CN109861412A - 永磁削角式无轴承磁通切换永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁削角式无轴承磁通切换永磁电机，转子同轴心地套在定子内部，定子由12个沿圆周方向均匀分布的径向横截面为U型的定子块组成，U型开口沿径向朝内，每个定子块均由定子轭、定子槽和定子齿组成，U型的底部是定子轭，两侧壁是两个定子齿，开口是定子槽，相邻两个定子块之间固定镶嵌永磁体，永磁体沿圆周的切向充磁，相邻两个永磁体的充磁方向相反，每块永磁体的径向内、外两端的径向横截面是梯形结构；定子槽的外层设有转矩绕组，内层设有悬浮力绕组，绕组均绕在相邻两个定子块的两个定子齿以及该两个定子齿之间的永磁体上；对永磁体两端进行削角，靠近外端的永磁体产生的气隙漏磁显著减小，有利于抑制电机齿槽转矩。

Description

永磁削角式无轴承磁通切换永磁电机

技术领域

本发明涉及一种高速无轴承永磁电机，具体是一种无轴承磁通切换永磁电机，应用于化工产业、航空航天、生命科学、半导体工业、电动汽车、飞轮储能等领域。

背景技术

无轴承磁通切换永磁电机的定子中叠入与转矩绕组的极对数相差1的悬浮力绕组，控制这两套绕组可同时产生电磁转矩和径向悬浮力。因此，无轴承磁通切换永磁电机兼具磁通切换电机与无轴承电机的优点，能够最大限度减小电机损耗并提升功率密度。但由于其双凸极结构的局限性，该电机存在不可避免的齿槽转矩，使电机产生较大的转矩脉动。之后出现的无轴承磁通切换永磁薄片电机，是在定子齿内交替缠绕转矩绕组和悬浮力绕组，该交替缠绕绕组结构的空载感应电势正弦度一般低于全极缠绕型结构，仍会产生较大的转矩脉动。

为进一步削弱电机的齿槽转矩，中国专利申请号为201220391718.4的文献中公开了一种低齿槽转矩磁通切换永磁电机，包括定子铁芯、铁芯桥和永磁体，铁芯桥设于相邻定子铁芯之间且靠近气隙侧，永磁体置于定子铁芯与铁芯桥构成的凹槽中，该磁通切换永磁电机在考虑漏磁问题的前提下，铁芯桥的厚度对电机性能的影响较大，很难找出一组合适的参数进行优化，该结构只适用于低速运行的磁通切换永磁电机，限制了该电机的应用范围。中国专利申请号为201410058962.2的文献中公开了一种低齿槽转矩磁通切换永磁电机，包括凸极结构定子、嵌入式结构转子，定子上设有6n个U形定子导磁铁芯，两个U形定子导磁铁芯的相邻侧边形成一个定子齿，定子齿中内嵌有永磁体，嵌入式结构转子包括5n个嵌入式U形转子导磁铁芯，由非导磁材料制备的转子块和转子轴，嵌入式U形转子导磁铁芯嵌在转子块上，两个相邻的嵌入式U形转子导磁铁芯的相邻侧边形成一个转子极，该电机嵌入的U形转子导磁铁芯底部设有燕尾，燕尾形状的尺寸参数需要复杂的计算，对电机齿槽转矩影响较大，很难在实际中应用。因此，从本体结构优化和控制策略选取的角度，进一步提升无轴承磁通切换永磁电机的转矩和悬浮特性，从而更好地应用在高速高精电气传动领域。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统无轴承磁通切换永磁电机齿槽转矩导致的转矩脉动较大的问题，以及无轴承磁通切换永磁电机永磁体在定转子气隙间存在严重漏磁的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包括定子、转子和转轴，转子同轴心地套在定子内部，转子的中心是转轴，定子由12个沿圆周方向均匀分布的径向横截面为U型的定子块组成，U型开口沿径向朝内，每个定子块均由定子轭、定子槽和定子齿组成，U型的底部是定子轭，U型的两侧壁是两个定子齿，U型开口是定子槽；相邻两个定子块之间固定镶嵌一个永磁体，永磁体沿圆周的切向充磁，相邻两个永磁体的充磁方向相反；每块永磁体的径向内、外两端的径向横截面是梯形结构；定子槽的外层设有转矩绕组，内层设有悬浮力绕组，转矩绕组和悬浮力绕组均绕在相邻两个定子块的两个定子齿以及该两个定子齿之间的永磁体上。

