CN109494957A - 一种磁通反向永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁通反向永磁电机，包括定子、绕组、永磁体和转子，所述定子和转子同轴套装，所述转子的外表面具有凹槽，所述定子的内壁具有凹槽，所述绕组放置在定子的凹槽内，所述定子具有定子齿，所述定子内表面贴有一圈永磁体。虚线框内为一个定子单元，若干个定子单元组成整个定子。一个定子单元内有一个定子槽和四块永磁体，相邻永磁体极性相反，间隔永磁体极性相同。位于中间的两块永磁体宽度相同，形成一对；位于两边的两块永磁体宽度相同，形成一对；而这两对永磁体宽度不相等，因此，永磁体产生的磁动势谐波更多。相较于传统磁通反向电机，本发明的磁通反向永磁电机具有更高的转矩密度、功率因数和效率。

Description

一种磁通反向永磁电机
技术领域
本发明属于电机领域，更具体地，涉及一种磁通反向永磁电机。
背景技术
传统磁通反向永磁电机具有结构紧凑简单、鲁棒性好、电感小、转动 惯量低、效率高的优点，因此磁通反向永磁电机适合多种高低速运行场合， 例如专利文献CN107070165A中公开的磁通反向永磁电机可用于轨道交通 用直线牵引中，专利文献CN106411081A中公开的磁通反向永磁电机可用 于飞轮储能、机床等高速旋转场合。但现有文献中的磁通反向永磁电机， 永磁体宽度均相同，产生永磁磁动势谐波单一，由此造成永磁体利用率较 低、转矩密度较低、功率因数较低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁通反向永 磁电机，由此解决现有技术存在永磁体利用率较低、转矩密度较低、功率 因数较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种磁通反向永磁电机，包括：定子、 绕组、永磁体和转子；
所述定子和转子同轴套装，所述转子的外表面具有多个凹槽，所述定 子的内壁具有多个凹槽；
所述绕组放置在定子的凹槽内，所述定子内表面贴有围成一圈的多个 永磁体；
所述定子分为多个定子单元，所述定子单元的数量和定子内壁凹槽的 数量相同，每个定子单元包括一个定子凹槽和四个贴在定子内表面的永磁 体，所述四个贴在定子内表面的永磁体中：相邻永磁体的极性相反，间隔 永磁体的极性相同，位于中间的两块永磁体的宽度相同，形成一对永磁体； 位于两边的两块永磁体的宽度相同，形成一对永磁体；两对永磁体的宽度 不相等，产生多种永磁磁动势谐波。
可选地，一个定子单元内，中间一对永磁体的宽度大于两边一对永磁 体的宽度；或者一个定子单元内，中间一对永磁体的宽度小于两边一对永 磁体的宽度。
可选地，所述绕组的极对数量为：
其中，Pa为绕组的极对数量，Zr为转子的凹槽数量，Zs为定子的凹槽 数量，Pm为永磁体的数量，其值等于4Zs，GCD(Zs,Pa)表示定子的凹槽的数 量与绕组的极对数量的最小公约数，k为大于等于1的整数。
可选地，当永磁体的数量为24时，所述永磁磁动势谐波包括12对极 谐波、6对极谐波以及6的奇数倍对极谐波。
可选地，所述定子和转子同轴套装为定子套装在转子外或者定子套装 在转子内。
可选地，所述磁通反向永磁电机的结构为旋转电机结构、直线电机结 构或者圆筒电机结构。
可选地，所述绕组为集中式绕组或分布式绕组。
可选地，所述绕组为单层绕组或双层绕组。
可选地，所述磁通反向永磁电机是电动机或者发电机。
可选地，所述定子或转子的材料为实心钢、硅钢片、非晶态铁磁复合 材料或者SMC软磁复合材料。
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)本发明的磁通反向永磁电机具有更高的转矩密度。与传统磁通反 向电机相比，本发明中的永磁体用量、定子铁芯、绕组、转子均相同，因 此，在同样电机体积下成本基本一致。但在相同电机体积下，本发明可显 著提升转矩与功率，所以若保持同样的功率输出，本发明的磁通反向电机 体积更小、重量更轻、成本更低。
(2)本发明的磁通反向永磁电机具有更高的功率因数。电机控制器容 量大小取决于功率因数的高低。相同的功率输出情况下，电机功率因数越 高，控制器容量越小，控制器成本越低。因此，本发明的磁通反向永磁电 机可降低系统控制器成本。
(2)本发明的磁通反向永磁电机具有更高的效率。同样的输入功率， 效率越高，则输出功率越高，更节能环保。
附图说明
图1是本发明实施例提供的磁通反向永磁电机的结构示意图；
图2是传统单一永磁磁动势谐波的磁通反向永磁电机的结构示意图；
图3是本发明的磁通反向永磁电机与传统磁通反向永磁电机的永磁磁 动势对比图，图3(a)为永磁磁动势波形，图3(b)为永磁磁动势频谱；
