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CN114400855A - 一种定转子双模块化永磁同步电机 - Google Patents

一种定转子双模块化永磁同步电机 Download PDF

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CN114400855A CN202210080187.5A CN202210080187A CN114400855A CN 114400855 A CN114400855 A CN 114400855A CN 202210080187 A CN202210080187 A CN 202210080187A CN 114400855 A CN114400855 A CN 114400855A
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Abstract

本申请提供了一种定转子双模块化永磁同步电机，包括机壳、定子模块单元、转子模块单元、铁氧体组件和转轴。铁氧体组件包括铁氧体和永磁体，铁氧体与永磁体之间形成错位角。其中定子模块单元和转子模块单元的双模块化结构，有效降低大功率风力发电机单位元件尺寸参数，降低风力发电机运输成本及难度。铁氧体与永磁体之间的错位角能形成空气磁障，防止造成大量漏磁现象。综上可知，本申请可以解决当用铁氧体置换部分永磁体时会导致永磁体和铁氧体形成磁漏并且电机效率和功率因数较低的问题。

Description

一种定转子双模块化永磁同步电机
技术领域
本申请涉及电机制造技术领域，尤其涉及一种定转子双模块化永磁同步电机。
背景技术
永磁直驱风力发电机组具有维护成本低、风能转化效率高、运行风速范围宽、寿命长和低-高电压穿越性能好等诸多优势，近年来技术发展迅速。但随着风力发电机组单功率的增大，直驱发电机的直径愈来愈大，生产制造设备和运输成为制约该技术的最大瓶颈问题，提升电机的功率密度以及生产制造的模块化水平，是行业发展的必然趋势。当前，陆上运输最大宽度限制约为5m，超出运输限制将大大提升运输成本甚至不可实现，因此对电机的经济设计带来较大的挑战。
近年来，由于稀土永磁材料的开采限制，使得供应量有限，购买价格逐年上涨，越来越多的科研工作者开始研究能够替代永磁同步电机的电机，或者尝试设计采用低性能永磁体如铁氧体等材料或者不需要永磁体的高性能电机。
然而单纯采用铁氧体置换部分永磁体将会导致永磁体和铁氧体间形成漏磁，同时永磁同步电机转不存在任何励磁，为了获得较大的电磁转矩，需要定子侧提高较大的励磁电流，导致电机的效率和功率因数较低。
发明内容
本申请提供了一种定转子双模块化永磁同步电机，能够解决当用铁氧体置换部分永磁体时会导致永磁体和铁氧体形成磁漏并且电机效率和功率因数较低的问题。
本申请的技术方案为一种定转子双模块化永磁同步电机，包括：
机壳，为圆形且沿轴向延伸；
定子模块单元，绕轴向均匀设置在所述机壳的内周面上，相邻两个所述定子模块单元之间设有定子模块间隙；所述定子模块单元内对称设置有两个定子槽，所述定子槽内设置有沿轴向贯通所述定子槽的绕组；
转子模块单元，绕轴向均匀设置在所有所述定子模块单元环绕形成的内圈中，相邻两个所述转子模块单元之间设有转子模块间隙；所述定子模块单元与所述转子模块单元之间设有定转子模块间隙；
铁氧体组件，绕轴向均匀设置在所有所述转子模块单元环绕形成的圆环内且靠近所述定子模块单元一侧；所述铁氧体组件为V形且V形开口处面向所述定子模块单元；所述铁氧体组件包括位于V形尖端的铁氧体和对称设置在所述铁氧体两侧的永磁体，所述铁氧体与相邻的两个所述永磁体之间形成错位角；
转轴，设置在所述转子模块单元环绕形成的内圈中且沿轴向延伸。
可选地，所述定子模块单元中的一个所述定子槽在靠近所述机壳的一侧设置有定子凹槽。
可选地，所述绕组为三相对称定子绕组。
可选地，所述转子模块单元在靠近所述定子模块单元一侧对称设置有两个转子凹槽；
所述铁氧体组件设置在相邻两个所述转子凹槽之间。
可选地，所述转子凹槽为梯形。
可选地，所述铁氧体靠近所述定子模块单元一侧的宽度应小于所述铁氧体靠近所述转轴一侧的宽度。
可选地，所述转轴的外周面上均匀分布有与所述转子模块间隙相配合的凸起；
所述转轴在两个相邻所述凸起之间并且在靠近所述机壳的一侧设置有圆槽。