进一步地，永磁体的内径与定子的内径相等，永磁体的外径与定子的外径相等。

进一步地，转矩绕组是每极每相槽数为1的集中式绕组，12个转矩绕组分成三相，每4个绕组按首尾顺序连接的方式组成一相，空间相对的四个定子齿上的线圈首尾顺序串接；悬浮力绕组是每极每相槽数为1的集中式绕组，12个悬浮力绕组分成六相，每2个绕组按相对连接的方式组成一相，空间相对的两个定子齿上的线圈串接。

进一步地，永磁体的径向内、外两端的梯形结构的径向高度b＝a×tanθ，且b≤1/5l_pm，a为梯形结构的端部顶点距离永磁体侧边的切向宽度，θ为永磁体的切削角度，θ为30°、45°或60°，l_pm为永磁体的径向长度。

本发明的优点在于：

1、本发明的永磁体置于定子上，不存在转子永磁式电机高速旋转时永磁体易脱落的问题，提高了电机高速运行的结构的稳定性和可靠性。

2、本发明对永磁体两端进行削角，靠近外端的永磁体产生的气隙漏磁显著减小，提升了电机的转速性能。

3、削角式永磁体结构有利于抑制电机齿槽转矩，从而减小转矩脉动，使无轴承磁通切换永磁电机平稳运行。

4、气隙磁场主要由永磁体产生，在永磁磁链的整个区域内均可产生有效转矩，提高了绕组的利用率和系统的功率密度；且省去了绕组电流中的励磁分量，减小了励磁损耗。

附图说明

图1为本发明的轴向剖面示意图；

图2为本发明的径向剖面示意图；

图3为图2中的定子和转子的局部结构以及几何尺寸标注放大示意图；

图4为图2中的单个永磁体的立体结构放大示意图；

图5为图2中的转矩绕组连接方式示意图；

图6为图2中的悬浮力绕组连接方式示意图；

图7为A相绕组下的转矩工作原理示意图；

图8为A相绕组下的转矩工作原理示意图；

图9为A相绕组下的悬浮力工作原理示意图；

图10为A相绕组下的悬浮力工作原理示意图；

图中：1.定子；2.转子；3.永磁体；4.转轴；5.定子轭；6.定子槽；7.定子齿；8.转矩绕组；9.悬浮力绕组；10.辅助轴承；11.电涡流传感器；12.调心球轴承；13.光电编码器；15.机壳。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明包括定子1、转子2和转轴4，转子2同轴心地套在定子1内部，在转子2的中心安放转轴4，转子2的中心同轴连接转轴4。定子1采用M19_24G硅钢片叠压而成，硅钢片厚度为0.5mm，叠压系数为0.95。转子2仅由凸极形转子铁芯组成，有10个凸极齿，采用与定子1材料相同的M19_24G硅钢片叠压而成，硅钢片厚度为0.5mm，叠压系数为0.95。定子1的内壁和转子2的外壁之间具有气隙，气隙的厚度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及定子1、转子2加工和装配工艺有关。机壳15用于固定定子1、辅助轴承10、电涡流传感器11和调心球轴承12。其中，辅助轴承10是在电机未施加悬浮力电流时起到支承保护转轴4的作用；电涡流传感器11分为三组，分别安装在转轴4两端，用来检测电机实际转速与径向位移；调心球轴承12使电机转轴一端在轴向固定，而在径向二自由度内灵活运动。光电编码器13安装在转轴4两端，用于检测电机的旋转速度及转子转角等参数。

