CN103647382A - 双定子高功率密度磁通切换永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双定子高功率密度磁通切换永磁电机，包括外定子、内定子和转子，转子与内、外定子之间具有气隙。该电机的转子由导磁块组成，导磁块在空间均匀分布，可间隔排列或采用连接桥连成整体；外定子包括U型导磁块、切向充磁永磁体和集中绕组；每块永磁体夹在两个相邻U型导磁块之间，集中绕组设置于U型导磁块的槽中且套住永磁体；相邻永磁体沿切向交替充磁；内定子与外定子的U型导磁块的径向轴线重合，导磁齿相对，内、外定子空间位置相同的永磁体充磁方向相反，内、外定子空间位置相同的集中绕组属于同相。本发明与现有技术相比省去了转子导磁轭部，减小转子尺寸，降低铁耗，提高了功率密度和效率，可在风力发电，电动汽车及舰船等动力系统中应用。

Description

双定子高功率密度磁通切换永磁电机

技术领域

本发明涉及一种双定子高功率密度磁通切换永磁电机，属于电机制造技术领域。

背景技术

随着工业的发展，永磁电机在风力发电，电动汽车，船舶等领域得到了广泛的应用。在大功率驱动和发电系统中，电机的体积较大，为了提高电机的功率密度，增强系统的功率分配能力，降低成本，电机可采用双定子结构。由于传统永磁同步电机的电枢绕组和永磁体分别置于定子或转子，采用双定子结构时，一般将永磁体置于转子，转子放置在双定子中间。该结构存在以下缺点：首先，由于永磁体置于转子，永磁体的安装较困难，在高速运动场合其结构可靠性差，存在脱落风险；其次，将永磁体置于双定子之间的转子时，永磁体不易散热，存在高温退磁风险。

近年来，一种定子永磁型电机，即磁通切换型永磁电机得到了广泛的关注。与传统的永磁电机相比，该电机的永磁体和电枢绕组均置于定子，转子上既无永磁体，又无电枢绕组，仅由导磁铁心组成，因此该电机具有功率密度高，转子结构简单，适合高速运行，永磁体易于散热，抗退磁能力强等优点。为了提高该类电机的功率密度，增强电机的功率分配性能，可直接将其转化为双定子结构。直接由磁通切换电机得到的双定子结构具有双定子电机和磁通切换电机共同的优点，但由于其转子为凸极结构，在双定子结构中，转子的齿部高度和导磁轭部的高度近似为单边磁通切换电机的两倍，因此该电机的转子惯量大，体积大，铁损耗大，功率密度低，效率低。

为解决上述问题，本发明提出一种双定子高功率密度磁通切换型永磁电机。与直接将单定子磁通切换电机得到的双定子磁通切换电机相比，本发明的省去了转子导磁轭部，降低了转子齿部尺寸，大大减小了转子的体积、重量和转动惯量，减小了转子铁损耗，提高了功率密度和效率，可为风力直驱发电系统，电动汽车驱动及发电系统，航空启动发电系统提供一种高功率密度，高可靠性电机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可降低制造成本，提高电机功率密度和效率，具有功率分配性能的双定子高功率密度磁通切换型永磁电机。

为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：

本发明的双定子高功率密度磁通切换永磁电机，包括双边定子和转子，转子与内、外定子之间具有气隙。外定子包括2km块U型导磁块，2km块永磁体和2km套集中绕组；每块永磁体夹在两个相邻U型导磁块之间，集中绕组设置于U型导磁块的槽中且套住永磁体；相邻永磁体沿切向交替充磁；内定子也包括2km块U型导磁块，2km块永磁体和2km套集中绕组，内定子与外定子的导磁块的径向轴线重合，导磁齿相对，内定子与外定子空间位置相对应的永磁体充磁方向相反，其磁势串联叠加，内、外定子空间位置相同的集中绕组属于同相；沿圆周均布于内定子与外定子间的空间，导磁块采用连接桥连成环形整体，也可用非导磁材料(如环氧树脂)相连成环形，转子整体结构为常规杯形转子；转子导磁块的个数Nr与定子U型导磁块或个数满足如下关系：Nr=2km±n(n／m不为整数)，上述k，m均为正整数，n为自然数，m代表电机相数。