本申请提供了一种定转子双模块化永磁同步电机，包括机壳、定子模块单元、转子模块单元、铁氧体组件和转轴。相邻两个定子模块单元之间设有定子模块间隙。相邻两个转子模块单元之间设有转子模块间隙。所述定子模块单元与所述转子模块单元之间设有定转子模块间隙。由于本申请采用了定子模块单元和转子模块单元的双模块化结构，有效降低大功率风力发电机单位元件尺寸参数，降低风力发电机运输成本及难度。其中，定转子模块间隙能够起到磁障的作用，定子模块间隙可以使定子磁路过饱和，减小了电机输出的电磁转矩，而转子模块间隙起到了约束磁力线的作用，削弱了低次非工作谐波，减轻转子质量，进一步缩小电机尺寸。除此外，本申请将现有技术中的永磁体部分用铁氧体替代，利用两侧永磁体将铁氧体充磁，节约电机成本。另外，铁氧体与相邻的两个所述永磁体之间形成错位角，能形成空气磁障，避免永磁体发出磁线直接经铁氧体形成回路，防止造成大量漏磁现象，综上可知本申请可以解决当用铁氧体置换部分永磁体时会导致永磁体和铁氧体形成磁漏并且电机效率和功率因数较低的问题，并且本申请相比于现有技术具有性能优异、结构新颖、成本低廉、运行可靠、便于运输、产业化方便等方面的显著优势。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中一种定转子双模块化永磁同步电机的结构示意图；
图2为本申请实施例中定子模块单元没有安装绕组时的结构示意图；
图3为本申请实施例中转子模块单元的结构示意图；
图4为本申请实施例中铁氧体组件的结构示意图；
图5为在不同结构下电机空载反电势的对比图；
图6为本申请实施例中绕组排布示意图；
图7为本申请实施例中转轴的结构示意图；
其中，1-机壳；2-定子模块单元；21-定子模块间隙；22-定子槽；221、221a、221b、221c、221d、221e、221f、221g、221h、221i、221j、221k和221l-绕组；222-定子凹槽；3-转子模块单元；31-转子模块间隙；32-定转子模块间隙；33-转子凹槽；4-铁氧体组件；41-铁氧体；42-永磁体；43-错位角；5-转轴；51-凸起；52-圆槽。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
本申请提供了一种定转子双模块化永磁同步电机，如图1所示，图1为本申请实施例中一种定转子双模块化永磁同步电机的结构示意图，电机包括机壳1、定子模块单元2、转子模块单元3、铁氧体组件4和转轴5。
其中机壳1，为圆形且沿轴向延伸。
定子模块单元2绕轴向均匀设置在机壳1的内周面上，相邻两个定子模块单元2之间设有定子模块间隙21。定子模块单元2内对称设置有两个定子槽22，定子槽22内设置有沿轴向贯通定子槽22的绕组221。具体可参见图2，图2为本申请实施例中定子模块单元没有安装绕组时的结构示意图。
转子模块单元3绕轴向均匀设置在所有定子模块单元2环绕形成的内圈中，相邻两个转子模块单元3之间设有转子模块间隙31。所述定子模块单元2与所述转子模块单元3之间设有定转子模块间隙32。具体可参见图3，图3为本申请实施例中转子模块单元的结构示意图。
具体地，定子模块单元2和转子模块单元3均采用硅钢片制成。定子模块单元2、定子槽22和转子模块单元3均为扇形，并且所有转子模块单元3均嵌于转轴5上。扇形定子槽22的宽度等于一个转子极的宽度。定子模块间隙21绕轴向的宽度为2mm，转子模块间隙31绕轴向的宽度为1mm。定子模块单元2之间通过磁桥连接，转子模块单元3通过转轴连接，便于拆装。定子模块单元逆时针方向的定子极上绕有绕组221，所有绕组221的绕向相同且均为集中式绕组。转子极的的极弧系数为0.52，转子极极宽是定子极极宽0.24倍。转子模块单元3上有一个转子磁极，转子模块单元3的顶部呈圆弧状与定子模块单元2配合。
铁氧体组件4绕轴向均匀设置在所有转子模块单元3环绕形成的圆环内且靠近定子模块单元2一侧。铁氧体组件4为V形且V形开口处面向定子模块单元2。铁氧体组件4包括位于V形尖端的铁氧体41和对称设置在铁氧体41两侧的永磁体42，铁氧体41与相邻的两个所述永磁体42之间形成错位角43。
具体地，如图1和图4所示，图4为本申请实施例中铁氧体组件的结构示意图，其中，铁氧体41和永磁体42呈V形并嵌入转子模块单元3，其中铁氧体41位于V形铁氧体组件4的尖端，经锅永磁体42充磁，起到替代现有技术永磁体42的作用，节约电机成本。在一些实施例中，永磁体42采用钕铁硼、钐钴或铁氧体永磁材料制成。铁氧体41与相邻的两个所述永磁体42之间形成错位角43，能形成空气磁障，避免永磁体42发出磁线直接经铁氧体41形成回路，防止造成大量漏磁现象。
