CN107425626A - 一种内置式切向励磁游标永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置式切向励磁游标永磁电机，其包括定子铁心，定子绕组，转子铁心以及永磁体。其中，定、转子铁心均呈圆筒状，定子铁心内表面开有开口槽，槽内放置定子绕组；转子铁心外表面开有槽，槽内放置切向励磁的永磁体，相邻永磁体励磁方向相反，永磁体之间为铁心构成的磁极，相邻磁极的极性相反，磁极极对数为定子齿数与定子绕组极对数的和或差。在某一极性的所有磁极铁轭下均布置有连接桥，通过连接桥与转子轭将该极性的磁极相连。相比现有的表贴式游标永磁电机，本发明具有转矩密度高、功率因数高的优点，适用于需要低速大转矩的风力发电等领域。

Description

一种内置式切向励磁游标永磁电机

技术领域

本发明属于永磁电机领域，更具体地，涉及一种内置式切向励磁游标永磁电机。

背景技术

在风力发电、船舶推进以及智能机器人等领域，由于体积与重量的限制，其驱动电机往往追求高转矩密度，同时在这些领域中，驱动电机的转速较低，因此低速大转矩成为了这一类电机的首要要求。游标永磁电机由于具有这些特点，在这一类应用领域具有极大的应用潜力，从而被广泛研究。

从结构上说，游标永磁电机与普通永磁电机一样，都具有定子与转子，永磁体均位于转子上，然而，游标永磁电机的定子槽为开口槽，且转子极对数P_r为定子绕组极对数P_w与定子槽数P_s的和或差，也就是

P_r＝P_s±P_w (1)

在工作原理上，根据磁场调制原理，转子磁场经过定子齿的调制作用，可以产生两个主要的工作磁场谐波，它们的极对数分别是P_w与P_r。由于一般P_w的值较小，P_r的值较大，因此游标电机依靠一个多极与一个少极磁场工作。相比普通永磁电机，游标电机的工作磁密谐波多出了一个P_w对极的少极磁场，这也是游标电机转矩密度高的主要原因。

游标电机的定、转子满足磁场调制原理，在电机空载运行时，会产生两个工作磁场，前者的极对数与转子磁钢相同，后者的极对数与定子绕组相同，游标永磁电机的转子结构一般直接采用普通永磁电机中已有的结构，比如表贴式磁钢结构以及交替极磁钢结构等，均可以直接运用于游标永磁电机中，图1为传统表贴式游标永磁电机的基本结构。内置式切向励磁结构具有励磁能力强的优点，且该结构具有磁阻转矩，可以通过控制进一步提高转矩，并改善功率因数。然而，该结构直接游标永磁电机上时，效果却非常差，其原因在于该结构难以提供少极P_w对极磁场的回路，导致该磁场极弱，无法发挥游标电机的优势。一对极磁场的磁路如图2所示，从图中可见，该磁场穿过气隙以及两个永磁体，磁路磁阻较小。

然而，当游标电机转子采用切向励磁结构，虽然该结构在传统永磁电机中具有更强的励磁能力，然而根据其磁路结构，如图2所示，一对极磁场会穿过多个永磁体及空气部分，该磁路磁阻非常大，因此导致1对极磁场的幅值非常弱。而在游标电机中，由调制作用产生的少极磁场对空载反电势及转矩的贡献较大，因此在游标电机中采用普通切向励磁转子结构不仅无法提升性能，还会降低电机的反电势以及转矩。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种内置式切向励磁游标永磁电机。由此解决现有的内置式切向励磁游标永磁电机由于无法提供少极P_w对极磁场的回路导致游标电机转矩密度低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种内置式切向励磁游标永磁电机，包括：转子和位于转子外部的定子；定子包括定子轭和多个定子齿，转子包括转子铁芯和永磁体；

转子铁芯包括多个第一磁极、多个第二磁极以及转子轭部，第一磁极和第二磁极间隔排列成圆形环结构，一个永磁体嵌于一个第一磁极和一个第二磁极之间，每个第一磁极与转子轭部连接，两个相邻的永磁体极性相反。

优选地，定子齿包括定子齿身和多个辅助齿，每个辅助齿的底部与定子齿身的顶部连接，定子齿身的底部为定子齿的底部，定子齿身的底部与定子轭部连接。

优选地，各个辅助齿之间的间距不同。

优选地，多个第一磁极与转子轭部为一体式结构，第二磁极通过连接件与内轭部连接,连接件为非导磁材料。

优选地，转子铁芯呈圆环状，转子铁芯开有M个呈周向排列的隔离槽，隔离槽将转子铁芯分为转子轭部和铁芯部分；

铁芯部分开有2M个呈周向排列的永磁体槽，永磁体槽将铁芯部分分为2M个磁极，依次记为第1个磁极、第2个磁极、……、第2M个磁极，永磁体槽用于放置永磁体；使得第2i-1个磁极的极性与第2j-1磁极的极性相同，第2k个磁极的极性和第2m-2个磁极的极性相同；

