CN109861413A - 一种聚磁型交替极容错永磁游标电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，包括转子和定子。转子是由两个互差180°电角度，结构完全相同，但轴向长度可以不相等的子转子、以及一个非导磁转子环拼接而成。该转子环位于两个子转子的中间，且在其中一子转子轭部和轴承之间嵌入一个非导磁圆筒。定子是由两个结构、材料完全相同的子定子以及一个非导磁定子环构成，定子环和两个子定子的形状相同，并且位于两个子定子之间。两子转子上表嵌Halbach永磁体阵列，但主励磁方向相反。电枢齿和容错齿沿圆周方向交替均匀分布，但调制齿在空间圆周上不均匀分布。该发明削弱了交替极永磁电机边端的单极性漏磁，提升了转矩密度，同时具有良好的容错能力和高功率因数。

Description

一种聚磁型交替极容错永磁游标电机

技术领域

本发明属于电机设计领域，尤其是涉及一种容错型交替极永磁游标旋转电机。

背景技术

永磁游标电机具有机械结构简单，转矩密度高，转矩脉动低的特点，在直驱设备，比如风力发电机、船舶推进器、机器人操纵器等领域得到了广泛的关注。由于对系统可靠性的要求越来越高，这使得电机本身需要具有一定的容错能力，即当电机的某一相或者几相发生故障(短路或者开路)时，电机依然可以持续正常运行一段时间。另外，随着国内外对稀土永磁材料的使用量与日俱增，稀土永磁材料的储量有限且价格昂贵，所以在电机设计过程中如何在减少稀土永磁用量的同时，还能保证电机的转矩等电磁性能具有重要的意义。

近年来，经国内外研究发现使用交替极结构不仅可以大幅度的减少永磁体的使用量，还可以获得与常规永磁型结构相似甚至更优的电磁性能。所谓交替极结构就是转子槽内安置同一励磁方向的永磁体，永磁体之间的转子凸极铁心全部被磁化为另外一种励磁方向，从而使得永磁体的磁性与转子凸极铁心的极性依次交替排列。然而交替极永磁游标电机虽然具有上述的相关优点，但是电机漏磁非常严重。另外，文献IEEE Transactions onIndustry Applications,52(6):4789-4797.Nov./Dec.2016,“A Spoke-Type IPM MachineWith Novel Alternate Airspace Barriers and Reduction of Unipolar Leakage Fluxby Step-Staggered Rotor”指出由于电机磁路不平衡，电机边端会存在较为严重的单极性漏磁，从而使得电机外部轴承更容易被磁化，降低了轴承的使用寿命，甚至影响整个电机系统运行的可靠性。综上所述，在电机设计过程中，如何减少永磁游标电机的漏磁，保证电机的电磁性能具有重要的意义。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提出了一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，不但提高了永磁体利用率，而且削弱了电机的径向漏磁以及电机边端的单极性漏磁。

本发明的技术方案为：

一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，包括转子与定子。转子是由两个互差180°电角度、结构完全相同、但轴向长度可以不相等的子转子、以及一个非导磁材料做成的转子环前后串联拼接而成。该转子环位于两个子转子的中间，且转子环上没有永磁材料。在其中一子转子轭部和轴承之间嵌入一个非导磁圆筒(环)以隔磁，比如铝圆筒、环氧树脂圆筒、或者部分非导磁固体和空气构成的圆筒。其余所用材料和另一子转子相同。转子槽内镶嵌着主励磁永磁体，主励磁永磁体全部都沿径向充磁，但两个子转子的主励磁永磁体的充磁方向沿径向相反。在主励磁永磁体的两边放置辅助励磁永磁体以构成Halbach阵列，其磁化方向为切向充磁。两个子转子的辅助励磁永磁体的磁化方向相反：磁化方向为径向向外的主励磁永磁体两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向指向主励磁永磁体，而磁化方向为径向向内的主励磁永磁体两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向背离主励磁永磁体。定子是由两个结构、材料完全相同的子定子以及一个非导磁材料做成的定子环构成，该定子环位于两个子定子中间，且形状和两个子定子完全相同。定子各部分的轴向长度与转子相应各部分的轴向长度相等。定子与转子之间具有间隙。

