CN105071620B - 一种有聚磁效应的内嵌式永磁容错型游标电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有聚磁效应的内嵌式永磁容错型游标电机，包括：同轴的外转子和内定子；内定子上有交替间隔的电枢齿容错齿，两者采用不等齿宽以最大程度上增大槽面积；电枢齿上绕有单层集中绕组，内定子中径向相对两齿上的集中绕组串联为一相；所有齿上开有小槽，形成等宽的调制极，槽口、小槽与调制极三者宽度不等；外转子中嵌有N、S极交替的幅向钕铁硼永磁材料并采用切向充磁，减小了转子上的永磁体漏磁，降低了转子铁耗。一方面减小了稀土永磁体的用量，降低了制造成本，提高了永磁体的利用率，另一方面增大了气隙磁密，提升了电机的功率密度。

Description

一种有聚磁效应的内嵌式永磁容错型游标电机

技术领域

本发明涉及电工、电机领域，特指一种有聚磁效应的内嵌式永磁容错型游标电机。

背景技术

直接驱动技术受到越来越多的关注，成为当前电机领域的研究热点之一。不同于其他驱动系统，高性能的电机作为直接驱动技术的核心，除了需要有高功率密度和高效率外，低速大转矩能力以及系统的高可靠性也是必不可少的。

过去的几十年中，永磁电机以其固有的结构坚固、功率密度高和效率高等优势而极具吸引力。近些年来，为提高电机可靠性，通过采用单层分数槽集中绕组以及多相结构等方法而兴起的永磁容错电机也越来越受到广泛关注。与此同时，一种基于“磁齿轮效应”高转矩密度的新型永磁游标电机也开始进入人们视野。

游标电机通过在定子结构上引入调制极，对高速旋转的电枢绕组磁场以及低速旋转的外转子永磁体磁场进行有效调制，可以在定子电枢极数和槽数较少的情况下实现低速大转矩运行能力。同时在电机中采用多相结构、分数槽集中绕组以及加入容错齿，又可以使得游标电机的高可靠性得到保证。一股的表贴式永磁游标电机，存在稀土永磁材料用量较多，相邻N极和S极永磁体之间漏磁严重，稀土永磁体利用率较低等弊端。同时，其转子上铁耗较大，不便于冷却，易引起温度升高而有损材料性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有表贴式永磁游标电机中稀土永磁材料用量较多、相邻永磁体极间漏磁严重以及转子上铁耗较大的问题而提出的一种有聚磁效应的内嵌式永磁容错型游标电机。

本发明采用的技术方案是：一种有聚磁效应的内嵌式永磁容错型游标电机，包括同轴的外转子和内定子；所述外转子中沿着周向均匀嵌有N、S极交替切向充磁的幅向钕铁硼永磁材料；所述内定子包括宽度不等的且沿着电机圆周间隔分布的电枢齿和容错齿，电枢齿上绕有单层集中绕组，径向相对两齿上的集中绕组串联成一相绕组，五相绕组在10个电枢齿上呈顺时针A、D、B、E、C分布；电枢齿与容错齿的齿端开槽形成等宽的调制极，每两个调制极之间是间隔分布的槽口和小槽，小槽、槽口和调制极三者的高度相同，宽度互不相等。

进一步，所述小槽对应到圆心的角度θ₁、调制极对应到圆心的角度θ₂、槽口对应到圆心的角度θ₃，满足关系式：θ₁≠θ₂≠θ₃；且每个电枢齿和容错齿上小槽的宽度相等，深度也相同。

