CN105406669A - 一种多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机，该永磁电机包括依次在轴向方式上交错设置的若干定子和若干转子.其中永磁电机的两端为两个表贴式永磁转子，其余转子为内嵌式永磁转子；若干定子结构尺寸相同，双边开槽并采用环形绕组，沿圆周方向上相对于其上一个定子依次偏移半个槽距机械角度。按照本发明实现的多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机，能够在保留了磁场调制电机的优良性能的基础上，综合性地解决了磁场调制电机转矩密度受限和功率因数较低的固有问题。

Description

一种多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机

技术领域

本发明属于直驱电机领域，更具体地，涉及一种多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机。

背景技术

近年来，永磁牵引电机凭借其高效率、高功率密度、强过载能力等优点，受到研究人员的广泛关注。德国、法国、日本和韩国等国家均已开展了研究工作，部分已进入工程化和商业化推广应用阶段。然而，由于直驱牵引系统需要电机在有限的体积内达到高转矩输出，其在转矩密度与电机发热的问题上仍存挑战。与常规电机相比，磁场调制永磁电机可以大幅度提高转矩密度，在直驱牵引系统中具有良好的应用前景。但是由于磁场调制电机定子极数少(通常设计为四极或六极)，其绕组端部一般较长，铜耗高，且综合转矩密度的指标严重受限于端部绕组长度。与此同时，由于磁场调制电机的漏磁较多,常规设计的功率因数仅有0.3-0.4，而多数应用场合，如轨道交通、船舶推进等直驱牵引对电机的功率因素多有较高要求。

发明内容

本发明在磁场调制电机的基础上，借助轴向磁通拓扑灵活的定、转子排布和转子磁钢阵列的合理布局，大幅度降低磁钢漏磁，从而将电机功率因数提升至合理水平；将环形绕组与轴向双开槽定子铁芯的巧妙结合，降低铜用量和铜耗，从根本上解决端部绕组过长的问题。

本发明公开了一种多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机，其特征在于，该永磁电机包括依次在轴向方式上交错设置的若干定子和若干转子，其中所述永磁电机的两端为两个表贴式永磁转子，其余所述转子为内嵌式永磁转子，所述若干定子结构尺寸相同，双边开槽并采用环绕所述径向方向的环形绕组，沿所述轴向方向上相对于其上一个所述定子依次偏移半个槽距机械角度。

进一步地，所述定子的数量至少为两个。

进一步地，所述若干个转子同轴连接，通过转子轴输出机械能；所述若干定子通过同一电端口连接外部电源。

进一步地，所述若干转子的极对数为n，所述若干定子的槽数为q，所述若干定子的电枢磁场极对数为p，则n、p、q满足如下关系式：q＝p+n。

按照本发明实现的多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机，电机运行时，转子的多极磁场首先经过定子齿调制形成少极磁场，随后依据该少极磁场的极数向定子绕组外加匹配的电势，使得电枢磁场基波与调制后的永磁体磁场基波具有相同的极数与转速，进而使得电机能产生稳定的转矩输出。采用多盘轴向结构可大大提高理论转矩密度，通过定子排布优化和转子磁钢阵列的合理排布，可大幅度减小极间漏磁和主磁路磁阻，提高磁场调制电机的功率因数。通过多盘结构，在定子使用环形绕组并且在定子两侧均布置转子，可充分利用绕组两侧磁场，解决端部绕组过长问题的同时大大提高了绕线利用率，降低了用铜量及铜耗。

通过多气隙轴向磁通结构和磁场调制电机的有机结合，本发明在保留了磁场调制电机的优良性能的基础上，综合性地解决了磁场调制电机转矩密度受限和功率因数较低的固有问题，作为一种重物起吊、轨道交通、船舶推进等直驱牵引场合用的高转矩密度直驱电机具有很好的发展潜力。

附图说明

图1(a)为按照本发明实现的实施例一五盘轴向磁通-磁场调制永磁电机结构示意图，(极比为5:1)；

图1(b)为按照本发明实现的一种轴向磁通-磁场调制永磁电机结构爆炸示意图；

图2为按照本发明实现的永磁电机中的内转子结构示意图；

图3为按照本发明实现的实施例一中的永磁电机的剖面结构示意图；

图4(a)为按照本发明的实施例一中的永磁电机运行时磁力线分布图，其中两定子齿为对齐设置，(极比为11:1)；

图4(b)为按照本发明的实施例一中的永磁电机运行时磁力线分布图，其中两定子齿在圆周上相差半个槽距机械角度结构；(极比为11:1)；

图5为按照本发明的实施例一种的永磁电机中的定子结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1—转子Ⅰ2—定子Ⅰ3—转子Ⅱ4—定子Ⅱ5—转子Ⅲ

