CN105743235B - 高转矩低损耗永磁容错电机 - Google Patents

高转矩低损耗永磁容错电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高转矩低损耗永磁容错电机，包括混合定子和转子，气隙设置在混合定子和转子之间；所述混合定子包含齿端有小槽的定子齿、齿端没有小槽的定子齿，二者的齿身为平行齿，均垂直延伸至定子的轭部，所述齿端有小槽的定子齿齿端形成了若干个调制极，所述齿端没有小槽的定子齿的端部没有小槽，为结构简单的直齿，且二者之间设有定子槽，定子槽内嵌入有集中式的电枢绕组；转子的圆周内侧设置永磁体。本发明利用新型的混合定子结构，减小了永磁容错游标电机中调制极和永磁体的极对数，减小了永磁体的极间漏磁，提升了永磁体的利用率，减小了电机的损耗，使得电机在较小极对数的情况下达到高的转矩密度，同时一定程度上提升了电机的效率。

Description

高转矩低损耗永磁容错电机
技术领域
本发明涉及到永磁游标电机，特别是永磁容错游标电机，适用于要求高转矩密度、高可靠性的应用场合，属于新型电机制造技术领域。
背景技术
永磁游标电机是基于基本的磁齿轮磁场调制效应工作的一种新型特种电机，可以将高转速的电枢绕组产生的电枢磁场经过调制与低转速的永磁体旋转磁场相匹配。因而，具有大转矩密度的特点，非常适合于需要大转矩的轨道交通、船舶推进和电动汽车应用场合。然而传统的永磁游标电机采用的是分布式的电枢绕组，使得电机相间的电、磁、热以及物理的耦合较为严重，降低了电机相间的独立性，不利于电机的容错运行，限制了其在要求高可靠性的场合的应用。
中国发明专利申请号201210192651.6公开了一种容错式永磁游标电机，采用了单层集中式的绕组，绕组相间独立，解决了传统永磁游标电机相间耦合的问题，大大提升了电机的容错性能。中国发明专利申请号201510532041.X公开了一种有聚磁效应的内嵌式永磁容错型游标电机，该发明采用了辐向内嵌式切向充磁的永磁体，改善了传统表贴式径向充磁永磁体极间漏磁较大的问题，一定程度上提升了永磁体的利用率，增大了气隙磁密，提高了电机的功率密度。但是，以上发明中，游标电机的定子结构中均采用的是每个定子齿端部开一个小槽的传统定子结构，大大增加了游标电机中调制极的数目。同时，在游标电机中，为了获得较高的幅值的有效谐波磁场，调制极数等于绕组的极对数与永磁体的极对数之和。由此可见，在保持绕组极对数不变的情况下，调制极数的增加势必会导致永磁体极对数的增加，这就使得以上发明电机的永磁体极对数过高。由电机学基本知识可知，永磁体极对数过大，不可避免会增加永磁体的极间漏磁，降低了永磁体的利用率。中国发明专利申请号201510532041.X公开的一种有聚磁效应的内嵌式永磁容错型游标电机，通过采用了辐向永磁体，一定程度上改进了永磁体极间的漏磁，但是，由于其采用的传统的定子结构，其永磁体极对数仍然较高，永磁体的极间漏磁过大的问题仍然并没有从根本上得到解决。
另一方面，在以上发明中，传统定子结构，导致的电机中过高的永磁体极对数，势必会增大电机运行的电频率，使得电机的铁心损耗增大，降低了电机效率。
发明内容
本发明的目的是，针对现有永磁容错游标电机的不足，提出一种高转矩低损耗永磁容错电机，其采用新型的混合定子结构，大大降低了电机的调制极数和永磁体极对数，有效地抑制了永磁体的极间漏磁，提升了永磁体的利用率，从而提升了转矩密度。同时，由于永磁体极对数的减少，使得电机在一定转速下运行的电频率有所降低，减小了电机的铁心损耗，提高了电机的效率。
具体地说，本发明是采取以下的技术方案来实现的：高转矩低损耗永磁容错电机，包括混合定子和转子，气隙设置在混合定子和转子之间；
所述混合定子包含两种不同结构类型交替排列的定子齿，分别为齿端有小槽的定子齿、齿端没有小槽的定子齿，二者的齿身为平行齿，均垂直延伸至定子的轭部，与定子轭部相连，形成整体，所述齿端有小槽的定子齿端部具有一个或多个小槽，形成了若干个第一调制极，所述齿端没有小槽的定子齿的端部没有小槽,为结构简单的直齿，也具有调制磁场的作用，所述齿端有小槽的定子齿、齿端没有小槽的定子齿共同形成了若干个第二调制极，且二者之间设有定子槽，定子槽内嵌入有集中式的电枢绕组；转子的圆周内侧设置永磁体。
