CN108092480A - 一种永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种永磁电机。该永磁电机包括：圆环状定子结构和圆环状转子结构；定子铁芯在临近转子结构的环形表面，沿圆周方向设置的多个定子调制齿、电枢齿和电枢槽，按照一定子调制齿、一电枢槽、一电枢齿和另一电枢槽的顺序循环排列，第一定子永磁体与电枢齿一一对应，位于电枢齿临近转子结构的一端，第一定子永磁体沿径向充磁；第二定子永磁体位于对应的电枢槽的槽口，第二定子永磁体沿圆周方向充磁；相邻两个电枢槽对应的第二定子永磁体的充磁方向相反；转子铁芯在临近定子结构的环形表面，沿圆周方向相间设置有多个转子齿和转子槽。本发明实施例的技术方案可直接驱动负载，以摆脱传统传动系统中的中间传动装置。
Description
技术领域
本发明涉及电机制造领域，尤其涉及一种永磁电机。
背景技术
传统的低速传动系统采用高速电机配合减速齿轮箱或者皮带减速装置来实现。减速齿轮箱或者皮带减速装置的存在势必带来诸多麻烦，如：传动效率低、体积庞大、设备笨重、产生噪声污染、需要润滑、需要定期维护等。
因此，需要制造直驱电机，以直接驱动负载，以摆脱传统传动系统中的中间传动装置，消除中间传动装置带来的种种麻烦。
发明内容
本发明实施例提供一种永磁电机，可以直接驱动负载，以摆脱传统传动系统中的中间传动装置，消除中间传动装置带来的种种麻烦。
本发明实施例提供了一种永磁电机，包括：
圆环状定子结构和圆环状转子结构；
定子结构和转子结构为同心圆环，
定子结构包括圆环形定子铁芯、多个电枢绕组、多个第一定子永磁体和多个第二定子永磁体；
定子铁芯在临近转子结构的环形表面，沿圆周方向设置有多个定子调制齿、电枢齿和电枢槽，
多个定子调制齿、电枢齿和电枢槽，按照一定子调制齿、一电枢槽、一电枢齿和另一电枢槽的顺序循环排列，
电枢绕组按照预设绕制方式，缠绕定子调制齿和电枢齿，位于电枢槽内；
第一定子永磁体与电枢齿一一对应，位于电枢齿临近转子结构的一端，第一定子永磁体沿径向充磁；
第二定子永磁体与电枢槽一一对应，位于对应的电枢槽的槽口，第二定子永磁体沿圆周方向充磁；
相邻两个电枢槽对应的第二定子永磁体的充磁方向相反；
转子结构包括圆环形转子铁芯；
转子铁芯在临近定子结构的环形表面，沿圆周方向相间设置有多个转子齿和转子槽。
进一步地，转子结构还包括多个转子永磁体，
转子永磁体与转子槽一一对应，转子永磁体嵌入对应的转子槽中，转子永磁体沿径向充磁。
进一步地，第一定子永磁体的充磁方向与转子永磁体的充磁方向相同。
进一步地，与同一电枢齿相邻的两个电枢槽对应的两个第二定子永磁体，与电枢齿对应的第一定子永磁体正对。
进一步地，第一定子永磁体的充磁方向为沿径向背向转子结构，转子永磁体的充磁方向为沿径向指向定子结构，与同一电枢齿相邻的两个电枢槽对应的两个第二定子永磁体的充磁方向为背向电枢齿对应的第一定子永磁体；
或者，第一定子永磁体的充磁方向为沿径向指向转子结构；转子永磁体的充磁方向为沿径向背向定子结构，与同一电枢齿相邻的两个电枢槽对应的两个第二定子永磁体的充磁方向为指向电枢齿对应的第一定子永磁体。
进一步地，电枢绕组的极对数Pw＝∣Z1-Z2∣，其中，Z1为第一定子永磁体的数目，Z2为转子永磁体的数目；电枢绕组被注入或产生的正弦交流电的频率f与转子结构的转速Ωr的关系为：60*f＝Z2*Ωr。
进一步地，环状定子结构位于环状转子结构外侧，或者，环状定子结构位于环状转子结构内侧。
进一步地，该永磁电机为三相电机，电枢槽的数目Zs是6的整数倍，且存在N和k使得(N-1)*360°*Pw/Zs＝k*360°+120°成立，其中，N为正整数，k为整数，N小于或等于Zs。
进一步地，定子铁芯包括多个高导磁性能的第一硅钢片，多个第一硅钢片沿轴向叠压排列；转子铁芯包括多个高导磁性能的第二硅钢片，多个第二硅钢片沿轴向叠压排列。
进一步地，转子永磁体和第一定子永磁体均为铷铁硼永磁材料；第二定子永磁体包括下述至少一种材料：铷铁硼永磁材料和铁氧体；电枢绕组的预设绕制方式包括集中式或分布式。
本发明实施例的技术方案通过定子铁芯在临近转子结构的环形表面，沿圆周方向设置有多个定子调制齿、电枢齿和电枢槽，多个定子调制齿、电枢齿和电枢槽，按照一定子调制齿、一电枢槽、一电枢齿和另一电枢槽的顺序循环排列，电枢绕组按照预设绕制方式，缠绕定子调制齿和电枢齿，位于电枢槽内；第一定子永磁体与电枢齿一一对应，位于电枢齿临近转子结构的一端，第一定子永磁体沿径向充磁；第二定子永磁体与电枢槽一一对应，位于对应的电枢槽的槽口，第二定子永磁体沿圆周方向充磁；相邻两个电枢槽对应的第二定子永磁体的充磁方向相反；转子铁芯在临近定子结构的环形表面，沿圆周方向相间设置有多个转子齿和转子槽，可以增大转速调节范围，以实现直接驱动负载的功能，摆脱传统传动系统中的中间传动装置，消除中间传动装置带来的种种麻烦，此外，使得与同一电枢齿相邻的两个电枢槽对应的两个第二定子永磁体在定子结构与转子结构之间的气隙中，形成的沿径向指向圆心方向的磁场和沿径向背离圆心方向的磁场，叠加到第一定子永磁体激发的沿圆周方向形成交替变化的沿径向指向圆心方向的磁场和沿径向背向圆心方向的磁场上，以调整气隙中的磁场强度，从而可以调整永磁电机的转矩密度，以符合不同的应用场合。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种永磁电机沿垂直于轴向方向的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种永磁电机的局部区域永磁体产生的永磁磁场的分布示意图；