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出将磁场调制机理和多气隙的轴向磁通拓扑结构有机结合，建立多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机的概念。通过采用轴向磁通拓扑结构与环形绕组结合，提升了电机转矩密度，降低了端部长度。同时，通过合理的拓扑结构设计，提高了电机的功率因数，改善了电机性能。

图1所示为本发明中的实施例一的实现示意图，其中按照本实施例，采用五盘式结构为例，该电机具有两个定子和三个转子，其中该两个定子和三个转子在轴向方向上排布设置，并且采用两个转子之间设置定子的排布方式。

如图1、3中所示，该电机在轴向方向上依次包括转子Ⅰ1，定子Ⅰ2，转子Ⅱ3，定子Ⅱ4以及转子III5组成。其中定子Ⅰ2和定子Ⅱ4结构以及尺寸一致，采用环形绕组和轴向双开槽定子铁芯，两定子在在径向方向上相差半个槽距机械角度放置。

转子Ⅰ1和转子III5采用磁钢表贴式结构分别置于两定子外侧，转子Ⅱ3采用内嵌永磁磁极置于两定子之间，其中如图2所示，按照本实施例实现的转子Ⅱ3的结构示意图，其中转子III5为表贴磁钢式转子。

三个转子极数相同但不同于定子极数，电机各定子绕组通过同一电端口与外部电源连接，各转子机械上同轴连接同一转轴，转轴直接与外部负载相连，如绞盘、车轮、螺旋桨。

在本实施例中，设所有转子极对数为n，所有定子槽数为q，所有定子电枢磁场极对数为p，则n、p、q满足如下关系式：

q＝p+n(1)

由此可知，在选择极对数时，与常规非磁场调制电机不同，只需要满足定子电枢磁场的极对数与永磁转子磁场极对数之和等于定子槽数即可，定子电枢磁场极对数与永磁转子磁场极对数无需相同。该结构使得电机能够实现仅依靠电磁结构的变极，进而实现低速大转矩的工作特点。

因定子槽起到磁场调制电机中调制环的作用，调制环的转速Ω₂＝0。根据磁场调制电机原理，该永磁电机结构中的所有定子旋转磁动势转速Ω₁和永磁电机结构中的所有转子转速Ω₃满足：

$\frac{{\mathrm{\Ω}}_3}{{\mathrm{\Ω}}_1}=-\frac{p}{n}---\left(2\right)$

式(2)中的负号表示定转子的磁场旋转方向相反。通常取定子电枢磁场的极对数p远小于转子极对数n，一般相差一个数量级左右，所以转子转速Ω₃较慢且与定子电枢磁场转速Ω₁成正比。并且按照本发明实施的永磁电机可通过调节输入电势的频率改变电机输出转速。

根据力矩平衡和功率平衡原理，所有定子电枢的电磁转矩T₁、定子槽受力矩T₂、转子输出力矩T₃需满足：

T₁+T₂+T₃＝0(3)

T₁Ω₁+T₂Ω₂+T₃Ω₃＝0(4)

已知Ω₂＝0，结合式(1)、(2)、(3)、(4)可得

$\frac{T_1}{T_3}=\frac{p}{n}---\left(5\right)$

T₂＝-(T₁+T₃)(6)

式(6)中的负号表示方向相反，已知所有定子电枢磁场的极对数p远小于转子极对数n，再结合式(2)、(5)可知五盘轴向磁通-磁场调制永磁电机具有低速大转矩的输出特性，具有较大的转矩密度，符合重物起吊、轨道交通、船舶推进等直驱牵引场合用的高密度直驱电机需求。

普通的轴向电机存在绕组端部过长，铜线利用率不高的现象。相比之下，图1所示五盘轴向磁通-磁场调制永磁电机的定子，其结构如图5所示，在定子轭两侧均有开槽，采用环形绕组，绕组两边分别置于相对的两定子槽内，在定子两侧均产生旋转电枢磁场，并且都通过磁场调制后作用于转子实现功率输出，这种结构很好地解决了端部绕组过长问题，极大地提高了绕线利用率，降低了用铜量和铜耗。

传统的双定子型轴向电机多采用对称结构即两定子的齿槽相互对齐，如图4(a)所示；而本发明实现多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机的相邻各定子间圆周方向上相差半个槽距机械角度如图4(b)所示。根据“磁阻最小原理”即磁通总是沿磁导最大路径闭合，图4(b)所示定子排布方式提供了定子之间的定子齿磁路，取代了每个定子自身的定子齿回路。其中上述图中的极比设置为11:1，通过对比图4(a)(b)所示的磁路，同样的电机设计及外部条件下，定子错位排布方式大大减小了主磁路上的磁阻，进而能增大主磁通，减小漏磁通，并提高功率因数和转矩密度。