定子上的电枢齿和容错齿沿着定子圆周方向交替均匀分布，每个电枢齿上只绕有一套单层集中绕组，每个容错齿上不绕有绕组。在电枢齿和容错齿的端部设有调制齿。保证各电枢齿上的调制齿数相等，各容错齿上的调制齿数也相等，但电枢齿上的调制齿数与容错齿上的调制齿数可以不相等。所有调制齿的宽度相等，电枢齿上所开槽口的高度相同(即，所有电枢齿上两调制齿之间的距离相等)，调制齿在空间圆周上分布不均匀。

进一步，所述调制齿在空间圆周上分布不均匀，令电枢齿上的调制齿之间的弧度为θ，电枢齿上的调制齿与相邻容错齿上的调制齿之间的弧度为α，定义k＝θ/α，k的取值在1.0到1.5之间，k与θ满足如下关系

其中，P_f为总的调制极数。

进一步，根据游标电机原理，所述总的调制极数P_f与绕组极对数P_s，永磁体极对数P_r，满足关系

p_f＝|p_s±p_r|

根据游标电机调制机理分析，永磁体在经过调制后产生的谐波极对数为iP_r，P_r±iP_f，iZ_a和P_r±iZ_a，(i＝1,2,3…)，Z_a为电枢齿数。通过对调制极数，转子极对数以及电枢齿数的特殊配合设计，可以实现游标电机磁场谐波的高利用率。

进一步，电机采用分数槽集中绕组结构，且极槽关系满足：N_s＝2P_s±2，或者N_s＝2P_s±1，N_s为定子槽数，P_s为绕组极对数。

进一步，对于Halbach型阵列永磁体结构，两边辅助励磁永磁体的宽度相等，其宽度之和与主励磁永磁体宽度相等。

进一步，所述短轴转子与长轴转子的轴向长度比值在0.2到1之间，优选为0.28。

进一步，所述等宽调制齿对应到圆心的角度为6.2°，电枢齿和容错齿对应到圆心的角度分别为7.3°和6.2°。

进一步，定子与转子之间有气隙。

进一步，所述永磁材料为钕铁硼永磁材料，剩余的定子和转子由硅钢片组成。

本发明的有益效果是：

1、相对于传统交替极结构而言，两个主励磁永磁体磁化方向相反的子转子配合非导磁圆筒和非导磁定子环、非导磁转子环，实现了电机磁路平衡，有效削弱了电机端部的单极性漏磁。

2、永磁体采用Halbach型阵列，但两个子转子上的Halbach型阵列的主励磁永磁体的充磁方向沿径向相反。两个子转子的辅助励磁永磁体的磁化方向相反：磁化方向为径向向外的主励磁永磁体两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向指向主励磁永磁体，而磁化方向为径向向内的主励磁永磁体两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向背离主励磁永磁体。该方法引导磁路从两边的永磁体经过，与气隙以及主励磁永磁体构成回路，有效削弱了永磁体在转子轭侧的磁通密度，永磁磁场呈现明显的单边性，使得永磁体产生的磁密聚集在气隙侧，增强了气隙磁密。

3、容错齿和电枢齿在圆周上交替均匀排列，且容错齿和电枢齿上的调制齿在空间圆周上非均匀分布。根据游标电机的调制机理，通过对永磁体极数，调制齿数以及电枢齿数的特殊配合设计，可以使永磁体调制后产生的绝大多数的磁密谐波的次数与电枢绕组产生的谐波次数相等。相比传统永磁游标电机，该设计方法充分利用了磁场空间谐波，实现高谐波利用率，降低电机转矩脉动，输出转矩更为平稳，并且有效提高了电机输出转矩。