参见图2，定子1由12个径向横截面为U型的定子块组成，U型开口沿径向朝内，每个定子块的结构完全相同，12个定子块沿圆周方向均匀分布。每个定子块均由定子轭5、定子槽6和定子齿7组成，U型的底部是定子轭5，定子轭5远离转子2，U型的两侧壁是两个定子齿7，定子齿7的齿顶靠近转子2，U型开口是定子槽6，即同一个定子块的两个定子齿7之间形成定子槽6。

在相邻两个定子块之间固定镶嵌一个永磁体3，永磁体3沿圆周的切向充磁，相邻两个永磁体3的充磁方向相反。每块永磁体3的大小、体积均相等，且均采用钕铁硼NdFeB永磁材料制成。永磁体3的内径与定子1的内径相等，外径与定子1的外径相等。

在每块永磁体3的径向内、外两端的位置，对其两侧边缘削角，对永磁体3切削出切向宽度和削角角度，使永磁体3的径向内、外两端形成径向横截面是梯形结构。

在定子槽6内安放双层绕组，外层绕组为转矩绕组8，内层绕组为悬浮力绕组9。转矩绕组8和悬浮力绕组9均绕在相邻两个定子块的两个定子齿7以及该两个定子齿7之间的永磁体3上。

参见图3，电机的主要尺寸确定是以电机功率、转速等方面确定的前提下推导而来，在计算过程中不考虑悬浮力绕组9对电机功率的影响，且忽略谐波分量。给定参数分别为：额定功率P_N＝2kW、额定转速n_N＝3000r/min、转子极数P_r＝10、定子极数P_s＝12、效率η＝0.85，从而计算出初始电机外径参数D_so和转轴长度l_a。合理选取所需参数：漏磁系数k_d＝0.92×0.95，定子内外径比例系数k_sio＝0.55，线负荷A_s＝26.1kA/m(一般在18kA/m～35kA/m之间)，气隙最大磁通密度B_gmax＝1.2T，定子齿宽极弧系数c_s＝0.25(每个定子齿宽占模块弧长的1/4)。

定子齿7的切向齿宽为h_s，转子2的转子极外端部切向宽度为h_r，定子轭5的径向厚度为h_sy，永磁体3的切向宽度为h_pm，转子2的转子极内端轭部切向宽度为h_ry，定子极数为P_s，满足关系式：h_s＝h_r＝h_sy＝h_pm，h_r＝h_ry/2，h_ry/2＝360°/4P_s。

定子槽6的内端部弧长为a_si，定子槽6的外端部弧长为a_so，定子1的内径为D_si，定子1的外径为D_so，永磁体3的径向长度为l_pm，满足关系式：a_si＝a_so＝π×D_si/4P_s，l_pm＝(D_so-D_si)/2。

在确定转子齿数P_r、定子1的外径D_so、气隙长度δ等尺寸后，根据经验公式即可推导出定转子铁芯和永磁体3的初始基准尺寸。

参见图4，为了削弱电机漏磁和齿槽效应的影响，永磁体3的径向内、外两端的梯形结构具体是：b为梯形结构的径向高度，a为梯形结构的端部顶点距离永磁体3侧边的切向宽度，即永磁体3切削的切向宽度，a₀为永磁体3的切向半宽，即a₀＝h_pm/2。a和b满足如下关系：b＝a×tanθ，θ为永磁体3的切削角度。为了使切削后的永磁体3产生的气隙磁链不出现明显降低情况，规定：b不得超过永磁体3的径向长度l_pm的五分之一，即b≤1/5l_pm。

根据以上规定，制定出永磁体3的削角方案是：保证切削角度θ为30°不变，通过改变切削的切向宽度a分别为永磁体3的切向半宽a₀的1/2、1/3、1/4，测定一组电机特性有关数据；再将切削角度θ分别设为45°和60°，切向宽度a分别为永磁体3的切向半宽a₀的1/2、1/3、1/4，再测定两组电机特性有关数据。按照实际电机性能参数，从切向宽度a、切削角度θ中选取最佳的切向宽度和切削角度。

