CN118300355A - 一种定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机 - Google Patents

Abstract

一种定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机，包括转子，转子的内侧和外侧分别设置有外定子和内定子，转子、外定子和内定子的中心均设置在同一点上，转子与外定子和内定子转动连接，转子的内侧和外侧均设置有电枢绕组，内定子的外侧和外定子的内侧均设置有至少一个槽口切向励磁永磁单元，槽口切向励磁永磁单元与电枢绕组相对应。本发明将两台单定子磁场调制永磁电机合二为一，其永磁体和电枢绕组可以分别置于定子侧和转子侧，同时内外定子错开一定角度，减少漏磁提高转矩。同时，利用外定子、内定子和转子组成两套电枢绕组，有效提高磁场利用率，提高电机转矩密度。

Description

一种定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机

技术领域

本发明涉及永磁磁场调制电机的技术领域，尤其涉及一种定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机。

背景技术

直驱永磁电机具有高效率、高可靠性和低噪声等优点，在工业领域中有着广阔的应用前景。相对于传统直驱永磁电机，磁场调制永磁电机具有高转矩密度和结构简单的有点，适用于对转矩密度有较高要求的交通运输等工业领域。

由于传统永磁同步电机的永磁体和电枢绕组分别置于定子侧或转子侧，采用双定子结构时，一般将永磁体置于中间转子上，如申请号为202221992162.4的发明专利公开的一种新能源汽车双定子永磁同步电机，包括外定子硅钢片、外定子槽、外定子绕组、外定子齿、V型隔磁槽、一字型磁钢、内定子齿、内定子槽、内定子绕组、外层气隙、内层气隙和内定子本体，外定子绕组设置在外定子槽内，内定子绕组设置在内定子槽内，一字型永磁体放置在中间转子上。电机工作灵活度较高，但是该结构在高速运动场合，结构可靠性较差，永磁体存在脱落风险。

而且，采用开槽定子的双定子磁场调制电机常常采用对齐双定子结构，如申请号为202210833878.8的发明公开的一种新型混合励磁双定子双凸极永磁电机，电枢绕组和励磁绕组分别绕在外定子和内定子齿上，转子设置在外定子和内定子之间，永磁体放置于内定子轭部。虽然，该电机解决了传统永磁电机调速范围窄的缺点。但此时电机磁路的磁阻较大，从而导致漏磁较高，不利于转矩的产生。

发明内容

针对现有电机存在漏磁较高、结构不合理的技术问题，本发明提出一种可以提高转矩密度的定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机，内、外定子齿中心线错开一定空间电角度，形成交错双定子结构，可以减少电机漏磁。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机，包括转子，转子的内侧和外侧分别设置有外定子和内定子，转子、外定子和内定子的中心均设置在同一点上，转子与外定子和内定子转动连接，转子的内侧和外侧均设置有电枢绕组，内定子的外侧和外定子的内侧均设置有至少一个槽口切向励磁永磁单元，槽口切向励磁永磁单元与电枢绕组相对应。

所述槽口切向励磁永磁单元包括p_os极对外定子永磁体和p_is极对内定子永磁体，p_os极对外定子永磁体设置在外定子内侧，p_is极对内定子永磁体设置在内定子外侧。

所述内定子和外定子为交错双定子结构，内定子和外定子夹角为7.5电角度。

所述内定子上均匀设置有内定子齿，相邻内定子齿之间设置有p_is极对内定子永磁体，外定子上均匀设置有外定子齿，相邻外定子齿之间设置有p_os极对外定子永磁体，内定子齿宽度小于外定子齿宽度。

所述外定子为圆形外定子，内定子为圆形内定子，转子为圆形转子，圆形外定子、圆形转子和圆形内定子由外向内依次同轴套装，圆形外定子、圆形转子和圆形内定子之间设置有间隙。

所述圆形转子上均匀设置有至少一个转子齿，转子齿长度大于圆形转子宽度，转子齿中点与圆形转子固定连接，圆形转子外侧相邻的转子齿之间设置有外圈槽，圆形转子内侧相邻的转子齿之间设置有内圈槽，电枢绕组穿过外圈槽或内圈槽间隔设置在转子齿上。

