子永磁体阵列的极对数与导磁环上凸极结构的数量Ps相等，导磁环上凸极结构的数量Ps、电枢绕组的极对数Pw，转子永磁体的极对数Pr满足关系：Ps-Pw＝Pr。
7.如权利要求4所述的交替极式永磁游标电机，其特征在于，所述外定子铁心、内定子铁心、导磁环及转子铁心均由具有高磁导率的硅钢材料制成。
8.如权利要求4所述的交替极式永磁游标电机，其特征在于，所述外定子径向永磁体、外定子周向永磁体及转子永磁体均由钕铁硼材料制成。
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