CN108448849A - 一种定子永磁型双转子磁场调制电机及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定子永磁型双转子磁场调制电机及其设计方法，包括一个定子，内转子和外转子，定子介于两个转子之间，永磁体以辐射状嵌于定子轭部，充磁方向为圆周切向且N极和S极交替排列；内外两个转子在位置上相差半个转子极距，且旋转方向和转速相同。电枢绕组采用集中绕组方式。本发明将两个双凸极结构的电机合并而成，同一相线圈磁链是互补的，单线圈磁链是单极性的，合成绕组磁链是双极性的；还有该电机结构具有磁场调制效应，因此该电机较常规的凸极结构电机具有更高的反电势和转矩性能；电枢加载后，产生的电枢磁场不会经过永磁体，保证了永磁体不会因为电流过大而退磁。此电机转子仅由凸极结构的硅钢片叠压而成，具有较好的鲁棒性。

Description

一种定子永磁型双转子磁场调制电机及其设计方法
技术领域
本发明涉及双转子电机，磁场调制电机和定子永磁型电机。适用于对电机体积和转矩能力要求较高的应用场合，如：电动汽车，航空航天等。
背景技术
随着科学技术的发展，现阶段很多场合需要应用到一些体积小但转矩高的电机来驱动，现阶段的永磁电机所用的稀土永磁体具有高磁能积，能在气隙中产生高磁密，因此其与电励磁电机相比，结构更加紧凑，转矩密度更高。在永磁电机中，根据永磁体排布位置的不同可以分为转子永磁型电机，定子永磁型电机和定转子型永磁电机。
中国发明专利申请号201610967790.X公开了一种转子永磁型磁通切换轮毂电机，与传统的磁通切换电机相比，该发明将永磁体从定子侧转移到转子侧，避免了永磁体占用绕组空间；但是永磁体在转子上不利于永磁体散热，而且作为轮毂电机，其转子鲁棒性较差。
中国发明专利申请号201220732260.4公开了一种定子永磁型电机，其结构就是磁通切换电机，定子采用E型结构的硅钢片材料，能将相绕组之间相互隔离；另外转子是简单的凸极结构，具有良好的鲁棒性。定子上的永磁体材料进行了分块处理，块与块之间还加入了直流励磁绕组，这就增加了电机的加工难度，而且增大了电机的铜耗；与常规的磁通切换电机相同，公开的电机也需要工作在铁芯磁场饱和的情况下，这就导致电机的过载性能比较差。
中国发明专利申请号201310615118.0公开了一种定转子永磁型电机结构，该种电机结构定转子上都排布有永磁体材料，定子虚槽内排布有Halbach阵列的永磁体，其具有聚磁效应，能减少电机的漏磁；转子上的槽内都排布着单励磁方向的永磁体，这能有效地增加电机气隙中的磁场强度，提升电机性能；但是，其永磁体用量较大，增加了电机的制造成本，转子上排布永磁体材料，不利于转子永磁体的散热；另外该电机属于游标电机结构，其功率因数偏低。
中国发明专利申请号201410594571.2公开了一种绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机，该电机具有单相绕组的线圈互相补充，永磁体在单个线圈上形成的磁链的是单极性的，各相绕组中圆心角相隔180°的两个线圈内的永磁磁链极性和相位都相同，但是相差90°的两个线圈内的永磁磁链极性相反且相位相差180°，因此电机的绕组线圈具备互补型。但是这种电机与传统的磁通切换电机一样，永磁体用量较大，制造成本较高。另外该电机中用到的E型定子减少槽面积，降低绕组匝数。
现阶段，高磁能积的稀土永磁体高温易退磁，由于转子永磁型电机的散热条件较差，更容易造成高温条件，因此在磁场高速变化情况下更倾向于选择定子永磁型电机；关于减少稀土永磁体用量，并且保持电机性能在较高水平，即提升单位永磁体的利用效率的研究专利还比较少。
