CN102570750A - 一种盘式低速大转矩永磁游标电机 - Google Patents

一种盘式低速大转矩永磁游标电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种盘式低速大转矩永磁游标电机，该电机包括支承轴(1)、轴承(2)、外转子（4）、夹设在外转子（4）中的定子（5）、设置在定子外周且凸出于定子外周的定子齿（10）、磁通调制极(3)、开设在定子上的定子槽（8）、机壳（9）；外转子（4）与机壳（9）合为一体，外转子(4)通过轴承（2）与支撑轴（1）转动连接；外转子（4）包括转子轭铁心（7）和永磁体（6），转子轭铁心（7）固定在机壳（9）上，永磁体(6)沿圆周方向等距离嵌放在转子轭铁心(7)上；定子(5)采用盘式开槽嵌入式结构。本发明能提供更大的有效磁场谐波成份和输出转矩，降低转子磁轭的磁通密度及铁芯损耗。

Description

一种盘式低速大转矩永磁游标电机
技术领域
本发明涉及一种Halbach盘式低速大转矩永磁游标电机，属于特种电机技术领域。
背景技术
传统的磁齿轮包括内外两层气隙、内外同心的转子和中间用来调节磁场的调磁环。盘式外转子永磁游标电机是最近提出的一种电机，通过定子上磁通调制极的引入，省去了传统磁齿轮复合电机中的内转子以及独立的调磁环结构，使得装置结构更为简单，解决了机械齿轮传动系统噪声高、效率低、传输精度低、响应慢、机械磨损等问题。
    盘式电机具有其独特的优点，同时磁齿轮的概念逐步得到推广，其应用范围也将不断扩大，此处将盘式电机与磁齿轮相结合，并进行改进，形成一种盘式永磁游标电机，其具有如下优点：
（1）盘式电机具有运行可靠、结构简单、维护方便、效率高和无级调速等特点，尤其体积小和重量轻，特别适用于对体积和重量有苛刻要求的场合以及低速电机中。
（2）镜像对称的电机结构，较大程度抵消了定子与两侧转子间的单边磁拉力，同时还可提高电机的容量。
（3）将磁齿轮引入到盘式电机中组成复合电机，这种结构通过磁齿轮实现一定的速度变比，无需配备减速机构。同时，由于磁齿轮噪声低、免维修、可靠性高、转矩传输能力大、过载自动保护等优点。
电机的高密度设计使得电机单位体积的损耗和发热量增大，导致电机各部份温度升高、转子永磁体的内禀矫顽力下降和加速永磁磁钢累积退磁效应的进程。圆柱形电机的结构特点限制了其散热的能力，但是盘式电机中盘形的转子结构提供了一个较大的散热面，有利于电机散热，从而为电机功率密度的增加提供了空间，同时将磁齿轮融合到盘式电机中，可有效地提高可靠性，降低噪声，并支持过载自动保护。
另外，本装置外转子永磁体采用特殊的Halbach阵列，通过调整永磁体宽度以及Halbach永磁阵列的充磁方向，可以获得提供更大的有效磁场谐波成份和输出转矩，降低转子磁轭的磁通密度及铁芯损耗。因此，有必要提出一种Halbach盘式低速大转矩永磁游标电机装置。
发明内容
技术问题：本发明通过提出一种盘式低速大转矩永磁游标电机，解决了一般盘式电机漏磁及轭部磁密大等问题，该装置在外转子永磁体上采用特殊的Halbach永磁阵列，从而可以提供更大的有效磁场谐波成份和输出转矩，减少转子磁轭的磁通密度，降低铁芯损耗。同时，盘式电机结构的应用解决了圆柱形径向电机冷却困难和铁心利用率低等问题，并具有较高的功率密度。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种盘式低速大转矩永磁游标电机，该电机包括支承轴、轴承、外转子、夹设在外转子中的定子、设置在定子外周且凸出于定子外周的定子齿、磁通调制极、开设在定子上的定子槽、机壳；
外转子与机壳合为一体，外转子通过轴承与支撑轴转动连接；外转子包括转子轭铁心和永磁体，转子轭铁心固定在机壳上，永磁体沿圆周方向等距离嵌放在转子轭铁心上；
定子采用盘式开槽嵌入式结构，定子齿上设有磁通调制极，磁通调制极之间是非导磁的空气隙，绕组嵌放在定子槽中；定子及外转子在轴向上呈镜像对称结构。
优选的，外转子与定子之间有气隙。
优选的， 外转子永磁体极对数nr与电枢绕组极对数np之和为磁通调制极的个数ns。
优选的，永磁体材料为钕铁硼，每块永磁体分成三份，每份充磁方向不同。
优选的，转子轭铁心和定子材料均为硅钢，支承轴和轴承材料为不导磁材料。
有益效果：
（1）    省去了机械变速齿轮箱，但却可以获得较大的机械转矩，不存在齿轮箱的机械磨损、维护和噪音问题，提高了装置可靠性，同时减小电机的体积，降低了重量和驱动系统制造成本；
（2）    该盘式电机加工工艺简单，稳定性及可靠性得到提高；