图3为本发明实施例提供的一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体产生的永磁磁场的分布示意图；
图6为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图；
图7为本发明实施例提供的又一种永磁电机沿垂直于轴向方向的剖面结构示意图；
图8为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图；
图9为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图；
图10为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图；
图11为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图；
图12为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图；
图13为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图；
图14为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图；
图15为本发明实施例提供的在不同永磁体充磁方式下的永磁电机的反电动势的有效值和总谐波失真的柱形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供一种永磁电机。图1为本发明实施例提供的一种永磁电机沿垂直于轴向方向的剖面结构示意图。该永磁电机可应用在风力发电、工业机器人、精密机床、油田抽油系统及船舶推进等场合。如图1所示，该永磁电机包括圆环状定子结构100和圆环状转子结构。
其中，定子结构100和转子结构为同心圆环，定子结构100包括圆环形定子铁芯110、多个电枢绕组120、多个第一定子永磁体130和多个第二定子永磁体140；定子铁芯110在临近转子结构的环形表面，沿圆周方向设置有多个定子调制齿111、电枢齿112和电枢槽113，多个定子调制齿111、电枢齿112和电枢槽113，按照一定子调制齿111、一电枢槽113、一电枢齿112和另一电枢槽113的顺序循环排列，电枢绕组120按照预设绕制方式，缠绕定子调制齿111和电枢齿112，位于电枢槽113内；第一定子永磁体130与电枢齿112一一对应，位于电枢齿112临近转子结构的一端，第一定子永磁体130沿径向充磁；第二定子永磁体140与电枢槽113一一对应，位于对应的电枢槽113的槽口，第二定子永磁体140沿圆周方向充磁；相邻两个电枢槽113对应的第二定子永磁体140的充磁方向相反；转子结构包括圆环形转子铁芯210；转子铁芯210在临近定子结构100的环形表面，沿圆周方向相间设置有多个转子齿211和转子槽212。
其中，第一定子永磁体130可以均沿径向指向转子结构的方向充磁，也可以均沿径向背向转子结构的方向充磁。一半数量的第二定子永磁体140沿顺时针方向充磁，另一半数量的第二定子永磁体140沿逆时针方向充磁。与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽113对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向可以为背向电枢齿112对应的第一定子永磁体130，还可以为指向电枢齿112对应的第一定子永磁体130。图1示例性地画出所有第一定子永磁体130均沿径向背向转子结构的方向充磁，与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽113对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向可以为背向电枢齿112对应的第一定子永磁体130的情况。电枢齿112和定子调制齿111远离转子结构的一端是连接在一起的，该端相当于定子轭部。转子齿211远离定子结构100的一端是连接在一起的，该端相当于转子轭部。定子铁芯110包括多个高导磁性能的第一硅钢片，多个第一硅钢片沿轴向OO＇(即平行于电机轴延伸的方向，电机轴位于圆环状定子结构和圆环状转子结构的圆环中心位置)叠压排列。转子铁芯210包括多个高导磁性能的第二硅钢片，多个第二硅钢片沿轴向OO＇叠压排列。可选的，第一定子永磁体130可以为铷铁硼永磁材料。可选的，第二定子永磁体140可以为铷铁硼永磁材料和/或铁氧体。可选的，电枢绕组120的预设绕制方式包括集中式或分布式。可选的，环状定子结构100位于环状转子结构外侧，或者，环状定子结构100位于环状转子结构内侧。图1示例性地画出圆环状定子结构100位于圆环状转子结构外侧的情况。可选的，该永磁电机可以为三相电机。第二定子永磁体140沿径向的长度与第一定子永磁体130沿径向的长度可以不相等；与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽113对应的两个第二定子永磁体140，与电枢齿112对应的第一定子永磁体130至少部分相对。定子调制齿111沿径向的长度大于电枢齿112沿径向的长度。