发明内容
本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种定子永磁型双转子磁场调制电机及其设计方法，目的在于提高定子永磁型电机的永磁体利用率，提升电机的转矩密度；满足1+1>2的性能放大效果。
为解决上述的问题，本发明的电机的技术方案如下：
一种定子永磁型双转子磁场调制电机，该电机由内向外依次包括内转子(1)，定子(2)和外转子(4)，内转子(1)与定子(2)之间、定子(2)和外转子(4)均留有气隙；所述定子(2)的轭部嵌有辐射状永磁体(3)，采用切向励磁，辐射状永磁体(3)的N极和S极沿着圆周交替排列；定子上的定子外侧齿(8)和定子内侧齿(9)为直齿结构，定子(2)的槽内排布内侧绕组(5)和外侧绕组(6)，内转子(1)和外转子(4)都为硅钢片叠压而成的凸极齿结构，内转子(1)上带有外转子齿(7)，外转子(4)上带有内转子齿(10)。
进一步，内转子(1)和外转子(4)齿数相等，内转子(1)和外转子(4)旋转速度和旋转方向相同，且两者之间的位置错开半个转子极距角。
进一步，永磁体(3)的长度和定子(2)的轭部高度相等。
进一步，永磁体(3)产生的磁力线是经过内转子(1)和外转子(4)，形成串联磁路。
本发明的方法的技术方案为：
步骤1：根据电机双边内转子(1)和外转子(4)的结构，将定子(2)设计成双边齿结构，形成开口槽，双边齿结构通过定子轭部连接，内转子转子(1)和外转子(4)设计为齿数相等，转速和转向相同；
步骤2：将内转子(1)的内转子齿(10)正对于外转子(4)的槽部，在电角度上相差180°；
步骤3：将永磁体(3)均匀的排布在定子轭部，且永磁体长度与轭部宽度相等；另外永磁体采用切向交替励磁；
步骤4：根据内转子(1)和外转子(4)的齿数Pr和永磁体极对数Ps确定绕组极对数Pw，满足Pw＝|Pr-Ps|＝|10-6|＝4，槽数Zs＝2Ps＝12；
根据上述数量关系确定电机的槽距角根据槽距角来确定定子(2)的槽内内侧绕组(5)和外侧绕组(6)排布方式，假定一个槽的编号为1，其余槽按照逆时针方向依次编号为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，由于槽距角为120°，每个槽距离与之相邻槽的电角度为120°，可以将电机绕组分成三相双层集中绕组，每个定子齿部都绕有线圈；
步骤5：将定子(2)内外侧槽内排布上绕组，同一个轭部对应的两个定子槽内排布的绕组相同；
步骤6：将同相线圈正负串联，定子(2)两侧槽内线圈也正负串联，最终引出3个相线端子。
进一步，永磁体材料为钕铁硼。
进一步，永磁体(3)极对数为Ps，内侧绕组(5)和外侧绕组(6)的极对数均为Pw，内转子(1)和外转子(4)的极数均为Pr，满足以下关系式：Pw＝|Pr-Ps|。
进一步，定子(2)的槽内排布集中绕组。
进一步，定子(2)的同一个轭部对应的槽内排放的绕组所属的相序相同。
进一步，内侧绕组(5)和外侧绕组(6)为单套线圈，如内侧绕组(5)的线圈a(511)内感应的永磁磁链具有单极性的特征，而在内侧绕组(5)和外侧绕组(6)内产生的是双极性的磁链。