所述转子齿为梯形转子齿，梯形转子齿的宽度由圆形转子内侧至圆形转子外侧逐渐增大。

所述电枢绕组包括第一套电枢绕组和第二套电枢绕组，第一套电枢绕组穿过外圈槽间隔设置在梯形转子齿上，第二套电枢绕组穿过内圈槽间隔设置在梯形转子齿上，第一套电枢绕组和第二套电枢绕组对应设置在转子齿上。

所述转子齿的数目为永磁电机相数的整数倍：

Z_r＝nm，n＝1,2,3…，

Z_r为转子齿的数目，m为电机相数，n＝1,2,3…。

所述电机电枢绕组极对数、定子槽口切向励磁永磁单元极对数和转子齿数之间的关系满足以下公式：

p_a＝|Z_r-p_os|；

p_a＝|Z_r-p_is|；

G_r＝-p_a/p_s；

其中，Z_r为转子齿数，p_a为电机电枢绕组极对数，p_s为定子槽口切向励磁永磁单元的极对数，G_r为传速比，f为定子电流频率，n为电机转速，n＝60f/p_a。

本发明的有益效果为：

1.本发明利用外定子、内定子和转子组成两套电枢绕组，有效提高磁场利用率，提高电机转矩密度。本发明利用外定子、内定子和转子组成两套电枢绕组，有效提高磁场利用率，

提高电机转矩密度，从而满足了高转矩密度需求的工业应用。本发明的电机设计具有结构紧凑、运行稳定、维护方便等优点。

2.本发明包括外定子、内定和转子构成内外的双定子电机结构，具有两层气隙，可以有效改善电机永磁磁路，可以充分利用转子内部空间并提高电机的转矩密度和功率密度。

3.本发明电机两套电枢绕组均采用集中绕组形式，可以有效的减少绕组端部长度，降低铜耗，从而提高电机运行效率。

4.本发明采用交错双定子结构，使内定子和外定子在周向上错开一定空间电角度，有效减少电机漏磁。

5.本发明的定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机具有高转矩输出的特点，是直接驱动应用的理想选择。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例电机的结构示意图。

图2为内定子磁场调制电机和外定子磁场调制电机结构示意图。

图3为本发明实施例电机的负载转矩波形对比图。

图4为本发明实施例电机的空载时反电动势波形图。

图中，1为转子，10为转子齿，11为转子电枢绕组，110为第一套电枢绕组，111为第二套电枢绕组，2为外定子，3为内定子，4为槽口切向励磁永磁单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机，包括转子1，转子1两侧设置有外定子2和内定子3，转子1、外定子2和内定子3的中心均设置在同一点上，转子1与外定子2和内定子3转动连接，转子1的内侧与外侧设置有电枢绕组11，内定子3的外侧和外定子2的内侧均设置有至少一个槽口切向励磁永磁单元4，槽口切向励磁永磁单元4与电枢绕组11相对应。

内定子3和外定子2为交错双定子结构，在周向上错开一定空间电角度，内定子3和外定子2夹角为7.5电角度，有效减少电机漏磁。

槽口切向励磁永磁单元4包括p_os极对外定子永磁体和p_is极对内定子永磁体，p_os极对外定子永磁体设置在外定子2内侧，p_is极对内定子永磁体设置在内定子3外侧。通过设置p_os极对外定子永磁体和p_is极对内定子永磁体，有效利用电机内部空间使电机整体更高效紧凑，利用两部分永磁体产生的双向磁场调制效应能有效提高气隙磁场谐波含量实现更高的转矩密度。槽口切向励磁永磁单元4采用钕铁硼稀土永磁材料制成。

本发明利用外定子、内定和转子构成内外的双定子电机结构，具有两层气隙，可以有效改善电机永磁磁路，可以充分利用转子内部空间并提高电机的转矩密度和功率密度。

内定子3上均匀设置有内定子齿，相邻内定子齿之间设置有p_is极对内定子永磁体，外定子2上均匀设置有外定子齿，相邻外定子齿之间设置有p_os极对外定子永磁体，内定子齿宽度小于外定子齿宽度。

