CN109617348B - 一种永磁阵列磁齿轮电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型永磁阵列磁齿轮电机，包括外定子、调制转子和内转子、电枢绕组和非导磁转轴在整体上属于同心同轴套环式结构，其中，外定子的凸极齿(3)和定子槽口的永磁磁钢共同构成电机的定子部分，调制转子(5)安装在外定子和内转子之间，内转子(8)同轴心地固定套在非导磁转轴外；所述外定子在定子槽内放置三相环形电枢绕组(2)，在定子槽口沿圆周方向放置有瓦片型永磁体磁钢；所述调制转子(5)由多个调磁块间隔一定弧度环绕组成；所述内转子永磁体采用表嵌式，在相邻两个转子凸极齿间嵌有一块弧型永磁体。本发明使用表嵌式永磁转子设计，能够有效减少永磁体极间漏磁，提高电机磁场利用率，机械鲁棒性强。

Description

一种永磁阵列磁齿轮电机

技术领域

本发明属于低速大转矩直驱电机领域，具体属于磁齿轮复合电机领域。

背景技术

磁齿轮作为一种较为新型的传动装置，采用电磁式驱动，与机械齿轮比，具有非接触式传动、可靠性高，无振动噪声、机械损耗小，传动效率高等优点。将这种磁齿轮与永磁电机相结合，形成的磁齿轮复合电机相较一般的永磁同步电机，具有较高的功率密度、转矩密度，且磁齿轮复合电机由于具有良好的低速大转矩特性，因此在风力发电系统、电动汽车轮毂牵引应用等领域显现出潜在的应用前景。

目前随着磁齿轮复合电机的发展，主要分有三层气隙和两层气隙的磁齿轮复合电机，其中三层气隙磁齿轮复合电机的永磁电机和磁齿轮部分的两个磁场是并联型，因此会存在一些如磁钢用量大，体积较大，结构复杂等缺陷，而两层气隙的磁齿轮复合电机在有效合成电机磁场和磁齿轮磁场的基础上，充分利用电机内部空间，实现电机功率、转矩密度的提升。近年来，由于该类型电机独特的性能优势，引起了电机领域内大量专家、学者的广泛关注。

中国专利号201711308185.2提出了一种磁齿轮复合电机，该电机在定子槽槽口嵌有外定子磁极，由包括径向主磁极和分别位于径向主磁极两侧的切向辅助磁极构成，主磁极充磁方向相同，两个切向辅助磁极充磁方向相反且远离主磁极，合理利用了电机内部空间，同时也减少了漏磁，进而提高了电机的转矩密度。尽管漏磁问题在该电机中获得了一定程度上的改善，但是电机永磁体利用率仍存在较大的提升空间。此外，由于槽口处的阵列永磁磁钢不易固定，从而容易导致电机运行中永磁体滑动脱落现象的发生。

因此，如何最高效地利用永磁体，构造出满足体积小、永磁体用量少、效率高、磁路更高效和机械鲁棒性强的磁齿轮复合电机是目前一直面临的亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种结构简单、体积小，并且综合考虑到永磁磁钢的固定问题以增强机械鲁棒性的磁齿轮复合电机；同时加入永磁阵列组合的设计，更合理地引导磁路，从而实现转矩密度的有效提高，以期满足高性能磁齿轮复合电机的总体设计需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种永磁阵列磁齿轮电机，由外定子(1)、调制转子(5)和内转子(8)、电枢绕组(2)和非导磁转轴(9)组成，外定子(1)、调制转子(5)和内转子(8)、电枢绕组(2)和非导磁转轴(9)在整体上属于同心同轴套环式结构，其中，外定子(1)的凸极齿(3)和定子槽口的永磁磁钢共同构成电机的定子部分，调制转子(5)安装在外定子(1)和内转子(8)之间，内转子(8)同轴心地固定套在非导磁转轴(9)外；所述外定子(1)在定子槽内放置三相环形电枢绕组(2)，在定子槽口沿圆周方向放置有瓦片型永磁体磁钢；所述调制转子(5)由多个调磁块间隔一定弧度环绕组成；所述内转子(8)永磁体采用表嵌式，在相邻两个转子凸极齿间嵌有一块弧型永磁体(7)。