在电机的两个转子是正对着的情况下来看，电机的磁路是完全并联的，磁路都只经过一个转子形成回路，这就导致永磁体的利用率不高，而且永磁体产生的磁力线是内外转子均分的，所以在这种情况下是两个电机性能的单纯叠加而并没有放大效果。而当内外转子初始位置相差半个转子极距角时，这样可以使得永磁体产生的一部分磁力线形成的回路不仅经过内转子还经过外转子。这样就能充分的利用永磁体产生的磁力线，提升电机性能；从单个线圈来看，由于一个转子齿正对另外转子槽，当其中一个转子的齿与该侧的定子齿正对的时候，该定子齿两侧的永磁体产生的磁力线出去漏磁都会从这个齿上穿过，即从该齿所绕的线圈穿过，这就相比于转子正对情况下性能的到了明显的提升。另外由于内外转子的错位原因，会形成内外两个转子的齿槽转矩在相位上相差180°，这就能有效的降低电机的齿槽转矩。
从相绕组的来看，电机的相绕组是有内外侧一共8个线圈组成的，而每个线圈磁链都是单极性的，但是在合成之后形成的线圈磁链却是双极性的，这就是线圈之间的互补效应。内外侧线圈互补原理是相同。单从外侧的一相线圈来看，其由4个线圈组成，圆心角相隔180°的两个线圈内的永磁磁链相位都相同，但是相差90°的两个线圈内的永磁磁链极性是相反的。
本发明采用上述的设计方案后可以具备如下有益效果：
1)电机有两个转子，充分利用了电机的内部空间，提升了电机的性能。
2)电机转子都是简单的凸极结构，具有较好的鲁棒性。
3)永磁体放在定子的轭部，保证了永磁体不会因为电流过载和高温而造成不可逆退磁，提升了电机的弱磁性能。
4)电枢绕组采用集中式绕组方式，减少了电机的端部绕组，降低了电机的铜线使用量和铜耗。
5)永磁体产生的磁力线形成的回路有一部分既穿过内转子又穿过外转子，大大的增加了磁力线的利用率。
6)内外转子错开半个极距角之后，电机内外绕组磁链相差180°，在转子齿正对定子齿的时候绝大多数磁力线只对一侧绕组产生有效磁链，这就使得电机绕组的磁链幅值增加了，性能自然得到提升。
7)虽然永磁体内外侧电枢绕组的单个线圈上产生的磁链是单极性的，但是在整个相绕组中形成的磁链是双极性，这种磁链互补效应也能提升电机的性能。
8)内外转子在空载情况下，齿槽转矩互差180°，能降低整个电机的空载转矩，降低转矩波动；由于内外转子半径相差较大，齿槽转矩不可能完全抵消，因此在设计中也可以用外转子斜齿来减小外转子齿槽转矩。
9)电机采用了磁场调制原理，能有效的增加电机的转矩密度。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2是本发明空载内外层气隙磁密分布图；
图3是本发明空载内外层气隙磁密分布傅里叶分解图；
图4是本发明电枢电流产生的内外侧气隙磁密傅里叶分解图；
图5是本发明内外转子齿槽转矩及合成齿槽转矩图；
图6是本发明内侧空载单相绕组及其线圈磁链图；
图7是本发明内外侧空载反电势波形图；
图8是本发明加载转矩波形；
图中：内转子1，定子2，永磁体3，外转子4，内侧绕组5，外侧绕组6，外转子齿7，定子外侧齿8，定子内侧齿9，内转子齿10，内侧绕组的4个线圈分别为线圈a 511,线圈b 512,线圈c 513和线圈d 514。
具体实施方式
如图1，本发明的一种定子永磁型双转子磁场调制电机及其设计方法，该电机由内向外依次包括内转子(1)，定子(2)和外转子(4)，内转子(1)与定子(2)之间、定子(2)和外转子(4)均留有气隙。所述定子(2)的每个轭部都嵌有辐射状永磁体(3)，均采用切向励磁，辐射状永磁体(3)的N极和S极沿着圆周交替排列；定子外侧齿(8)，定子内侧齿(9)为直齿结构，定子(2)的槽内排布内侧绕组(5)和外侧绕组(6)，内转子(1)和外转子(4)都为硅钢片叠压而成的凸极齿结构的外转子齿(7)和内转子齿(10)。另外轭部的永磁体极对数Ps，两侧侧电枢绕组极对数Pw和内转子和外转子的极数Pr需要满足以下关系式：Pw＝|Pr-Ps|。