需要说明的是，定子调制齿111、电枢齿112和第一定子永磁体130的数目相等，均为Z1，电枢槽113的数目Zs＝2*Z1，第二定子永磁体140的数目与电枢槽113的数目相等。图2为本发明实施例提供的一种永磁电机的局部区域永磁体产生的永磁磁场的分布示意图，永磁电机的其他部分区域的永磁体产生的永磁磁场的分布与此相同或类似。如图2所示，与第一定子永磁体130正对区域的气隙的磁场方向为沿径向背向圆心方向，与定子调制齿111正对区域的气隙的磁场方向为沿径向指向圆心方向。由此可知，在定子结构100和转子结构之间的气隙中，有第一定子永磁体130激发出沿圆周方向形成交替变化的沿径向指向圆心方向的磁场和沿径向背向圆心方向的磁场，将相邻的一沿径向指向圆心方向的磁场和一沿径向背离圆心方向的磁场作为一个极对数。若第一定子永磁体130的数目为Z1，则第一定子永磁体130激发的永磁基波磁场的极对数为Z1。第一定子永磁体130和相邻的定子调制齿111构成一个对极，所有第一定子永磁体130构成的极对数为Z1。转子齿211的数目为Z2，则电枢绕组120的极对数为Pw＝∣Z1-Z2∣，Z1、Z2和Pw均为正整数。电枢绕组120被注入或产生的正弦交流电的频率f与转子结构的转速Ωr的关系为：60*f＝Z2*Ωr。
需要说明的是，继续参见图2，与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽113对应的两个第二定子永磁体140在定子结构与转子结构之间的气隙中，形成的沿径向指向圆心方向的磁场和沿径向背向圆心方向的磁场，叠加到第一定子永磁体130激发的沿圆周方向形成交替变化的沿径向指向圆心方向的磁场和沿径向背向圆心方向的磁场上，起着调整气隙中磁场的作用，并未改变第一定子永磁体130激发的永磁磁场的极对数，第一定子永磁体130激发的永磁磁场的极对数仍等于第一定子永磁体130的数目。示例性地，如图2所示，与第一定子永磁体130相邻的第二定子永磁体140，在与第一定子永磁体130正对区域的气隙处，激发的磁场方向为沿径向背向圆心方向，与定子调制齿111正对区域的气隙处，激发的磁场方向为沿径向指向圆心方向，故第二定子永磁体140在气隙中激发的磁场方向与第一定子永磁体130在气隙中激发的磁场方向对应相同，故第二定子永磁体140在气隙中激发的磁场可以增强第一定子永磁体130在气隙中激发的磁场，从而可以提升永磁电机的转矩。
需要说明的是，转子齿211为高导磁性能的材料制成，故转子齿211的磁导较大，转子槽212的磁导较小，故Z1对极的第一定子永磁体130和第二定子永磁体140共同激发的永磁基波磁场将被Z2个转子齿211调制成∣Z1-Z2∣极对数的谐波磁场。当Z2小于Z1时，通过电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场，与第一定子永磁体130和第二定子永磁体140共同激发的Z1对极的永磁基波磁场被Z2个转子齿211调制后的∣Z1-Z2∣对极谐波磁场相互作用，实现稳定机电能量转化。当Z2大于Z1时，通过电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场，与第一定子永磁体130和第二定子永磁体140共同激发的Z1对极的永磁基波磁场被Z2个转子齿211调制后的∣Z1-Z2∣对极谐波磁场相互作用，同时，电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场被Z2个转子齿211调制成∣∣Z1-Z2∣-Z2∣＝Z1极对数的谐波磁场，与Z1对极的第一定子永磁体130和第二定子永磁体140共同激发的永磁基波磁场相互作用，实现稳定机电能量转化。在实现机电能量转化过程中，通过电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场，与第一定子永磁体130和第二定子永磁体140共同激发的Z1对极的永磁基波磁场被Z2个转子齿211调制后的∣Z1-Z2∣对极谐波磁场的旋转速度相同；电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场被Z2个转子齿211调制成∣∣Z1-Z2∣-Z2∣＝Z1极对数的谐波磁场，与Z1对极的第一定子永磁体130和第二定子永磁体140共同激发的永磁基波磁场的旋转速度相同。电枢绕组120被注入或产生的正弦交流电的频率f与转子结构的转速Ωr的关系为：60*f＝Z2*Ωr。可通过增大设置的转子齿的数目Z2和/或增大正弦交流电的频率f的范围，来增大永磁电机的转速调节范围，以实现直接驱动负载的功能，摆脱传统传动系统中的中间传动装置，消除中间传动装置带来的种种麻烦。当电枢绕组120通入频率f的交流电时，电枢绕组120内的电枢电流产生Pw＝∣Z1-Z2∣对极的旋转基波磁场，该旋转基波磁场的转速Ωw与转子结构的转速Ωr的大小关系为：Pw*Ωw＝Z2*Ωr。当外力带动转子结构以Ωr的速度转动时，电枢绕组120将发出频率f的交流电。
