CN110112879A - 一种双边永磁型同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双边永磁型同步电机，包括：定子、绕组、转子永磁体、定子永磁体和转子；定子和转子同轴套设；转子的外表面与定子的内壁均设置凹槽，转子的凹槽内设置转子永磁体，定子的凹槽内设置绕组；定子设置定子齿，定子齿的一侧凸起，其另一侧设置定子永磁体，且相邻定子齿的凸起位置相反；定子永磁体的极性相同且转子永磁体的极性相同；定子套设在转子外侧或定子套设在转子内侧。与传统的单纯转子外表面设置永磁体相比，由于本发明采用双边永磁体励磁增加了磁负荷，而转矩密度正比于磁负荷，因此，本发明永磁同步电机转矩密度更高，进而降低了电机的成本。

Description

一种双边永磁型同步电机
技术领域
本发明属于电机领域，更具体地，涉及一种双边永磁型同步电机。
背景技术
传统永磁同步电机利用永磁体高磁能积的特点，具有转矩密度高、效率高的优点，适合多种运行场合，例如，专利文献CN109510353A公开的永磁同步电机可用于新能源汽车领域，专利文献CN109347246A公开的外转子永磁同步电机可用于飞轮储能场合，专利文献CN109368141A中公开的永磁同步电机可应用于煤矿带式输送等系统。
目前，高速发展的各类工业应用对永磁同步电机的转矩密度提出了越来越高的要求，因此进一步提升永磁同步电机的转矩密度迫在眉捷。但是现有的提高转矩密度的方法通常会导致电机成本的不断增加，其中永磁体的价格约占永磁同步电机成本的70％，因此，现阶段急需在不增加永磁体用量的同时提升永磁电机的转矩密度。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种双边永磁型同步电机，其目的在于通过改变永磁体的位置分布提升同步电机的转矩密度。
为实现上述目的，本发明提供了一种双边永磁型同步电机，包括：定子、绕组、转子永磁体、定子永磁体和转子；定子和转子同轴套设；转子的外表面与定子的内壁均设置凹槽，转子的凹槽内设置转子永磁体，定子的凹槽内设置绕组；定子设置定子齿，定子齿的一侧凸起，其另一侧设置定子永磁体，且相邻定子齿的凸起位置相反；定子永磁体的极性相同且转子永磁体的极性相同。
优选地，定子永磁体与转子永磁体的极性相同或相反。
优选地，定子永磁体和转子永磁体均为径向充磁或平行充磁。
优选地，所述定子和转子同轴嵌套包括：定子套设在转子外侧或定子套设在转子内侧。
优选地，所述绕组为交流绕组。
优选地，所述绕组为集中式或分布式。
优选地，所述绕组的极对数量为：
其中，Pac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，GCD(Zs,Pac)表示定子的凹槽的数量与绕组的极对数量的最大公约数，k为大于等于1的整数，min表示所有可能取值中的最小值。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得有益效果：
本发明采用在转子的凹槽内设置转子永磁体，定子设置定子齿，定子齿的一侧凸起，其另一侧设置定子永磁体，相邻定子齿的凸起位置相反，与传统的单纯转子外表面设置永磁体相比，由于本发明采用双边永磁体励磁增加了磁负荷，而转矩密度正比于磁负荷，因此，本发明永磁同步电机转矩密度更高，换言之，若要求输出相同的转矩，本发明提供的电机材料用量更低，电机的体积更小，进而重量更轻且成本更低。
附图说明
图1是本发明提供的永磁同步电机的结构示意图；
图2(a)是实施例提供的转子位置在0电角度时的磁力线分布图；
图2(b)是实施例提供的转子位置在90电角度时的磁力线分布图；
图2(c)是实施例提供的转子位置在180电角度时的磁力线分布图；
图2(d)是实施例提供的转子位置在270电角度时的磁力线分布图；
图3是本发明提供的双边永磁型同步电机的相磁链波形；
图4是本发明提供的双边永磁型同步电机的相反电势波形；
图5是本发明提供的双边永磁型同步电机的输出转矩波形；
图6是本发明提供的传统永磁同步电机的结构示意图；
图7是本发明提供的双边永磁型同步电机的线反电势的测试值与仿真值的对比图；
图8是本发明提供的双边永磁型同步电机的平均转矩的测试值与仿真值的对比图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种双边永磁型同步电机，包括：定子1、绕组2、定子永磁体3、转子永磁体4和转子5；定子1和转子5同轴套设；转子5的外表面与定子1的内壁均设置凹槽，转子5的凹槽内设置转子永磁体4，定子1的凹槽内设置绕组2；定子1设置定子齿，定子齿的一侧凸起，其另一侧设置定子永磁体3，且相邻定子齿的凸起位置相反；所述定子永磁体3的极性相同且转子永磁体4的极性相同。
优选地，转子4由导磁材料构成，例如用硅钢片叠压而成；定子1内表面上开设有若干个槽，槽内放置交流绕组2，交流绕组2的型式为集中绕组或者分布绕组；定子铁芯的材料可与转子相同，例如用硅钢片叠压而成。
优选地，定子永磁体3的极性均相同，转子永磁体4的极性均相同。定子永磁体3和转子永磁体4极性相同。但本发明中并不限于此，定子永磁体3和转子永磁体4极性也可相反。
优选地，定子1套设在转子5外即外定子内转子结构，但本发明不限于此，也可以是定子1套设在转子5内即外转子内定子结构。
表1为本发明中双边永磁型同步电机的部分极槽配合情况，从表1可知，本发明中绕组2的极对数量为：
其中，Pac为绕组2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，GCD(Zs,Pac)表示定子的凹槽的数量与绕组的极对数量的最大公约数，k为大于等于1的整数，min表示所有可能取值中的最小值。表1列出了部分可行的极槽配合。其中，SPP表示每极每相槽数，等于Zs/6Pac。
表1
图3为实施例提供的随着转子转子位置变化的磁力线分布图，图中以Zs＝12，Zr＝7，Pac＝1中的A相绕组为例。A相绕组由A1和A2两个线圈组成，每个线圈都有正负边，如A1+即代表A1线圈的正边，A1-即代表A1线圈的负边，A2+即代表A2线圈的正边，A2-即代表A2线圈的负边。线圈A1和A2是反向串联关系。从图2(a)可知，当转子位置在0电角度时，线圈A1和A2中磁链为0，所以A相线圈总磁链为0；从图2(b)可知，当转子位置在90电角度时，线圈A1中磁链达到负向最大值，线圈A2中磁链达到正向最大值，由于线圈A1和A2是反向串联关系，所以A相总磁链达到负向最大值；从图2(c)可知，线圈A1和A2中磁链为0，所以A相线圈总磁链为0；从图2(d)可知，线圈A1中磁链达到正向最大值，线圈A2中磁链达到负向最大值，由于线圈A1和A2是反向串联关系，所以A相总磁链达到正向最大值。由此可知，当转子位置由0电角度转到270电角度过程中，A相绕组磁链由0到负向最大，再到0，然后到正向最大，最终再到360电角度时回归到0。因此，A相绕组磁链可画成如图3所示形式，即为一个正弦波。由正弦波磁链得到A相绕组中反电势波形如图4所示，B相和C相的原理与A相类似，均可产生如图4所示的反电势，企鹅别为相位分别与A相相差120和240电角度，在通入三相对称电流，则本发明产生恒定转矩，如图5所示。
为了突出本发明的双边永磁型同步电机的优势，对比一种传统的双边永磁型同步电机与本发明的永磁同步电机的性能，如图6所示，传统永磁同步电机包括定子6和转子9，两者同轴套装，定子的内壁具有凹槽，绕组7放置在定子凹槽内，转子的外表面光滑，没有凹槽，永磁体8贴在转子外表面。对比结果如表2所示，可以看出在相同的电机体积(定子外径、轴向长度)和相同的电流下，本发明的双边永磁型同步电机具有更高的转矩、功率因数和效率。同时，本发明的双边永磁型同步电机的永磁体用量更小，永磁体成本更低。
表2
图7为本发明提供的双边永磁型同步电机的线反电势测试值与仿真值的对比图；图8是本发明提供的双边永磁型同步电机的转矩测试值与仿真值的对比图。由图7和图8可知，本发明的双边永磁型同步电机的双边永磁型同步电机的转矩测试值与仿真值的对比图。
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 (7)

