CN103618392B - 一种定转子双永磁体激励谐波电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定转子双永磁体激励谐波电机，所述电机的转子结构内置于定子结构，且所述定子结构还包括处于定子齿与转子齿之间，环形布置的调磁齿，以及设置在所述调磁齿与所述定子齿之间，将所述调磁齿与所述定子齿连成一个整体的环状的磁桥，且相邻两个所述调磁齿之间形成有用于安装定子永磁体的调磁槽，所述定子齿与定子轭之间可拆卸组装。本发明提供一种定子、转子上都装配永磁体的新型永磁电机，此种电机通过定转子双永磁体激磁来提高自身的转矩/功率密度，从而在低速大转矩电气传动系统中具有很好的应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于电机制造领域，特别涉及一种定转子双永磁体激励谐波电机。
背景技术
随着能源危机、全球暖化、环境污染等问题的日益突出，人类社会面临着严峻的挑战。生产、交通电气化以及新能源的利用成为我们的必然选择。电机作为机电能量转换的关键设备，其总体性能的好坏直接影响着能源利用效率。随着功率开关器件和永磁材料的发展，永磁电机技术已在电动汽车、工业传动、风力发电等领域得到广泛的应用。相对于传统的电励磁电机而言，以铁钕硼为主要材料的稀土永磁电机具有转矩密度大，能量转换效率高等优点。目前，从永磁体装配的位置来看，永磁电机大体可分为两类：转子永磁型永磁电机和定子永磁型永磁电机。其中转子永磁型永磁电机较为常见，如无刷直流电机、永磁同步电机等。定子永磁型永磁电机包括双凸极电机、磁通切换电机等。
很多应用场合都需要能够提供低速大转矩的电机系统。为了获得低转速，一种方案是通过调速控制实现，但是这种调速方式只能单纯地降低转速不能同步提高转矩，因而被称为恒转矩调速，并且这种调速控制不可避免地增加半导体器件的开关频率，增大损耗，从而降低整机效率；另一种方案是机械调速，通常利用齿轮箱等机械传动装置来实现。大量机械装置的使用将不可避免地带来噪声，震动，摩擦损耗以及定期维护等问题，并将明显增加系统的复杂性、体积和重量。此外，机械齿轮不具备过载自我保护能力，当传递转矩超过齿轮承受力时，容易发生安全事故。为了摆脱机械降速齿轮的种种弊端，近年来，人们一直致力于研发低速直驱型永磁电机。由于同等功率指标下，低速电机的体积及重量比高速电机大很多，这给很多应用场合带来不小的挑战。因此，通过改进电路、磁路的设计，进一步提高低速永磁电机的转矩密度成为人们努力的方向。
中国专利文献CN102545514A公开了一种永磁直驱式游标电机
上述专利文献的电机通过设置定、转子双永磁体，提高了电机的转矩密度，从而使得上述专利文献的电机能够提供较大的输出转矩。但是由于该专利文献为内定子外转子结构，且定子永磁体是设置在两定子齿之间所形成的定子齿槽内，因此导致设置在定子齿槽内的定子永磁体个数必须与绕组极对数一致，否则，定子永磁体在定子齿槽内的设置会阻碍绕组的绕制。因此，该专利文献的电机结构不是很合理，其永磁体数量必须与定子槽数量对应，不可进行灵活调节，且绕线不方便，其内部结构不能根据实际需要，进行灵活的设置。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的电机结构不合理，其内部绕组极对数与定子永磁体个数需要保持一致而不能进行灵活调节，提供一种且定子永磁体个数可以与绕组极对数绕组不一致，且方便绕制的定转子双永磁体电机。此种电机通过定转子双永磁体激磁来提高自身的转矩/功率密度，从而在低速大转矩电气传动系统中具有很好的应用潜力。
为解决上述技术问题，本发明的一种定转子双永磁体激励谐波电机，包括
定子结构，所述定子结构包括定子轭、定子齿、定子绕组、定子永磁体；
转子结构，所述转子结构包括转子永磁体、转子齿和转子轭；
所述转子结构内置于所述定子结构，且所述定子结构还包括处于所述定子齿与所述转子齿之间，环形布置的调磁齿，以及设置在所述调磁齿与所述定子齿之间，将所述调磁齿与所述定子齿连成一个整体的环状的磁桥，且相邻两个调磁齿之间形成有用于安装所述定子永磁体的调磁槽，所述定子齿与所述定子轭之间可拆卸组装。
所述转子永磁体安装在相邻的两所述转子齿之间形成的转子槽中，且所述转子永磁体的个数与所述转子齿的个数相等。
所述定子永磁体的个数与所述调磁齿的个数相等。
