CN108075587B - 一种基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机，该永磁电机中，S永磁极(7)，N永磁极(8)和铁芯极(9)均以异极性交替极的排列方式分别内置于第一转子(2)、第二转子(3)、第三转子(4)中；三转子结构嵌套在定子(1)内部，且与定子(1)同轴；定子(1)中有电枢齿(5)和容错齿(6)，沿定子(1)的圆周依次交替排列；电枢齿(5)上有电枢绕组(10)，以单层分数槽集中绕组的方式进行绕线。相比于多段定子和分布式绕组等结构，交替极转子互补结构简单可靠，成本低，无磁路耦合，铜损小，效率高。由于定子上只有一套单层分数槽集中绕组，电机端部损耗小，转矩和功率密度高。

Description

一种基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机

技术领域

本发明属于电机结构设计，具体涉及一种基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机。

背景技术

永磁电机由于其单位转矩和功率密度高，得到了广泛关注与应用。由于我国稀土资源储量巨大，占到世界稀土总储量的80％，因而我国永磁电机行业在上世纪得到了大力发展。根据电磁转矩T_em＝p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]可知，永磁电机输出转矩可以分为两个部分，即第一项永磁转矩T_f和第二项由转子磁路不对称所形成的磁阻转矩T_r。由此可知，电机输出主要来自于永磁转矩和磁阻转矩，但由于磁阻转矩会会带来振动大、噪音高、转矩脉动较大等问题，因而如何降低永磁电机成本并最大程度保留其优势成为时下国内外研究的热点。

本发明提出的结构主要利用电机中的铁芯极来替代永磁极，从而达到减少永磁材料用量的目的。交替极结构主要分为两类，同极性和异极性。同极性，即铁芯极为单极性，在电机定、转子中作为单一极性对永磁极进行替换；异极性，即铁芯极为双极性，在电机中既可作为N极，也能作为S极，极性交替变化。相比于同极性交替极，异极性交替极的应用更为广泛，在满足降低永磁体用量且保持永磁电机的原有性能优势的前提下，还能够与磁场调制等前沿技术相结合。但对于异极性而言，由于其磁路不对称，会带来反电动势正负幅值不等，转矩脉动大等问题，从而严重制约了此类电机结构与容错技术的结合与发展。因此，现阶段需要尽快找出一种能够简单、可靠、高效地解决异极性交替极电机结构缺陷的办法。

发明内容

技术问题：针对上述存在的问题及现有技术，本发明提出一种基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机，解决了传统永磁电机转矩脉动过大，异极性交替极磁路不对称，电机结构复杂的问题。其中，永磁体内置于转子内以减小转矩脉动，使反电动势更接近于正弦波。通过采用单层分数槽集中绕组的布线方式减小电机绕组的端部空间，通过容错齿的设计提高电机的物理隔离能力，从而有效地提升电机效率。除此之外，与传统分布式绕组、多定子交替极电机结构相比，转子互补结构能够有效地减少定、转子和绕组所占空间，从而减小电机体积，提供更大的转矩密度和功率密度。

技术方案：为实现上述发明，所需要采取的技术方案为：

设计了一种基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机，含有定子，互补结构式转子，永磁极，铁芯极，分数槽集中绕组，电枢齿，容错齿，隔磁片。其中，永磁极内嵌在转子中，以“N极-S极→铁芯极→S极-N极→铁芯极”的分布方式交替排列。从轴向看，每层转子构造一致；但从切向看，各转子存在初始相位角差。三层互补式结构转子轴心相同，转速一致。和单层结构相比，能有效地改善电机原有的气隙磁密。三层互补结构式转子轴向长度保持一致，每层间加入隔磁材料(环氧树脂)以减少因各层磁场耦合所造成的效率损耗，且电机互补结构式转子及隔磁材料的轴向长度之和为定子的轴向长度。转子内每对磁极间隔一个铁芯极，根据异极性交替极结构特性知相邻铁芯极的极性相反。转子互补结构式共三层转子，每层相位角相差360°电角度。由于单层转子的磁路不对称会造成反电动势正负幅值不等，因而需通过余下转子对总气隙磁密进行修正，从而得到对称的合成反电动势。定子上置有五相单层分数槽集中绕组，每两相相邻绕组之间隔有一个容错齿，以“绕组齿→容错齿”的方式交替排布，提高电机自感，降低互感，从而增强电机的可靠性和容错能力。