进一步，所述永磁磁钢为瓦片型，嵌在相邻定子凸极齿间，采用分层的方式，分为上层永磁体和下层永磁体(4-3)，其中上层永磁体和下层永磁体(4-3)采用相等径向厚度设计。

进一步，所述上层永磁体分为尺寸相同的两部分永磁体；上层两部分永磁体与下层永磁体按照几何位置共同构成Y型充磁的阵列永磁拓扑结构，即以垂直线为基准，上层左侧永磁体(4-1)往左偏60°向上充磁，上层右侧永磁体(4-2)往右偏60°向上充磁，下层永磁体(4-3)沿垂直线由圆心向外径向充磁。

进一步，外定子极对数为n，调制转子的调磁块数为q，内转子永磁体极对数为p，满足公式q＝n+p。

进一步，外定子(1)的凸极齿(3)外圈所在弧度β_i与定子槽外圈所在弧度β_s需满足约束要求：0.5≤β_i/β_s≤0.6；定子轭部厚度(R_so-R_sz)与定子厚度(R_so-R_si)需满足约束要求：0.2≤(R_so-R_sz)/(R_so-R_si)≤0.3；调制转子(5)各导磁块的大小需满足要求：0.2≤(R_ro-R_ri)/(R_so-R_si)≤0.3，0.5≤β_i/β_r＜0.85；弧型永磁体(7)的厚度与弧度需满足要求：0.15≤(R_pmo-R_pmi)/(R_pmo-R_rri)≤0.25，0.15≤l_rz/l_pmo≤0.2，其中，β_i是外定子(1)的凸极齿(3)外圈弧度，β_s是定子槽外圈所在弧度，R_so是外定子(1)外径，R_sz是外定子(1)轭半径，R_si是外定子(1)内径，R_ro是调制转子(5)外径，R_ri是调制转子(5)内径，β_r是调制转子(5)各导磁块内圈弧度，R_pmo是内转子(8)外径，R_pmi是内转子(8)轭半径，R_rri是内转子(8)内径。

进一步，该电机的磁通的路径是由四个并联磁路组成。

进一步，在径向上，所述内转子(8)表面与调制转子(5)表面之间存在有0.5mm的内气隙，而调制转子(5)表面与外定子(1)表面也存有0.5mm的外气隙。

进一步，所述内转子(8)、调制转子(5)、外定子(1)都是由0.35mm厚度的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95；非导磁转轴(9)则由散热系数较高的非导磁材料组成。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1、本发明采用在定子槽口放置永磁阵列组合的设计，通过分层的方式，构造出Y型充磁方式，合理引导从调制转子到定子凸极齿的磁路，从而使得定子槽部的磁路更加高效合理；并且，通过Y型充磁方式的引导，合理有效地缓和了定子凸极齿部的局部饱和现象，减少了槽口处的漏磁，尤其是槽口永磁体上方区域的漏磁，从而进一步提高了电机的转矩密度，在一定程度上提高了电机的整体效率；同时，在对双层Y型内部各部分比例进行优化选取后，可更好地提高永磁体利用率。

2、本发明采用的双层Y型永磁阵列组合设计，较之常规的整块永磁体设计或其他阵列组合设计，可以有效提升反电势正弦度，削弱电机转矩脉动。

3、本发明采用的双层Y型永磁体阵列组合设计，并且根据槽型的结构特点，致使永磁体阵列的整体形状呈倒梯形，从而易于安装和固定，使得它不易脱落，机械强度获得有效提高。

4、本发明采用的双层Y型永磁阵列组合设计，引导磁路走向，改善磁路结构，合理减少漏磁，从而实现电机转矩密度的有效提升。

5、本发明采用在定子槽口沿圆周方向放置瓦片型永磁体磁钢的设计，不同于以往的在定子表面表贴永磁磁钢，缩小了电机尺寸，更有效地利用了电机内部空间，结构较表贴式稳固，实现了磁齿轮与永磁电机的紧密复合，从而提升了电机的功率密度。

