CN102223035A - 低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机，属于轴向磁场永磁电机领域。该电机是一种双凸极电机，定、转子均为凸极结构，是由两个定子和一个转子（2）构成的双气隙永磁电机，第一定子（1）、第二定子（8）与转子（2）同轴安装，转子（2）夹放在两个定子之间，转子（2）和两个定子之间留有一定厚度的空气隙，转子（2）上既无永磁体也无绕组、结构简单而可靠。每个定子都是由6个双齿U形定子铁芯（5）、6块永磁体（4）和6个线圈（3）组成，定子上的永磁体沿圆周方向交替充磁。在定子齿数相等的情况下，同样规格的电机中，采用该结构的电机对永磁体的需求量减少很多，这样生产该电机所耗费的材料成本和生产花费便得到了极大地降低。

Description

低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机

技术领域

本发明涉及的是一种低转矩脉动的轴向磁场定子永磁电机，是对传统形式轴向磁场定子永磁电机的改进，属于轴向磁场永磁电机技术领域。

背景技术

为了提高驱动系统的可靠性，消除不必要的中间传动环节（例如齿轮箱、传速带等），对大转矩、宽调速直驱电机的需求不断增加。永磁无刷电机因其自身的高功率密度、高转矩密度和高效率特性而非常适用于这种场合。

轴向磁场定子永磁电机为双凸极拓扑结构，其永磁体和电枢绕组均位于定子上，这很好地解决了转子永磁型永磁电机的永磁体固定以及温度过高而导致的永磁体不可逆退磁等问题。磁通切换定子永磁电机的磁链和反电势波形均为双极性，是一种双极性电机，其反电势常数大，运行效率高。同时，磁通切换定子永磁电机还具有绕组互补性的独特优点，保证电机即使采用集中绕组和直槽转子，其空载反电动势的总谐波畸变率也很小，这就使得磁通切换定子永磁电机更适合无刷交流运行。轴向磁场定子永磁电机，除了具有一般磁通切换定子永磁型电机和轴向磁场电机的优点外，其较小的体积使得电机的功率密度和转矩密度更高，薄型结构大大缩短了电机主磁路，弱磁扩速能力更强，调速范围更宽。

低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机是对传统轴向磁场定子永磁电机结构的改进。该电机通过采用增加转子极数的方法来提升电机的转矩能力，并减小转矩脉动。改进后的低转矩脉动电机十分适用于低转速、大转矩的直驱系统中（例如风力发电等应用场合）。

发明内容

技术问题：本发明的目的是改进磁通切换定子永磁电机的转矩特性，提出一种驱动性能优良的低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机。该电机是对传统电机结构的改进，在不增加电机体积、不额外改变电机结构形式的基础上，减小电机的转矩脉动，使电机的驱动特性更加平稳，同时提高电机的转矩密度，并减少电机制造中永磁体的用量。

技术方案： 本发明的低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机包括转子和位于转子两侧的第一定子、第二定子；

每个定子由6块双齿U形铁芯、6块扇形永磁体和6个三相集中电枢绕组构成，每个双齿U形定子铁芯的两边各有两个齿，即每个双齿U形铁芯单元共有4个齿；每两个双齿U形铁芯之间插入一块扇形永磁体，电枢线圈绕在两个双齿U形铁芯的齿上；定子由双齿U形定子铁芯和扇形永磁体交替放置拼装而成，两个定子上相对应的扇形永磁体的充磁方向相反；同一定子上相邻永磁体的磁化方向相反，且沿着圆周切向充磁；

径向相对的两个电枢线圈属于同一相，将其顺次串联连接，第一集中式电枢线圈、第二集中式电枢线圈位置相对，将两个电枢线圈顺次串联后构成A相电枢绕组；第三集中式电枢线圈、第四集中式电枢线圈位置相对，两个线圈顺次串联后构成B相电枢绕组；第五集中式电枢线圈、第六集中式电枢线圈位置相对，两个线圈顺次串联后构成C相电枢绕组，这样在第一定子上便形成A相、B相、C相这三相电枢绕组；同理，第二定子上位置相对的第七集中式电枢线圈和第八集中式电枢线圈串联连接构成A相电枢绕组，位置相对的第九集中式电枢线圈和第十集中式电枢线圈串联连接构成B相电枢绕组，位置相对的第十一集中式电枢线圈和第十二集中式电枢线圈串联连接构成C相电枢绕组；将两个定子上的A相、B相、C相电枢绕组串联或并联连接构成整个电机的A相、B相、C相电枢绕组。

