CN107425688A - 一种永磁体介于定子极和转子极间的双凸极电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于双凸极永磁电机领域，并公开了一种永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机。其包括定子、转子、转轴、永磁体和电枢绕组，定子上设置有多个凸极结构的定子极，电枢绕组缠绕在一组定子极上，转子上设置有均匀分布的凸极结构的转子极，永磁体设置在定子极上，且介于定子极和转子极之间，用于增加所述定子和转子间的气隙磁密，转轴设置在转子内部，当电枢绕组通入电流后，电枢绕组产生的磁场与永磁体的磁场相互作用，从而使得转子和转轴可相对于定子发生旋转运动。通过本发明，可增加定子极和转子极之间的气隙磁密，同时可提高电枢绕组磁路的磁阻，减小绕组电感、电机时间常数、电流换向时间，改善电流换向性能和转矩输出性能，减少转矩脉动。

Description

一种永磁体介于定子极和转子极间的双凸极电机

技术领域

本发明属于双凸极永磁电机领域，更具体地，涉及一种永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机。

背景技术

近年来，定子极和转子极均为凸极结构的双凸极电机获得了广泛研究。为了提高电励磁双凸极电机的转矩和功率密度，改善转矩输出性能，现有技术中将永磁体引入到双凸极电机中，形成了双凸极永磁同步电机。

为了进一步改善双凸极永磁同步电机的转矩性能，现有技术通过改变绕组连接方式获得了双极性的磁链，从而在一定程度上提高了其转矩和功率密度，但是，这极大地降低了定子槽的利用率(如：定子极数为4，转子极数为6的单相双凸极永磁同步电机仅有一半的槽放置有电枢绕组，另外一半处于闲置状态)，同时，传统单相双凸极永磁同步电机具有启动转矩小等缺点，因此，为了改善单相双凸极永磁同步电机的启动性能，并进一步提高其槽利用率和转矩密度，现有技术提出了新型不对称定子极双凸极永磁同步电机，虽然现有技术中提出的不对称定子极双凸极永磁同步电机能很好的解决传统双凸极永磁同步电机转矩密度小、启动转矩低等问题，但是由于其绕组电感较大，具有较大的时间常数，从而使电流换向较慢，需要将开关管提前开通或关断，进而限制了其转矩密度的进一步提高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机，通过将永磁体设置在定子极和转子极之间，使得定子极和转子极之间的有效气隙长度增加，由此解决因电枢绕组电感大带来的电流换向时间长的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机，其包括定子、转子、转轴、永磁体和电枢绕组，其特征在于：

所述定子上设置有多个沿圆周分布的凸极结构的定子极，相邻的两个定子极构成一组，同一组内的定子极之间的距离小于组与组之间的间距，所述电枢绕组缠绕在一组定子极上；

所述转子上设置有均匀分布的多个凸极结构的转子极，且所述转子极与所述定子极相对设置；所述永磁体设置在所述定子极齿顶部上，介于所述定子极和所述转子极之间，用于增加所述定子和转子间的气隙磁密，同时增加电机有效气隙长度；

所述转轴设置在所述转子内部，当所述电枢绕组通入电流后，所述电枢绕组产生的磁场与所述永磁体的磁场相互作用，从而使得所述转子和所述转轴可相对于所述定子发生旋转运动。

进一步优选地，所述定子极上顶端设置有极靴，所述永磁体设置在所述极靴上。

进一步优选地，每个所述定子极上设置有一个或者两个磁化方向相反的永磁体。

进一步优选地，所述定子极和转子极的数量优选采用4个。

进一步优选地，同一组内的定子极的夹角为45°，组与组之间定子极的夹角为135°。

进一步优选地，所述永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机为模块化的单相电机，通过多个模块的轴向组合可构成两相以及多相电机。