6、本发明采用多个大小一致的调磁块间隔一定弧度环绕组成调制转子的设计，简化了结构，同时可以获得定位力矩削弱的效果。

7、本发明使用表嵌式永磁转子设计，能够有效减少永磁体极间漏磁，提高电机磁场利用率，机械鲁棒性强；此外，这种结构可充分利用由不对称转子磁路所产生的磁阻转矩，来进一步提高电机的转矩能力。

附图说明

图1是本发明永磁阵列组合电机的径向截面放大示意图；

图2是本发明定子及定子槽口永磁磁钢结构及几何尺寸标注放大示意图；

图3是本发明双层Y型充磁方式示意图；

图4是本发明调制转子的结构及几何尺寸标注放大示意图；

图5是本发明转子及转子上永磁体的结构及几何尺寸标注放大示意图；

图6是本发明在定子槽口采用双层Y型永磁阵列后沿圆周方向展开的局部磁通示意图；

图中：1.外定子；2.电枢绕组；3.外定子凸极齿；4-1.上层左侧永磁磁钢；4-2.上层右侧永磁磁钢；4-3.下层永磁磁钢；5.调制转子；6.内转子凸极齿；7.弧型永磁体；8.内转子；9.非导磁转轴。

具体实施方式

下面根据说明书附图和具体实施例对本发明做进一步解释。

参见图1，本发明由外定子1、调制转子5和内转子8、电枢绕组2和非导磁转轴9组成，外定子1、调制转子5和内转子8、电枢绕组2和非导磁转轴9在整体上属于同心同轴套环式结构。其中，外定子1和定子槽口的永磁磁钢共同构成电机的定子部分；调制转子5安装在外定子1和内转子8之间；内转子8同轴心地固定套在非导磁转轴9外，这样，本发明在径向上由内到外依次是由非导磁转轴9、内转子8、调制转子5、外定子1同轴心套装而成。

在径向上，内转子8表面与调制转子5表面之间存在有0.5mm的内气隙，而调制转子5表面与外定子1表面也存有0.5mm的外气隙。

内转子8、调制转子5、外定子1都是由0.35mm厚度的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95；非导磁转轴9则由散热系数较高的非导磁材料组成。

参见图2，本发明提供的永磁阵列拓扑电机的外定子1包含18根定子齿，每两根齿的端部即定子槽口处放置有永磁磁钢阵列组合(4-1.上层左侧永磁磁钢；4-2.上层右侧永磁磁钢；4-3.下层永磁磁钢)，永磁磁钢阵列组合以双层方式放置，以Y型方式组合充磁，上层左右两部分永磁体分别沿竖直方向左右偏45°斜向上充磁，下层永磁体垂直向上充磁；在外定子1的梯形槽内放置有电枢绕组2，电枢绕组2绕组采用分数槽方式绕制。在此结构设计下，为了获得性能较好的定位力矩，外定子(1)的凸极齿(3)外圈所在弧度β_i与定子槽外圈所在弧度β_s需满足约束要求：0.5≤β_i/β_s≤0.6；定子轭部厚度(R_so-R_sz)与定子厚度(R_so-R_si)需满足约束要求：0.2≤(R_so-R_sz)/(R_so-R_si)≤0.3，其中，β_i是外定子(1)的凸极齿(3)外圈弧度，β_s是定子槽外圈所在弧度，R_so是外定子1外径(半径)，R_sz是外定子1轭半径，R_si是外定子1内径(半径)。

参见图3，本发明提供的永磁阵列按几何位置构成双层Y型组合方式：永磁磁钢为瓦片型，嵌在相邻定子凸极齿间，采用分层的方式，分为上层永磁体和下层永磁体4-3，其中上层永磁体和下层永磁体4-3采用相等径向厚度设计，上层两部分永磁体与下层永磁体按照几何位置共同构成Y型充磁的阵列永磁拓扑结构，即以垂直线为基准，上层左侧永磁体4-1往左偏60°向上充磁，上层右侧永磁体4-2往右偏60°向上充磁，下层永磁体4-3沿垂直线由圆心向外径向充磁。

