CN102118072B - 一种自增速永磁直驱电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自增速永磁直驱电机包括电机定子和电机转子；所述电机定子包括设有线槽的定子铁心（1）、嵌入定子铁心（1）线槽内的电枢绕组（2）、定子极靴（3）以及安装于定子极靴（3）表面的永磁体（4）；所述电机转子包括转子铁心（6）和转子凸极（7）；电机定子和电机转子之间设有气隙（5）；电机包括内转子结构或者外转子结构。本发明利用电机特殊的结构，通过调制电机的气隙磁阻分布，使电机定子内永磁磁通的旋转速度成倍于电机转子的转速，实现自增速的效果，该电机适用于低速直驱应用场合，具有功率密度高，额定转矩大等特点。

Description

一种自增速永磁直驱电机

技术领域

本发明涉及一种新型自增速永磁电机，具体是适用于低速场合的直驱永磁电机，本发明涉及电工、电机领域。

背景技术

根据电机设计原理，在额定功率确定的情况下，转子旋转速度越高，电机的体积、重量和制造成本就越小。在很多诸如风力发电、电动汽车驱动等低速场合，通常利用体积庞大的齿轮箱等机械装置进行变速驱动，以兼顾高速电机的设计要求与低转速大转矩需要之间的矛盾。而大量机械装置的使用将不可避免的带来噪声、机械损耗以及需要定期维护等问题，并将明显增加结构的复杂性以及体积和重量。

直驱电机可以直接用于低速工况，省去了额外的齿轮箱等中间转换装置，大大简化了系统结构，减小整个系统的体积和重量，同时，系统的可靠性、效率和功率密度等必将得到有效地提高，因此，直驱电机逐渐成为国内外学者的研究热点。但是，由于直驱电机运行速度低，通常传统直驱电机具有体积大，定子和转子均有很多对极等特点，给电机制造和安装带来很大的困难，制造成本较高。

发明内容

技术问题：本发明针对现有技术的不足进行设计，提出了一种自增速永磁直驱电机，目的在于提高低速大转矩应用情况下电机系统的功率密度，简化系统结构，提高运行效率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的自增速永磁直驱电机由电机定子和电机转子构成，该电机定子包括设有线槽的定子铁心、嵌入定子铁心线槽内的电枢绕组、定子极靴以及安装于定子极靴表面的永磁体；永磁体沿电机径向充磁，永磁体沿着电机气隙的圆周依次排列。所述电机转子包括转子铁心和转子凸极；电机定子和电机转子之间设有气隙；所述电机定子固定不动，电机转子作旋转运动。该自增速永磁直驱电机包括内转子结构或外转子结构。所述的每个极靴上的永磁体沿电机径向充磁，且相邻永磁体充磁方向相反，构成N-S交替充磁结构，使气隙内的磁通密度成类正弦分布。所述的永磁体布满整个内转子结构电机定子内表面，或外转子结构定子外表面，设计成闭口槽结构；所述的永磁体贴装于极靴表面，设计成开口槽结构，且每个定子极靴的宽度与永磁体的极距之比为大于1的自然数或分数。

所述电枢绕组可绕制成集中或分布形式。

该自增速永磁直驱电机可以用作电动机，也可以用作发电机。

有益效果：

1)利用特殊的电机定转子结构，通过调制电机的气隙磁阻分布，使电机定子内永磁磁通的旋转速度成倍于电机转子转速，实现自增速的效果，以提高电机额定输出转矩和功率密度；

2)永磁体和绕组均被安装于电机定子上，便于电机的冷却；

3)电枢绕组不限制为集中绕组，电机极数配比更具多样性；

4)每个极靴上的永磁体块数不限制为偶数，为电机设计带来很大的灵活性，同时便于通过设计合理的永磁体和转子凸极数量，以减小电机定位力，避免使用斜槽等措施，降低制造难度和成本；

5)电机转子仅为带有凸极的铁心结构，机械强度大，适用于大转矩输出工况；

附图说明

图1为结构一：自增速永磁直驱电机闭口槽结构示意图。

图2为结构二：自增速永磁直驱电机开口槽结构(极靴宽度与永磁体极距之比为分数)示意图。

图3为结构三：自增速永磁直驱电机开口槽结构(极靴宽度与永磁体极距之比为自然数)示意图。

图中有：定子铁心1，电枢绕组2，定子极靴3，永磁体4，气隙5，转子铁心6，转子凸极7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的新型自增速直驱电机适用于低速大转矩工况，可以作为直驱电机运行于电动或发电状态，其结构包括电机定子和电机转子，该电机定子包括设有线槽的定子铁心、电枢绕组、定子极靴和永磁体，电枢绕组嵌入定子铁心线槽内，永磁体安装于定子极靴表面；电机转子包括转子铁心和转子凸极；在电机定子永磁体和转子凸极之间设有气隙。