所述的永磁体(3)长度与定子轭部厚度相等，这样定子(2)是被分成模块来组装；或者永磁体(3)长度小于轭部厚度，这样定子(2)就可以通过导磁桥连接。永磁体(3)长度与宽度的比值控制在2.0-5.0之间，在本发明实施例优选3.3。
永磁体长度与定子轭部厚度相等，这样定子是被分成模块来组装；或者永磁体长度小于轭部厚度，这样定子就可以通过导磁桥连接。永磁体长度与宽度的比值控制在2.0-5.0之间。定子极弧系数控制在0.25-0.5之间。定子槽内绕组的槽满率控制在0.4-0.6之间。轭部的永磁体极对数为Ps，两侧侧电枢绕组极对数均为Pw，内转子和外转子的极数均为Pr，满足以下关系式：Pw＝|Pr-Ps|。定子两侧的绕组排布方式相同且正对的定子槽内排布的线圈属于均属于同一相绕组。内外转子初始位置角相差半个转子极距角，并且转速和转向相同。内外转子的极弧系数也控制在0.25-0.5之间。
由于磁场调制原理的存在，调制齿的尺寸大小对电机性能的影响很大，而定子外侧齿(8)，定子内侧齿(9)，外转子齿(7)，内转子齿(10)对电机磁场都具有调制作用，即双调制效应，所以在设计时要优化电机的定子(2)和转子(1)、(4)的极弧系数来使得电机具有最佳调制。对于内外转子(1)、(4)和定子(2)的调制齿极弧系数应该控制在0.25-0.5之间，在本发明实施例优选均为0.3。
为了使得永磁体(3)产生的磁力线被充分利用和内外侧绕组磁链能互补达到性能放大的作用，在本发明实施例中将内外转子的相对位置角错来半个极距角，即外转子的槽与内转子的齿正对。
图2是本发明空载的内外层气隙磁密波形，从中可以看出内外层气隙磁密幅值都能超过1.0T，在永磁体用量这么少的情况下达到这么高的气隙磁密，因此本发明的永磁体利用率很高。
图3是本发明空载内外层气隙磁密谐波分析图，从中可以看出内外层气隙的谐波次数分布几乎是一样的，但是谐波幅值有一些差别。以内层气隙为例，由于永磁体是6对极的，因此其含量最高的磁场是6对极的，这是没有调制产生的；其次内转子齿数是10，经调制后产生4对极的谐波，内侧定子的齿数是12，调制后产生6对极的谐波，这些是1次调制产生的；然后1次调制产生的谐波会被另外一侧的齿调制产生4次，8次谐波，这属于2次调制；以此类推，因此，气隙中存在含量丰富的谐波。
图4是本发明电枢电流在内外侧气隙产生的电枢磁场傅里叶分解图，从图中可以看出电枢电流在气隙中也能产生很多谐波，除了四次谐波是基波外，其他谐波都是由调制产生的。当电枢磁场的产生谐波与永磁磁场的谐波次数相同且转速相同就能产生有效转矩，由此可以看出，相同次数的谐波有很多，因此工作波也有很多，这符合调制电机的特征，因此本发明属于磁场调制类电机。
图5是本发明的齿槽转矩，由于齿槽转矩在一个电周期内的的周期数可以表示为：N＝2p/GCD(2p,z)，其中p为永磁体极对数，z为槽数，GCD为最大公倍数，可以求出本发明一个电周期内只有一个齿槽转矩周期；当内外转子错开半个转子极距时，也就意味着定位力错开了180°，所以内外转子的定位力能相互抵消一部分，这就能降低电机的转矩波动。从图5来看，仿真结果确实符合所述分析。
图6是本发明的单相各个线圈磁链和相磁链的波形，由图中可知，各个线圈的磁链是单极性的，但是在整个相绕组中形成的磁链是双极性，这种磁链互补效应也能提升电机的性能。
图7是本发明定子内外侧绕组产生的反电势波形，从图中可以看出，内外侧同位置绕组产生的反电势相位是对齐的，这就意味着内外侧同位置绕组能合并成一相，这就能减少电机的控制器数量，降低控制难度。
图8是本发明的内外转子加载转矩波形，从图中可以看出，电机的内外转子的波动相位也是相反，在合成之后波动相互抵消一部分，因此总的波动并不是很大。
