CN104883016B - 一种双定子磁场调制型永磁电机 - Google Patents

一种双定子磁场调制型永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双定子磁场调制型永磁电机，包括内定子、外定子和转子，转子与内外定子之间具有气隙。转子由相问排列的导磁体和非导磁体组成；外定子由外定子齿、径向充磁永磁体和电枢绕组构成，永磁体贴于外定子齿的内表面，同一定子齿上相邻永磁体的充磁方向相反；内定子仅由沿圆周方向开槽的内定子齿和置于槽内的电枢绕组构成，而无永磁体。本发明在不增加永磁体用量的情况下，使用两套电枢绕组，充分利用了电枢磁场，提高了功率因数与功率密度。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，可在电动汽车、风力发电等动力系统中应用。

Description

一种双定子磁场调制型永磁电机
技术领域
本发明涉及一种双定子磁场调制型永磁电机，可用于如电动汽车、风力发电、舰船驱动等技术领域。
背景技术
随着工业技术的不断发展，永磁电机在电动汽车、风力发电、船舶驱动等领域得到了广泛应用。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永磁体和电枢绕组分别置于定子侧或转子侧，采用双定子结构时，一般将永磁体置于转子侧，转子位于双定子中间。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，尤其在高速运动场合，其结构可靠性较差，永磁体存在脱落风险；其次，将永磁体置于双定子之间的转子上时，永磁体不易散热，存在高温退磁的风险。
近年来，定子永磁型电机得到了广泛的关注。与传统的永磁电机相比，该类型电机的永磁体和电枢绕组均置于定子侧，转子上既无永磁体，又无电枢绕组，仅由导磁材料构成，因此该类型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，可直接将其设计为双定子结构，然而传统双定子结构的定子永磁型电机中，永磁体的用量将加倍，这无疑将加大制造成本；其次，转子的齿部高度和导磁轭部的高度也同样近似为单边电机的两倍；因此该种电机的转动惯量大、体积大、铁损耗大、功率密度低、效率低、制造成本大。
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磁场调制型永磁电机。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
一种双定子磁场调制型永磁电机，包括双边定子和转子，所述双边定子包括外定子和内定子，所述转子与外定子、内定子之间具有气隙，
所述转子呈圆环状，包括相间排列的导磁体和非导磁体；
所述外定子包括外定子齿、外定子电枢绕组和径向充磁永磁体，外定子电枢绕组置于外定子的槽内，永磁体贴于外定子齿的内表面，同一外定子齿上相邻永磁体的充磁方向相反；
所述内定子包括沿圆周方向开槽的内定子齿和置于内定子槽内的内定子电枢绕组，所述内定子无永磁体；
所述外定子齿与内定子齿的数目为电机相数的整数倍；
所述外定子和内定子均有由安装于外定子齿内表面的永磁体提供励磁磁通，有效励磁磁通的极对数取决于永磁体磁场极对数和导磁体块数，并满足：
pflux＝|Nr-pPM|
其中pflux为电机有效励磁磁通的极对数，Nr为转子导磁体块数，pPM为永磁体磁场极对数，所述外定子电枢绕组和内定子电枢绕组按照电机有效励磁磁通的极对数进行绕制。
作为本发明的进一步改进，所述外定子和内定子的槽是闭口槽、开口槽或半开口槽。
作为本发明的进一步改进，所述外定子电枢绕组和内定子电枢绕组为集中绕组、分数槽绕组或分布绕组构成的三相绕组。
作为本发明的进一步改进，所述外定子和内定子的槽中设置双层电枢绕组，或者设置单层电枢绕组，所述外定子和内定子属于同相的电枢绕组串联组成一相绕组，或者并联组成外定子和内定子绕组，独立运行。
作为本发明的进一步改进，所述导磁体是由硅钢片叠制而成，所述非导磁体为塑料，铝或陶瓷非导磁材料。
作为本发明的进一步改进，所述永磁体为12对极，永磁体磁场极对数pPM为15对极，转子上的导磁体和非导磁体都为16块。
本发明与直接由单定子永磁型电机简单设计得到的双定子永磁电机相比，本发明仅在外定子上安装了永磁体，内定子侧只有电枢绕组而无永磁体，大大降低了制造成本；其次，本发明省去了转子导磁扼部，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提供一种高功率密度、高可靠性的电机。具体技术效果体现为以下几点：
1)本发明电机的转子无绕组、无永磁体、无导磁轭部，仅为导磁块，结构简单，大大降低了转子的重量，减小了转子铁心损耗，具有更高的功率密度与效率；
2)本发明电机采用双定子结构，且只有外定子表面贴有永磁体，与传统的双定子永磁型电机相比，大大降低了制造成本；