进一步优选地，所述的多相电机的各相相互独立设置，且可进行独立控制，各相之间的相位角与相数的关系按照下列表达式设定：

其中，θ表示相邻两相之间的机械角度；m表示相数；B表示转子极的总数。

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、本发明所述电机的永磁体设置在定子极的齿顶部，由于永磁体磁导率较低，与空气的磁导率几乎相同，从而使得定子极和转子极之间的有效气隙长度增加，由此增加电枢绕组磁路的磁阻，进而减小绕组电感、电机时间常数、电流换向时间，改善电流换向性能和转矩输出性能，减少转矩脉动；

2、本发明所述电机的定子极为带有极靴的凸极结构，由于极靴的宽度和永磁体的宽度可调节，增加极靴的宽度从而可以增加永磁体尺寸，提高气隙磁密，进而能够获得更高的输出转矩；

3、本发明所述电机一个定子极上的永磁体数量为一个或者两个，并且其磁化方向可以有不同的组合方式，从而能够获得较正弦或者接近梯形波的绕组磁链，进而通过相应的驱动方式(正弦波或方波驱动)，可以使电机输出转矩的脉动值较小，进而改善其转矩性能；

4、本发明通过对其定子极的不均匀分布设计，使得不同组定子极间槽有效面积增加，能够容纳的电枢绕组匝数增加，从而能获得更高的输出转矩；

5、本发明所述电机是一种模块化单相电机，可通过多个模块沿着轴向叠加组合成三相及多相电机，各相可独立控制，多模块结构上的轴向叠加，能够使得各模块的输出转矩得到叠加，从而使电机整体的输出转矩更大，同时转矩脉动更小，提高了电机的容错能力和可靠性；

6、通过将定子、转子、转轴、永磁体和电枢绕组集成设计成一体，简化了产品结构，使得电机的整体结构更为紧凑，并且具备整体布局巧妙，便于操控和使用方便等特点。

附图说明

图1(a)～(c)是按照本发明的优选实施例所构建的一种永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机与现有双凸极电机电感随转子位置变化的比较图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机与现有双凸极电机电流随转子位置变化的比较图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机与现有双凸极电机转矩随转子位置变化的比较图；

图5是按照本发明优选实施例所构建的三相永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机三维结构示意图。

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 2-转子 3-永磁体 4，5-电枢绕组 6-转轴 7-极靴 8-A相 9-B相 10-C相T1，T2，T3，T4-定子极 P1，P2，P3，P4-转子极 C1，C2，C3，C4-绕组中的导体

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1(a)～(c)是按照本发明的优选实施例所构建的一种永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机的结构示意图；图1(a)是一个定子极上设置一个永磁体，且同一组定子极上的两块永磁体的充磁方向相反(一个由圆周指向圆心，另一个由圆心指向圆周)，图1(b)是一个定子极上设置一个永磁体，且同一组定子极上的两块永磁体的充磁方向相同(均是由圆周指向圆心或者由圆心指向圆周)，图1(c)是一个定子极上设置有两个永磁体，且这两个永磁体的充磁方向相反。如图1所示，该电机包括定子1、转子2、转轴6、永磁体3和电枢绕组4,5，定子上设置有四个凸极结构的定子极，定子极上设置有极靴，且相邻的定子极之间的角度为45°或135°，相邻角度为45°的两个定子极构成一组，每组定子极上缠绕有电枢绕组，转子上设置有均匀分布的四个凸极结构的转子极，转子极与定子极相对设置，永磁体设置在每个定子极齿顶部的极靴上，且宽度与极靴相等，介于定子极和转子极之间，可增加所述定子极和转子间的有效气隙长度，转轴设置在转子内部，当电枢绕组通入电流后，电枢绕组产生的磁场与永磁体3的磁场相互作用，从而使得转子2和所述转轴6可相对于所述定子1发生旋转运动。

本发明所述电机工作原理与现有技术中的不对称定子极双凸极永磁同步电机工作原理类似，这里不再进行赘述，仅对图1(a)中本发明所述的双凸极电机与现有技术中的不对称定子极双凸极永磁同步电机的主要参数进行详细对比分析，以体现本发明所述电机的特点，具体参数见表1所示：

