CN101783557B - 一种无定子铁心永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

一种无定子铁心永磁同步电动机，主要包括转子轴、内转子铁心、隔磁块、空心杯定子(包括骨架和分数槽集中绕组)、Halbach永磁体和外转子铁心，隔磁块嵌放于内转子铁心中，与内转子铁心组成内转子组件部分，内外转子铁心与永磁体均连接到转子轴上，Halbach永磁体贴于外转子铁心上，空心杯定子固定在机壳上。永磁磁路经过内转子铁心、磁气隙、Halbach永磁及外转子铁心形成闭合回路。本发明利用隔磁块实现了电机的凸极结构，从而可利用交直轴电感的不同进行控制，采用集中绕组削弱绕组感应电动势中的谐波含量，使绕组感应电动势和绕组电流正弦性大大提高，从而减小了力矩脉动，提高了输出力矩的平稳性。

Description

一种无定子铁心永磁同步电动机

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电动机，尤其是一种感应电动势波形正弦性良好的凸极式无定子铁心永磁同步电动机，属于电机领域，适用于高转速、低功耗场合，特别适用于对感应电动势正弦波波形要求较高的场合。

背景技术

传统的永磁同步电动机中由于定子铁心的存在，在电机运转时，会在定子铁心中产生磁滞和涡流损耗，这些损耗与转子旋转频率的1.3次方成正比，当转子高速旋转时，会在定子铁心中产生巨大的损耗，从而大大增加了电机的功耗；同时，由于定子齿槽的存在，会使得转子旋转时产生齿槽转矩和齿谐波，从而会使转矩发生脉动并产生一定的损耗。中国发明专利200410101898.8中介绍了一种无定子铁心无刷直流电动机，其中的空心杯定子结构可用于永磁同步电动机的设计中，使得内外转子铁心都随永磁体同步旋转，从而不会在铁心中产生损耗，同时空心杯定子使得定子成为无齿槽结构，可以消除齿槽转矩和齿谐波，但由于杯形定子电机的有效气隙大，气隙磁密低，会使得电机的功率密度低。中国发明专利200510011242.1中介绍了一种Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其中所述的Halbach磁体结构应用到永磁同步电动机的设计中后，由于磁体磁通绝大部分经气隙与转子铁心闭合，可以使气隙磁密得到很大提高。但仅采用Halbach磁体结构时，气隙磁密波形中仍会不可避免的存在谐波成分，使得气隙磁密波形的正弦性不好，其中的谐波成分增加了电机的力矩脉动，同时采用一般Halbach充磁方式的永磁体时，磁钢为表贴式结构，且拼成圆环结构，在电气结构上表现为隐极结构，因此交直轴电感一致，不适于采用基于交直轴电感不同的控制策略。由于存在上述缺陷，现有的Halbach充磁无定子铁心永磁同步电机存在输出力矩时平稳性差，且控制方式不灵活的缺点。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种感应电动势波形为标准正弦波，且控制方式灵活的凸极式永磁同步电动机。

本发明的技术解决方案是：一种无定子铁心永磁同步电动机由转子轴、左端盖、左轴承、壳体、套筒、左挡环、外转子铁心、电机磁钢、空心杯定子、内转子铁心、右挡环、右轴承、右端盖、隔磁块组成，空心杯定子通过其底座固定于壳体上，其径向外侧是电机磁钢，径向内侧是内转子铁心，电机磁钢与外转子铁心相连，内转子铁心、外转子铁心与电机磁钢通过套筒连接到转子轴上，左挡环位于外转子铁心和电机磁钢的左端面，并与套筒相连，右挡环与外转子铁心、电机磁钢及套筒的右端面固连，用于固定外转子铁心、电机磁钢及套筒，左端盖与右端盖分别通过螺钉各自与壳体相连，左轴承与转轴和左端盖相连，右轴承与转轴和右端盖相连，左轴承和右轴承用以支撑转子轴；所述的空心杯定子由杯形骨架和绕组组成，绕组采用分数槽绕组形式，所取每极每相槽数小于1，各相绕组线圈之间互不重叠，形成各自独立的线圈组，每个线圈的两个线圈边相差120～180°电角度。

所述的内转子铁心中嵌有隔磁块，隔磁块宽度对应的电气角度(即实际角度与电机极对数的乘积)不大于20度，隔磁块沿周向的中心线与产生正、负向磁密的N、S极的磁钢的相交线重合。