4、Halbach阵列永磁体配合圆周上不均匀分布调制齿，削弱了永磁体在转子轭侧的磁通密度，使得磁密聚集在气隙侧，提高了电机功率因数。

5、在本发明中，转子主励磁永磁体采用交替极型转子，永磁体之间的凸极铁心全部被磁化为另外一种极性，用铁心替代了另外一种极性的永磁体，因此减少了永磁体的使用量。

6、电机定子上的电枢绕组采用集中绕组，绕线方便而且端部绕组较短，可以减少电机的铜耗。每个电枢齿只绕一套绕组，容错齿上不绕绕组，通过相与相之间的物理隔离实现电机相与相之间的热和磁路隔离，从而达到很好的容错性能，使得其在对可靠性要求较高的系统中具有很好的应用前景。

7、转子交替极结构、在定子和转子中插入非导磁材料做成的定子和转子环将电机分成两个子电机、在某一子转子轭部和轴承之间嵌入非导磁圆筒、相比较于仅仅在定子或转子中插入非导磁环，可以更有效的隔断电机的轴向漏磁。调制齿在圆周上的不均匀分布、以及容错齿和集中绕组的引入，有效提高了该电机的转矩密度、容错性能、电机端部的漏磁以及功率因数。

附图说明

图1是本发明实例电机的定子俯视图；(a)为俯视图；(b)为剖视图；

图2是本发明实例电机的转子俯视图；(a)为俯视图；(b)为剖视图；

图3是本发明实例电机结构主视图；

图4是本发明实例电机结构后视图；

图5是本发明实例电机永磁体被调制后的磁密谐波图；

图6是本发明实例电机电枢绕组单独励磁的磁密谐波图；

图7是本发明实例电机的气隙磁密图；

图8是本发明实例电机的空载反电势波形图；

图9是本发明实例电机的转矩波形图；

图10是本发明实例电机A相的自感互感波形图；

图中：1.定子；1-1.子定子1；1-2.子定子2；1-3.非导磁材料做成的定子环；2.转子；2-1.子转子1；2-2.子转子2；2-3.非导磁材料做成的转子环；3.电枢齿；4.容错齿；5.电枢绕组；6.调制齿；7.主励磁永磁体；8.辅助励磁永磁体；9.非导磁圆筒；θ为电枢齿上的调制齿之间的弧度，α为电枢齿上的调制齿与相邻容错齿上的调制齿之间的弧度。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方案。

为了能够更加简单明了地说明本发明的电机结构特点和有益效果，下面结合一个具体的五相永磁游标电机来进行详细的表述。

为了能够更清楚的说明本发明，将本发明电机的极槽配比具体化，根据上文提出的公式，选择m＝5，即五相电机，Ns＝20，P_s＝9。

图1-4分别是本发明实施例的容错型交替极永磁游标电机的定子与转子俯视图以及整个电机结构的主视图与后视图。如图1和2所示，定子部分由两个子定子前后串联拼接而成，之间隔有一层非导磁材料做成的定子环，该定子环的形状和子定子完全相同。转子部分也由相对应的两个子转子前后串联拼接而成，之间隔有一层非导磁材料做成的转子环，该转子环上没有永磁材料。子定子配合相对应的子转子构成一个子电机。两个子电机的轴向长度可以不相等，转子环和定子环的轴向长度相等。在本发明实例中，整个电机的轴向长度为100mm，中间的非导磁材料做成的定子和转子环的厚度为3mm，两边的子电机的轴向长度分别为20mm，77mm。

图3和4分别为两个子电机的剖面示意图，包括定子1，转子2。定子1中包括绕有线圈的电枢齿3，容错齿4和电枢绕组5，电枢齿和容错齿个数都为10个，电枢齿3上有两个调制齿6，容错齿4上有一个调制齿6，转子表面嵌有主励磁永磁体7和辅助励磁永磁体8构成Halbach阵列。短子转子轭部与轴承之间镶嵌一层非导磁圆筒9。定子环的形状和子定子的形状完全相同，转子环上没有永磁材料。