具体的，外定子2为圆形外定子，内定子3为圆形内定子，转子1为圆形转子，圆形外定子、圆形转子和圆形内定子由外向内依次同轴套装，圆形外定子、圆形转子和圆形内定子之间设置有间隙。圆形转子上均匀设置有至少一个转子齿10，转子齿10长度大于圆形转子宽度，转子齿10中点与圆形转子固定连接，转子齿10两端由圆形转子内外两侧突出。圆形转子外侧相邻的转子齿10之间设置有外圈槽，圆形转子内侧相邻的转子齿10之间设置有内圈槽，电枢绕组11穿过外圈槽或内圈槽间隔设置在转子齿10上。即电枢绕组11缠绕在一转子齿10上，则该转子齿10相邻的转子齿10上均没有电枢绕组11。电枢绕组11的绕线方式如图1所示，“+”为转子绕组的电流进线方向，“-”为定子绕组的电流出线方向，A，B，C为电机三相绕组。电枢绕组11为集中绕组，有利于减少端部长度，降低铜耗。

电枢绕组11包括第一套电枢绕组110和第二套电枢绕组111，第一套电枢绕组110设置在外圈槽内，第二套电枢绕组111设置在内圈槽内，第一套电枢绕组110和第二套电枢绕组111对应设置在转子齿10上，即当一转子齿10突出圆形转子外侧一端上设置有第一套电枢绕组110，则该转子齿10突出圆形转子内侧一端上设置有对应的第二套电枢绕组111。如图2所示，第一套电枢绕组110和第二套电枢绕组111分别独立运行，内定子3、转子1和设置在转子内侧的第二套电枢绕组111构成内定子磁场调制电机，外定子2、转子1和设置在转子外侧的第一套电枢绕组110构成外定子磁场调制电机。

本发明电机两套电枢绕组均采用集中绕组形式，可以有效的减少绕组端部长度，降低铜耗，减少成本，同时提高电机运行效率。

转子齿10的数目为永磁电机相数的整数倍，表达式为：

Z_r＝nm，n＝1,2,3…，

Z_r为转子齿10数量，m为电机相数，n＝1,2,3…。

电机电枢绕组极对数、定子槽口切向励磁永磁单元极对数和转子齿数之间的关系满足以下公式：

p_a＝|Z_r-p_os|；

p_a＝|Z_r-p_is|；

G_r＝-p_a/p_s；

其中，Z_r为转子齿10数，p_a为电机电枢绕组极对数，p_s为定子槽口切向励磁永磁单元4极对数，G_r为传速比，f为定子电流频率，n为电机转速，n＝60f/p_a。

实施例2

一种定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机，参见图1，本发明实施例的双定子磁场调制永磁电机，其由外定子2、转子1和内定子3组成。最外部是外定子2，外定子2同轴心有间隙地空套在转子1外，转子1同轴心有间隙地空套内定子3外。综上，本发明在径向上由内到外依次是内定子3、转子1以及外定子2同轴心地套装。外定子2由外定子轭部和槽口切向励磁永磁单元组成，槽口切向励磁永磁单元4沿外定子轭部内圈放置在外定子槽口处，内定子3外侧均匀设置有槽口，槽口切向励磁永磁单元4设置在槽口内。槽口切向励磁永磁单元4采用切向充磁，且同一定子槽内的相邻永磁体充磁方向相反。

本实施例中，在径向上，电机内定子3的外圈表面与转子1的内圈表面留有0.5mm的内气隙，外定子2的内圈表面与转子1的外圈表面留有0.5mm的外气隙。转子1、外定子2和外定子3都是由高导磁DW540硅钢片叠压而成。

转子1呈圆环状，包括电枢绕组11和转子齿10。转子电枢绕组11置于转子槽内，采用集中式绕在转子齿10上。双定子磁场调制电机的槽口切向励磁永磁单元面积为684.2mm²。电机转子上下均具有24个转子齿，作为调制齿，调制内外定子的槽口切向励磁永磁单元。电机的内定子3齿和外定子2齿的中心线错开了7.5个空间电角度，此时漏磁最小，满足γ＝360°/2Z_r，其中γ为内定子3齿与外定子2齿中心线的角度差。

图1给出本发明所述电机绕线图，转子绕组为三相电枢绕组，三相电枢绕组集中匝绕于转子齿上。采用集中绕组形式，可以有效减少绕组端部长度，降低铜耗，从而提高电机运行效率。“+”为转子绕组的电流进线方向，“-”为定子绕组的电流出线方向，A，B，C为电机三相绕组。