第2i-1个磁极由隔离槽和永磁体槽包围，使得第2i-1个磁极和第2k个磁极无法在转子铁芯内部形成磁路，第2i-1个磁极和第2j-1个磁极通过转子轭部在转子铁芯内部形成磁路，实现第2i-1个磁极与第2j-1磁极相互连接。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的游标永磁电机，第一磁极通过转子轭部相连，实现转子铁芯上同一极性的磁极在磁路上有连接，而不同极性的磁极间磁路断开。当永磁体正对定子齿槽时，内部铁芯轭部将少极磁场中对着槽的第一磁极的反向磁通导向同极性的其它对着齿的第一磁极，减少定子U型槽对少极磁密的影响，少极磁密将有较大的提升，从而使电机的空载反电势有较大的提高，以此获得高的转矩密度和较高的功率因数。

2、定子采用辅助齿的结构，提高了电机极比，各个辅助齿之间的间距不同，可以进一步的提升转矩。

3、由于内置式永磁体的电机结构具有磁阻转矩，电机在控制时往往采用最大转矩-电流比控制，此时电流角不为零，从而减小了d轴电压，可改善游标电机的功率因数。

附图说明

图1为传统表贴式游标永磁电机的基本结构；

图2为普通表贴式游标永磁电机的空载少极磁场磁路；

图3为带有普通切向励磁转子的游标永磁电机的空载少极磁场磁路；

图4为本发明提出的内置式切向励磁游标永磁电机的结构示意图；

图5为本发明提出的内置式切向励磁游标永磁电机的空载少极磁场磁路；

图6为本发明提出的内置式切向励磁游标永磁电机中带有辅助齿定子的结构示意图；

图7为本发明提出的内置式切向励磁游标永磁电机中带有连接桥转子的结构示意图；

图8为本发明提出的内置式切向励磁游标永磁电机中一体式转子的结构示意图；

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—定子铁心，2—定子绕组，3—转子铁心，31-第一磁极，32-第二磁极，33-转子轭部，4—永磁体，5—定子轭部，6—定子齿身，7—辅助齿，8—连接件，9—隔离槽，10—连接桥，11—永磁体槽，12—空载少极磁场通路。

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。

图4为本发明提供的内置式切向励磁游标永磁电机的结构示意图，游标永磁电机包括定子铁心1，定子绕组2，转子铁心3以及永磁体4。定、转子铁心均呈圆筒状，定子铁心内表面开有开口槽，槽内放置定子绕组。转子铁芯3包括多个第一磁极31、多个第二磁极32和转子轭部33，其中，多个第一磁极31、多个第二磁极32和转子轭部33均为导磁材料。第一磁极31和第二磁极32间隔排列成圆形环结构，即沿逆时针方向第一磁极31和第二磁极32的排列方式为：第一磁极、第二磁极、第一磁极、第二磁极、……、第一磁极、第二磁极。一个永磁体位于一个第一铁芯和一个第二磁极之间，且两个相永磁体的极性相反，使得第一磁极为S极且第二磁极为N极，或使得第二磁极为S极且第一磁极为N极，第一磁极31通过转子轭部33相互连接，使得相同极性的磁极相互连接。为了使得定子与转子形成游标电机结构，定子槽数P_s为12，转子极对数P_r为11，定子绕组极对数P_w为1，转子极对数、定子槽数以及定子绕组极对数满足转子极对数为定子槽数与定子绕组极对数的和或差的条件，即

P_r＝P_s±P_w

其中，P_r为转子极对数，P_s为定子槽，P_w为定子绕组极对数。

图5为本发明提出的切向励磁游标永磁电机的空载少极磁场磁路；定子1上第1个定子齿与第1个第二磁极正对，第7个定子齿与第6个第一磁极正对，磁通经过永磁体、第1个第一磁极(与该永磁体相邻)、转子轭部、第6个第一磁极、第7个定子齿、定子轭部、第1个定子齿进入第1个第二磁极返回永磁体，为少极磁场提供回路。由此可见，磁通并未经过多层气隙，使得永磁游标电机的少极磁密将有较大的提升，从而使电机的空载反电势有较大的提高，以此获得高的转矩密度和较高的功率因数。又由于切向励磁的转子结构励磁能力较强，因此该结构可使游标电机转矩进一步提升。此外，切向励磁结构的永磁电机具有磁阻转矩，为了利用磁阻转矩，获得最高的输出转矩，电枢电流相位偏离空载反电势相位，因此功率因数可有效提高。

图6为本发明提出的内置式切向励磁游标永磁电机中带有辅助齿定子的结构示意图；定子齿包括定子齿身6和多个辅助齿7，每个辅助齿7的齿底部与定子齿身6顶部连接，定子齿身6底部为定子齿底部，定子齿身底部与定子轭连接。这样即使电机极比较高，定子绕组仍可使用集中绕组。各辅助齿之间的间距可以不同，可以进一步提升转矩。