进一步，所述第一调制极的弧度与齿端没有小槽的定子齿的弧度比为0.5～1.5；齿端有小槽的定子齿的宽度与齿端没有小槽的定子齿的宽度比为0.8～1.2；第一调制极中槽口的弧度与齿端有小槽的定子齿、齿端没有小槽的定子齿间槽口的弧度比为0.6～1.4；永磁体的极弧系数为0.4～1.0。
进一步，所述永磁体的极对数与电枢绕组的极对数之和等于齿端有小槽的定子齿端部的小齿和齿端没有小槽的定子齿共同形成的若干个第二调制极的数目。
进一步，根据磁通路径不同，高转矩低损耗永磁容错电机能够设计为径向磁通型；根据需要电机可设计为任意相数。
进一步，所述永磁体的放置方式可以是表面式、内置式或混合式。
进一步，所述混合定子和转子部分由导磁材料制成，永磁体选用高磁能积的铷铁硼或者廉价的铁氧体永磁材料。
有益效果:
1.本发明中的混合定子结构大大减小了调制极数，使得电机在绕组极对数一定的情况下，减小了永磁体的极对数，有效地抑制了永磁体的极间漏磁，提升了永磁体的利用率，进而提高了电机的转矩密度；此外还有效地减小了电机在固定转速下运行的电频率，从而减小铁心损耗，提升了效率。
2.调制极的弧度与齿端没有小槽的定子齿的弧度比为0.5～1.5；齿端有小槽的定子齿的宽度与齿端没有小槽的定子齿的宽度比为0.8～1.2；调制极中槽口的弧度与齿端有小槽的定子齿、齿端没有小槽的定子齿间槽口的弧度比为0.6～1.4；永磁体的极弧系数为0.4～1.0；上述参数的设置经过大量的仿真验证，一方面使得电机漏磁得到了有效地降低，增大了有效的贡献转矩的气隙磁密分量的幅值；另一方面电机中齿端不具有小槽的定子齿很好地隔离了匝链到各相绕组中磁链，增强了各相绕组的独立性，表明了本发明实施例电机具有较高的容错性能。
3.本发明中的集中式的绕组结构，增强了各相绕组间的独立性，提升了电机的容错性能。
附图说明
图1为本发明实施例电机的结构示意图。
图2为传统永磁容错游标电机的结构示意图。
图3为本发明实施例电机与传统永磁容错游标有效空载永磁气隙磁密谐波分量对比图。
图4为本发明实施例电机与传统永磁容错游标电机损耗对比图。
图5为本发明实施例电机永磁体单独作用时的磁场分布图。
图6为本发明实施例电机一相电枢绕组单独作用时的磁场分布图。
图中：1、定子，11、齿端有小槽的定子齿，12、齿端没有小槽的定子齿，13、调制极，2、转子，21、永磁体，3、电枢绕组，4、气隙。
具体实施方式
下面以一个具体的五相电机，参照附图，对本发明电机的结构特点和有益效果进行详细描述。
如图1所示，本发明公开了定子永磁容错游标电机，包括混合定子1和转子2，气隙设置在混合定子1和转子2之间；所述混合定子1包含两种不同结构类型交替排列的定子齿，分别为齿端有小槽的定子齿11、齿端没有小槽的定子齿12，二者的齿身为平行齿，均垂直延伸至定子的轭部，与定子轭部相连，形成整体，所述齿端有小槽的定子齿11端部具有一个或多个小槽，形成了若干个第一调制极13，所述齿端没有小槽的定子齿12的端部没有小槽,为结构简单的直齿，也具有调制极调制磁场的作用，所述齿端有小槽的定子齿11、齿端没有小槽的定子齿12共同形成了若干个第二调制极，且二者之间设有定子槽，定子槽内嵌入有集中式的电枢绕组3；转子2的圆周内侧设置永磁体21。
为了清楚阐述本发明的具体实施方式，下面将结合附图中的五相电机对本发明加以说明，可以看到，定子上2两种类型的定子齿结构，有10个齿端没有小槽的定子齿12和10个齿端有一个小槽的定子齿11，合计20个定子齿；外转子内壁表贴有42块相邻极性相反，径向充磁的永磁体21；电枢采用的是单层集中式绕组3缠绕在齿端有1个小槽的定子齿11上，电枢绕组的极对数为9；值得注意的是，在本发明中齿端没有小槽的定子齿也具有磁场调制的作用，因而，总的调制极数为30，这样，在本发明实施例中，永磁体21的极对数21与电枢绕组极对数9的和为30等于调制极数，满足游标电机中调制关系。