上述双定子高功率密度磁通切换永磁电机的内、外定子每个U型导磁块的槽中可设置双层集中绕组，也可仅设置单层集中绕组；内定子和外定子属于同相的集中绕组可串联组成一相绕组，也可并联组成内、外定子绕组，独立运行。

当上述双定子高功率密度磁通切换永磁电机的内、外定子每个U型导磁块的槽中仅设置单层集中绕组时，无集中绕组套着的永磁体可用非导磁材料代替，剩下的永磁体沿切向交替充磁，内、外定子位置相同的永磁体充磁方向相反；此结构降低了不同相绕组之间的互感，提高电机的容错性能。

当上述双定子高功率密度磁通切换永磁电机的内、外定子每个U型导磁块的槽中仅设置单集中绕组时，无集中绕组套着的永磁体可去掉，其两边的U型导磁齿合并成一个导磁齿，构成E型导磁模块，剩下的永磁体沿切向充磁极性交替，内、外定子位置相同的永磁体充磁方向相反；此结构，不仅降低了不同相绕组之间的互感，提高电机的容错性能，而且进一步增加了槽面积，提高功率密度。

上述双定子高功率密度磁通切换永磁电机的转子由Nr块导磁块可间隔排列，也可采用连接桥连成整体，导磁块上可留有安装孔，以便进一步紧固次级；转子可用非导磁材料填充紧固(如压铸铝等)。

上述双定子高功率密度磁通切换永磁电机的外定子外部和内定子内部可增加散热装置，以便于永磁体散热。

上述双定子高功率密度磁通切换永磁电机可为电动机或发电机。

本发明电机的永磁体和电枢绕组均放置在内、外定子上，转子结构简单，无绕组、无电刷、无永磁体，无导磁轭部，仅为导磁块，导磁块可以间排列也可以采用连接桥连成整体。由于永磁体置于内、外定子，外定子外部和内定子内部可增加散热装置，永磁体易于散热，减低由温升引起的不可逆退磁风险，提高电机的可靠性。与由单定子磁通切换电机直接得到的双定子结构相比，本发明的转子仅由导磁块组成，相邻导磁块之间不仅省去了导磁轭部，而且可降低转子齿部高度，结构更简单，大大降低次级的成本和重量，减小转子铁心损耗，具有更高的功率密度和容错性能。当内、外定子每个U型导磁块的槽中仅设置单层集中绕组时，无集中绕组套着的永磁体可用非导磁材料或导磁材料代替，从而降低电机相间互感，提高电机可靠性和容错能力。双边定子转子和均可采用模块化设计，模块化结构有利于生产和安装。

本发明内、外定子绕组可以串联组成一套绕组，也可并联作为两套绕组运行。在大功率驱动电机系统中，由于采用了双定子绕组，在总功率不变的情况下，可以减小系统功率元件的电压或电流限值。在混合电动汽车领域，两套绕组独立运行可作为两套电源系统，可以更好的分配发电系统电能，提高整个电动车系统的效率。