（3）    电机中有更多的磁力线通过气隙，因此气隙磁通密度的有效谐波成份值比普通磁场调制式永磁电机高，输出转矩增大；
（4）    电机转子磁轭磁通密度可以大量减少，这将减少转子磁轭铁芯损耗，缩小转子轭部大小，节省材料；
（5）    外转子永磁体之间通过铁心隔离，阻断了各永磁体中涡流电流的相互流动，降低了转子永磁体中的涡流损耗；
（6）    转子采用高磁能积钕铁硼励磁，没有滑环和电刷，无需外加电源励磁，具有结构简单、体积小重量轻、功率密度高、效率高以及可靠性好等优点。
盘式结构提供较大的散热面，较径向电机具有较好的冷却效果，具有较高的铁心利用率，也具有较大的功率密度。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
其中有：支承轴1、轴承2、磁通调制极3、外转子4、定子5、永磁体6、转子轭铁心7、定子槽8、机壳9、定子齿10。
图2为本发明中定子部分示意图。
其中有：磁通调制极3、定子槽8、定子齿10。
图3为本发明中转子永磁体的充磁方向示意图。
其中有：永磁体6、转子轭铁心7.永磁体6每个极被分成三份，每份永磁体的宽度和充磁方向均可调节，以达到最大的功率输出。
图4为本发明中外转子及定子沿径向剖开然后拉直后的详细展开示意图。
其中有：磁通调制极3、外转子4、定子5、永磁体6、转子轭铁心7、定子槽8、定子齿10。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行说明。
本发明涉及一种盘式低速大转矩永磁游标电机，它通过电机定子上磁通调制极的磁场调制作用，能在保证磁齿轮复合电机优点的同时省去传统磁齿轮结构中独立的调磁环以及磁齿轮的一个内转子，解决了传统电机低速运行体积大、结构复杂的问题，同时外转子永磁体采用特殊的Halbach永磁阵列，减少转子磁轭的磁通密度，降低铁心损耗，可减小电机体积，提高功率密度。
参见图1－4，本发明提供的盘式低速大转矩永磁游标电机，该电机包括支承轴1、轴承2、外转子4、夹设在外转子4中的定子5、设置在定子外周且凸出于定子外周的定子齿10、磁通调制极3、开设在定子上的定子槽8、机壳9；
外转子4与机壳9合为一体，外转子4通过轴承2与支撑轴1转动连接；外转子4包括转子轭铁心7和永磁体6，转子轭铁心7固定在机壳9上，永磁体6沿圆周方向等距离嵌放在转子轭铁心7上；
定子5采用盘式开槽嵌入式结构，定子齿10上设有磁通调制极3，磁通调制极3之间是非导磁的空气隙，绕组嵌放在定子槽8中；定子5及外转子4在轴向上呈镜像对称结构。
外转子4与定子5之间有气隙。
外转子永磁体极对数nr与电枢绕组极对数np之和为磁通调制极3的个数ns。
永磁体6材料为钕铁硼，每块永磁体分成三份，每份充磁方向不同。
转子轭铁心7和定子5材料均为硅钢，支承轴1和轴承2材料为不导磁材料。
定子电枢绕组磁场极对数与永磁体极对数之比即为该装置可实现的速度变比。通过适当选择电机的外转子上永磁体极对数和磁通调制极的个数，可应用于不同需要的低速直驱场合。盘式电机的气隙是平面型的，气隙磁场是轴向的，能够实现较高的转矩-能量比和功率密度。此外，电机外转子上采用Halbach阵列，通过调整永磁体宽度以及Halbach永磁阵列的充磁方向，和径向充磁普通磁场调制式永磁电机相比，它能提供更大的有效磁场谐波成份和输出转矩，降低转子磁轭的磁通密度及铁芯损耗。
本发明公开了一种盘式低速大转矩永磁游标电机，该电机是基于磁场调制原理的盘式永磁游标电机。它通过电机定子上磁通调制极的作用，省去传统磁齿轮复合电机中的独立调磁环部件以及磁齿轮的一个内转子，解决了传统电机低速运行体积大、结构复杂的问题。同时外转子永磁体采用特殊的Halbach永磁阵列，减少转子磁轭的磁通密度，降低铁心损耗。磁通调制极的个数ns等于外转子永磁体极对数nr加电枢绕组极对数np，定子电枢绕组磁场极对数与永磁体极对数之比即为该电机可实现的速度变比。通过适当选择电机外转子永磁体极对数和磁通调制极的个数，可应用于不同的需要低速直驱的场合。电机外转子永磁体采用Halbach永磁阵列，通过调整永磁体宽度以及充磁方向，和径向充磁普通磁场调制式永磁电机相比，它能提供更大的有效磁场谐波成份和输出转矩，降低转子磁轭的磁通密度及铁芯损耗。
当定子电枢绕组通以一定频率的交流电时，电枢绕组电流产生的旋转磁场角速度为                                               
Figure 2012100138008100002DEST_PATH_IMAGE002