参见图5和图6，将转矩绕组8和悬浮力绕组9水平展开，转矩绕组8和悬浮力绕组均采用星形接线方式。转矩绕组8是每极每相槽数为1的集中式绕组，12个转矩绕组3分成三相，每个4个绕组按首尾顺序连接的方式组成一相，由空间相对的四个定子齿7上的线圈首尾顺序串接形成三相转矩绕组8。如图5所示，转矩绕组8按逆时针方向定义为：A₁+、B₁+、C₁+、A₁-、B₁-、C₁-、A₂+、B₂+、C₂+、A₂-、B₂-、C₂-排列，以相对的四个槽为一相的进线端或出线端串联连接，且A、B、C三相转矩绕组的相位分别相差120°电角度，这样排列使得转矩绕组在空间内产生圆形旋转磁场，使电机沿某一方向旋转。转矩绕组8采用三相链式绕组，以A相为例，每四个槽的绕组为一相的进线端或出线端。为方便描述，转矩绕组8按A₁+、A₁-、A₂+、A₂-(+、-号分别表示流入与流出，下同)排列，A相的接线是从A1+侧进线，从A₂-侧出线，B相和C相的接线也按A相的接线方式连接，且与A相绕组在相位上互差±120°。悬浮力绕组9是每极每相槽数为1的集中式绕组，12个悬浮力绕组9分成六相，每2个绕组按相对连接的方式组成一相，由空间相对的两个定子齿7上的线圈串接形成六相悬浮力绕组9。如图6所示，悬浮力绕组9按逆时针方向定义为：U+、V+、W+、X+、Y+、Z+、U-、V-、W-、X-、Y-、Z-排列，以相对的两个槽为一相的进线端或出线端串联连接，这样排列使得悬浮力绕组9产生两极合成磁场，该磁场与转矩绕组8和永磁体3产生的合成气隙磁场相叠加，从而产生径向悬浮力。悬浮力绕组9采用六相链式绕组，每两个相对槽的绕组为一相的进线端或出线端。为方便描述，悬浮力绕组按U(U+、U-)、V(V+、V-)、W(W+、W-)、X(X+、X-)、Y(Y+、Y-)、Z(Z+、Z-)排列，接线方式与转矩绕组8一致，且按排列方式两相绕组相位差为60°。

本发明工作时，采用速度闭环控制，给出交直轴电流，采用增量式光电编码器实时计算获得电机的位置和转速，通过坐标变换得到三相电流的给定值，采用电流传感器获得三相电流，并将其与三相电流给定作比较，得到逆变器的开关信号，使得实际电流实时跟随给定电流。

参见图7和图8所示，以A相绕组绕线所在的两个定子槽和两极转子极为例，假设转子沿逆时针(图7中向左)方向运动，根据磁阻最小原理，磁通永远都是通过磁阻最小的路径闭合。当转子2旋转到第一个转子极P₁左端与属于A相转矩绕组8的线圈的左端定子齿对齐时，永磁体3产生的气隙磁通(图中虚线所示)从定子齿流向转子极，对于开路的定子绕组来说，其两端会感应出一定的反电动势；当转子2的第二个转子极P₂右端与属于A相转矩绕组8的线圈的右端定子齿对齐时，永磁体3产生的气隙磁通从转子极流向定子齿，此时绕组则感应电动势与上者相比，数值相同但极性相反。基于该原理，当转子2在上述两个位置之间运动时，绕组里匝链的永磁磁通就会不断地在正负最大值之间呈周期性变化，根据法拉第定律，绕组两端就会产生幅值和相位交变的反电动势。因此，在转矩绕组中通入与反电动势同相位的正弦交流电流，可产生平稳的电磁转矩。

参见图9和图10，同样以A相绕组绕线所在的两个定子槽和两个转子极为例，当悬浮力绕组9未通入电流时，永磁体3产生的气隙磁链(虚线所示)在空间上完全对称，径向力受力平衡，此时在麦克斯韦力作用下转子2处于中心位置。当悬浮力绕组9通入电流，转子2旋转到图9所示位置时，永磁体3生成的气隙磁场和悬浮力生成的气隙磁场相互叠加，磁场增强；当转子2旋转到图10所示位置时，永磁体3生成的气隙磁场与悬浮力生成的气隙磁场在定转子齿极对齐气隙处相反，磁场减弱，从而导致电机两边气隙磁场明显不平衡，产生径向悬浮力，通过控制通入悬浮电流大小和方向来控制悬浮力的大小和方向。