主励磁永磁体沿径向充磁，辅助励磁永磁体沿切向充磁，两个子电机的主励磁永磁体径向充磁方向相反，辅助励磁永磁体切向充磁方向也相反：磁化方向为径向向外的主励磁永磁体两边的辅助永磁体的磁化方向沿切向指向主励磁永磁体，而磁化方向为径向向内的主励磁永磁体两边的辅助永磁体的磁化方向沿切向背离主励磁永磁体。对应在本发明实例中，短子定子与短子转子构成短子电机，短子电机的主励磁永磁体全部沿径向朝内充磁，辅助励磁永磁体沿切向背离主励磁永磁体充磁；长子定子与长子转子构成长子电机，长子电机主励磁永磁体沿径向朝外充磁，辅助励磁永磁体沿切向指向主励磁永磁体充磁。定子和转子之间存在气隙，气隙长度为1mm。在短子转子轭部和轴承之间嵌入一个非导磁圆筒，经过优化该圆筒的厚度为3mm。两个子转子在空间上相差180°电角度，经过计算，对应本发明实例机械角度相差8.5°。两个子电机其余部分结构相同，对应的材料也完全一致。

由于本发明采用磁极交错型转子结构以及配合非导磁圆筒和非导磁定子环、非导磁转子环，改善了电机的磁路平衡，电机边端漏磁由0.2T降到0.08T。

采用分数槽集中绕组，根据槽电势星形图，按照反电势最大原则，将五相绕组按照电角度互差72°的原则安装在定子槽中。每个电枢齿上只绕一套绕组，容错齿上没有绕组，通过相与相之间的物理隔离实现电机相与相之间的热隔离和磁路解耦的作用。

在本发明实例中，所需主励磁永磁体数为21，每个主励磁永磁体两边采用辅助励磁永磁体，主励磁永磁体与辅助励磁永磁体的宽度对应弧度分别确定为6°和3°。

由于绕组极对数为9，转子极对数为21，根据游标原理

p_f＝|p_s±p_r|

确定调制极数为30。在本发明实例中，电枢齿和容错齿的个数都为10个，同一电枢齿上分布着两个调制齿，容错齿上只有一个调制齿。电机的调制齿在圆周上不均匀分布。假设分布在电枢齿上的调制齿之间的弧度为θ，电枢齿上的调制齿与相邻容错齿上的调制齿之间的弧度为α，定义k＝θ/α，k的取值为1.0～1.5，k与θ，P_f满足如下关系

在本发明实例电机中，k＝1.3，θ＝15.6°，α＝14.4°。通过该设计，充分利用了磁场谐波，提高了电机的转矩密度和功率因数。

图5和图6是本发明实例电机的永磁体被调制后以及电枢绕组单独励磁磁密谐波图。永磁体在经过调制后产生的谐波极对数为iP_r，P_r±iP_f，iZ_a和P_r±iZ_a，(i＝1,2,3…)，将本发明实例电机参数代入后可以得出谐波极对数为21i,21±30i,10i以及21±10i。将其汇总后可以得出谐波极对数为10k±1以及10i(i,k＝1,2,3…)。从图中可看出，除了很少一部分的10i等次谐波之外，其余的(10k±1)次谐波与电枢绕组单独励磁所产生的谐波次数相等，对应的谐波旋转速度相等，进而相互作用产生电磁转矩。实现了高谐波利用率，降低电机的转矩脉动，输出转矩更为平稳。

图7所示为本发明实例电机的气隙磁密图。转子槽内镶嵌着Halbach阵列永磁体，主励磁永磁体全部都沿径向充磁，但两个子转子的主励磁永磁体的充磁方向沿径向相反。在主励磁永磁体的两边放置辅助励磁永磁体，其磁化方向为切向充磁。两个子转子的辅助励磁永磁体的磁化方向相反：磁化方向为径向向外的主励磁永磁体两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向指向主励磁永磁体，而磁化方向为径向向内的主励磁永磁体两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向背离主励磁永磁体。采用该特殊的Halbach型永磁体阵列，可以削弱永磁体在转子轭侧的磁密，增强了气隙磁密。从图中可以看出，未采用Halbach型结构的气隙磁密最大幅值为0.9T，而采用Halbach型永磁体阵列的气隙磁密最大幅值为1.20T，气隙磁密增加了33％，进一步提升了电机的聚磁性能。