所述定子轭的内环上成型有嵌入槽或设有嵌入块，所述定子齿的外围端部成型有与所述嵌入槽或嵌入块匹配嵌入的嵌入块或嵌入槽。
一体成型的所述调磁齿与所述定子齿，以及所述定子轭由具有高导磁性能的硅钢片沿轴向叠合而成，所述转子齿与所述转子轭也由具有高导磁性能的硅钢片沿轴向叠合而成。
所述定子永磁体和所述转子永磁体都采用径向/平行充磁。
所述定子永磁体和所述转子永磁体都采用径向/平行充磁，所述径向/平行充磁为径向/平行向外充磁或径向/平行向内充磁。
所述定子永磁体的个数为Ps，所述转子永磁体的个数为Pr，所述定子绕组的极对数为Pw，所述定、转子永磁体的磁体个数以及定子绕组的极对数必须满足：Pw＝Ps-Pr。
所述定子绕组、所述定子齿既可采用分布式绕组结构也可以采用集中式绕组结构。
所述定子绕组安放于相邻两所述定子齿之间形成的定子槽内。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明的定转子双永磁体激励谐波电机，所述转子结构内置于所述定子结构，且所述定子结构还包括处于所述定子齿与所述转子齿之间，环形布置的调磁齿，以及设置在所述调磁齿与所述定子齿之间，将所述调磁齿与所述定子齿连成一个整体的环状的磁桥，通过所述调磁齿的设置使得不用限制定子永磁体和定子槽个数必须对应，且而能保证绕制绕组时方便，同时所述调磁齿与所述定子齿之间通过所述磁桥进行连接，使得本发明的定转子双永磁体激励谐波电机装配更加简单。
(2)本发明的定转子双永磁体激励谐波电机，所述定子齿与所述定子轭之间可拆卸组装，所述定子轭的内环上成型有嵌入槽或设有嵌入块，所述定子齿的外围端部成型有与所述嵌入槽或嵌入块匹配嵌入的嵌入块或嵌入槽，从而使得所述定子轭没有与所述定子齿连成一个整体，可以在绕制绕组后再将所述定子嵌套到所述定子齿上，绕制绕组方便。
(3)本发明的定转子双永磁体激励谐波电机，相邻两个调磁齿之间形成的调磁槽有用于安装所述定子永磁体，相邻的两所述转子齿之间形成的转子槽中安装所述转子永磁体，从而使得本发明的定转子双永磁体激励谐波电机的所述定子结构和所述转子结构上都有安装有永磁体，并且内置于两槽中朝一个方向充磁，且可以通过调节所述调磁齿的数量，产生不同极对数的磁场谐波。
(4)本发明的定转子双永磁体激励谐波电机，采用低速谐波来实现机电能量转换，因而直接提供较低的机械转速，其定转子上总共有两套永磁体充分保证永磁体产生磁场与电枢绕组耦合，其转矩密度也将超过现有的转子永磁型永磁电机或定子永磁型永磁电机，从而提供更大的电磁转矩，同时所述定转子双永磁体激励谐波电机只有一个旋转的部分且定转子各部分都是模块化结构，减小了产品体积，加工简单，绕线更为方便。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明具体实施例的横截面图；
图2是本发明具体实施例中的定子轭硅钢片冲片图；
图3是本发明具体实施例中的定子齿及调磁齿硅钢片冲片图；
图4是本发明具体实施例中的转子齿及转子轭硅钢片冲片图；
图5是本发明具体实施例中的定子绕组连接图。
图中附图标记表示为：1-定子轭，2-定子齿，3-调磁齿，4-定子绕组，5-定子永磁体，6-转子永磁体，7-转子齿，8-转子轭，9-磁桥。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-4所示，本发明的一种定转子双永磁体激励谐波电机，包括定子结构，所述定子结构包括定子轭1、定子齿2、定子绕组4、定子永磁体5；转子结构，所述转子结构包括转子永磁体6、转子齿7和转子轭8；所述转子结构内置于所述定子结构，且所述定子结构还包括处于所述定子齿2与所述转子齿7之间，环形布置的调磁齿3，以及设置在所述调磁齿3与所述定子齿2之间，将所述调磁齿3与所述定子齿2连成一个整体的环状的磁桥9，且相邻两个调磁齿3之间形成有用于安装所述定子永磁体5的调磁槽，所述定子齿2与所述定子轭1之间可拆卸组装。