参见图3-图4，图3为本发明所述电机负载时转矩波形图，从图中可以看出双定子永磁励磁时的输出转矩大于两台单定子永磁励磁时输出转矩之和。图4为电机空载时相反电势波形图。如图所示，本发明所述电机可以看作是两台电机的结合，因此反电动势是两台电机所产生的总和。

发明将两台单定子磁场调制永磁电机合二为一，其永磁体和电枢绕组可以分别置于定子侧和转子侧，同时内外定子错开一定角度，减少漏磁提高转矩。同时，利用外定子、内定子和转子组成两套电枢绕组，有效提高磁场利用率，提高电机转矩密度。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机，其特征在于，包括转子(1)，转子(1)的内侧和外侧分别设置有外定子(2)和内定子(3)，转子(1)、外定子(2)和内定子(3)的中心均设置在同一点上，转子(1)与外定子(2)和内定子(3)转动连接，转子(1)的内侧和外侧均设置有电枢绕组(11)，内定子(3)的外侧和外定子(2)的内侧均设置有至少一个槽口切向励磁永磁单元(4)，槽口切向励磁永磁单元(4)与电枢绕组(11)相对应。

2.根据权利要求1所述的定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机，其特征在于，所述槽口切向励磁永磁单元(4)包括p_os极对外定子永磁体和p_is极对内定子永磁体，p_os极对外定子永磁体设置在外定子(2)内侧，p_is极对内定子永磁体设置在内定子(3)外侧。

3.根据权利要求2所述的定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机，其特征在于，所述内定子(3)和外定子(2)为交错双定子结构，内定子(3)和外定子(2)夹角为7.5电角度。

4.根据权利要求3所述的定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机，其特征在于，所述内定子(3)上均匀设置有内定子齿，相邻内定子齿之间设置有p_is极对内定子永磁体，

外定子(2)上均匀设置有外定子齿，相邻外定子齿之间设置有p_os极对外定子永磁体，内定子齿宽度小于外定子齿宽度。

5.根据权利要求2-4中任意一项所述的定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机，其特征在于，所述外定子(2)为圆形外定子，内定子(3)为圆形内定子，转子(1)为圆形转子，圆形外定子、圆形转子和圆形内定子由外向内依次同轴套装，圆形外定子、圆形转子和圆形内定子之间设置有间隙。

6.根据权利要求5所述的定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机，其特征在于，所述圆形转子上均匀设置有至少一个转子齿(10)，转子齿(10)长度大于圆形转子宽度，转子齿(10)中点与圆形转子固定连接，圆形转子外侧相邻的转子齿(10)之间设置有外圈槽，圆形转子内侧相邻的转子齿(10)之间设置有内圈槽，电枢绕组(11)穿过外圈槽或内圈槽间隔设置在转子齿(10)上。

7.根据权利要求6所述的定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机，其特征在于，所述转子齿(10)为梯形转子齿，梯形转子齿的宽度由圆形转子内侧至圆形转子外侧逐渐增大。

8.根据权利要求7所述的定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机，其特征在于，所述电枢绕组(11)包括第一套电枢绕组(110)和第二套电枢绕组(111)，第一套电枢绕组(110)穿过外圈槽间隔设置在梯形转子齿上，第二套电枢绕组(111)穿过内圈槽间隔设置在梯形转子齿上，第一套电枢绕组(110)和第二套电枢绕组(111)对应设置在转子齿(10)上。

9.根据权利要求8所述的定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机的设计方法，其特征在于，所述转子齿(10)的数目为永磁电机相数的整数倍：

Z_r＝nm，n＝1,2,3…，

Z_r为转子齿(10)的数目，m为电机相数，n＝1,2,3…。

10.根据权利要求8或9所述的定子槽口切向励磁的双定子磁场调制永磁电机的设计方法，其特征在于，所述电机电枢绕组极对数、定子槽口切向励磁永磁单元极对数和转子齿数之间的关系满足以下公式：

p_a＝|Z_r-p_os|；

p_a＝|Z_r-p_is|；

G_r＝-p_a/p_s；

其中，Z_r为转子齿(10)数，p_a为电机电枢绕组极对数，p_s为定子槽口切向励磁永磁单元(4)的极对数，G_r为传速比，f为定子电流频率，n为电机转速，n＝60f/p_a。