进一步，在保证各调制极宽度相等的条件下，所述θ₁、θ₂、θ₃满足关系式：θ₁+2θ₂+θ₃＝18°；θ₃取值设定为4°，所述θ₁取值范围为4.9°～5°。

进一步，所述小槽深度d的范围为1.8mm～2.2mm。

进一步，所述调制极在内定子圆周上形成等宽非均匀分布。

通过增大调制极宽度并优化槽深减小了电机的齿槽转矩，且优化至某一特定值时电机的输出转矩最大。

进一步，所述钕铁硼永磁材料为N、S极交替排列的矩形钕铁硼永磁材料。通过幅向排列永磁体用量更少。外转子中的幅向内嵌式永磁体采用切向充磁，产生了一定聚磁作用，提升了气隙磁密以及电机的输出转矩。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中N、S极交替排列的幅向矩形钕铁硼永磁材料嵌于外转子内，减小了外转子上钕铁硼的用量以及相邻永磁体极间的漏磁磁通，提高了稀土永磁材料的利用率，降低了电机的制造成本。

2、本发明中外转子内的永磁体采用切向充磁产生聚磁效果，在不增大电机体积的前提下，进一步增大了气隙磁密，提升了电机的输出转矩；本发明中外转子内嵌入幅向钕铁硼永磁材料结合采用切向充磁方式，大大减小了外转子上的铁耗，一定程度上提升了电机的效率。

3、本发明中所有定子齿上开有小槽，形成等宽的调制极，定子圆周采用非均匀分布以增大调制极宽度，通过对小槽宽度结合其深度的共同优化，当小槽宽度优化至一定范围时，可以有效减小电机齿槽转矩，并提升输出转矩，使得同样的低转速下能得到更大的功率密度。

附图说明

图1是本发明结构简图；

图2是原有永磁游标电机结构简图；

图3是电机定子局部放大图；

图4是本发明输出转矩随θ₁变化曲线；

图5是原有游标电机空载磁场分布图；

图6是本发明空载磁场分布图；

图7是本发明与原有游标电机输出转矩对比图；

图8是本发明与原有游标电机各部分损耗对比图；

图1-8中：1-外转子；2-内定子；3-电枢齿；4-容错齿；5-集中绕组；6-调制极；7-槽口；8-小槽；9-钕铁硼永磁材料。

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。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1，本发明包含外转子1和内定子2，且定、转子同轴；所述内定子2包括宽度不等的电枢齿3和容错齿4，电枢齿3上绕有单层集中绕组5，径向相对两齿上的集中绕组串联成一相绕组，五相绕组在定子10个电枢齿3上呈A、D、B、E、C顺指针分布；齿端开槽形成等宽的调制极6，每两个调制极6之间是间隔分布的槽口7和小槽8，小槽8、槽口7和调制极6三者的高度相同，宽度互不相等，转子中嵌有N、S极交替的幅向钕铁硼永磁材料并采用切向充磁。

参照图1、2、3，图3中所标注的θ₁、θ₂、θ₃分别为图1、图2中小槽8、调制极6和槽口7所对应到圆心的角度，d为小槽8深度，且每个齿上小槽8的宽度相等，深度也相同。在原有永磁游标电机(图2)中，定子齿上调制极6在定子圆周形成等宽均匀分布，亦即θ₁＝θ₂＝θ₃；而在本发明(图1)中，定子齿上调制极6在定子圆周形成非均匀分布，小槽8的宽度、槽口7的宽度和调制极6的宽度三者互不相等，亦即θ₁≠θ₂≠θ₃。在保证各调制极6宽度相等的条件下，对θ₁的大小进行优化，由于圆周对应的总角度一定，各定子齿分得的角度也一定，即θ₁+2θ₂+θ₃＝18°(20个定子齿均分圆周，每个定子齿分得角度为18°)。考虑到加工样机是绕组的放置，θ₃取值不能过小，在本电机中设定为4°，仅对θ₁进行优化，θ₂自然也会随之变化。如图4所示为输出转矩随θ₁取值不同的变化曲线，保持电机转速、电流等其他参数不变，输出转矩先随θ₁的增大而增大，达到一个最高点后，开始随θ₁的增大而减小，可见θ₁有一个使得输出转矩较大的区间，而这个区间在本电机中为4.9°～5°，区别于传统游标电机中采用的调制极6等分定子圆周所得到的角度。此外，通过对小槽深度d的优化，得出在本发明中使得电机转矩最大的d的范围为1.8mm～2.2mm。结合对小槽宽度与深度的优化，改善了电机的磁通路径，有效减小了电机的齿槽转矩并提升了输出转矩。