图2为传统永磁容错电机结构，定子上只有一种类型的齿端有小槽的定子齿11结构，为20个齿端有一个小槽的定子齿11，每个齿端分裂成的2个小齿，共形成40个调制极；外转子内壁表贴有62块相邻极性相反，径向充磁的永磁体21；电枢采用的是单层集中式绕组3，电枢绕组的极对数为9；这样，在传统永磁容错游标电机中，永磁体的极对数31与电枢绕组极对数9的和为40等于调制极数，满足游标电机中调制关系。
图3比较了传统永磁容错电机和本发明实施例电机的空载永磁气隙磁密的谐波分量。如图所示，本发明实施例电机有效的21次谐波分量大于传统永磁容错游标电机有效的31次谐波分量，本发明实施例电机调制出的9次谐波分量也大于传统永磁容错游标电机调制出的9次谐波分量，表明了在本发明实施例电机中，由于其较少的调制极数和永磁体极对数，其漏磁得到了有效地降低，增大了有效的贡献转矩的气隙磁密分量的幅值。
图4比较了传统容错电机和本发明实施例电机，在相同转速600r/min，铜耗90W情况下的电机的铁心损耗和永磁体涡流损耗。如图所示，本发明实施例电机的铁心损耗大大降低了，而永磁体涡流损耗相比于传统永磁容错略有增加，但是，发明实施例电机总的损耗仍然低于传统永磁容错电机，表明发明实施例电机在具有较小的损耗的优点，经计算可得，此时，本发明实施例电机的效率明显高于传统永磁容错游标电机，表明了本发明实施例电机具有更高的效率。
图5和图6分别为本发明实施例电机在永磁体单独作用和一相绕组单独作用时的磁场分布图。如图所示，在本发明实施例电机中齿端不具有小槽的定子齿很好地隔离了匝链到各相绕组中磁链，增强了各相绕组的独立性，表明了本发明实施例电机具有较高的容错性能。
综上，本发明中的混合定子结构大大减小了调制极数，使得电机在绕组极对数一定的情况下，减小了永磁体的极对数，有效地抑制了永磁体的极间漏磁，提升了永磁体的利用率，进而提高了电机的转矩密度。此外，减小的永磁体的极对数，有效地降低了电机在固定转速下运行的电频率，从而减小电机的铁心损耗，提升了效率。最后，集中式的绕组结构与混合定子结构，增强了各相绕组间的独立性，提升了电机的容错性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.永磁容错电机，其特征在于：包括混合定子(1)和转子(2)，气隙(4)设置在混合定子(1)和转子(2)之间；
所述混合定子(1)包含两种不同结构类型交替排列的定子齿，分别为齿端有小槽的定子齿(11)、齿端没有小槽的定子齿(12)，二者的齿身为平行齿，均垂直延伸至定子的轭部，与定子轭部相连，形成整体，所述齿端有小槽的定子齿(11)端部具有一个或多个小槽，形成了若干个第一调制极(13)，所述齿端没有小槽的定子齿(12)的端部没有小槽,为结构简单的直齿，也具有调制磁场的作用，所述齿端有小槽的定子齿(11)、齿端没有小槽的定子齿(12)共同形成了若干个第二调制极，且二者之间设有定子槽，定子槽内嵌入有集中式的电枢绕组(3)；转子(2)的圆周内侧设置永磁体(21)。
2.根据权利要求1所述的永磁容错电机，其特征在于：所述第一调制极(13)的弧度与齿端没有小槽的定子齿(12)的弧度比为0.5～1.5；齿端有小槽的定子齿(11)的宽度与齿端没有小槽的定子齿(12)的宽度比为0.8～1.2；第一调制极(13)中槽口的弧度与齿端有小槽的定子齿(11)、齿端没有小槽的定子齿(12)间槽口的弧度比为0.6～1.4；永磁体(21)的极弧系数为0.4～1.0。
3.根据权利要求1所述的永磁容错电机，其特征在于：所述永磁体(21)的极对数与电枢绕组(3)的极对数之和等于齿端有小槽的定子齿(11)端部的小齿和齿端没有小槽的定子齿(12)共同形成的若干个第二调制极的数目。
4.根据权利要求1所述的永磁容错电机，其特征在于：根据磁通路径不同，永磁容错电机能够设计为径向磁通型；根据需要电机可设计为任意相数。
5.根据权利要求1所述的永磁容错电机，其特征在于：所述永磁体(21)的放置方式是表面式、内置式或混合式。
6.根据权利要求1所述的永磁容错电机，其特征在于：所述混合定子(1)和转子(2)由导磁材料制成，永磁体(21)选用高磁能积的铷铁硼或者廉价的铁氧体永磁材料。
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Application publication date: 20160706