因此，本发明具有广泛的应用前景，可在风力发电，电动汽车及舰船等动力系统中应用。

附图说明

图1本发明实施例1电机结构示意图

图2实施例1电机A相绕组磁链达到正最大位置的磁力线分布图

图3实施例1电机A相绕组磁链为零位置的磁力线分布图

图4本发明实施例2电机结构示意图；

图5本发明实施例3电机结构示意图；

图6本发明实施例4电机结构示意图；

图7本发明实施例5电机结构示意图；

图8本发明实施例6电机结构示意图；

图9本发明实施例7电机结构示意图；

具体实施方式：

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1：

如图1所示，本发明包括双边定子和转子，转子1与外定子2和内定子3之间具有气隙。外定子2包括2km=6块U型导磁块20，2km=6块永磁体21和2km=6套集中绕组22，k=1，m=3均为正整数，m代表电机相数，本实施例为三相电机；每块永磁体21夹在两个相邻U型导磁块20之间，集中绕组22设置于U型导磁块的槽中且套住永磁体21；相邻永磁体沿切向交替充磁。内定子3也包括6块U型导磁块30，6块永磁体31和6套集中绕组32，内定子3与外定子2的导磁块的径向轴线重合，导磁齿相对，内定子3与外定子2空间位置相对应的永磁体(31和21)充磁方向相反，其磁势串联叠加，内、外定子空间位置相同的集中绕组属于同相；转子导磁块的个数Nr=2km±n(n／m不为整数)，当k=1，m=3，n=1时，Nr可为5，7，本实施例取Nr=5，相邻导磁块10在空间角度为转子极距等于72°，转子1中相邻导磁块10之间采用连接桥11连成一个整体，以便于加工，连接桥11并不提供磁路。

本实施例中，外定子2和内定子3各有三相集中绕组(即图1中A1，B1，C1，为定子集中绕组22，其对应位置内定子上也有三相集中绕组32)，属于同相集中绕组串联或并联组成一相绕组，U型导磁块20或30的槽中放置相邻两相集中绕组。

本实施例中，外定子2中相邻两永磁体21沿切向交替充磁，内定子3与外定子2的导磁块的径向轴线重合，导磁齿相对，内定子3与外定子2空间位置相对应的永磁体(31和21)充磁方向相反，其磁势串联叠加，内、外定子空间位置相同的集中绕组32和22绕线方式相同，绕组中的电流相位相同，属于同相。由图1可知，内定子3和外定子2对应位置相同的两个永磁体31和21通过U型齿20，气隙，转子1导磁块10，内定子U型齿30组成串联磁路，而转子轭部并不提供磁路，本发明电机满足磁通切换工作原理。

为了说明本发明电机的工作原理，图2和图3给出了本发明在不同位置时的磁力线分布。当转子1以一定速度转动到图2所示位置时，内、外定子对齐的两永磁体31和21通过外定子U型导磁块20，转子导磁块10，内定子U型导磁块30提供的路径组成串联磁路，其主磁通路径如图中箭头所示，可见A1线圈的磁链由A相内、外定子的两永磁体及相邻相内、外定子的两永磁体组共同提供，线圈A2的磁链与A1相同。此时A相绕组中匝链的磁链近似达到正的最大值，A相绕组中的反电势幅值为零。当转子1继续以一定速度转动1／4转子极距(即转子相邻两导磁块的夹角，下同)，即图3所示位置时，内、外定子A相绕组的主磁通路径如图中箭头所示，此时A相绕组中匝链的磁链近似为零，A相绕组中的反电势幅值为负的最大值；当转子1继续以一定速度转动1／4转子极距，A相绕组中匝链的磁链达到负的最大值，则此时A相绕组中的反电势幅值为零；当转子1继续以一定速度转动1／4转子极距，A相绕组中匝链的磁链变为零，则此时A相绕组中的反电势幅值为正最大值，因此，当转子1运动运动一个电气周期360°(即一个转子极距)，内、外定子的磁链和反电势的变化波形近似为正弦波。因此，当该电机作为电动机运行时可采用无刷交流控制方式，内外定子可独立控制，当该电机作为发电机运行时，内、外定子绕组可作为独立电源提供能量。

本发明的结构有如下特点：第一，内、外定子对齐的两永磁体(31和21)通过转子导磁块10组成串联磁路，省去转子轭部，大大减轻转子重量和铁损耗，具有较高的功率密度和效率。第二，通过每个集中电枢绕组22的磁路由两个串联磁路并联组成，电机具有聚磁效应，功率密度高。