转子为凸极结构，共有19个齿，称为19个转子极，各个转子极均为扇形齿形状，转子极等距分布在转子的非导磁圆环的外圆周上，转子极的轴向长度与非导磁圆环的轴向长度相等，且转子上既无永磁体也无绕组。

双齿U形铁芯的齿和槽都是扇形的，与转子极的扇形相一致。

该电机的的定子由6个双齿U形定子铁芯和6个扇形永磁体组成，转子由19个转子极和非导磁圆环组成，转子极嵌在非导磁圆环上构成基本电机；将基本电机的定子单元、转子极进行整数倍扩充，可以得到定子2×12槽/转子19极、定子2×24槽/转子38极、定子2×36槽/转子57极……结构电机。

有益效果：

1、本发明所提出的低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机，既保留了传统型磁通切换定子永磁电机的优点，又极大地提高了电机的转矩密度，减小了电机的转矩脉动，同时也减少了电机制造过程中永磁体的用量。

2、定子采用双齿U形铁芯单元，结构简单可靠，加工制造方便，轴向磁场电机的薄型结构大大缩短了电机的主磁路，增强了电机的弱磁扩速能力，很适合应用于低转速、大转矩的直驱系统中。

附图说明

图1为低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机的三维结构示意图。

图2为双齿U形定子铁芯单元与一个单元的扇形永磁体，是定子结构的基本组成单元，每个定子都由这样的6个最基本单元构成。

以上的图中有：第一定子1、转子2、电枢绕组3、永磁体4、双齿U形铁芯5、非导磁圆环6、转子极7、第二定子8。电枢绕组3中包括A相集中式电枢绕组的四个线圈311、312、313、314，B相集中式电枢绕组的四个线圈321、322、323、324，C相集中式电枢绕组的四个线圈331、332、333、334。

具体实施方式

本发明所提出的低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机，包括两个定子、一个转子、集中式电枢绕组和扇形永磁体，转子夹放在两个定子之间，定子与转子同轴安装，两个定子与转子之间留有相等长度的空气隙。两个定子的结构完全一样，位置关于转子对称；每个定子由6块双齿U形铁芯、6块扇形永磁体和6个集中电枢线圈构成，集中式电枢线圈绕在相邻的两块双齿U形铁芯的齿上，扇形永磁体嵌放在双齿U形铁芯中间；定子上的永磁体沿着切向交替充磁，且两个定子上相对应的永磁体的磁化方向相反；每个定子上6个集中式电枢线圈被分成A、B、C三相，同相的两个电枢线圈顺次串联连接构成一相，然后再将两个定子上同一相的电枢绕组串联构成整个电机的三相（A相、B相、C相）电枢绕组；电机的转子为直槽结构，转子上既没有永磁体也没有绕组，共有19个齿，称为19个转子极，均匀设置在转子非导磁圆环的外圆周上。双齿U形定子铁芯的齿和转子极都是扇形结构。

磁通切换定子永磁电机本身结构上的特点使其具有很强的聚磁效应，这种电机的气隙磁密大、功率密度和转矩密度高，低转矩脉动结构的应用使得电机的转矩特性更加优良。三相电枢绕组采用集中绕组形式，电枢的端部短，绕组电阻小，电机工作效率高。

如图1所示，低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机是由第一定子1、第二定子8和转子2组成的双气隙结构电机，第一定子1、第二定子8与转子2均为凸极结构，转子2夹放在两个第一定子1、第二定子8中间，第一定子1、第二定子8和转子2同轴安装，转子2与第一定子1、第二定子8之间留有相等厚度的空气隙。第一定子1、第二定子8的结构完全一样，而且关于转子2对称；每一个定子都是由6个双齿U形定子铁芯、6块扇形永磁体、6个集中式电枢线圈构成，双齿U形定子铁芯和扇形永磁体交替放置构成圆盘，两个定子上相对应的永磁体的磁化方向相反。