永磁体42采用充磁方向呈正弦变化的分块异向充磁排布，不仅可以使得靠近间隙处的永磁磁场更为集中，使电机间隙磁通密度分布更加趋近于正弦分布，谐波含量少，磁密分布更加均匀，可以进一步提升电磁转矩输出能力和永磁体42利用率。转子极数少，在电机高速运行过程中，能够有效降低铁耗与永磁体42涡流损耗。
转轴5设置在转子模块单元3环绕形成的内圈中且沿轴向延伸。
具体地，转子模块单元3均嵌于转轴5上。
本申请实施例中的电机遵循最小磁阻原理工作，转子模块每转过一个极时，电枢绕组匝链的磁链大小会发生两个从最大到最小的周期变化，永磁体42发出的磁通经两个间隙和与绕组221匝链。绕组221由传统的分布式绕组改用了分数槽集中绕组，既兼具了便于缠绕方便分槽的有点，又节约了电机端部绕组，可以节约端部铜线，降低电机的铜耗，提高电机的效率；此外端部空间的节约可以使电机的有效长度增加，进而增加电机的转矩密度。本申请实施例比现有技术虽然增加了转子模块单元3，但是由于转子模块单元3减小转子质量，约束了转子磁线，因此电机的输出转矩和功率密度可以显著提高。
具体可参见图5，图5为在不同结构下电机空载反电势的对比图。对比分析发现，永磁电机定子模块化后，非工作谐波含量增加，工作谐波含量降低，空载反电势明显下降。经拓扑结构优化后，空气磁障有效约束磁线走向，削弱非工作谐波含量。电机电磁性能明显得到优化，空载反电势幅值有效提高。
综上可知，本申请实施例中的电机采用定子模块单元2和转子模块单元3的双模块化结构，有效降低大功率风力发电机单位元件尺寸参数，降低风力发电机运输成本及难度。其中，定转子模块间隙32能够起到磁障的作用，定子模块间隙21可以使定子磁路过饱和，减小了电机输出的电磁转矩，而转子模块间隙31起到了约束磁力线的作用，削弱了低次非工作谐波，减轻转子质量，进一步缩小电机尺寸。除此外，本申请实施例将现有技术中的永磁体部分用铁氧体41替代，利用两侧永磁体42将铁氧体41充磁，节约电机成本。铁氧体41与相邻的两个所述永磁体42之间形成错位角43，能形成空气磁障，避免永磁体42发出磁线直接经铁氧体41形成回路，防止造成大量漏磁现象。
在一些实施例中，所述定子模块单元2的数量为六个；所述转子模块单元3的数量为五个；所述铁氧体组件4的数量为十个。
在一些实施例中，所述定子模块单元2中的一个所述定子槽22在靠近所述机壳1的一侧设置有定子凹槽222。
具体地，在定子槽22靠近所述机壳1的一侧设置有定子凹槽222，定子凹槽222绕轴向的宽度为2mm，即在定子轭部添加磁障，可以约束磁线走向，降低齿槽转矩，防止电机负载运行时震荡影响。
在一些实施例中，所述绕组221为三相对称定子绕组。
具体地，如图6所示，图6为本申请实施例中绕组排布示意图，为了便于区分不同位置的绕组221，所以用221a、221b、221c、221d、221e、221f、221g、221h、221i、221j、221k和221l代指。其中绕组221a和221f为绕A相正线圈，绕组221g和221l为绕A相负线圈，绕组221k和221d为绕B相负线圈，绕组221e和221j为绕B相正线圈；绕组221b和221i为绕C相正线圈，绕组221c和221h为绕C相负线圈；三相对称定子绕组依次首尾相连形成对称的三相电枢绕组。
在一些实施例中，所述转子模块单元3在靠近所述定子模块单元2一侧对称设置有两个转子凹槽33；所述铁氧体组件4设置在相邻两个所述转子凹槽33之间。所述转子凹槽33为梯形，且径向的深度为1.5mm。
具体地，转子模块单元3在靠近所述定子模块单元2一侧对称设置有两个转子凹槽33，通过不同形状和不同槽深的对比，将转子凹槽33设置为梯形，转子凹槽33绕轴向的宽度为1.5mm，约束转子侧磁线，削弱高次非工作谐波，从而提高电磁转矩，降低模块化电机齿槽转矩。
在一些实施例中，所述铁氧体41靠近所述定子模块单元2一侧的宽度应小于所述铁氧体41靠近所述转轴5一侧的宽度。
具体地，所述铁氧体41靠近所述定子模块单元2一侧的宽度应小于所述铁氧体41靠近所述转轴5一侧的宽度，便于充磁。
在一些实施例中，所述转轴5的外周面上均匀分布有与所述转子模块间隙31相配合的凸起51；所述转轴5在两个相邻所述凸起51之间并且在靠近所述机壳1的一侧设置有圆槽52。
