CN203617868U - 一种高槽满率高性能开口槽直齿永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种高槽满率高性能开口槽直齿永磁电机，电机包括定子和转子，定子由定子铁芯和定子绕组构成，定子齿为齿宽相等的直齿，可提高槽满率；定子绕组采用单层集中绕组，每槽绕有一套绕组；转子由永磁体和转轴构成，定子和转子之间存在气隙；永磁体是由排成Halbach阵列的永磁体组成，根据充磁方向的不同分为径向永磁体和切向永磁体，每一个永磁体均为扇形结构，扇形永磁体都围轴心线呈放射线状排列。Halbach型永磁体阵列可提高功率密度，减小转矩脉动。本实用新型结构简单、槽满率高、空载反电势正弦度高、转矩脉动小、机械鲁棒性高，有利于降低电机的定位转矩，而且电机的相与相之间具有物理隔离、热隔离以及磁路的解耦。
Description
技术领域
本发明涉及一种高槽满率高性能开口槽直齿永磁同步电机，可用于航空航天等对电机功率密度和可靠性要求较高的领域。
背景技术
近年来，随着稀土永磁材料的迅速发展，特别是铷铁硼永磁材料性能的不断提高和价格的逐渐降低，永磁电机在国防、工农业生产和家用电器等方面获得越来越广泛的应用。在一些特殊领域如航空航天、电动汽车等要求电机具有高的功率密度和效率。而槽满率是电机效率和功率密度提高的技术瓶颈。
一般永磁同步电机常采用分布绕组，且槽型大都为半开口槽。其绕组通常是在体外绕好后嵌入定子槽内，由于槽口比槽身窄很多，导致槽满率通常不超过50%，且绕组端部伸出较长，电机结构不紧凑，难以满足对功率密度有较高要求的特殊应用领域。为了提高槽满率目前常采用的手段是将定子分成多个定子段组件，每个定子段组件通常包括一个定子齿，定子齿绕好绕组后进行组装。该方法虽然可以提高槽满率，但是，分段式定子的组装通常适用于低速大功率电机，用来构成定子的硅钢片不宜太薄，否则相互交错，不便于组装。
另一方面一般永磁同步电机虽具有高功率密度，但是由于其固有的定位转矩，影响了其在高精度伺服驱动领域的应用，常规的解决方法是采用无槽或者斜槽等方法。但是无槽结构只适合于小功率电机且效率略低；而斜槽虽可以降低转矩脉动，同时也牺牲了功率。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明的目的在于提供一种结构紧凑，槽满率高，反电势正弦，转矩脉动小的高性能电机。使得电机便于嵌线，且绕组端部伸出短，结构紧凑，功率密度高。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案实现：
本发明的永磁同步电机包括定子、转子，定子由定子铁芯和定子绕组构成，转子由永磁体和转轴构成，定子和转子之间存在气隙。定子铁芯采用开口槽，齿为齿宽相等的直齿；定子绕组采用单层集中绕组，每槽绕有一套绕组，绕有绕组的齿称为电枢齿，没有绕组的齿称为间隔齿；定子绕组在模具上绕好后整体嵌入槽中；嵌入槽中的定子绕组采用环氧树脂胶灌封；转子上永磁体采用halbach阵列，直接粘贴在转轴上。
上述电枢齿和间隔齿设计成等宽，定子齿宽用极弧系数k s 表示，k s =（0.4~0.6）。
上述电机定子槽数和转子极数需满足z=p±2，z为电机槽数、p为转子极数。
上述电机绕线前需制作与电枢齿形状一致的模具，在线模上绕好线涂胶固定后，整体嵌入定子槽中。
上述定子绕组嵌入槽中后，槽中采用环氧树脂胶灌封时需要在真空高压环境下，需填满槽中和绕组端部间隙，使得环氧树脂胶在槽中与定子铁芯紧贴，在端部与机壳和电机两侧端盖紧贴。
上述永磁体内侧设计为直线，直接粘贴在多边形转轴上，转子无铁芯，永磁体采用不锈钢套筒或者碳素纤维包裹固定。
上述halbach阵列永磁转子中，每极永磁体的数目为2，充磁方向分别为径向和切向，定义径向磁化方向的永磁体极弧系数为k r ，k r =（0.4~0.7）。
本发明的有益效果是：
1、本发明电机槽满率不小于65%，绕组端部伸出短，电机结构紧凑。