所述转子永磁体6安装在相邻的两所述转子齿7之间形成的转子槽中，且所述转子永磁体6的个数与所述转子齿7的个数相等。所述定子永磁体5的个数与所述调磁齿3的个数相等。所述定子轭1的内环上成型有嵌入槽或设有嵌入块，所述定子齿2的外围端部成型有与所述嵌入槽或嵌入块匹配嵌入的嵌入块或嵌入槽。一体成型的所述调磁齿3与所述定子齿2，以及所述定子轭1由具有高导磁性能的硅钢片沿轴向叠合而成，所述转子齿7与所述转子轭8也由具有高导磁性能的硅钢片沿轴向叠合而成。所述定子永磁体5和所述转子永磁体6都采用径向/平行充磁，既可以径向/平行向外充磁，也可以径向/平行向内充磁。所述定子永磁体的个数为Ps，所述转子永磁体的个数为Pr，所述定子绕组的极对数为Pw，所述定、转子永磁体的磁体个数以及定子绕组的极对数必须满足：Pw＝Ps-Pr。所述定子绕组、所述定子齿既可采用分布式绕组结构也可以采用集中式绕组结构。所述定子绕组4安放于相邻两所述定子齿2之间形成的定子槽内。
本发明的所述定转子双永磁体激励谐波电机通过所述调磁齿3的设置使得不用限制永磁体和定子槽个数必须对应，且在绕制绕组时方便，同时所述调磁齿3与所述定子齿2之间通过所述磁桥9进行连接连接，使得本发明的定转子双永磁体激励谐波电机装配更加简单，本发明的定转子双永磁体激励谐波电机，相邻两个所述调磁齿3之间形成的调磁槽有用于安装所述定子永磁体，相邻的两所述转子齿7之间形成的转子槽中安装所述转子永磁体6，从而使得本发明的定转子双永磁体激励谐波电机的所述定子结构和所述转子结构上都有安装有永磁体，且可以通过调节所述调磁齿3的数量，便可以产生不同极对数的磁场谐波，同时，采用低速谐波来实现机电能量转换，因而直接提供较低的机械转速，定转子上总共有两套永磁体充分保证永磁体产生磁场与电枢绕组耦合，其转矩密度也将超过现有的转子永磁型永磁电机或定子永磁型永磁电机，从而提供更大的电磁转矩，同时所述定转子双永磁体激励谐波电机只有一个旋转的部分且定转子各部分都是模块化结构，减小了产品体积，加工简单，绕线更为方便。
在本实施例中，如图1所示，所述电机总共有36个定子槽，为了便于所述定子绕组4的绕制，在电机制作时，可以先完成所述定子绕组4在所述定子齿2上的绕制，然后再将所述定子轭1的嵌入槽嵌套在所述定子齿2外围的嵌入块上，29块所述定子永磁体5沿圆周表面嵌入29个所述调磁齿3形成的所述调磁槽中，构成29对定子极对数；同样，26块所述转子永磁体6沿圆周表面嵌入26个所述转子齿7形成的所述转子槽中，构成26对转子极对数。如图3所示，所述定子绕组4呈分布式连接构成3对极。
以上所述电机的工作原理是通过所述调磁齿的磁场调制能力实现的。根据机电能量转换定理：两个磁场要进行稳定的能量传递，这两个磁场极对数必须相同。传统的电机是转子的主磁场磁极对数与定子的主磁场磁极对数相同而进行能量的传递，达到电机工作的目的。但是永磁谐波电机是通过所述调磁齿3调节所述转子永磁体6产生的磁场，让其产生一系列的谐波磁场，使其中的某一次谐波磁场与电机定子极对数相同而传递稳定的能量。所述谐波电机既可以运行在电动状态，也可以运行在能量回馈状态。但电机无论工作在什么样的状态，稳定工作时应满足以下基本条件：
磁极对数条件：Pw＝Ps-Pr或者Pw＝Pr-Ps ①
定转子旋转磁场转速关系：
其中Pw为绕组的极对数，Ps为定子永磁体的极对数，Pr为转子永磁体的极对数。
n1为定子旋转磁场的速度，nr转子的转速。
当上述电机工作在电动状态时，定子绕组通以一定频率的三相交流电，在定子槽中产生一个以转速n1旋转的磁场，经过调磁齿的调制作用，在调磁齿与转子间的气隙中产生一个调制波磁场，其转速为nr，该磁场与转子上的转子永磁体相互作用带动转子以转速nr旋转。由②可知，通过改变定子绕组电流频率改变转速nl，进而改变转子的转速nr。
当上述电机工作在发电状态时，低速旋转的转子以转速nr转动，经过调磁齿的调制作用，在定子槽中产生一个以转速n1旋转的谐波磁场，该谐波磁场在旋转的过程中切割定子槽中的绕组产生电能，转速同样遵循式②。
由①式，本发明可以根据低速大转矩直驱应用场合的不同需要，可以适当选择定转子极对数。
在本实施中仅选择一种绕组分布式内转子型谐波发电机电机进行分析：29块所述定子永磁体6沿圆周表面嵌入29个所述调磁齿3形成的所述调磁槽中，构成29对定子极对数；同样，26块所述转子永磁体6沿圆周表面嵌入26个所述转子齿7形成的所述转子槽中，构成26对转子极对数，并且定转子永磁体都径向向外充磁。显然，Ps＝29，Pr＝26，由式子①可以得出绕组磁极对数P1＝Ps-Pr＝3，如图5所示，所述绕组4按照图中的连接方式缠绕在36个所述定子齿2上。