具体地，如图7所示，图7为本申请实施例中转轴的结构示意图，其中凸起51的设置可以使转轴5和转子模块单元3连接的更加紧密，便于安装转子模块单元3，同时，转子模块单元3的内部同样开有与所述凸起51相配合的凹槽；圆槽52的设置可以减轻电机的重量，增强电机转轴5的刚度，增强旋转部件可靠性。在一些实施例中，凸起51和圆槽52的数量均为5个。
本申请实施例提供了一种定转子双模块化永磁同步电机，包括机壳1、定子模块单元2、转子模块单元3、铁氧体组件4和转轴5。相邻两个定子模块单元2之间设有定子模块间隙21。相邻两个转子模块单元3之间设有转子模块间隙31。所述定子模块单元2与所述转子模块单元3之间设有定转子模块间隙32。由于本申请实施例采用了定子模块单元2和转子模块单元3的双模块化结构，有效降低大功率风力发电机单位元件尺寸参数，降低风力发电机运输成本及难度。其中，定转子模块间隙32能够起到磁障的作用，定子模块间隙21可以使定子磁路过饱和，减小了电机输出的电磁转矩，而转子模块间隙31起到了约束磁力线的作用，削弱了低次非工作谐波，减轻转子质量，进一步缩小电机尺寸。除此外，本申请实施例将现有技术中的永磁体部分用铁氧体41替代，利用两侧永磁体42将铁氧体41充磁，节约电机成本。另外，铁氧体41与相邻的两个所述永磁体42之间形成错位角43，能形成空气磁障，避免永磁体42发出磁线直接经铁氧体41形成回路，防止造成大量漏磁现象，综上可知本申请实施例可以解决当用铁氧体置换部分永磁体时会导致永磁体和铁氧体形成磁漏并且电机效率和功率因数较低的问题，并且本申请实施例相比于现有技术具有性能优异、结构新颖、成本低廉、运行可靠、便于运输、产业化方便等方面的显著优势。
以上对本申请的实施例进行了详细说明，但内容仅为本申请的较佳实施例，不能被认为用于限定本申请的实施范围。凡依本申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本申请的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种定转子双模块化永磁同步电机，其特征在于，所述电机包括：
机壳(1)，为圆形且沿轴向延伸；
定子模块单元(2)，绕轴向均匀设置在所述机壳(1)的内周面上，相邻两个所述定子模块单元(2)之间设有定子模块间隙(21)；所述定子模块单元(2)内对称设置有两个定子槽(22)，所述定子槽(22)内设置有沿轴向贯通所述定子槽(22)的绕组(221)；
转子模块单元(3)，绕轴向均匀设置在所有所述定子模块单元(2)环绕形成的内圈中，相邻两个所述转子模块单元(3)之间设有转子模块间隙(31)；所述定子模块单元(2)与所述转子模块单元(3)之间设有定转子模块间隙(32)；
铁氧体组件(4)，绕轴向均匀设置在所有所述转子模块单元(3)环绕形成的圆环内且靠近所述定子模块单元(2)一侧；所述铁氧体组件(4)为V形且V形开口处面向所述定子模块单元(2)；所述铁氧体组件(4)包括位于V形尖端的铁氧体(41)和对称设置在所述铁氧体(41)两侧的永磁体(42)，所述铁氧体(41)与相邻的两个所述永磁体(42)之间形成错位角(43)；
转轴(5)，设置在所述转子模块单元(3)环绕形成的内圈中且沿轴向延伸。
2.根据权利要求1所述的一种定转子双模块化永磁同步电机，其特征在于，所述定子模块单元(2)中的一个所述定子槽(22)在靠近所述机壳(1)的一侧设置有定子凹槽(222)。
3.根据权利要求1所述的一种定转子双模块化永磁同步电机，其特征在于，所述绕组(221)为三相对称定子绕组。
4.根据权利要求1所述的一种定转子双模块化永磁同步电机，其特征在于，所述转子模块单元(3)在靠近所述定子模块单元(2)一侧对称设置有两个转子凹槽(33)；
所述铁氧体组件(4)设置在相邻两个所述转子凹槽(33)之间。
5.根据权利要求4所述的一种定转子双模块化永磁同步电机，其特征在于，所述转子凹槽(33)为梯形。
6.根据权利要求1所述的一种定转子双模块化永磁同步电机，其特征在于，所述铁氧体(41)靠近所述定子模块单元(2)一侧的宽度应小于所述铁氧体(41)靠近所述转轴(5)一侧的宽度。
7.根据权利要求1所述的一种定转子双模块化永磁同步电机，其特征在于，所述转轴(5)的外周面上均匀分布有与所述转子模块间隙(31)相配合的凸起(51)；
所述转轴(5)在两个相邻所述凸起(51)之间并且在靠近所述机壳(1)的一侧设置有圆槽(52)。
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