本发明转矩密度高的机理：充分利用了电机内部的空间，内外转子都能有效输出转矩，总转矩为两个转子的输出转矩之和。其次电机具有调制效应，气隙中谐波含量很丰富，但是这些谐波有很多是用来产生转矩，因此其工作波有很多，这也会提升电机的转矩密度。另外还有电机永磁体产生的磁路是既经过内转子又经过外转子，因此永磁磁场利用率会很高，转矩密度也会相应升高。最后，电机单线圈磁链是单极性的，但是在整个相绕组里却形成了双极性的磁链，该发明的磁链互补性也提升了电机的转矩密度。
本发明产生齿槽转矩相抵的机理：由于齿槽转矩在一个电周期内的的周期数可以表示为：N＝2p/GCD(2p,z)，其中p为永磁体极对数，z为槽数，GCD为最大公倍数，可以求出本发明一个电周期内只有一个齿槽转矩周期；当内外转子错开半个转子极距时，也就意味着定位力错开了180°，所以内外转子的定位力能相互抵消一部分，这就能降低电机的转矩波动。
本发明与现有技术的区别：现有的定子永磁型电机主要分为三种，分别是磁通切换电机，磁通反向电机和双凸极电机。现阶段的发明主要是针对单转子的定子永磁型电机，其具有散热条件好，弱磁性能好的特点，但是都各有确定。磁通切换电机的永磁体用量比较大，制造成本较大；永磁磁场饱和度较高，不利于电机的过载性能。磁通反向电机由于永磁体标贴在定子齿顶，等效气隙增大，电机的转矩等性能会受到较大影响。双凸极电机永磁体用量较少，对于单转子来说，其永磁体利用率不高，因此其转矩密度很低。
而本发明的双转子结构的定子永磁型电机与普通双凸极相似，但是原理和效果却有很大的差别。本发明能充分利用电机内部空间来提升电机的性能，内外转子的配合能使得永磁磁场在内外转子之间形成串联，极大的提升了永磁磁场的利用率，另外本发明还应用了磁场调制效应来增加电机的工作谐波，以此来进一步提升电机的转矩密度。还有本发明的内外转子配合能使得其各自转矩相位互差180°，内外转子波动相抵。
电机结构包括同轴的定子，内转子和外转子，两个转子都是简单的凸极齿结构，具有较好的鲁棒性能，定子双边开有槽，轭部嵌有永磁体，永磁体采用沿圆周切向励磁且为N极S极交替排布，定子内外侧齿采用直齿结构来增强电机的调制效应；绕组采用双层集中绕组，能有效的减少铜线的用量，降低铜耗，增加电机的效率；内外侧相同位置的绕组能产生相位相同的反电势，因此内外侧无需分开控制，这就能降低电机的控制成本与难度。具有较大的应用前景。
综上，本发明的一种定子永磁型双转子磁场调制电机及其设计方法，电机结构包括一个定子，内转子和外转子，定子介于两个转子之间，永磁体以辐射状嵌于定子轭部，充磁方向为圆周切向且N极和S极交替排列；内外两个转子在位置上相差半个转子极距，且旋转方向和转速相同。电枢绕组采用集中绕组方式。本发明将两个双凸极结构的电机合并而成，结构更加紧凑，充分利用了电机空间，另外同一相线圈磁链是互补的，单线圈磁链是单极性的，合成绕组磁链是双极性的；还有该电机结构具有磁场调制效应，因此该电机较常规的凸极结构电机具有更高的反电势和转矩性能；与此同时，该电机的磁路设计成串联磁路，具有1+1>2的性能放大作用。电枢加载后，其产生的电枢磁场不会经过永磁体，保证了永磁体不会因为电流过大而退磁，增加了电机的弱磁性能，因此该电机具有宽调速范围的优点，另外由于永磁材料嵌于定子铁芯内部，其涡流损耗相比于表贴式得到了大大降低，电机效率得到提升。此电机转子仅由凸极结构的硅钢片叠压而成，结构简单，具有较好的鲁棒性。本发明结构简单，永磁体用量少，具有单位永磁体转矩密度大，调速范围宽，效率高等优点，具有较大的应用前景。