本实施案例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，根据式子Pw＝Ps-Pr，调整Ps，Pr可以将该电机设计成内转子型谐波电机；根据式子Pw＝Pr-Ps，调整Ps，Pr可以将该电机设计成外转子型谐波电机。根据绕组连接方式的不同及工作状态的不同又可衍生出许多种该电机，正如前面所述本发明设计比较灵活，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种定转子双永磁体激励谐波电机，包括
定子结构，所述定子结构包括定子轭(1)、定子齿(2)、定子绕组(4)、定子永磁体(5)；转子结构，所述转子结构包括转子永磁体(6)、转子齿(7)和转子轭(8)；
其特征在于：所述转子结构内置于所述定子结构，且所述定子结构还包括处于所述定子齿(2)与所述转子齿(7)之间，环形布置的调磁齿(3)，以及设置在所述调磁齿(3)与所述定子齿(2)之间，将所述调磁齿(3)与所述定子齿(2)连成一个整体的环状的磁桥(9)，且相邻两个所述调磁齿(3)以及处于该两所述调磁齿(3)之间的磁桥段围成有槽口朝内的用于安装所述定子永磁体(5)的调磁槽，相邻两个所述定子齿(2)以及处于该两所述定子齿(2)之间的磁桥段围成有槽口朝外的用于绕制所述定子绕组(4)的绕组槽，所述定子齿(2)与所述定子轭(1)之间可拆卸组装。
2.根据权利要求1所述的定转子双永磁体激励谐波电机，其特征在于：所述转子永磁体(6)安装在相邻的两所述转子齿(7)之间形成的转子槽中，且所述转子永磁体(6)的个数与所述转子齿(7)的个数相等。
3.根据权利要求1所述的定转子双永磁体激励谐波电机，其特征在于：所述定子永磁体(5)的个数与所述调磁齿(3)的个数相等。
4.根据权利要求1所述的定转子双永磁体激励谐波电机，其特征在于：所述定子轭(1)的内环上成型有嵌入槽或设有嵌入块，所述定子齿(2)的外围端部成型有与所述嵌入槽或嵌入块匹配嵌入的嵌入块或嵌入槽。
5.根据权利要求1所述的定转子双永磁体激励谐波电机，其特征在于：一体成型的所述调磁齿(3)与所述定子齿(2)，以及所述定子轭(1)由具有高导磁性能的硅钢片沿轴向叠合而成，所述转子齿(7)与所述转子轭(8)也由具有高导磁性能的硅钢片沿轴向叠合而成。
6.根据权利要求1所述的定转子双永磁体激励谐波电机，其特征在于：所述定子永磁体(5)和所述转子永磁体(6)都采用径向/平行充磁。
7.根据权利要求6所述的定转子双永磁体激励谐波电机，其特征在于：所述定子永磁体(5)和所述转子永磁体(6)都采用径向/平行充磁，所述径向/平行充磁为径向/平行向外充磁或径向/平行向内充磁。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的定转子双永磁体激励谐波电机，其特征在于：所述定子永磁体的个数为Ps，所述转子永磁体的个数为Pγ，所述定子绕组的极对数为Pw，所述定、转子永磁体的磁体个数以及定子绕组的极对数必须满足：Pw＝Ps-Pγ。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的定转子双永磁体激励谐波电机，其特征在于：所述定子绕组既可采用分布式绕组结构也可以采用集中式绕组结构。
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Application publication date: 20140305 Assignee: DONGGUAN LONGLINK MOTOR TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: SHENZHEN INSTITUTES OF ADVANCED TECHNOLOGY CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Contract record no.: X2023980041634 Denomination of invention: A Kind of Harmonic Motor Excited by Dual Permanent Magnets of Fixed and Rotor Granted publication date: 20170201 License type: Common License Record date: 20230912 |