图4是本发明的磁通反向永磁电机与传统磁通反向永磁电机的空载气 隙磁密对比图，图4(a)为空载气隙磁密波形，图4(b)为空载气隙磁密频谱；
图5是本发明的磁通反向永磁电机与传统磁通反向永磁电机的相反电 势对比图，图5(a)为相反电势波形，图5(b)为相反电势频谱；
图6是本发明实施例提供的多种永磁磁动势谐波磁通反向永磁电机的 线反电势测试值与仿真值的对比图；
图7是本发明实施例提供的多种永磁磁动势谐波磁通反向永磁电机的 平均转矩测试值与仿真值的对比图；
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 为定子铁芯、2为绕组、3为本发明提供的磁通反向永磁电机的永磁体、4 为转子、5为本发明提供的磁通反向永磁电机的定子单元、6为传统的磁通 反向永磁电机的永磁体，7为传统的磁通反向永磁电机的定子单元。
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。
为实现上述目的，本发明提供了一类多种永磁磁动势谐波的磁通反向 永磁电机，包括定子、绕组、永磁体和转子，所述定子和转子同轴套装， 所述转子的外表面具有凹槽，所述定子的内壁具有凹槽，所述绕组放置在 定子的凹槽内，所述定子具有定子齿，所述定子内表面贴有一圈永磁体， 相邻永磁体极性相反，间隔永磁体极性相同。一个定子单元中，位于中间 的两块永磁体宽度相同，形成一对；位于两边的两块永磁体宽度相同，形 成一对；而这两对永磁体宽度不相等，可中间一对永磁体较宽、两边一对 永磁体较窄；或可中间一对永磁体较窄、两边一对永磁体较宽。
进一步地，定子和转子同轴套装为定子套装在转子外或者定子套装在 转子内。
进一步地，本发明可为旋转电机结构、直线电机结构或者圆筒电机结 构。
进一步地，绕组结构可为集中式或分布式。
进一步地，绕组结构可为单层绕组或双层绕组
进一步地，多种永磁磁动势谐波的磁通反向永磁电机可为电动机或者 发电机。
进一步地，多种永磁磁动势谐波的磁通反向永磁电机的定子或转子铁 芯为实心钢、硅钢片、非晶态铁磁复合材料或者SMC软磁复合材料。
如图1所示，一种磁通反向永磁电机由同轴套装的定子和转子4组成。 定子包括定子铁芯1、绕组2、永磁体3，所述转子的外表面具有凹槽，所 述定子的内壁具有凹槽，所述绕组放置在定子的凹槽内，所述定子具有定 子齿，所述永磁体绕定子内表面一圈。
虚线框5内为一个定子单元，若干个定子单元组成定子。一个定子单 元内有四块永磁体，三角形箭头代表永磁体极性，箭头指向代表永磁体励 磁方向，位于中间的两块永磁体宽度相同，形成一对；位于两边的两块永 磁体宽度相同，形成一对；而这两对永磁体宽度不相等，可中间一对永磁 体较宽、两边一对永磁体较窄；或可中间一对永磁体较窄、两边一对永磁 体较宽。具体地，图1中以中间一对永磁体较窄、两边一对永磁体较宽为 例进行说明。
如图2所示，传统磁通反向永磁电机由同轴套装的定子和转子4组成。 定子包括定子铁芯1、绕组2、永磁体6，所述转子的外表面具有凹槽，所 述定子的内壁具有凹槽，所述绕组放置在定子的凹槽内，所述定子具有定 子齿，所述永磁体绕定子内表面一圈。虚线框7内为一个定子单元，若干 个定子单元组成定子。一个定子单元内有四块永磁体，所有永磁体宽度完 全相等。
本发明的绕组的极对数量为：
其中，Pa为绕组的极对数量，Zr为转子的凹槽的数量，Zs为定子的凹槽 的数量(即定子单元的数量)，Pm为永磁体的数量，其值等于4Zs，GCD(Zs,Pa) 表示定子的凹槽的数量与绕组的极对数量的最小公约数，k为大于等于1的 整数。
为了使本发明的技术方案更清楚明白，以Pa＝2，Zr＝10，Zs＝6，Pm＝24 这一极槽配合为例进行说明。图3是传统磁通反向永磁电机与本发明的磁 通反向永磁电机的永磁磁动势波形图与FFT分解。由图3可看出：在传统 磁通反向永磁电机中，永磁磁动势只有12对极，即24极，因为永磁体的 数量Pm＝24。在本发明的磁通反向永磁电机中，尽管永磁体的数量Pm也为 24，但由于人为改变了永磁体宽度，使得一个定子单元内出现两种宽度的 永磁体，所以其永磁磁动势不仅有12对极，还有6对极和6的奇数倍对极 (例如18对极)谐波。
经过转子齿的调制作用后，可以得到空载气隙磁密波形，如图4所示。 由于转子的凹槽的数量Zr＝10，所以在传统磁通反向永磁电机中，气隙磁密 的次数＝(12-10)＝2次。在本发明的磁通反向永磁电机中，气隙磁密的次 数不仅有(12-10)＝2次，还有|6-10|＝4次和(18-10)＝8次。