实施例2：

图4为一台三相双定子高功率密度磁通切换永磁电机。本实施例的外定子2包括2km=12块U型导磁块20，2km=12块永磁体21和2km=12套集中绕组22，取k=2，m=3，由于转子导磁块10的个数Nr=2km±n(n／m不为整数)，当n=1和2时，Nr可为10，11，13，14，本实施例取Nr=2km+n=14(n=2)，m代表电机相数，本实施例也为三相电机；本实施例中外定子2中每相绕组由四个集中绕A1，A2，A3和A4串联或并联组成。集中绕A1和A3与转子1的相对位置相同，A2和A4与转子1的相对位置也相同，但A1和A3与A2和A4与转子1的相对位置互差半个转子1极距，因此二者之间的电磁特性具有互补特性，当集中绕组A1，A2，A3和A4串联组成A相绕组时，A相绕组反电势幅值为集中绕A1，A2，A3和A4基波幅值的四倍，并且集中绕A1和A3与A2和A4中的高次谐波相互抵消，因此可以提高A相绕组反电势的正弦性。内定子3绕组结构和特性与外定子2相同，内、外定子属于同相的绕组可串联运行，也可并联独立运行。

实施例3：

图5也为一台三相双定子高功率密度磁通切换永磁电机。本实施例与实施例2电机的不同之处在于转子1导磁块个数Nr=2km+n=13(n＝1)，k=2，m=3，本实施例也为三相电机，外定子2中每相绕组由四个集中绕A1，A2，A3和A4串联或并联组成。集中绕A1和A3与转子的相对位置互差半个转子1极距，A2和A4与转子的相对位置也互差半个转子1极距，但A1和A3与A2和A4与转子1的相对位置较接近，当集中绕A1，A2，A3和A4串联组成A相绕组时，A相绕组反电势幅值稍小于集中绕A1，A2，A3和A4基波幅值的四倍，但该电机绕组也具有互补特性，高次谐波相互抵消，因此可以提高A相绕组反电势的正弦性。

实施例4：

图6也为一台三相双定子高功率密度磁通切换永磁电机。本实施例与实施例3电机的不同之处在于每个U型导磁块20的槽中仅放置单层集中绕组(22或32)，本实施例也为三相电机。本实施例中外定子2中每相绕组由四个集中绕A1和A2串联或并联组成。集中绕A1和A2与转子的相对位置互差半个转子1极距，当集中绕A1和A2串联组成A相绕组时，A相绕组也具有互补特性，高次谐波相互抵消，因此可以提高A相绕组反电势的正弦性。本实施例的优点在于，相邻相绕组之间的互感小，电机的容错能力强。

实施例5：

图7也为一台三相双定子高功率密度磁通切换永磁电机。本实施例与实施例4电机的不同之处在没有集中绕组(22或32)套着的永磁体(21或31)被替换为非导磁材料(23或33)，剩余永磁体(21或31)沿切向交替充磁，内、外定子中对齐的永磁体(21和31)充磁方向相反，本实施例也为三相电机。本实施例的不仅具有实施例4相邻相绕组之间的互感小，电机的容错能力强的优点，同时减小了永磁体的用量，可提高永磁体的利用率。

实施例6：

图8也为一台三相双定子高功率密度磁通切换永磁电机。本实施例与实施例4电机的不同之处在没有集中绕组(22或32)套着的永磁体(21或31)被去掉，同时将导磁模块两边的U型导磁齿合并成一个导磁齿，构成E型导磁模块20，此时剩下的永磁体(21或31)沿切向交替充磁，内、外定子位置相同的永磁体(21和31)充磁方向相反，本实施例也为三相电机。本实施例的不仅具有实施例5相邻相绕组之间的互感小，电机的容错能力强的优点，永磁体利用率高的优点，而且可以提高槽的利用率，进一步提高功率密度。