将定子1上的两个线圈311、312顺次串联，构成第一定子1上的A相电枢绕组，线圈313、314位于第二定子8上，将两线圈顺次串联构成第二定子8上的A相电枢绕组，将两个定子上的A相电枢绕组串联或并联构成整个电机的A相电枢绕组。

同理，电机的B相和C相电枢绕组的构成方法与A相相同。

上述A、B、C三相的12个集中式电枢线圈均绕在相邻的两个双齿U形定子铁芯两端的齿上（如图1所示），中间嵌入永磁体，永磁体沿着圆周方向交替充磁。

转子2为凸极结构，共有19个扇形齿，转子的19个齿极均匀设置在转子2的非导磁圆环圆周上。转子上既没有永磁体也没有绕组，转子极和双齿U形定子铁芯都由高导磁率的硅钢片冲制而成。第一定子1、第二定子8由双齿U形结构的导磁铁芯拼装而成。扇形永磁体是铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢。

本发明的低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机作为电动机运行，其运行原理与传统型磁通切换定子永磁电机一致，本发明提出的改进结构，有效地提高了电机驱动的转矩密度、减小了转矩脉动，同时也减少了电机制造中永磁体的用量。该类型电机可以应用于需要大转矩、低转速的直驱系统中。

Claims (4)

1.一种低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机，其特征在于该电机包括转子（2）和位于转子（2）两侧的第一定子（1）、第二定子（8）；每个定子由6块双齿U形铁芯（5）、6块扇形永磁体和6个三相集中电枢绕组（3）构成，每个双齿U形定子铁芯的两边各有两个齿，即每个双齿U形铁芯单元共有4个齿；每两个双齿U形铁芯之间插入一块扇形永磁体（4），电枢线圈绕在两个双齿U形铁芯的齿上；定子由双齿U形定子铁芯（5）和扇形永磁体（4）交替放置拼装而成，两个定子上相对应的扇形永磁体（4）的充磁方向相反；同一定子上相邻永磁体的磁化方向相反，且沿着圆周切向充磁；径向相对的两个电枢线圈属于同一相，将其顺次串联连接，第一集中式电枢线圈（311）、第二集中式电枢线圈（312）位置相对，将两个电枢线圈顺次串联后构成A相电枢绕组；第三集中式电枢线圈（321）、第四集中式电枢线圈（322）位置相对，两个线圈顺次串联后构成B相电枢绕组；第五集中式电枢线圈（331）、第六集中式电枢线圈（332）位置相对，两个线圈顺次串联后构成C相电枢绕组，这样在第一定子（1）上便形成A相、B相、C相这三相电枢绕组；同理，第二定子（8）上位置相对的第七集中式电枢线圈（313）和第八集中式电枢线圈（314）串联连接构成A相电枢绕组，位置相对的第九集中式电枢线圈（323）和第十集中式电枢线圈（324）串联连接构成B相电枢绕组，位置相对的第十一集中式电枢线圈（333）和第十二集中式电枢线圈（334）串联连接构成C相电枢绕组；将两个定子上的A相、B相、C相电枢绕组串联或并联连接构成整个电机的A相、B相、C相电枢绕组。

2.根据权利要求1所述的低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机，其特征在于转子（2）为凸极结构，共有19个齿，称为19个转子极（7），各个转子极均为扇形齿形状，转子极等距分布在转子（2）的非导磁圆环（6）的外圆周上，转子极的轴向长度与非导磁圆环的轴向长度相等，且转子上既无永磁体也无绕组。

3.根据权利要求1所述的低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机，其特征在于双齿U形铁芯（5）的齿和槽都是扇形的，与转子极（7）的扇形相一致。

4.根据权利要求1所述的低转矩脉动轴向磁场定子永磁电机，其特征在于该电机的的定子由6个双齿U形定子铁芯（5）和6个扇形永磁体（4）组成，转子由19个转子极和非导磁圆环组成，转子极嵌在非导磁圆环上构成基本电机；将基本电机的定子单元、转子极进行整数倍扩充，可以得到定子2×12槽/转子19极、定子2×24槽/转子38极、定子2×36槽/转子57极……结构电机。

Images