图8所示为本发明实例电机的空载反电势波形图。反电势的幅值为43V，五相反电势在空间上依次互差72度电角度，空间上呈现出良好的对称性。

图9所示为本发明实例电机的转矩波形图。从图中可以看出，未采用Halbach型阵列的转矩平均值为21.97Nm，采用Halbach型阵列后的转矩平均值为26.92Nm，转矩提升了22.5％。通过比较能明显看出，本发明实例电机具有更小的转矩脉动，更大的输出转矩。

图10为本发明实例电机A相的自感互感波形图。由于在电枢齿间引入了容错齿，所以当添加电枢电流时，容错齿能够起到物理隔离和电磁隔离的效果。经过计算，互感和自感比为1.14％，互感与自感的比值很低说明了电机具有很好的相间独立性，即电机具有很好的容错性能。

从以上所述可以得知，由于采用磁极交错型转子结构，改善了电机的磁路平衡，削弱了电机边端的漏磁。采用Halbach型永磁体阵列，进一步削弱永磁体在转子轭侧的漏磁，增强了气隙磁密，提升了电磁转矩，并且转矩更平稳，提高了功率因数。通过对定子齿数，调制极数，永磁体极数的特殊配合设计，实现高谐波利用率。本发明实例电机也具有很好的容错性能，提高了电机运行的可靠性。

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 (8)

1.一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，其特征在于，包括定子和转子；

所述定子由两个结构、材料完全相同，但轴向长度不等的子定子组成，两个子定子之间用一个非导磁材料做成的定子环隔开；

所述定子环的形状和两个子定子的形状相同，定子上的电枢齿1-3和容错齿沿着定子圆周方向交替均匀分布，在电枢齿和容错齿的端部设有调制齿，所有电枢齿上的调制齿之间的距离相等，调制齿宽度相等但在空间圆周上分布不均匀；

所述转子是由两个互差180°电角度，结构完全相同，但轴向长度不等的子转子前后串联拼接而成；两个子转子中间有一个非导磁材料做成的转子环；

转子槽内安放着Halbach阵列永磁体；两个子转子中Halbach阵列的主励磁永磁体沿径向充磁但方向相反；两个子转子上Halbach阵列中的辅助励磁永磁体的磁化方向相反：若主励磁永磁体磁化方向为径向向外，则两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向指向主励磁永磁体；若主励磁永磁体磁化方向为径向向内，则两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向背离主励磁永磁体；在其中一个子转子的转子轭和轴承之间嵌入一个非导磁圆筒。

2.根据权利要求1所述的一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，其特征在于，前后两个子转子同轴安装但在空间上互差180°电角度，对应的机械角度差为θ_m＝π/P_r，其中P_r为电机的转子极对数。

3.根据权利要求1所述的一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，其特征在于，所述Halbach阵列中辅助励磁永磁体的宽度相等，其宽度之和与主励磁永磁体的宽度相等。

4.根据权利要求1所述的一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，其特征在于，两个子定子的轴向长度和两个子转子中的轴向长度对应相等；子定子和对应轴向长度的子转子构成子电机。

5.根据权利要求4所述的一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，其特征在于，两个子电机的轴向长度比值在0.2和1之间，优选比值为0.28。

6.根据权利要求1所述的一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，其特征在于，在调制齿宽度相等但在空间圆周上分布不均匀的情况下，保证各电枢齿上的调制齿数相等，各容错齿上的调制齿数也相等；令电枢齿上的调制齿之间的弧度为θ，电枢齿上的调制齿与相邻容错齿上的调制齿之间的弧度为α，总调制极数为P_f，定义k＝θ/α，k的取值在1.0到1.5之间，k与θ、P_f满足如下关系

7.根据权利要求6所述的一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，其特征在于，所述调制齿对应到圆心的角度为6.2°，电枢齿和容错齿对应到圆心的角度分别为7.3°和6.2°。

8.根据权利要求1所述的一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，其特征在于，电机采用分数槽集中绕组结构，且极槽关系满足：N_s＝2P_s±2或者N_s＝2P_s±1，N_s为定子槽数，P_s为绕组极对数；每个电枢齿上绕制一套集中绕组，容错齿上没有绕组。