所述的内转子铁心中嵌放的隔磁块应采用不导磁而机械性能好的材料，可用铜、铝、钛合金。

所述的电机磁钢采用Halbach阵列排列，如果电机的极对数为p，每极所分成的Halbach磁体的块数为m，则第i块磁体的充磁方向按照式

进行，其中i＝1，2…2pm，然后将各个磁体粘结在一起。

所述的电机磁钢的材料为钐钴、铁氧体、钕铁硼永磁材料。

所述的外转子铁心和内转子铁心的材料为性能良好的导磁材料，如电工纯铁、1J50、1J22棒材和硅钢片中的任意一种。

所述的左挡环和右挡环的材料为不导磁材料，如铜、超硬铝、钛合金中的任意一种。

所述的左轴承和右轴承为机械轴承，也可以用永磁偏置混合磁悬浮轴承或纯电磁轴承。

本发明的原理是：本发明首先采用Halbach充磁方式对磁钢进行充磁，得到较为接近正弦分布的气隙磁密波形，再利用每极每相槽数小于1的分数槽绕组对感应电动势波形进行改善。由于分数槽绕组采用短距形式，两个线圈边放置位置相差120°~180°电角度，当各线圈边中的感应电动势进行合成后，总的感应电动势波形与永磁体产生的气隙磁密波形并不一致。这样，得到永磁体产生的气隙磁密波形后，对磁密波形进行谐波分解即可得到各次谐波分量的值，根据谐波分量的大小来改变两个线圈边之间的距离，从而改变两个线圈边感应电动势相角的差值，也就是改变了合成电动势的大小，从而消除合成感应电动势中的谐波分量。使感应电动势的波形更接近正弦分布。

另外，为了使永磁同步电机可以利用凸极产生的交直轴电感的不同来进行控制，需要保证电机在气隙圆周上的磁阻不同。在内转子铁心中嵌放隔磁块后，沿径向方向相当于隔磁块处的等效气隙长度比铁心处的等效气隙长度要大，从而使隔磁块处的磁阻较大，这样在整个气隙圆周上的磁阻值大小交变，即实现了电机的凸极结构，使电机控制方式更灵活。同时，由于隔磁块的嵌入相当于增大了永磁磁路的磁阻，根据磁路的磁阻最小原理，磁力线将由铁心下的气隙直接进入转子铁心中，所以为了避免隔磁块下气隙磁密为零的区域过大，应限制隔磁块的宽度在20°电气角度以内，以减小气隙磁密的畸变。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明一种无定子铁心永磁同步电动机，除了能使永磁同步电动机具有体积小、重量轻、损耗小的优点外，还能使电机感应电动势波形的正弦性更高、转矩脉动小、输出力矩平稳性高，同时由于可以实现交直轴电感不同，还具有控制方式灵活的优点。这是由于：(1)采用短距分布的分数槽绕组形式，使绕组两个线圈边处于气隙磁场的不同位置，从而在不同线圈边中可获得不同的感应电动势，当各绕组中的感应电动势叠加后可以得到按正弦分布的感应电动势波形，这样可以消除转矩脉动，使输出力矩平稳性更高；(2)转子铁心中嵌放有隔磁块，可以实现电机的凸极结构，改变以往Halbach充磁磁钢均为隐极结构的缺点，在控制上可利用交直轴电感的不同来采用适当的控制方式，使控制更加灵活。

附图说明

图1为本发明的电机转子组件图；

图2为本发明的永磁同步电机结构图；

图3为本发明的杯形定子结构图；

图4为本发明的定子绕线图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的无定子铁心永磁同步电动机由转子轴1、左端盖2、左轴承3、壳体4、套筒5、左挡环6、外转子铁心7、电机磁钢8、空心杯定子9(包括骨架和分数槽集中绕组)、内转子铁心10、右挡环11、右轴承12、右端盖13、隔磁块14组成，空心杯定子9通过其底座固定于壳体4上，其径向外侧是电机磁钢8，径向内侧是内转子铁心10，电机磁钢8与外转子铁心7相连，内转子铁心10、外转子铁心7与电机磁钢8通过套筒5连接到转子轴1上，左挡环6位于外转子铁心7和电机磁钢8的左端面，并与套筒5相连，其厚度取决于空心杯定子9的绕组端部长度，右挡环11与外转子铁心7、电机磁钢8及套筒5的右端面固连，用于固定外转子铁心7、电机磁钢8及套筒5，左端盖2与右端盖13分别通过螺钉各自与壳体4相连，左轴承3与转轴1和左端盖2相连，右轴承12与转轴1和右端盖13相连，左轴承3和右轴承12用以支撑转子轴1。

如图1中，本发明实施以极对数p＝6，每极所分成的Halbach磁体的块数m＝3为例予以说明，取图中i＝1处为第一块磁钢，则第i块磁体的充磁方向按照式

(其中，i＝1，2…36)进行，即每块磁钢的充磁方向相差70°，然后将各个磁体粘结在一起。

内转子铁心10中嵌有隔磁块14，在6对极的情况下，有12块隔磁块，隔磁块14对应的电气角度不大于20度，深度取为内转子铁心10厚度的1/3～1/2，内转子铁心10的厚度一般取为6～12mm，以保证内转子铁心不会饱和，隔磁块的放置应能保证电机为凸极结构而又不影响气隙磁密波形，故放在磁密接近零的气隙的下方，即隔磁块14沿周向的中心线与产生正、负向磁密的磁钢的相交线重合，隔磁块采用不导磁而机械性能好的材料，可用铜、铝或钛合金。