本实施例的技术方案通过定子铁芯在临近转子结构的环形表面，沿圆周方向设置有多个定子调制齿、电枢齿和电枢槽，多个定子调制齿、电枢齿和电枢槽，按照一定子调制齿、一电枢槽、一电枢齿和另一电枢槽的顺序循环排列，电枢绕组按照预设绕制方式，缠绕定子调制齿和电枢齿，位于电枢槽内；第一定子永磁体与电枢齿一一对应，位于电枢齿临近转子结构的一端，第一定子永磁体沿径向充磁；第二定子永磁体与电枢槽一一对应，位于对应的电枢槽的槽口，第二定子永磁体沿圆周方向充磁；相邻两个电枢槽对应的第二定子永磁体的充磁方向相反；转子铁芯在临近定子结构的环形表面，沿圆周方向相间设置有多个转子齿和转子槽，可以增大永磁电机的转速调节范围，以实现直接驱动负载的功能，摆脱传统传动系统中的中间传动装置，消除中间传动装置带来的种种麻烦，此外，使得与同一电枢齿相邻的两个电枢槽对应的两个第二定子永磁体在定子结构与转子结构之间的气隙中，形成的沿径向指向圆心方向的磁场和沿径向背离圆心方向的磁场，叠加到第一定子永磁体激发的沿圆周方向形成交替变化的沿径向指向圆心方向的磁场和沿径向背向圆心方向的磁场上，以调整气隙中的磁场强度，从而可以调整永磁电机的转矩密度，以符合不同的应用场合。
可选的，该永磁电机为三相电机，电枢槽113的数目Zs是6的整数倍，且存在N和k使得(N-1)*360°*Pw/Zs＝k*360°+120°成立，其中，N为正整数，k为整数，N小于或等于Zs。示例性的，如图1所示，第一定子永磁体130和转子永磁体220都沿径向向外充磁。电枢槽113和第二定子永磁体140的数目均为24，即Zs＝24，是6的倍数。定子调制齿111的数目、电枢齿112的数目、定子永磁体130的数目，以及第一定子永磁体130构成的极对数均为12，即Z1＝Zs/2。转子齿211的数目、转子永磁体220的数目以及转子永磁体220构成的极对数为14，即Z2＝14。根据Z1、Z2及Pw必须满足的关系式，三相电枢绕组的构成的极对数Pw必须为2，即Pw＝2。不难看出，存在N＝5，k＝0使得(N-1)*360°*Pw/Zs＝k*360°+120°成立，即说明此电机能够按照电枢绕组极对数Pw＝2绕出三相电枢绕组。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图1，第二定子永磁体140沿径向的长度与第一定子永磁体130沿径向的长度相等；与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽113对应的两个第二定子永磁体140，与电枢齿112对应的第一定子永磁体130正对，即第二定子永磁体140沿圆周方向的轴线与第一定子永磁体130沿圆周方向的轴线位于同一圆周上。第二定子永磁体140与第一定子永磁体130临近转子结构的一侧沿圆周方向可以平齐，以使第二定子永磁体140尽量靠近气隙，以增强气隙中的磁场。可选的，第一定子永磁体130沿径向的长度与电枢齿112沿径向的长度的和，等于定子调制齿111沿径向的长度。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图1，第一定子永磁体130的充磁方向为沿径向背向转子结构，与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽113对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向相背，可以为背向电枢齿112对应的第一定子永磁体130。
可选的，在上述实施例的基础上，如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图，永磁电机的其他部分区域的永磁体的充磁方式与此相同或类似，第一定子永磁体130的充磁方向为沿径向指向转子结构，与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽113对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向相对，可以为指向电枢齿112对应的第一定子永磁体130，第二定子永磁体140在定子结构100与转子结构之间的气隙中，形成的沿径向指向圆心方向的磁场和沿径向背向圆心方向的磁场，叠加到第一定子永磁体130激发的沿圆周方向形成交替变化的沿径向指向圆心方向的磁场和沿径向背向圆心方向的磁场上，起着增强气隙中磁场的作用，从而可以提升永磁电机的转矩密度。