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 (9)

1.一种定子永磁型双转子磁场调制电机，其特征在于：该电机由内向外依次包括内转子(1)，定子(2)和外转子(4)，内转子(1)与定子(2)之间、定子(2)和外转子(4)均留有气隙；
所述定子(2)的轭部嵌有辐射状永磁体(3)，采用切向励磁，辐射状永磁体(3)的N极和S极沿着圆周交替排列；定子上的定子外侧齿(8)和定子内侧齿(9)为直齿结构，定子(2)的槽内排布内侧绕组(5)和外侧绕组(6)，内转子(1)和外转子(4)都为硅钢片叠压而成的凸极齿结构，内转子(1)上带有外转子齿(7)，外转子(4)上带有内转子齿(10)。
2.根据权利要求1所述的一种定子永磁型双转子磁场调制电机，其特征在于：内转子(1)和外转子(4)齿数相等，内转子(1)和外转子(4)旋转速度和旋转方向相同，且两者之间的位置错开半个转子极距角。
3.根据权利要求1所述的一种定子永磁型双转子磁场调制电机，其特征在于：永磁体(3)的长度和定子(2)的轭部高度相等。
4.根据权利要求1所述的一种定子永磁型双转子磁场调制电机，其特征在于：永磁体(3)产生的磁力线是经过内转子(1)和外转子(4)，形成串联磁路。
5.根据权利要求1所述的定子永磁型双转子磁场调制电机的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据电机双边内转子(1)和外转子(4)的结构，将定子(2)设计成双边齿结构，形成开口槽，双边齿结构通过定子轭部连接，内转子转子(1)和外转子(4)设计为齿数相等，转速和转向相同；
步骤2：将内转子(1)的内转子齿(10)正对于外转子(4)的槽部，在电角度上相差180°；
步骤3：将永磁体(3)均匀的排布在定子轭部，且永磁体长度与轭部宽度相等；另外永磁体采用切向交替励磁；
步骤4：根据内转子(1)和外转子(4)的的极数Pr和永磁体极对数Ps确定内侧绕组(5)和外侧绕组(6)的极对数Pw，满足Pw＝|Pr-Ps|＝|10-6|＝4，槽数Zs＝2Ps＝12；
根据上述数量关系确定电机的槽距角根据槽距角来确定定子(2)的槽内内侧绕组(5)和外侧绕组(6)排布方式，假定一个槽的编号为1，其余槽按照逆时针方向依次编号为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，由于槽距角为120°，每个槽距离与之相邻槽的电角度为120°，可以将电机绕组分成三相双层集中绕组，每个定子齿部都绕有线圈；
步骤5：将定子(2)内外侧槽内排布上绕组，同一个轭部对应的两个定子槽内排布的绕组相同；
步骤6：将同相线圈正负串联，定子(2)两侧槽内线圈也正负串联，最终引出3个相线端子。
6.根据权利要求5所述的定子永磁型双转子磁场调制电机的设计方法，其特征在于，永磁体材料为钕铁硼。
7.根据权利要求5所述的定子永磁型双转子磁场调制电机的设计方法，其特征在于，定子(2)的槽内排布集中绕组。
8.根据权利要求5所述的定子永磁型双转子磁场调制电机的设计方法，其特征在于，定子(2)的同一个轭部对应的槽内排放的绕组所属的相序相同。
9.根据权利要求5所述的定子永磁型双转子磁场调制电机的设计方法，其特征在于，内侧绕组(5)和外侧绕组(6)为单套线圈，如内侧绕组(5)的线圈a(511)内感应的永磁磁链具有单极性的特征，而在内侧绕组(5)和外侧绕组(6)内产生的是双极性的磁链。
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