，通过磁通调制极的磁场调制作用，在气隙中产生一个调制波磁场，其旋转角速度为-
Figure 2012100138008100002DEST_PATH_IMAGE004
，该磁场与外转子上的永磁体相互作用，带动外转子旋转，通过改变通入绕组电流的频率从而实现不同的角速度
Figure 2012100138008100002DEST_PATH_IMAGE006
，进而得到不同的外转子旋转速度-
Figure 2012100138008100002DEST_PATH_IMAGE008
，实现调速驱动。
Figure 887371DEST_PATH_IMAGE006
:
Figure 742195DEST_PATH_IMAGE008
为速度变比，等于外转子永磁体极对数与定子电枢绕组产生的磁场极对数之比。
本发明是盘式低速大转矩永磁游标电机，外转子永磁体极极对数nr与电枢绕组极对数np之和等于磁通调制极3的个数ns，磁通调制极3代替了普通磁齿轮中的调磁环，用来进行磁场调制。该电机的定子5及外转子4在轴向上呈镜像对称结构。另外，定子电枢绕组磁场极对数与永磁体极极对数之比即为该装置可实现的速度变比。
本发明的基本原理为磁齿轮调磁环的空间磁场调制原理，利用空间谐波传递能量，该装置既可以运行在电动状态，也可以运行在发电状态。
当该装置运行在电动状态时，定子电枢绕组中通以一定频率的交流电，电枢绕组电流产生的旋转磁场角速度为
Figure 459615DEST_PATH_IMAGE006
，经过磁通调制极的调制作用，在气隙中产生一个调制波磁场，其旋转角速度为-
Figure 792507DEST_PATH_IMAGE008
，该磁场与外转子处的永磁体相互作用，带动外转子同步旋转，负号表示调制波磁场与电枢绕组磁场的旋转方向相反。通过改变电枢电流的频率从而实现不同的角速度，进而得到不同的外转子旋转速度-
Figure 304708DEST_PATH_IMAGE008
，实现调速驱动。
Figure 509425DEST_PATH_IMAGE006
:
Figure 646008DEST_PATH_IMAGE008
为速度变比，等于外转子永磁极对数nr与定子电枢绕组磁场极对数np之比。因此，该装置可应用在需要低速大转矩的场合，满足在低速时对较大转矩输出的要求。
当该装置运行在发电状态时，外转子以角速度-旋转，经过磁通调制极的调制作用，调制出以角速度
Figure 248863DEST_PATH_IMAGE006
旋转的匝链定子的磁场，该磁场与电机定子绕组产生相对运动，切割绕组导线产生电能。
Figure 940876DEST_PATH_IMAGE006
:
Figure 615571DEST_PATH_IMAGE008
为速度变比，等于外转子永磁体极对数nr与定子电枢绕组磁场极对数np之比。通常情况下，外转子永磁体数nr大于定子磁场极对数np，所以这可实现电机在低速条件下发电运行，故本装置也可应用在风力发电的场合。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1. 一种盘式低速大转矩永磁游标电机，其特征在于:该电机包括支承轴(1)、轴承(2)、外转子（4）、夹设在外转子（4）中的定子（5）、设置在定子外周且凸出于定子外周的定子齿（10）、磁通调制极(3)、开设在定子上的定子槽（8）、机壳（9）；
外转子（4）与机壳（9）合为一体，外转子(4)通过轴承（2）与支撑轴（1）转动连接；外转子（4）包括转子轭铁心（7）和永磁体（6），转子轭铁心（7）固定在机壳（9）上，永磁体(6)沿圆周方向等距离嵌放在转子轭铁心(7)上；
定子(5)采用盘式开槽嵌入式结构，定子齿（10）上设有磁通调制极（3），磁通调制极（3）之间是非导磁的空气隙，绕组嵌放在定子槽（8）中；定子（5）及外转子（4）在轴向上呈镜像对称结构。
2. 根据权利要求1所述的盘式低速大转矩永磁游标电机，其特征在于:外转子(4)与定子（5）之间有气隙。
3. 根据权利要求1所述的盘式低速大转矩永磁游标电机，其特征在于: 外转子永磁体极对数nr与电枢绕组极对数np之和为磁通调制极（3）的个数ns。
4. 根据权利要求1所述的盘式低速大转矩永磁游标电机，其特征在于:永磁体（6）材料为钕铁硼，每块永磁体分成三份，每份充磁方向不同。
5. 根据权利要求1所述的盘式低速大转矩永磁游标电机，其特征在于:转子轭铁心（7）和定子（5）材料均为硅钢，支承轴（1）和轴承（2）材料为不导磁材料。
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