图4为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图，永磁电机的其他部分区域的永磁体的充磁方式与此相同或类似，如图4所示，第一定子永磁体130的充磁方向为沿径向背向转子结构，与同一电枢齿相邻的两个电枢槽对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向相对，可以为指向电枢齿对应的第一定子永磁体130。
需要说明的是，图5为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域定子永磁体产生的永磁磁场的分布示意图，永磁电机的其他部分区域的永磁体产生的永磁磁场的分布与此相同或类似，如图5所示，当永磁体的充磁方向为：第一定子永磁体130的充磁方向为沿径向背向转子结构，与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽113对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向，为指向电枢齿112对应的第一定子永磁体130时，与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽113对应的两个第二定子永磁体140在定子结构与转子结构之间的气隙中激发的磁场方向，与第一定子永磁体130在气隙中激发的磁场方向对应相反，故第二定子永磁体140激发的沿圆周方向形成交替变化的沿径向指向圆心方向的磁场和沿径向背离圆心方向的磁场，叠加到第一定子永磁体130激发的沿圆周方向形成交替变化的沿径向指向圆心方向的磁场和沿径向背向圆心方向的磁场上，会减弱气隙中的磁场强度，相当于部分磁路短路，从而减小永磁电机的转矩密度。
图6为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图，永磁电机的其他部分区域的永磁体的充磁方式与此相同或类似，如图6所示，第一定子永磁体130的充磁方向为沿径向指向转子结构，与同一电枢齿相邻的两个电枢槽对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向为背向电枢齿对应的第一定子永磁体130。其中，第二定子永磁体140在气隙中激发的磁场方向与第一定子永磁体130在气隙中激发的磁场方向对应相反，故与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽对113应的两个第二定子永磁体140在定子结构与转子结构之间的气隙中，形成的沿径向指向圆心方向的磁场和沿径向背离圆心方向的磁场，叠加到第一定子永磁体130激发的沿圆周方向形成交替变化的沿径向指向圆心方向的磁场和沿径向背向圆心方向的磁场上，会减弱气隙中的磁场强度，从而减小永磁电机的转矩密度。
本发明实施例提供又一种永磁电机。图7为本发明实施例提供的又一种永磁电机沿垂直于轴向方向的剖面结构示意图。如图7所示，在上述实施例的基础上，该永磁电机的转子结构还包括多个转子永磁体220，转子永磁体220与转子槽一一对应，转子永磁体220嵌入对应的转子槽中，转子永磁体220沿径向充磁。
其中，转子永磁体220可以为铷铁硼永磁材料。所有转子永磁体220的充磁方向相同，可以均沿径向指向定子结构100的方向充磁，也可以均沿径向背向定子结构100的方向充磁。图7示例性地画出所有转子永磁体220均沿径向指向定子结构100的方向充磁的情况。转子永磁体220的数目等于转子齿211的数目，均为Z2。在定子结构100和转子结构之间的气隙中，有转子永磁体220激发出沿圆周方向，形成交替变化的沿径向指向圆心方向的磁场和沿径向背离圆心方向的磁场，将相邻的一沿径向指向圆心方向的磁场和一沿径向背离圆心方向的磁场作为一个极对数。每块转子永磁体220和相邻的转子齿211构成一对极，所有转子永磁体220构成的极对数为Z2。定子调制齿111为高导磁性能的材料制成，故定子调制齿111的磁导较大，电枢槽113和电枢齿112的磁导较小，故Z2对极的转子永磁体220激发的永磁基波磁场将被Z1个定子调制齿111调制成∣Z2-Z1∣极对数的谐波磁场。
可选的，第一定子永磁体130的充磁方向与转子永磁体220的充磁方向相同，可使转子永磁体220产生的磁力线经过气隙到达定子结构100与电枢绕组120耦合，以增强转子永磁体220激发的永磁磁场与电枢绕组120内的电枢电流产生的磁场的相互作用，以增大永磁电机的转矩密度。可选的，电枢绕组120的极对数Pw＝∣Z1-Z2∣，其中，Z1为第一定子永磁体130的数目，Z2为转子永磁体220的数目；电枢绕组120被注入或产生的正弦交流电的频率f与转子结构的转速Ωr的关系为：60*f＝Z2*Ωr。