本发明的一种基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机包括定子，第一转子，第二转子，第三转子，电枢齿，容错齿，S永磁极，N永磁极，铁芯极，电枢绕组，第一隔磁片和第二隔磁片；S永磁极，N永磁极和铁芯极均以异极性交替极的排列方式分别内置于第一转子、第二转子、第三转子中；三转子结构嵌套在定子内部，且与定子同轴；定子中有电枢齿和容错齿，沿定子的圆周依次交替排列；电枢齿上有电枢绕组，以单层分数槽集中绕组的方式进行绕线。

所述的第一转子，第二转子和第三转子共轴，但具有不同初始相位，且每两个转子之间相位均相差360°电角度。

所述的第一转子，第二转子和第三转子分别置有三套永磁交替极，以第一隔磁片和第二隔磁片进行隔离，各转子磁路之间互不干扰，不会发生磁路耦合。

所述的第一转子，第二转子和第三转子之间置有第一隔磁片和第二隔磁片(12)，其内外径与转子保持一致，轴向长度小于单个转子轴向长度的五分之一。

所述的第一隔磁片和第二隔磁片采用环氧树脂材料制造。

有益效果：与现有结构相比，本发明所具有的有益效果为：

(1)电机采用转子互补式结构，解决了异极性交替极磁路不对称的问题，通过合成磁路对反电动势进行修正，提高电机效率，减少输出转矩脉动。能有效改善电机功率密度，输出效率及气隙磁密，使得反电动势正负幅值保持平衡且更加趋近于弦波，励磁更为方便。

(2)在永磁体的结构上，采用了异极性交替极。利用铁芯极代替永磁极的原理，节约了约三分之一的永磁材料，通过减少永磁体用量来降低制造成本。

(3)转子互补结构中各转子间用隔磁片进行隔离，有效解决了多磁场共存会出现的磁路耦合问题。与传统结构相比，无需考虑绕组之间的空间架构，从而使电机更为简单、高效。

(4)与传统多定子或分布式绕组电机结构相比，转子互补结构并未改变单个转子磁路结构，而是直接修正了合成磁路，在结构上更为简单可靠，降低了制造工艺难度。除此之外，互补式转子结构只有前、后两个端部，在均采用集中绕组的前提下，减少了电枢导线的用量，电机体积，电枢损耗和端部损耗，能有效地提升电机效率和永磁体利用率。

(5)与传统多段电机结构相比，转子互补式结构只有一套控制绕组，控制算法更为简单可靠，在出现故障时更容易排查并处理。

(6)由于采用单层分数槽集中绕组，使得电机相邻绕组在电、热、磁场等方面均具备较好的物理隔离能力，提升了电机的容错性。

附图说明

图1为本发明电机结构示意图：其中有：定子1，第一转子2，第二转子3，第三转子4，电枢齿5，容错齿6，S永磁极7，N永磁极8，铁芯极9，电枢绕组10，第一隔磁片11，第二隔磁片12。

图2为转子互补结构示意图：其中：转子相位差Δθ1。

图3为转子轴向截面示意图。

图4为单层分数槽集中绕组示意图。

图5为异极性交替永磁极在上、下圈边分别为“N极+S极”，“永磁极+铁芯极”及互补式转子结构的等效磁路示意图：其中：R_N为N极磁阻，R_S为S极磁阻，R_A为空气磁阻，R_I为铁芯极磁阻，φ为磁通量。

图6为单位周期内，单层交替极的磁路和互补式转子结构的合成磁路反电势示意图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明进行具体说明：