实施例7：

图9为一台五相双定子高功率密度磁通切换永磁电机。本实施例的外定子2包括2km=10块U型导磁块20，2km=10块永磁体21和2km=10套集中绕组22，取k=1，m=5，由于转子1导磁块10的个数Nr=2km±n(n／m不为整数)，当n=1时，Nr可为9，11，本实施例取Nr=2km-n=9，m代表电机相数，本实施例也为五相电机；本实施例中外定子2中每相绕组由四个集中绕A1，A2串联或并联组成。集中绕组A1和A2与转子的相对位置互差半个转子1极距，因此二者之间的电磁特性具有互补特性，当集中绕A1，A2串联组成A相绕组时，A相绕组反电势幅值为集中绕A1，A2，基波幅值的两倍，并且集中绕A1与A2中的高次谐波相互抵消，因此可以提高A相绕组反电势的正弦性。B，C，D，E相绕组的结构与A相相同。内定子3绕组结构和特性与外定子2相同，内、外定子属于同相的集中绕组(22或32)可串联运行，也可并联独立运行。本实施例仅给出了五相电机的结构图，根据权利要求1，可得到如六相、九相等多相电机，本发明不一一赘述。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.双定子高功率密度磁通切换永磁电机，包括双边定子和转子，转子(1)与外定子(2)和内定子(3)之间具有气隙，其特征在于， 

所述外定子(2)包括2km块U型导磁块(20)，2km块永磁体(21)和2km套集中绕组(22)；每块永磁体(21)夹在两个相邻U型导磁块(20)之间，集中绕组(22)设置于U型导磁块(20)的槽中且套住永磁体(21)；相邻永磁体沿切向交替充磁；内定子(3)也包括2km块U型导磁块(30)，2km块永磁体(31)和2km套集中绕组(32)，内定子(3)与外定子(2)的导磁块的径向轴线重合，导磁齿相对，内定子(3)与外定子(2)空间位置相对应的永磁体(31和21)充磁方向相反，其磁势串联叠加，内、外定子空间位置相同的集中绕组属于同相； 

所述转子(1)由Nr块导磁块(10)组成，沿圆周均布于内定子(3)与外定子(2)间的空间，导磁块采用连接桥(11)连成环形整体，也可用非导磁材料(如环氧树脂)相连成环形，转子整体结构为常规杯形转子；转子导磁块(10)的个数Nr与定子U型导磁块(20或30)个数满足如下关系：Nr=2km±n(n／m≠整数)，上述k，m均为正整数，m代表电机相数，n为自然数。 

2.根据权利要求1所述的双定子高功率密度磁通切换永磁电机，其特征在于，所述内、外定子每个U型导磁块(30或20)的槽中可设置双层集中绕组(32或22)，也可仅设置单层集中绕组；内定子(3)和外定子(2)属于同相的集中绕组(32或22)可串联组成一相绕组，也可并联组成内、外定子绕组，独立运行。 

3.根据权利要求1和2所述的双定子高功率密度磁通切换永磁电机，其特征在于，当所述内、外定子每个U型导磁块(30或20)的槽中设置单层集中绕组(32或22)时，无集中绕组套着的永磁体(31或21)可用非导磁材料代替，剩下的永磁体沿切向交替充磁，内、外定子位置相同的永磁体充磁方向相反。 

4.根据权利要求1和2和3所述的双定子高功率密度磁通切换永磁电机，其特征在于，当所述内、外定子每个U型导磁块(30或20)的槽中设置单层集中绕组(32或22)时，无集中绕组套着的永磁体(31或21)可去掉，其两边的U型导磁齿合并成一个导磁齿，构成E型导磁模块，剩下的永磁体沿切向充磁极性交替，内、外定子位置相同的永磁体充磁方向相反。 

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