需要说明的是，该永磁电机是基于“双向磁场调制效应”原理工作的。所谓“双向磁场调制效应”就是永磁电机的第一定子永磁体和第二定子永磁体共同激发的永磁基波磁场被转子齿调制，转子永磁体激发的永磁基波磁场被定子调制齿调制成大量的气隙磁场谐波，然后利用谐波磁场之间的相互耦合实现稳定机电能量转化。定子调制齿111、电枢齿112和第一定子永磁体130的数目相等，均为Z1，电枢槽113的数目Zs＝2*Z1，第二定子永磁体140的数目为2*Z1。转子永磁体220和转子齿211的数目均为Z2。当以起主要作用的磁场谐波为例，转子永磁体220激发的永磁基波磁场的极对数为Z2，第一定子永磁体130和第二定子永磁体140共同激发的永磁基波磁场的极对数Z1，转子齿211的数目为Z2，定子调制齿111的数目为Z1。Z2对极的转子永磁体220激发的永磁基波磁场被Z1个定子调制齿111调制成∣Z2-Z1∣对极的谐波磁场；Z1对极的第一定子永磁体130和第二定子永磁体140共同激发的永磁基波磁场被Z2个转子齿211调制成∣Z1-Z2∣对极的谐波磁场，则电枢绕组120的极对数Pw＝∣Z2-Z1∣＝∣Z1-Z2∣，则电枢绕组120被注入或产生正弦交流电的频率f与转子结构的转速Ωr的关系为：60*f＝Z2*Ωr。当电枢绕组120通入频率f的交流电时，电枢绕组120内的电枢电流产生∣Z2-Z1∣对极的旋转基波磁场，该旋转基波磁场的转速Ωw与转子结构的转速Ωr的大小关系为：Pw*Ωw＝Z2*Ωr。当外力带动转子结构以Ωr的速度转动时，电枢绕组120将发出频率f的交流电。
其中，当Z2大于Z1时，通过电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场，与第一定子永磁体130和第二定子永磁体140共同激发的Z1对极的永磁基波磁场被Z2个转子齿211调制后的∣Z1-Z2∣对极谐波磁场相互作用；电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场，与转子永磁体220激发的Z2对极的永磁基波磁场被Z1个定子调制齿111调制后的∣Z2-Z1∣对极谐波磁场相互作用；电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场被Z1个定子调制齿111调制后的Z2对极的谐波磁场，与转子永磁体220激发的Z2对极的永磁基波磁场相互作用，实现稳定机电能量转化。
其中，当Z2小于Z1时，通过电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场，与第一定子永磁体130和第二定子永磁体140共同激发的Z1对极的永磁基波磁场被Z2个转子齿211调制后的∣Z1-Z2∣对极谐波磁场相互作用；电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场，与转子永磁体220激发的Z2对极的永磁基波磁场被Z1个定子调制齿111调制后的∣Z2-Z1∣对极谐波磁场相互作用；电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场被Z2个转子齿211调制后的Z1对极的谐波磁场，与第一定子永磁体130和第二定子永磁体140共同激发的Z1对极的永磁基波磁场相互作用，实现稳定机电能量转化。
需要说明的是，上述可以相互作用的任意两种磁场的极对数相同，且磁场的旋转速度相同。通过电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场，与第一定子永磁体130和第二定子永磁体140共同激发的Z1对极的永磁基波磁场被Z2个转子齿211调制后的∣Z1-Z2∣对极谐波磁场的旋转速度相同；电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场，与转子永磁体220激发的Z2对极的永磁基波磁场被Z1个定子调制齿111调制后的∣Z2-Z1∣对极谐波磁场的旋转速度相同；电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场被Z1个定子调制齿111调制后的Z2对极的谐波磁场，与转子永磁体220激发的Z2对极的永磁基波磁场的旋转速度相同；电枢绕组120内的电枢电流激发的Pw对极的基波磁场被Z2个转子齿211调制后的Z1对极的谐波磁场，与第一定子永磁体130和第二定子永磁体140共同激发的Z1对极的永磁基波磁场的旋转速度相同。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图7，第一定子永磁体130的充磁方向为沿径向背向转子结构，转子永磁体220的充磁方向为沿径向指向定子结构100，与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽113对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向为背向电枢齿112对应的第一定子永磁体130。