如图1所示，为一种基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机，包括了定子1，第一转子2，第二转子3，第三转子4，电枢齿5，容错齿6，S永磁极7，N永磁极8，铁芯极9，电枢绕组10，第一隔磁片11和第二隔磁片12。

由下列公式

设第一转子2，第二转子3，第三转子4的极对数P_r均为9，则可推导出定子槽数S为20。其中，a为常数(通常取值为1)，b为电机相数5。电枢齿5与容错齿6依次交替排列，提高电机自感，降低互感，以达到较好的输出性能和物理隔离能力。如图4所示，电枢绕组10采用单层分数槽集中绕组的方式，绕线在电枢齿5上，与容错齿6在定子1上交替排列，保证电机在相短路的情况下，仍能提供一定的转矩输出能力，提升了电机在缺相故障状态下的功率密度和可靠性。如图2所示，第一转子2，第二转子3，第三转子4为同一轴心，在电机运行下旋转方向与转速保持一致，但转子之间存在着360°(电角度)即40°(机械角度)的相位差Δθ1。第一转子2，第二转子3，第三转子4均内置有永磁体，为防止转子间发生磁路耦合，在第一转子2，第二转子3，第三转子4之间分别插入第一隔磁片11和第二隔磁片12。由于环氧树脂价格相对低廉，能够牢固地粘结住金属材料，并且具备受热不易分解，硬度高等物理、化学特性，故本发明选择其作为第一隔磁片11和第二隔磁片12的加工材料。如图3所示，为提高气隙磁通密度，在转子2内部内嵌入永磁体，分别以“N极-S极”和“S极-N极”的组合方式依次交替排列，提供径向和切向磁通。每组永磁极间隔有铁芯极9以代替相应所需的永磁极，由于永磁体组合的不同，使得相邻铁芯极极性也会发生变化。图3的交替极转子结构能够有效地减少近三分之一的永磁体用量，并且使交替极呈异极性，因而拓宽了此类电机结构的应用范围，方便与电励磁，磁场调制等前沿技术相结合。

如图5所示，由于异极性铁芯极极性会发生交替变化，因而不同的磁路组合会形成不同方向和大小的磁通密度。现对上述理论进行证明，对于绕组A而言，当其上下圈边所对应的磁极为N，S时，其总磁动势

E_A＝E₁-E₂

其中，如图5-1所示，E₁为上圈边受到N极的感应磁动势F。同理，E₂为下圈边受到S极的感应磁动势-F。所以总磁动势为2F(假设N、S永磁体磁动势均为F)，其磁通量φ如下列公式所示

R_N为N极磁阻，R_A为空气磁阻，R_S为S极磁阻，φ为磁通量。

如图5-2所示，若当绕组A上下圈边所对应的磁极为S，铁芯极时，由于交替极理论知此时铁芯极代替永磁极在磁路中作为N极，其总磁动势由于只剩下一个永磁极，因而其总磁动势为-F，其磁通量-φ₂(负号表示方向和φ₁相反)可表示为

R_I为铁芯极磁阻，

由上述公式可知，|φ₁|≠|-φ₂|，正负气隙磁密幅值不等，导致磁路不对称，反电动势的正负幅值不等。

本发明利用转子互补结构，构造出一个对称的合成磁路，具体理论推导过程为

假设对于转子2，在时刻1，绕组A上下圈边分别对应转子2的N极和S极；在时刻2，其上下圈边对应转子2的铁芯极和N极。根据转子磁极的排列规律，可得一周期内(共6时刻)，绕组A上下圈边所对应的磁极组合，如下表所示。