图7为本发明提出的内置式切向励磁游标永磁电机中带有连接桥转子的结构示意图；由于电机转子在机械上需要连接为一个整体，将第二磁极32通过第二磁极32下方的连接件8与内铁芯铁轭部33相连，第一磁极31通过连接桥10直接与转子轭部33相连，其中，连接桥10为导磁材料，连接件8为非导磁材料，连接件为中间窄两边宽的结构，从而将转子连接为一个整体。

图8为本发明提出的内置式切向励磁游标永磁电机中一体式转子的结构示意图；转子铁芯呈圆环状，转子铁芯开有M个呈周向排列的隔离槽9，隔离槽9将转子铁芯分为转子轭部和铁芯部分，铁芯部分开有2M个呈周向排列的永磁体槽11，永磁体槽11将铁芯部分分为2M个磁极，依次记为第1个磁极、第2个磁极、……、第2M个磁极。永磁体槽11用于安装永磁体，且两个相邻的永磁极性相反。使得第2i-1个磁极的极性与第2j-1磁极的极性相同，第2k个磁极的极性和第2m-2个磁极的极性相同，其中，1≤i，k，j≤M，1≤m≤M-1i，k，j，m，M均为正整数。第2i-1个磁极由隔离槽和永磁体槽包围，包围第2i-1个磁极的隔离槽和包围第2i-1个磁极的永磁体槽之间的间隙足够小，且第2i-1磁极边缘至转子铁芯外边缘的距离足够小，使得第2i-1个磁极和第2k个磁极无法在转子铁芯内部形成磁路，即第2k个磁极为第二磁极32，第2i-1个磁极和第2j-1个磁极通过转子轭部和两两隔离槽之间的转磁极在转子铁芯内部形成磁路，即第2i-1个磁极为第一磁极31。包围第2i-1个磁极的隔离槽和包围第2i-1个磁极的永磁体槽之间的转磁极、第2i-1磁极至转子铁芯外边缘的转磁极以及两相邻隔离槽之间的转磁极构成连接桥10，使得第二磁极、第一磁极和转子轭部构成一体式结构，便于转子铁芯的装配。

本发明提出了新型的内置式切向励磁的游标永磁电机，由于在切向励磁的转子结构中，永磁体高度可以较高，从而提供比表贴磁钢结构更大的励磁磁场，产生更大的电磁转矩。第一磁极通过转子轭部相互连接，通过转子轭部将同极性的磁极相连，从而为少极磁场提供回路，使得永磁游标电机的少极磁密将有较大的提升，从而使电机的空载反电势有较大的提高，以此获得高的转矩密度和较高的功率因数。切向励磁的转子结构可以为电机提供磁阻转矩，从而获得更高的转矩。同时，为了利用磁阻转矩，电机控制时输入电流相位会偏离空载反电势相位，此时电机的功率因数较高，这可以弥补游标永磁电机功率因数低的缺点。

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)

1.一种内置式切向励磁游标永磁电机，其特征在于，包括：

转子(1)和定子；定子(1)包括定子轭部和设有多个定子齿，转子包括转子铁芯和永磁体(4)；

转子铁芯包括多个第一磁极(31)、多个第二磁极(32)以及转子轭部(33)，所述第一磁极(31)和所述第二磁极(32)间隔排列成圆形环结构，一个所述永磁体嵌于一个所述第一磁极(31)和一个所述第二磁极(32)之间，每个所述第一磁极(31)与所述转子轭部(33)连接，两个相邻的所述永磁体极性相反。

2.如权利要求1所述的内置式切向励磁游标永磁电机，其特征在于，所述定子齿包括定子齿身和多个辅助齿，每个所述辅助齿的底部与定子齿身的顶部连接，定子齿身的底部为定子齿的底部，所述定子齿身的底部与所述定子轭部连接。

3.如权利要求2所述的内置式切向励磁游标永磁电机，其特征在于，各个所述辅助齿之间的间距不同。

4.如权利要求1至3任一项所述的内置式切向励磁游标永磁电机，其特征在于，多个所述第一磁极与所述转子轭部为一体式结构，所述第二磁极通过连接件与转子轭部连接，所述连接件为非导磁材料。

5.如权利要求1至3任一项所述的内置式切向励磁游标永磁电机，其特征在于，转子铁芯呈圆环状，转子铁芯开有M个呈周向排列的隔离槽，所述隔离槽将转子铁芯分为转子轭部和铁芯部分；

铁芯部分开有2M个呈周向排列的永磁体槽，所述永磁体槽将铁芯部分分为2M个磁极，依次记为第1个磁极、第2个磁极、……、第2M个磁极，所述永磁体槽用于放置永磁体；使得第2i-1个磁极的极性与第2j-1磁极的极性相同，使得第2k个磁极的极性和第2m-2个磁极的极性相同；

第2i-1个磁极由所述隔离槽和所述永磁体槽包围，使得第2i-1个磁极和第2k个磁极无法在转子铁芯内部形成磁路，第2i-1个磁极和第2j-1个磁极通过转子轭部在转子铁芯内部形成磁路，实现第2i-1个磁极与第2j-1磁极相互连接。