可选的，在上述实施例的基础上，如图8所示，图8为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图，永磁电机的其他部分区域的永磁体的充磁方式与此相同或类似，第一定子永磁体130的充磁方向为沿径向指向转子结构；转子永磁体220的充磁方向为沿径向背向定子结构100，与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向为背向电枢齿112对应的第一定子永磁体130。
可选的，在上述实施例的基础上，如图9所示，图9为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图，永磁电机的其他部分区域的永磁体的充磁方式与此相同或类似，第一定子永磁体130的充磁方向为沿径向指向转子结构；转子永磁体220的充磁方向为沿径向指向定子结构100，与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽113对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向为背向电枢齿112对应的第一定子永磁体130。
可选的，在上述实施例的基础上，如图10所示，图10为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图，永磁电机的其他部分区域的永磁体的充磁方式与此相同或类似，第一定子永磁体130的充磁方向为沿径向背向转子结构；转子永磁体220的充磁方向为沿径向背向定子结构100，与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽113对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向为背向电枢齿112对应的第一定子永磁体130。
可选的，在上述实施例的基础上，如图11所示，图11为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图，永磁电机的其他部分区域的永磁体的充磁方式与此相同或类似，第一定子永磁体130的充磁方向为沿径向指向转子结构；转子永磁体220的充磁方向为沿径向背向定子结构100，与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽113对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向为指向电枢齿112对应的第一定子永磁体130。
可选的，在上述实施例的基础上，如图12所示，图12为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图，永磁电机的其他部分区域的永磁体的充磁方式与此相同或类似，第一定子永磁体130的充磁方向为沿径向背向转子结构；转子永磁体220的充磁方向为沿径向指向定子结构100，与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽113对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向为指向电枢齿112对应的第一定子永磁体130。
可选的，在上述实施例的基础上，如图13所示，图13为本发明实施例提供的又一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式示意图，永磁电机的其他部分区域的永磁体的充磁方式与此相同或类似，第一定子永磁体130的充磁方向为沿径向背向转子结构；转子永磁体220的充磁方向为沿径向背向定子结构，与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向为指向电枢齿112对应的第一定子永磁体130。
可选的，在上述实施例的基础上，如图14所示，图14为本发明实施例提供的一种永磁电机的局部区域永磁体充磁方式的示意图，永磁电机的其他部分区域的永磁体的充磁方式与此相同或类似，第一定子永磁体130的充磁方向为沿径向指向转子结构；转子永磁体220的充磁方向为沿径向指向定子结构，与同一电枢齿112相邻的两个电枢槽对应的两个第二定子永磁体140的充磁方向为指向电枢齿112对应的第一定子永磁体130。
图15为本发明实施例提供的在不同永磁体充磁方式下的永磁电机的反电动势的有效值和总谐波失真的柱形图。其中，永磁电机的反电动势即电枢绕组的端电压，a、b、c、d、e、f、g和h分别对应图7至图14的充磁方式，第一纵轴RMS表示反电动势的有效值，第二纵轴THD表示总谐波失真(total harmonic distortion)，从图15，可以看出a对应的图7的充磁方式和e对应的图11的充磁方式，其永磁电机的反电动势的有效值较大，总谐波失真较小，故采用图7和图11的充磁方式的永磁电机的性能较好。