需要说明的是：以上经过转子齿调制作用的2次、4次和8次气隙磁密 是工作磁密谐波，即可贡献反电势与转矩。其它未经过转子齿调制的气隙 磁密，即次数与永磁磁势次数相等的，为非工作磁密，例如6次、12次和 18次。因为未经过转子齿调制，这些磁密是静止的，不能在同样静止的绕 组中感应产生反电势，从而也不能产生转矩，所以这些磁密是非工作磁密 谐波。
对比传统磁通反向永磁电机与本发明的磁通反向永磁电机的所有工作 磁密谐波，可以发现：本发明的4次与8次工作磁密显著上升，但2次工 作磁密略微下降。由于定子的凹槽的数量Zs＝6，绕组的极对数量Pa＝2，所 以4次与8次工作磁密为齿谐波，均可在绕组中感应产生基波反电势。因 此，绕组中的反电势是由2次、4次和8次气隙磁密的共同作用而产生的。 尽管相较于传统磁通反向永磁电机，本发明的2次工作磁密略微下降，但 由于4次与8次工作磁密显著上升，所以总的相反电势仍更高，如图5所 示。可以看出，本发明的磁通反向永磁电机的相反电势比传统磁通反向永 磁电机的高出23％。表1对比了传统磁通反向永磁电机与本发明的磁通反 向永磁电机的其它性能。可以发现，本发明的转矩密度更高，效率更高， 功率因数更高。
表1.传统磁通反向永磁电机与本发明的性能对比表
性能 传统磁通反向永磁电机 本发明的磁通反向永磁电机
额定转矩 10.9Nm 13.4Nm
铜耗 175.7W 175.7W
铁耗 3.4W 3.7W
永磁体损耗 0.9W 1.7W
相反电势幅值 22.7V 27.9V
功率因数 0.47 0.51
相绕组磁链 0.0556Wb 0.068Wb
齿槽转矩 1.4％ 2.4％
额定转矩波动 2.6％ 3.3％
效率 95.0％ 95.9％
本发明制作了样机，并进行了测试，发现本发明提供的磁通反向永磁 电机的线反电势正弦度较高；图6是本发明实施例提供的多种永磁磁动势 谐波磁通反向永磁电机的线反电势测试值与仿真值的对比图；图7是本发 明实施例提供的多种永磁磁动势谐波磁通反向永磁电机的平均转矩的测试 值与仿真值的对比图。由图6和图7可以看出，本发明一个实施例的多种 永磁磁动势谐波磁通反向永磁电机的线反电势和转矩基本达到了预期目标，误差原因主要是由加工误差和实验仪器读数误差造成的。
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 (10)

1.一种磁通反向永磁电机，其特征在于，包括：定子、绕组、永磁体和转子；
所述定子和转子同轴套装，所述转子的外表面具有多个凹槽，所述定子的内壁具有多个凹槽；
所述绕组放置在定子的凹槽内，所述定子内表面贴有围成一圈的多个永磁体；
所述定子分为多个定子单元，所述定子单元的数量和定子内壁凹槽的数量相同，每个定子单元包括一个定子凹槽和四个贴在定子内表面的永磁体，所述四个贴在定子内表面的永磁体中：相邻永磁体的极性相反，间隔永磁体的极性相同，位于中间的两块永磁体的宽度相同，形成一对永磁体；位于两边的两块永磁体的宽度相同，形成一对永磁体；两对永磁体的宽度不相等，产生多种永磁磁动势谐波。
2.根据权利要求1所述的磁通反向永磁电机，其特征在于，一个定子单元内，中间一对永磁体的宽度大于两边一对永磁体的宽度；或者
一个定子单元内，中间一对永磁体的宽度小于两边一对永磁体的宽度。
3.根据权利要求1或2所述的磁通反向永磁电机，其特征在于，所述绕组的极对数量为：
其中，Pa为绕组的极对数量，Zr为转子的凹槽数量，Zs为定子的凹槽数量，Pm为永磁体的数量，其值等于4Zs，GCD(Zs,Pa)表示定子的凹槽的数量与绕组的极对数量的最小公约数，k为大于等于1的整数。
4.根据权利要求1所述的磁通反向永磁电机，其特征在于，当永磁体的数量为24时，所述永磁磁动势谐波包括12对极谐波、6对极谐波以及6的奇数倍对极谐波。
5.根据权利要求1所述的磁通反向永磁电机，其特征在于，所述定子和转子同轴套装为定子套装在转子外或者定子套装在转子内。
6.根据权利要求1所述的磁通反向永磁电机，其特征在于，所述磁通反向永磁电机的结构为旋转电机结构、直线电机结构或者圆筒电机结构。
7.根据权利要求1所述的磁通反向永磁电机，其特征在于，所述绕组为集中式绕组或分布式绕组。
8.根据权利要求1所述的磁通反向永磁电机，其特征在于，所述绕组为单层绕组或双层绕组。
9.根据权利要求1所述的磁通反向永磁电机，其特征在于，所述磁通反向永磁电机是电动机或者发电机。
10.根据权利要求1所述的磁通反向永磁电机，其特征在于，所述定子或转子的材料为实心钢、硅钢片、非晶态铁磁复合材料或者SMC软磁复合材料。
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