Assignee: Dongtai tepusong Machinery Equipment Co.,Ltd.

Assignor: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023980043158

Denomination of invention: High torque and low loss permanent magnet fault-tolerant motor

Granted publication date: 20180424

License type: Common License

Record date: 20231012

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Application publication date: 20160706

Assignee: Dongtai Donggao Electronic Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023980045160

Denomination of invention: High torque and low loss permanent magnet fault-tolerant motor

Granted publication date: 20180424

License type: Common License

Record date: 20231102

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Application publication date: 20160706

Assignee: Dongtai Gaoxin Mechanical Equipment Co.,Ltd.

Assignor: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023980046304

Denomination of invention: High torque and low loss permanent magnet fault-tolerant motor

Granted publication date: 20180424

License type: Common License

Record date: 20231110

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20160706

Assignee: Jiangsu sairuibo CNC Machine Tool Co.,Ltd.

Assignor: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980008542

Denomination of invention: High torque low loss permanent magnet fault-tolerant motor

Granted publication date: 20180424

License type: Common License

Record date: 20240702

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Application publication date: 20160706

Assignee: Spike (Dongtai) Equipment Manufacturing Co.,Ltd.

Assignor: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980008872

Denomination of invention: High torque low loss permanent magnet fault-tolerant motor

Granted publication date: 20180424

License type: Common License

Record date: 20240704

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
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Application publication date: 20160706

Assignee: Dongtai Expedition New Building Materials Co.,Ltd.

Assignor: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980012644

Denomination of invention: High torque low loss permanent magnet fault-tolerant motor

Granted publication date: 20180424

License type: Common License

Record date: 20240821

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Application publication date: 20160706

Assignee: Yancheng Zhenglong electric heating technology Co.,Ltd.

Assignor: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980012864

Denomination of invention: High torque low loss permanent magnet fault-tolerant motor

Granted publication date: 20180424

License type: Common License

Record date: 20240823

Application publication date: 20160706

Assignee: DONGTAI LYVHUA PLASTIC WOOD TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980012821

Denomination of invention: High torque low loss permanent magnet fault-tolerant motor

Granted publication date: 20180424

License type: Common License

Record date: 20240823

Application publication date: 20160706

Assignee: Dongtai Hongsheng Magnetic Industry Co.,Ltd.

Assignor: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980012815

Denomination of invention: High torque low loss permanent magnet fault-tolerant motor

Granted publication date: 20180424

License type: Common License

Record date: 20240823