示例性的，继续参见图7，以起主要作用的磁场谐波为例，14对极的转子永磁体220激发的永磁基波磁场被12个定子调制齿111调制成2对极的谐波磁场；与此同时，12对极的第一定子永磁体130和第二定子永磁体140共同激发的永磁基波磁场也被14个转子齿211调制成2对极的谐波磁场。当向电枢绕组120通入一定频率的交流电时，电枢电流产生的2对极的基波磁场同时与定、转子永磁磁场调制后的2对极谐波磁场相互作用实现稳定的转矩输出，此时电机工作在电动机状态。当注入电流频率为28Hz时，电枢电流产生的旋转磁场转速为60*28/2＝840r/min，电机转子结构将以840*2/14＝120r/min的速度转动。当电机工作在发电机状态，即当外力带动转子结构以120r/min的速度转动时，被定子调制齿111和转子齿211调制出的2对极谐波磁场亦将以一定速度旋转，该运动的谐波磁场与电枢绕组耦合，从而在电枢绕组两端产生28Hz的感应电压。
本实施案例仅仅是为清楚地说明所做的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，根据式子|Z1-Z2|＝Pw、Z1＝Zs/2，调整Zs，Z2可以将该电机设计成定、转子永磁体极对数不同的内转子型和外转子型永磁电机。根据绕组连接方式或定转子永磁体充磁方向的不同又可衍生出许多种该电机。值得说明的是，式子(N-1)*360°*Pw/Zs＝k*360°+120°是为了确保本发明电机能够绕出三相绕组而满足的条件，对于本领域的技术人员而言，不改变本发明所提出的电机结构，轻而易举可将本发明所提出的电机绕制成多相永磁电机，这种情况理应受本专利的保护。此外，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种永磁电机，其特征在于，包括：
圆环状定子结构和圆环状转子结构；
所述定子结构和所述转子结构为同心圆环，
所述定子结构包括圆环形定子铁芯、多个电枢绕组、多个第一定子永磁体和多个第二定子永磁体；
所述定子铁芯在临近所述转子结构的环形表面，沿圆周方向设置有多个定子调制齿、电枢齿和电枢槽，
所述多个定子调制齿、电枢齿和电枢槽，按照一所述定子调制齿、一所述电枢槽、一所述电枢齿和另一所述电枢槽的顺序循环排列，
所述电枢绕组按照预设绕制方式，缠绕所述定子调制齿和所述电枢齿，位于所述电枢槽内；
所述第一定子永磁体与所述电枢齿一一对应，位于所述电枢齿临近所述转子结构的一端，所述第一定子永磁体沿径向充磁；
所述第二定子永磁体与所述电枢槽一一对应，位于对应的所述电枢槽的槽口，所述第二定子永磁体沿圆周方向充磁；
相邻两个电枢槽对应的第二定子永磁体的充磁方向相反；
所述转子结构包括圆环形转子铁芯；
所述转子铁芯在临近所述定子结构的环形表面，沿圆周方向相间设置有多个转子齿和转子槽。
2.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述转子结构还包括多个转子永磁体，
所述转子永磁体与所述转子槽一一对应，所述转子永磁体嵌入对应的转子槽中，所述转子永磁体沿径向充磁。
3.根据权利要求2所述的永磁电机，其特征在于，所述第一定子永磁体的充磁方向与所述转子永磁体的充磁方向相同。
4.根据权利要求2所述的永磁电机，其特征在于，与同一电枢齿相邻的两个电枢槽对应的两个第二定子永磁体，与所述电枢齿对应的第一定子永磁体正对。
5.根据权利要求4所述的永磁电机，其特征在于，所述第一定子永磁体的充磁方向为沿径向背向所述转子结构，所述转子永磁体的充磁方向为沿径向指向所述定子结构；与同一电枢齿相邻的两个电枢槽对应的两个第二定子永磁体的充磁方向为背向所述电枢齿对应的第一定子永磁体；
或者，所述第一定子永磁体的充磁方向为沿径向指向所述转子结构；所述转子永磁体的充磁方向为沿径向背向所述定子结构，与同一电枢齿相邻的两个电枢槽对应的两个第二定子永磁体的充磁方向为指向所述电枢齿对应的第一定子永磁体。
6.根据权利要求2所述的永磁电机，其特征在于，所述电枢绕组的极对数Pw＝∣Z1-Z2∣，其中，Z1为所述第一定子永磁体的数目，Z2为所述转子永磁体的数目；所述电枢绕组被注入或产生的正弦交流电的频率f与所述转子结构的转速Ωr的关系为：60*f＝Z2*Ωr。
7.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述环状定子结构位于所述环状转子结构外侧，或者，所述环状定子结构位于所述环状转子结构内侧。
8.根据权利要求2所述的永磁电机，其特征在于，该永磁电机为三相电机，所述电枢槽的数目Zs是6的整数倍，且存在N和k使得：
(N-1)*360°*Pw/Zs＝k*360°+120°
成立，其中，N为正整数，k为整数，N小于或等于Zs。
9.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述定子铁芯包括多个高导磁性能的第一硅钢片，多个所述第一硅钢片沿轴向叠压排列；所述转子铁芯包括多个高导磁性能的第二硅钢片，多个所述第二硅钢片沿轴向叠压排列。
10.根据权利要求2所述的永磁电机，其特征在于，所述转子永磁体和所述第一定子永磁体均为铷铁硼永磁材料；所述第二定子永磁体包括下述至少一种材料：铷铁硼永磁材料和铁氧体；所述电枢绕组的预设绕制方式包括集中式或分布式。
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