3)本发明内、外定子绕组可以串联组成一套绕组，也可作为两套绕组独立运行。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为双定子磁场调制型永磁电机的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明“，多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示，一种双定子磁场调制型永磁电机，包括双边定子和转子，所述双边定子包括外定子2和内定子3，所述转子1与外定子2、内定子3之间具有气隙，
所述转子1呈圆环状，包括相间排列的导磁体10和非导磁体11；
所述外定子2包括外定子齿20、外定子电枢绕组21和径向充磁永磁体22，所述外定子电枢绕组21置于外定子2的槽内，永磁体22贴于外定子齿20的内表面，同一外定子齿20上相邻永磁体22的充磁方向相反；所述内定子3包括沿圆周方向开槽的内定子齿30和置于内定子3槽内的内定子电枢绕组31，所述内定子3无永磁体；外定子齿20与内定子齿30的数目可以一致也可以不同，但都为电机相数的整数倍；所述外定子2和内定子3均有由安装于外定子齿20内表面的永磁体22提供励磁磁通，有效励磁磁通的极对数取决于永磁体22磁场极对数和导磁体10块数，并满足：
pflux＝|Nr-pPM|
其中pflux为电机有效励磁磁通的极对数，Nr为转子导磁体10块数，pPM为永磁体22磁场极对数，所述外定子电枢绕组21和内定子电枢绕组31按照电机有效励磁磁通的极对数进行绕制。
所述外定子2和内定子3的槽是闭口槽、开口槽或半开口槽。
所述外定子电枢绕组21和内定子电枢绕组31为集中绕组、分数槽绕组或分布绕组构成的三相绕组。所述外定子2和内定子3的槽中设置双层电枢绕组，或者设置单层电枢绕组，所述外定子2和内定子3属于同相的电枢绕组串联组成一相绕组，或者并联组成外定子2和内定子3绕组，独立运行。本发明在不增加永磁体用量的情况下，使用两套电枢绕组，充分利用了电枢磁场，提高了功率因数与功率密度。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，可在电动汽车、风力发电等动力系统中应用。
所述导磁体10是由硅钢片叠制而成，所述非导磁体11为塑料，铝或陶瓷非导磁材料。
图示实例中，永磁体22为12对极，因此永磁体磁场极对数pPM为15对极，转子上的导磁体10和非导磁体11都为16块，根据公式pflux＝|Nr-pPM|，所述外定子电枢绕组21和内定子电枢绕组31可以设计为三相一对极，所述外定子电枢绕组21和内定子电枢绕组31则按照有效气隙磁通(有效励磁磁通)极对数为1的情况进行绕制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种双定子磁场调制型永磁电机，其特征在于：包括双边定子和转子，所述双边定子包括外定子(2)和内定子(3)，所述转子(1)与外定子(2)、内定子(3)之间具有气隙，
所述转子(1)呈圆环状，包括相间排列的导磁体(10)和非导磁体(11)；
所述外定子(2)包括外定子齿(20)、外定子电枢绕组(21)和径向充磁永磁体(22)，所述外定子电枢绕组(21)置于外定子(2)的槽内，所述永磁体(22)贴于外定子齿(20)的内表面，同一外定子齿(20)上相邻永磁体(22)的充磁方向相反；
所述内定子(3)包括沿圆周方向开槽的内定子齿(30)和置于内定子(3)槽内的内定子电枢绕组(31)，所述内定子(3)无永磁体；
所述外定子齿(20)与内定子齿(30)的数目为电机相数的整数倍；
所述外定子(2)和内定子(3)均有由安装于外定子齿(20)内表面的永磁体(22)提供励磁磁通，有效励磁磁通的极对数取决于永磁体(22)磁场极对数和导磁体(10)块数，并满足：
pflux＝|Nr-pPM|
其中pflux为电机有效励磁磁通的极对数，Nr为转子导磁体(10)块数，pPM为永磁体(22)磁场极对数，所述外定子电枢绕组(21)和内定子电枢绕组(31)按照电机有效励磁磁通的极对数进行绕制；
所述外定子(2)和内定子(3)的槽中设置双层电枢绕组，或者设置单层电枢绕组，所述外定子(2)和内定子(3)属于同相的电枢绕组串联组成一相绕组，或者并联组成外定子(2)和内定子(3)绕组，独立运行；每个外定子齿上贴有四块永磁体，且不同定子齿上相邻永磁体充磁方向相同。
2.根据权利要求1所述的双定子磁场调制型永磁电机，其特征在于：所述外定子(2)和内定子(3)的槽是闭口槽、开口槽或半开口槽。
3.根据权利要求1所述的双定子磁场调制型永磁电机，其特征在于：所述外定子电枢绕组(21)和内定子电枢绕组(31)为集中绕组、分数槽绕组或分布绕组构成的三相绕组。
4.根据权利要求1所述的双定子磁场调制型永磁电机，其特征在于：所述导磁体(10)是由硅钢片叠制而成，所述非导磁体(11)为塑料，铝或陶瓷非导磁材料。
5.根据权利要求1所述的双定子磁场调制型永磁电机，其特征在于：所述永磁体(22)为12对极，永磁体(22)磁场极对数pPM为15对极，转子上的导磁体(10)和非导磁体(11)都为16块。
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