附图5、6分别为原有永磁游标电机与本发明中电机的空载磁场分布图，图中放大部分还标注出了两电机中部分永磁体的充磁方向。两图放大部分的磁力线分布清楚地表明：由于本发明采用具有聚磁效应的幅向内嵌式永磁体结构，一方面有效减少了外转子上永磁体的极间漏磁，提高了稀土永磁材料的利用率；另一方面，有效增加了进入定子齿内的磁力线数，进一步增大了磁密。

参照图7，原有永磁游标电机的平均输出转矩26.8Nm，而本发明的输出转矩平均值38.9Nm，相比于原有电机提升了45.1％，转矩提升幅度很大。通过比较两者输出转矩波形的平滑度也能明显看出，本发明具有更小的转矩脉动，转矩输出更为平稳。

图8为本发明与原有游标电机各部分损耗的对比图，从图中可以看出，两者的永磁体涡流损耗大小相当，而本发明转子上的铁耗要远小于原有电机中的转子铁耗。虽然原有电机的定子铁耗明显小于本发明的定子铁耗，且总损耗也比本发明的总损耗小，但考虑到实际运行中的冷却处理，不管采用哪种冷却方式，转子的散热肯定要比定子的散热困难得多，相比于定子铁耗的减小，转子损耗的减小有更大的意义，因此本发明在损耗方面的表现也是优大于劣。此外，虽然本发明的总损耗相比于原有电机有所提升，但由于本发明输出功率的大大提高，因而最终算得的电机效率也高于原有电机，从原来的92.1％提升到了94.1％。本发明采用的容错齿和集中绕组结构保证了电机的高可靠性，另外，外转子1采用幅向内嵌式钕铁硼永磁材料9，并将永磁体切向充磁以获得聚磁效应，在减少了18.4％的稀土永磁材料的情况下，结合对游标电机的定子齿小槽8宽度的优化，节约电机制造成本、提高电机输出稳定性的同时又大大提升了电机的功率密度，使得永磁游标电机更能满足直接驱动系统的要求。

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。

以上对本发明所提供的一种有聚磁效应的内嵌式永磁容错型游标电机并对此进行了详细介绍，本文应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种有聚磁效应的内嵌式永磁容错型游标电机，包括同轴的外转子(1)和内定子(2)；

所述外转子(1)中沿着周向均匀嵌有N、S极交替切向充磁的幅向钕铁硼永磁材料(9)；

所述内定子(2)包括宽度不等的且沿着电机圆周间隔分布的电枢齿(3)和容错齿(4)，电枢齿(3)上绕有单层集中绕组(5)，径向相对两齿上的集中绕组串联成一相绕组，五相绕组在10个电枢齿(3)上呈顺时针A、D、B、E、C分布；电枢齿(3)与容错齿(4)的齿端开槽形成等宽的调制极(6)，每两个调制极(6)之间是间隔分布的槽口(7)和小槽(8)，小槽(8)、槽口(7)和调制极(6)三者的高度相同，宽度互不相等；

所述小槽(8)对应到圆心的角度θ₁、调制极(6)对应到圆心的角度θ₂、槽口(7)对应到圆心的角度θ₃，满足关系式：θ₁≠θ₂≠θ₃；且每个电枢齿(3)和容错齿(4)上小槽(8)的宽度相等，深度也相同；

所述调制极(6)在内定子圆周上形成等宽非均匀分布；

所述钕铁硼永磁材料(9)为N、S极交替排列的矩形钕铁硼永磁材料(9)；

在保证各调制极(6)宽度相等的条件下，所述θ₁、θ₂、θ₃满足关系式：θ₁+2θ₂+θ₃＝18°；θ₃取值设定为4°，所述θ₁取值范围为4.9°～5°。

2.根据权利要求1所述的一种有聚磁效应的内嵌式永磁容错型游标电机，其特征在于：所述小槽的深度的范围为1.8mm～2.2mm。