本发明由于在定子块之间嵌入永磁体3，在高速旋转时不会产生散热困难、退磁风险等问题；永磁体3的使用量减少，进一步降低电机制造成本；气隙中的磁密决定了感应电动势的波形与幅值，而定子绕组中的感应电动势决定了电机的性能。采用永磁体3削角式结构，可有效改善电机的气隙磁场，通过改善气隙磁场波形，减小因各次谐波磁场相互作用所产生的径向力波，降低电磁噪声，从而减小电机的齿槽转矩。在全运行区间内，可满足宽调速、高转矩密度和高功率密度的性能要求。

Claims (7)

1.一种永磁削角式无轴承磁通切换永磁电机，包括定子(1)、转子(2)和转轴(4)，转子(2)同轴心地套在定子(1)内部，转子(2)的中心是转轴(4)，其特征是：定子(1)由12个沿圆周方向均匀分布的径向横截面为U型的定子块组成，U型开口沿径向朝内，每个定子块均由定子轭(5)、定子槽(6)和定子齿(7)组成，U型的底部是定子轭(5)，U型的两侧壁是两个定子齿(7)，U型开口是定子槽(6)；相邻两个定子块之间固定镶嵌一个永磁体(3)，永磁体(3)沿圆周的切向充磁，相邻两个永磁体(3)的充磁方向相反；每块永磁体(3)的径向内、外两端的径向横截面是梯形结构；定子槽(6)的外层设有转矩绕组(8)，内层设有悬浮力绕组(9)，转矩绕组(8)和悬浮力绕组(9)均绕在相邻两个定子块的两个定子齿(7)以及该两个定子齿(7)之间的永磁体(3)上。

2.根据权利要求1所述的永磁削角式无轴承磁通切换永磁电机，其特征是：永磁体(3)的内径与定子(1)的内径相等，永磁体(3)的外径与定子(1)的外径相等。

3.根据权利要求1所述的永磁削角式无轴承磁通切换永磁电机，其特征是：转矩绕组(8)是每极每相槽数为1的集中式绕组，12个转矩绕组(8)分成三相，每4个绕组按首尾顺序连接的方式组成一相，空间相对的四个定子齿(7)上的线圈首尾顺序串接；悬浮力绕组(9)是每极每相槽数为1的集中式绕组，12个悬浮力绕组(9)分成六相，每2个绕组按相对连接的方式组成一相，空间相对的两个定子齿(7)上的线圈串接。

4.根据权利要求1所述的永磁削角式无轴承磁通切换永磁电机，其特征是：永磁体(3)的径向内、外两端的梯形结构的径向高度b＝a×tanθ，且b≤1/5l_pm，a为梯形结构的端部顶点距离永磁体(3)侧边的切向宽度，θ为永磁体(3)的切削角度，θ为30°、45°或60°，l_pm为永磁体(3)的径向长度。

5.根据权利要求1所述的永磁削角式无轴承磁通切换永磁电机，其特征是：定子齿(7)的切向齿宽h_s、转子(2)的转子极外端部切向宽度h_r、定子轭(5)的径向厚度h_sy以及永磁体(3)的切向宽度h_pm都相等。

6.根据权利要求1所述的永磁削角式无轴承磁通切换永磁电机，其特征是：转子(2)的转子极外端部切向宽度h_r＝h_ry/2，h_ry/2＝360°/4P_s，h_ry为转子(2)的转子极内端轭部切向宽度，P_s为定子极数。

7.根据权利要求1所述的永磁削角式无轴承磁通切换永磁电机，其特征是：定子槽(6)的内端部弧长为a_si，定子槽(6)的外端部弧长为a_so，定子(1)的内径为D_si，满足关系式：a_si＝a_so＝π×D_si/4P_s，P_s为定子极数。