表1电机主要参数

为了对比现有技术中的不对称定子极双凸极永磁同步电机的绕组电感与本发明提出的永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机电感的差异，对表1所示结构参数的两种电机进行有限元建模，并分析，得到空载电感随转子位置角变化曲线如图2所示。由图2可知，本发明所述的永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机的绕组空载电感远远小于现有技术中提出的不对称定子极双凸极永磁同步电机的绕组空载电感。

为了分析对比现有技术中的不对称定子极双凸极永磁同步电机的绕组电感与本发明提出的永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机在相同额定电压下的电流变化曲线和转矩性能曲线，在电枢绕组两端施加310V电压，利用有限元法对电流和转矩性能曲线进行分析，图3是按照本发明的优选实施例所构建的永磁体位于于定子极齿顶部的双凸极电机与现有双凸极电机电流随转子位置变化的比较图，图4是按照本发明的优选实施例所构建的永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机与现有双凸极电机转矩随转子位置变化的比较图，如图3和图4所示。由图3可知，本发明所述电机因具有较小的电感和时间常数，在相同外加电压时，其电流能更迅速地上升到最高值(电流有效值为17A)，从而本发明所述电机具有更好的动态响应能力。由图4可知，本发明所述电机的转矩平均值为0.75Nm，转矩峰峰值为2.00Nm，现有技术中所述电机的转矩平均值为0.783Nm，转矩峰峰值为2.45Nm。所以，本发明所述电机输出转矩仅仅比现有技术所述电机转矩平均值略低，但是其转矩峰峰值极大地减小了，从而本发明所述电机具有更小的转矩脉动和转矩输出性能。

按照本发明的另一个优选实施例，图5是按照本发明优选实施例所构建的三相永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机三维结构示意图，如图5所示，该电机由三个模块化单相电机沿轴向叠加组成，9，10相定子铁芯相对于8相定子铁芯在空间上依次逆时针旋转30度和60度，8、9、10三相共用同一个转子铁芯。8、9、10三相绕组通入依次相差120度电角度的交变直流电。三相电机的工作原理单相电机完全一样，只是三相电机的输出转矩是三个模块化单相电机输出转矩的叠加，从而使电机的输出转矩更大，同时转矩脉动更小。

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 (7)

1.一种永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机，其包括定子(1)、转子(2)、转轴(6)、永磁体(3)和电枢绕组(4，5)，其特征在于：

所述定子(1)上设置有多个沿圆周分布的凸极结构的定子极，相邻的两个定子极构成一组，同一组内的定子极之间的距离小于组与组之间的间距，所述电枢绕组(4，5)缠绕在一组定子极上；

所述转子(2)上设置有均匀分布的多个凸极结构的转子极，且所述转子极与所述定子极相对设置；所述永磁体(3)设置在所述定子极齿顶部上，介于所述定子极和所述转子极之间，用于增加所述定子和转子间的气隙磁密，同时增加电机有效气隙长度；

所述转轴(6)设置在所述转子内部，当所述电枢绕组(4，5)通入电流后，所述电枢绕组产生的磁场与所述永磁体(3)的磁场相互作用，从而使得所述转子(2)和所述转轴(6)相对于所述定子(1)发生旋转运动。

2.如权利要求1所述的一种永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机，其特征在于，所述定子极上齿顶部设置有极靴(7)，所述永磁体设置在所述极靴上。

3.如权利要求1或2所述的一种永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机，其特征在于，每个所述定子极上设置有一个或者两个磁化方向相反的永磁体。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机，其特征在于，所述定子极和转子极的数量均优选采用4个。

5.如权利要求4所述的一种永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机，其特征在于，同一组内的定子极的夹角为45°，组与组之间定子极的夹角为135°。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机，其特征在于，所述永磁体位于定子极齿顶部的双凸极电机为模块化的单相电机，通过多个模块的轴向组合可构成两相以及多相电机。

7.如权利要求6所述的一种永磁体介于定子极和转子极间的双凸极电机，其特征在于，所述的多相电机的各相相互独立设置，且可进行独立控制，各相之间的相位角与相数的关系按照下列表达式设定：

其中，θ表示相邻两相之间的机械角度；m表示相数；B表示转子极的总数。