参见图4，本发明提供的永磁阵列拓扑电机的调制转子由22个大小一致的调磁块间隔一定弧度环绕组成，由非导磁材料固定，为了尽可能地减少漏磁，并且综合考虑对转矩脉动的影响，调制转子(5)各导磁块的大小需满足要求：0.2≤(R_ro-R_ri)/(R_so-R_si)≤0.3，0.5≤β_i/β_r＜0.85；其中，R_ro是调制转子5外径(半径)，R_ri是调制转子5内径(半径)，β_i是外定子1的凸极齿3外圈弧度，β_r是调制转子5各导磁块内圈弧度。

参见图5，本发明提供的永磁阵列拓扑电机的内转子8上永磁磁钢7采用表嵌式的设计，每相邻两根内转子凸极齿6间放置一块永磁磁钢7，相邻两块永磁磁钢内外交替充磁，为尽可能地提高永磁体利用率，弧型永磁体(7)的厚度与弧度需满足要求：0.15≤(R_pmo-R_pmi)/(R_pmo-R_rri)≤0.25，0.15≤l_rz/l_pmo≤0.2，其中，R_pmo是内转子8外径(半径)，R_pmi是内转子8轭半径，R_rri是内转子8内径(半径)，l_rz是内转子凸极齿6内圈弧度，l_pmo是弧形永磁体7内圈弧度。

参见图6，本发明工作时，电机磁通会随着内转子8的不同位置切换方向，但磁通的路径都是由四个并联磁路组成，当电机运行到图示位置时，外定子1、调制转子5、内转子8的相对位置为：由于内转子8的相对运动方向为顺时针，因此按从左到右的顺序是:第一块内转子8上永磁磁钢7位于外圈的调制转子的第一块和第二块调磁块下方，第二块和第三块永磁磁钢与第一块的情况类同，均在两块调磁块的下方，但与两块调磁块的相对位置有所差异，而每两块调磁块共同位于外圈的定子齿3的下方，但每根定子齿与下方的两块调磁块相对位置有所差异。

从内转子(8)上向外充磁的第二块弧型永磁体(7)出发穿过内气隙，再分别经由调制转子(5)的第二块导磁块形成路径a和第三块导磁块形成路径b,所述四个并联磁路分别由路径a和路径b组成，第一个磁路依次经过：路径a、第一个Y型充磁的阵列永磁拓扑结构的下层永磁体(4-3)、上层左侧永磁体(4-1)、外定子(1)的凸极齿(3)、外气隙、调制转子(5)的第一块导磁块、内转子(8)上第一块弧型永磁体(7)、内转子(8)；第二个磁路依次经过：路径a、第一个Y型充磁的阵列永磁拓扑结构的下层永磁体(4-3)、上层右侧永磁体(4-2)、外定子(1)的轭部、外定子(1)的凸极齿(3)、外气隙、调制转子(5)的第四块导磁块、内转子(8)上第三块弧型永磁体(7)、内转子(8)；第三个磁路依次经过：路径b、第二个Y型充磁的阵列永磁拓扑结构的下层永磁体(4-3)、上层左侧永磁体(4-1)、外定子(1)的轭部、外定子(1)的凸极齿(3)、外气隙、调制转子(5)的第四块导磁块、内转子(8)上第三块弧型永磁体(7)、内转子(8)；第四个磁路依次经过：路径b、第二个Y型充磁的阵列永磁拓扑结构的下层永磁体(4-3)、上层右侧永磁体(4-2)、外定子(1)的凸极齿(3)、外气隙、调制转子(5)的第四块导磁块、内转子(8)上第三块弧型永磁体(7)、内转子(8)，由此形成各个完整的磁路。

不同于现有的永磁阵列组合方式，本发明提出了分层的设计方式，并充分利用几何位置的优势，构成一种阵列组合结构：双层Y型阵列结构，引导复合电机磁齿轮结构部分的磁路走向，先穿过定子槽口的双层Y型阵列组合的下层永磁体后，再由往左偏60°向上充磁的上层左侧永磁体4-1和往右偏60°向上充磁的上层右侧永磁体4-2将磁路分向两侧定子齿，在高效利用了定子槽口空间的同时，有效减少定子槽口处永磁体上方的漏磁，提高永磁体利用率，同时提高电机的转矩密度；且槽口处永磁阵列组合的下层永磁体块是一个整体，放置在倒梯形定子槽口，结构上的优势，使得它不易脱落，机械强度获得有效提高。因此，本发明实现了更高效的磁路、更强的机械强度和更高的转矩密度，为永磁阵列组合方式的多样化使用开辟了广阔的前景。