所述的定子铁心和次级铁心由硅钢叠片或其他导磁材料构成。

所述的每个极靴上的有多个永磁体沿着气隙圆周依次排列，这些永磁体沿电机径向充磁，且相邻永磁体充磁方向相反，构成N-S交替充磁结构，使气隙内的磁通密度成类正弦分布。

所述的永磁体可以布满整个电机定子气隙侧表面，设计成闭口槽结构；或所述的永磁体仅仅贴装于极靴表面，设计成开口槽结构，且每个定子极靴的宽度与永磁体的极距之比为大于1的自然数或分数，不同于现有技术要求定子极靴宽度与永磁体极距之比必须为偶数。

所述电枢绕组可绕制成集中或分布形式，不同于现有技术要求必须为集中绕组。

所述电机定子固定不动，电机转子作旋转运动。

所述新型自增速永磁直驱电机包括内转子结构和外转子结构。

参见图1、图2和图3，本发明的新型自增速永磁直驱电机，包括电机定子和电机转子，该直驱电机定子包括设有线槽的定子铁心1、电枢绕组2、定子极靴3和永磁体4，电枢绕组2嵌入定子铁心线槽内，永磁体4安装于定子极靴3表面；电机转子包括转子铁心6和转子凸极7；在电机定子永磁体和转子凸极之间设有气隙5。

所述的定子铁心1、定子极靴3、转子铁心6和转子凸极7均由硅钢叠片或其他导磁材料构成，与普通电机制造工艺相同。

所述的每个极靴上的有多个永磁体沿着气隙圆周依次排列，这些永磁体沿电机径向充磁，且相邻永磁体充磁方向相反，构成N-S交替充磁结构，使气隙内的磁通密度成类正弦分布。

所述的永磁体可以布满整个电机定子气隙侧表面，设计成闭口槽结构(如图1所示)；或所述的永磁体仅仅贴装于极靴表面，设计成开口槽结构(如图2和3所示)，且每个定子极靴的宽度与永磁体的极距之比为大于1的自然数或分数，不同于现有技术要求定子极靴宽度与永磁体极距之比必须为偶数。

所述电枢绕组2可按不同极对数制成集中或分布形式。电枢绕组2的极距(弧度)与永磁体4的极距(弧度)不等，且满足如下关系：

$\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_w}=|\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{PM}}}|---\left(1\right)$

τ_w，τ_r和τ_PM分别为电枢绕组2，转子凸极7和永磁体4的极距(弧度)。电机定子中由永磁体4产生磁场的旋转速度与电枢绕组2中电流产生的磁场运动速度相等，该速度与电机转子6的旋转速度之比等于电枢绕组2的极距(弧度)与永磁体4的极距(弧度)之比，即转子凸极7的凸极数量与电枢绕组2的极对数之比，且旋转方向相同，其关系如式(2)所示：

$\frac{n_w}{n_r}=\frac{{\mathrm{\τ}}_w}{{\mathrm{\τ}}_r}=\frac{p_r}{p_w}---\left(2\right)$

n_w为电枢绕组2中电流产生磁场的转速，n_r为电机转子6的旋转速度，p_r为转子凸极7的凸极数量，p_w为电枢绕组2的极对数。根据上述原理，可以根据工况需要设计电枢绕组2、永磁体4和转子凸极7的极距。为实现自增速目的，需要将转子凸极7的极距设计的比电枢绕组2的极距小，即转子凸极7的凸极数量要比电枢绕组2的极对数多。

所述电机定子1固定不动，电机转子6作旋转运动。

本发明的自增速永磁直驱电机包括内转子结构和外转子结构。

Claims (4)

1.一种自增速永磁直驱电机，由电机定子和电机转子构成；其特征在于：该电机定子包括设有线槽的定子铁心（1）、嵌入定子铁心（1）线槽内的电枢绕组（2）、定子极靴（3）以及安装于定子极靴（3）表面的永磁体（4）；永磁体（4）沿电机径向充磁，永磁体（4）沿着电机气隙（5）的圆周依次排列；

所述电机转子包括转子铁心（6）和转子凸极（7）；

电机定子和电机转子之间设有气隙（5）；

所述电机定子（1）固定不动，电机转子（6）作旋转运动；

所述的每个极靴上的永磁体（4）沿电机径向充磁，且相邻永磁体（4）充磁方向相反，构成N-S交替充磁结构，使气隙（5）内的磁通密度成类正弦分布；

将转子凸极(7)的极距设计的比电枢绕组(2)的极距小，即转子凸极(7)的凸极数量要比电枢绕组(2)的极对数多。

2.根据权利要求1所述的自增速永磁直驱电机，其特征在于：该自增速永磁直驱电机包括内转子结构或外转子结构。

3.根据权利要求1所述的自增速永磁直驱电机，其特征在于：所述的永磁体（4）布满整个内转子结构电机定子内表面，或外转子结构定子外表面，设计成闭口槽结构；所述的永磁体（4）贴装于极靴（3）表面，设计成开口槽结构，且每个定子极靴（3）的宽度与永磁体（4）的极距之比为大于1的自然数或分数。

4.根据权利要求1所述的自增速永磁直驱电机，其特征在于：所述电枢绕组（2）绕制成集中或分布形式。

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