1.一种双边永磁型同步电机，包括：定子(1)、绕组(2)、转子永磁体(4)、定子永磁体(3)和转子(5)；所述定子(1)和所述转子(5)同轴套设；其特征在于，所述转子(5)的外表面与所述定子(1)的内壁均设置凹槽，转子(5)的凹槽内设置转子永磁体(4)，定子(1)的凹槽内设置绕组(2)；所述定子(1)设置定子齿，定子齿的一侧凸起，其另一侧设置定子永磁体(3)，且相邻定子齿的凸起位置相反；所述定子永磁体(3)的极性相同且转子永磁体(4)的极性相同。
2.如权利要求1所述的双边永磁型同步电机，其特征在于，所述定子永磁体(3)与转子永磁体(4)的极性相同或相反。
3.如权利要求1或2所述的双边永磁型同步电机，其特征在于，所述定子永磁体(3)和转子永磁体(4)均为径向充磁或平行充磁。
4.如权利要求1至3任一所述的双边永磁型同步电机，其特征在于，所述定子(1)套设在转子(5)外侧或定子(1)套设在转子(5)内侧。
5.如权利要求4所述的双边永磁型同步电机，其特征在于，所述绕组(2)为交流绕组。
6.如权利要求1或5所述的双边永磁型同步电机，其特征在于，所述绕组(2)为集中式或分布式。
7.如权利要求6所述的双边永磁型同步电机，其特征在于，所述绕组(2)的极对数量为：
其中，Pac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，GCD(Zs,Pac)表示定子的凹槽的数量与绕组的极对数量的最大公约数，k为大于等于1的整数，min表示所有可能取值中的最小值。
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