2、本发明采用开口槽直齿结构避免使用极靴齿，嵌线方便。
3、绕组由环氧树脂灌封后，散热性能好，尤其是端部绕组通过环氧树脂将热传导到端盖和机壳上，解决了绕组端部散热难的问题。
4、开口槽直齿结构使得电机定子绕组磁路磁阻增大，电感减小，提高了功率因数。
5、电机定子上的定子绕组为集中式绕组，绕组端部短，电阻和铜耗较小。
6、每槽只有一套绕组，起到电机相与相之间的物理隔离、热隔离以及磁路的解耦。
7、无铁芯halbach阵列永磁转子节约了转子空间，提高了电机功率密度，降低了转动惯量。
8、无铁芯halbach阵列径向充磁的永磁体产生的定位转矩和切向充磁的永磁体部分抵消，降低了转矩脉动。
附图说明
图1是电机结构示意图，其中(a)为原有电机结构，(b)为本发明。
图2是本发明永磁体结构图。
图3本发明自感互感对比图。
图4本发明空载反电势波形图。
图5本发明与普通极靴结构定子齿在相同转子时转矩比较图。
图中：1.定子铁芯；2.定子绕组；3.永磁体。
具体实施方式
以4相8槽6极永磁体为例，其结构示意图见图1，本发明由定子铁芯1、定子绕组2、转子永磁体3所组成。定子铁芯1上均匀分布8个电枢直齿，每相隔一个电枢齿上绕有一套集中绕组并自成一相。定子铁芯1的极弧系数k s =0.5。定子绕组在模具上绕好线，用胶固定好后移植到定子槽中，绕组槽满率约为68%，较原先提高了18%。绕制好的绕组采用环氧树脂胶灌封。
定子1和转子永磁体3之间存在气隙，这里取值为1mm。
转子永磁体3的极数为6，本发明中取径向磁化方向的永磁体极弧系数k r =0.46，则切向永磁体磁化的永磁体极弧系数为0.54，永磁体的磁化方向如图2所示。每一个永磁体均为扇形结构，扇形永磁体内侧为直线直接粘贴在转轴上，切向永磁体与径向永磁体的尺寸相等，永磁体采用厚度为1mm的不锈钢套筒固定。
本发明定子绕组2的磁通路径大部分经过间隔齿来形成回路，而不与其它相定子绕组交链，实现了定子绕组2的空间物理隔离，使得电机的各相绕组相互独立，各相之间磁路的独立性得到了增强，从根本上避免了相间短路故障的发生，同时使得电机各相互感较一般的Halbach型永磁电机有所减小，图3为本发明电感曲线，互感与自感的比值为2.08%，相比于传统的电机，互感与自感的比大大减小。因此，本发明的电机具有较高的容错性能。
图4给出了本发明电机空载反电势波形图，从图中可以看出本发明电机结构空载反电势正弦度高，谐波含量小。
图5给出了本发明电机B的电磁转矩与现有的电机A的比较图，可以明显的看出电磁转矩脉动比现有电机的脉动小得多。
Claims (5)
1.一种高槽满率高性能开口槽直齿永磁电机，包括定子、转子，定子由定子铁芯（1）和定子绕组（2）构成，转子由永磁体（3）和转轴构成，定子和转子之间存在气隙，其特征在于：定子铁芯（1）采用开口槽，齿为齿宽相等的直齿；定子绕组（2）采用单层集中绕组，每槽绕有一套绕组，绕有绕组的齿称为电枢齿，没有绕组的齿称为间隔齿；永磁体（3）采用halbach阵列，直接粘贴在转轴上。
2.根据权利要求1所述的一种高槽满率高性能开口槽直齿永磁电机，其特征在于：所述电枢齿和间隔齿等宽，齿宽用极孤系数k s 表示，k s 值为0.4~0.6。
3.根据权利要求1所述的一种高槽满率高性能开口槽直齿永磁电机，其特征在于：所述定子的槽数z与转子的极数p满足z=p±2。
4.根据权利要求1所述的一种高槽满率高性能开口槽直齿永磁电机，其特征在于：所述定子绕组（2）在模具上绕好线后整体嵌入槽中，嵌入槽中后采用环氧树脂胶在真空高压环境下灌封，使得环氧树脂胶在槽中与定子铁芯（1）紧贴，在端部与机壳和电机两侧端盖紧贴。
5.根据权利要求1所述的一种高槽满率高性能开口槽直齿永磁电机，其特征在于：所述转子中每极永磁体的数目为2，充磁方向分别为径向和切向，定义径向磁化的永磁体极弧系数为k r ，k r 值为0.4~0.7。
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