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 (6)

1.一种永磁阵列磁齿轮电机，由外定子(1)、调制转子(5)和内转子(8)、电枢绕组(2)和非导磁转轴(9)组成，其特征是：外定子(1)、调制转子(5)和内转子(8)、电枢绕组(2)和非导磁转轴(9)在整体上属于同心同轴套环式结构，其中，外定子(1)的凸极齿(3)和定子槽口的永磁磁钢共同构成电机的定子部分，调制转子(5)安装在外定子(1)和内转子(8)之间，内转子(8)同轴心地固定套在非导磁转轴(9)外；所述外定子(1)在定子槽内放置三相环形电枢绕组(2)，在定子槽口沿圆周方向放置有瓦片型永磁磁钢；所述调制转子(5)由多个调磁块间隔一定弧度环绕组成；所述内转子(8)永磁体采用表嵌式，在相邻两个转子凸极齿间嵌有一块弧型永磁体(7)；

所述永磁磁钢为瓦片型，嵌在相邻定子凸极齿间，采用分层的方式，分为上层永磁体和下层永磁体(4-3)，其中上层永磁体和下层永磁体(4-3)采用相等径向厚度设计；

所述上层永磁体分为尺寸相同的两部分永磁体；上层两部分永磁体与下层永磁体按照几何位置共同构成Y型充磁的阵列永磁拓扑结构，即以垂直线为基准，上层左侧永磁体(4-1)往左偏60度向上充磁，上层右侧永磁体(4-2)往右偏60度向上充磁，下层永磁体(4-3)沿垂直线由圆心向外径向充磁。

2.根据权利要求1所述的一种永磁阵列磁齿轮电机，其特征是：外定子极对数为n，调制转子的调磁块数为q，内转子永磁体极对数为p，满足公式q＝n+p。

3.根据权利要求1所述的一种永磁阵列磁齿轮电机，其特征是：外定子(1)的凸极齿(3)外圈所在弧度β_i与定子槽外圈所在弧度β_s需满足约束要求：0.5≤β_i/β_s≤0.6；定子轭部厚度(R_so-R_sz)与定子厚度(R_so-R_si)需满足约束要求：0.2≤(R_so-R_sz)/(R_so-R_si)≤0.3；调制转子(5)各导磁块的大小需满足要求：0.2≤(R_ro-R_ri)/(R_so-R_si)≤0.3，0.5≤β_i/β_r＜0.85；弧型永磁体(7)的厚度与弧度需满足要求：0.15≤(R_pmo-R_pmi)/(R_pmo-R_rri)≤0.25，0.15≤l_rz/l_pmo≤0.2，其中，β_i是外定子(1)的凸极齿(3)外圈弧度，β_s是定子槽外圈所在弧度，R_so是外定子(1)外径，R_sz是外定子(1)轭半径，R_si是外定子(1)内径，R_ro是调制转子(5)外径，R_ri是调制转子(5)内径，β_r是调制转子(5)各导磁块内圈弧度，R_pmo是内转子(8)外径，R_pmi是内转子(8)轭半径，R_rri是内转子(8)内径，l_rz是内转子凸极齿(6)内圈弧度，l_pmo是弧形永磁体(7)内圈弧度。

4.根据权利要求1所述的一种永磁阵列磁齿轮电机，其特征是：该电机的磁通的路径是由四个并联磁路组成。

5.根据权利要求1所述的一种永磁阵列磁齿轮电机，其特征是：在径向上，所述内转子(8)表面与调制转子(5)表面之间存在有0.5mm的内气隙，而调制转子(5)表面与外定子(1)表面也存有0.5mm的外气隙。

6.根据权利要求1所述的一种永磁阵列磁齿轮电机，其特征是：所述内转子(8)、调制转子(5)、外定子(1)都是由0.35mm厚度的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95；非导磁转轴(9)则由散热系数高的非导磁材料组成。

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