表1转子2在单位周期内的磁动势和磁通密度

转子2

时刻1

时刻2

时刻3

时刻4

时刻5

时刻6

上圈边

N极

铁芯极

N极

S极

铁芯极

S极

下圈边

S极

N极

铁芯极

N极

S极

铁芯极

磁动势

2F

-F

F

-2F

F

-F

磁通密度

φ<sub>1</sub>

-φ<sub>2</sub>

-φ<sub>2</sub>

-φ<sub>1</sub>

φ<sub>2</sub>

-φ<sub>2</sub>

由于转子3在相位上落后转子2。因此，可得同一周期内转子3的磁极组合规律。

表2转子3在单位周期内的磁动势和磁通密度

转子3

时刻1

时刻2

时刻3

时刻4

时刻5

时刻6

上圈边

铁芯极

S极

N极

铁芯极

N极

S极

下圈边

S极

铁芯极

S极

N极

铁芯极

N极

磁动势

F

-F

2F

-F

F

-2F

磁通密度

φ<sub>2</sub>

-φ<sub>2</sub>

φ<sub>1</sub>

-φ<sub>2</sub>

φ<sub>2</sub>

-φ<sub>1</sub>

同理可得转子4的磁极组合规律。

表3转子4在单位周期内的磁动势和磁通密度

对比上述三层转子各时刻的磁动势和磁通密度。如图5-3所示，不难发现，在一个周期内，三层转子的合成磁动势幅值(4F)和磁通密度幅值(|φ₁+2φ₂|)在任意时刻内均保持一致。且各转子间采用环氧树脂作为隔磁材料，确保了各转子之间电磁分离，互不干扰。如图6所示，本发明通过轴向转子磁路互补的原理，构造了一个对称的合成磁路，提升了电机的反电动势和输出转矩。但由于并未改变单个转子的磁路，因而还便于电机的分析，设计，加工，安装和维护等工作。在满足电机结构稳定性和可靠性的前提下，极大地提高了交替极电机的实用性和普及性。

本发明电机，在结构上保留了永磁电机输出功率大，功率密度高，调速范围广等传统优势。通过内置式永磁体减小了电机转矩脉动，并通过一种新型转子互补结构构造出一个新的合成磁路，克服了异极性交替极电机磁路不对称的问题。相比于传统多定子、分布式绕组等解决办法，本发明结构更为简单可靠。在绕组层面上，采用单层分数槽集中绕组，减少了绕组端部，降低了电机损耗，提高电机效率；在转子层面上，采用了一种内置式交替极永磁体的转子互补结构，减小了永磁体用量，减少了成本与转矩脉动，解决了传统方法中所存在的多磁场耦合缺陷；在定子层面上，采用电枢齿和容错齿交替排列的方式，提高了电机在故障状态下的运行能力，加强了电机的容错性。

以上所述，仅为本发明电机的结构原理和相应特点。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机，其特征在于该永磁电机包括定子(1)，第一转子(2)，第二转子(3)，第三转子(4)，电枢齿(5)，容错齿(6)，S永磁极(7)，N永磁极(8)，铁芯极(9)，电枢绕组(10)，第一隔磁片(11)和第二隔磁片(12)；S永磁极(7)，N永磁极(8)和铁芯极(9)均以异极性交替极的排列方式分别内置于第一转子(2)、第二转子(3)、第三转子(4)中；三转子结构嵌套在定子(1)内部，且与定子(1)同轴；定子(1)中有电枢齿(5)和容错齿(6)，沿定子(1)的圆周依次交替排列；电枢齿(5)上有电枢绕组(10)，以单层分数槽集中绕组的方式进行绕线；

所述的第一转子(2)，第二转子(3)和第三转子(4)共轴，但具有不同初始相位，且每两个转子之间相位均相差360°电角度；

所述的第一转子(2)，第二转子(3)和第三转子(4)分别置有三套永磁交替极，以第一隔磁片(11)和第二隔磁片(12)进行隔离，各转子磁路之间互不干扰，不会发生磁路耦合。

2.根据权利要求1所述的基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机，其特征在于，所述的第一转子(2)，第二转子(3)和第三转子(4)之间置有第一隔磁片(11)和第二隔磁片(12)，其内外径与转子保持一致，轴向长度小于单个转子轴向长度的五分之一。

3.根据权利要求2所述的基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机，其特征在于，所述的第一隔磁片(11)和第二隔磁片(12)采用环氧树脂材料制造。

Images