传统电机中转子使用励磁绕组励磁，在运行中绕组发热严重且冷却困难，而且绕组端部在旋转过程中很容易造成振动噪声。本发明所述多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机中，所有的转子使用永磁体，不使用绕组励磁，可以很好解决上述问题。

如图1所示，本发明所述多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机的内转子(即处于两定子之间的转子，如图1中转子Ⅱ)为内嵌式永磁体结构。相比较双边表贴式永磁体结构，内嵌式永磁体结构可以提供轴向贯穿整个转子及转子两侧气隙磁路，实现上述定子之间的闭合定子齿磁路，达到减小主磁路上磁阻的目的。

另外，除了按照本发明上述实施例一中的实施方式设置为五盘电机的方式，在实际的操作过程中，可以采用更多的定子和转子交错排布的方式，并不仅仅设置为五盘，若采用更多的轴向叠加排布的设置方式，从理论设计而言盘数不存在上限，但随着盘数的增多，加工制造难度、制造成本都会随之增加，设计者可权衡后自行决定盘数。本实施例中拓扑结构的基本单元为五盘结构，即两定子三转子，后续可根据设计需求扩展此结构，增加定子与内置转子的盘数。增加盘数时需按照定转子盘数同时加一的原则，即增加一个定子需同时增加一个内置转子。一个定子盘，定子盘与气隙及一个内嵌式转子盘可组合在一起视为一个可扩展单元。

按照本发明的永磁电机的设计步骤如下：

1、依据用户的设计需求确定电机的电磁负荷及热负荷，定电机相数，特别的在本发明所述电机中需要确定电机盘数，盘数为大于等于五的奇数；

2、选择合适的极槽配合：本结构极槽配合的设计重点为磁场调制部分的极槽配合设计。说明书附图中图1和图3分别给出一套可行方案：(1)图1：定子电枢磁场极对数p＝4,定子槽数q＝24,永磁转子磁场极对数n＝20；(2)图3：定子电枢磁场极对数p＝2,定子槽数q＝24,永磁转子磁场极对数n＝22，根据用户需求不同，在定子的电枢磁场极对数p、定子槽数q和永磁转子磁场极对数n需满足式(1)的情况下，q一定时，若需较大转矩，则可选择相对较小的p，若对功率因数有较高要求，则可选择相对较大的p；

3、尺寸估计：根据用户需求结合现有电机设计的尺寸公式估计电机尺寸，估计值一般与仿真有一定误差，故仅作为仿真的初始方案，后续将不断调整设计尺寸；

4、优化设计方案：以尺寸估计的结果作为初始方案，在保证电机几何尺寸重量等不超出用户接受范围的条件下，针对电压、电流、转矩及功率因数等电磁性能要求对电机尺寸不断微调，直至满足用户需求；

5、设计样机，测试性能。

综上，本发明公开的多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机不但具有传统磁场调制永磁电机的优点，如转矩密度高、转矩脉动低、反电动势谐波小等以外，通过采用多气隙轴向拓扑结构及定转子的合理排布和参数优化，本发明综合性解决了磁场调制永磁电机固有的缺陷，大大降低了绕组端部，提升了电机功率因数并同时提高了铜线利用率，减少了铜耗。本发明所采用的电机拓扑结构满足重物起吊、轨道交通、船舶推进等直驱牵引场合用的直驱牵引电机低速大转矩的需求且有着很好的性能，具有很好的发展前景。

本领域的技术人员容易理解，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 (5)

1.一种多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机，其特征在于，该永磁电机包括依次在轴向方式上交错设置的若干定子(2，4)和若干转子(1，3，5)，其中所述永磁电机的两端为两个表贴式永磁转子(1，5)，其余所述转子(3)为内嵌式永磁转子，所述若干定子(2，4)结构尺寸相同，双边开槽并采用环绕所述径向方向的环形绕组，沿所述轴向方向上相对于其上一个所述定子依次偏移半个槽距机械角度。

2.如权利要求1所述的多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机，其特征在于，所述定子的数量至少为两个，可根据需求不断增加。

3.如权利要求1或2所述的多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机，其特征在于，所述若干个转子同轴连接，通过转子轴输出机械能；所述若干定子通过同一电端口连接外部电源，提供电能。

4.如权利要求3所述的多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机，其特征在于，所述内嵌式永磁转子的结构为盘式转子轭沿径向开孔，磁钢辐条阵列内嵌于所述转子轭中。

5.如权利要求4所述的多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机，其特征在于，所述若干转子的极对数为n，所述若干定子的槽数为q，所述若干定子的电枢磁场极对数为p，则n、p、q满足如下关系式：q＝p+n。