其中，电机磁钢8的材料为钐钴、铁氧体或钕铁硼永磁材料。

如图3、图4所示，空心杯定子9由杯形骨架91和绕组92组成，在极对数p＝6的情况下，杯形骨架91上开有9个齿和9个槽，9个齿如图4中齿①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨的所示，9个槽即放置绕组的位置，绕组92采用分数槽绕组形式，所取每极每相槽数小于1，各相绕组线圈之间互不重叠，形成各自独立的线圈组，每个线圈的两个线圈边相差120~180°电气角度，绕线时按照先分别绕好各相线圈再粘到骨架上的方法进行，三相绕组只有一根连接线重叠，骨架上的定子齿91的宽度取为与一个绕组的两个线圈边跨距相同，使线圈紧绕在一个齿上，提高下线的工艺性。电机定子杯形骨架的材料为不导磁且不导电的材料，如聚酰亚胺或聚砜中的任意一种。

外转子铁心7和内转子铁心10的材料为饱和磁密大于1.2T磁性能良好的导磁材料，如电工纯铁、1J50、1J22棒材和硅钢片中的任意一种。

左挡环6和右挡环11的材料为不导磁材料，如铜、超硬铝、钛合金中的任意一种。

左轴承3和右轴承12为机械轴承，也可以用永磁偏置混合磁悬浮轴承或纯电磁轴承，对于低功耗、高速场合应使用磁悬浮轴承。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种无定子铁心永磁同步电动机，其特征在于：它由转子轴(1)、左端盖(2)、左轴承(3)、壳体(4)、套筒(5)、左挡环(6)、外转子铁心(7)、电机磁钢(8)、空心杯定子(9)、内转子铁心(10)、右挡环(11)、右轴承(12)、右端盖(13)、隔磁块(14)组成；空心杯定子(9)通过其底座固定于壳体(4)上，空心杯定子(9)径向外侧是电机磁钢(8)，空心杯定子(9)径向内侧是内转子铁心(10)；电机磁钢(8)与外转子铁心(7)相连；内转子铁心(10)、外转子铁心(7)与电机磁钢(8)通过套筒(5)连接到转子轴(1)上；左挡环(6)位于外转子铁心(7)和电机磁钢(8)的左端面，并与套筒(5)相连；右挡环(11)与外转子铁心(7)、电机磁钢(8)及套筒(5)的右端面固连，用于固定外转子铁心(7)、电机磁钢(8)及套筒(5)；左端盖(2)与右端盖(13)分别通过螺钉各自与壳体(4)相连；左轴承(3)与转轴(1)和左端盖(2)相连，右轴承(12)与转轴(1)和右端盖(13)相连，左轴承(3)和右轴承(12)用以支撑转子轴(1)；所述空心杯定子(9)由杯形骨架和绕组组成，绕组采用分数槽绕组形式，所取每极每相槽数小于1，各相绕组线圈之间互不重叠，形成各自独立的线圈组，每个线圈的两个线圈边相差120～180°电角度；所述内转子铁心(10)中嵌有隔磁块(14)，隔磁块(14)宽度对应的电气角度不大于20度，隔磁块沿周向的中心线与产生正、负向磁密的N、S极的电机磁钢(8)的相交线重合。

2.根据权利要求1所述的无定子铁心永磁同步电动机，其特征在于：所述内转子铁心(10)中嵌放的隔磁块(14)采用铜合金、铝合金或钛合金。

3.根据权利要求1所述的无定子铁心永磁同步电动机，其特征在于：所述电机磁钢(8)采用Halbach阵列排列，如果电机的极对数为p，每极所分成的Halbach磁体的块数为m，则第i块磁体的充磁方向按照式进行，其中i＝1，2…2pm，然后将各个磁体粘结在一起。

4.根据权利要求1所述的无定子铁心永磁同步电动机，其特征在于：所述电机磁钢(8)的材料为钐钴、铁氧体或钕铁硼永磁材料。

5.根据权利要求1所述的无定子铁心永磁同步电动机，其特征在于：所述外转子铁心(7)和内转子铁心(10)的材料为电工纯铁、1J50、1J22棒材或硅钢片中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的无定子铁心永磁同步电动机，其特征在于：所述左挡环(6)和右挡环(11)的材料为铜、超硬铝或钛合金不导磁材料中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的无定子铁心永磁同步电动机，其特征在于：所述左轴承(3)和右轴承(12)为机械轴承，或永磁偏置混合磁悬浮轴承或纯电磁轴承。

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