CN110224563B - 三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机 - Google Patents

三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机，包括双H形定子铁心和双H形永磁体组成的定子、轴向上下第一第二转子、电枢线圈。双H形永磁体沿周向磁化且相邻两个双H形永磁体的磁化方向相反，电枢线圈绕制在定子铁心与永磁体交替排列后形成的凹槽内，处于相同周向位置的2个线圈反向串联构成一相绕组。第一、第二转子均有3圈沿径向布置的转子齿，通过一圆盘型轭部连成一体，相邻两圈转子齿错开180/n机械角度。在电枢绕组交链最大永磁磁链时，定子齿和转子齿完全重合，与同一定子铁心相邻的永磁体同时沿周向往定子铁心聚磁，各永磁体均提供有效磁动势，磁路可以通过轴向气隙往上下两边转子两个方向走，提高了永磁体利用率和转矩密度。

Description

三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机
技术领域
本发明涉及三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机，属于横向磁通电机技术领域。
背景技术
横向磁通电机结构是德国教授Herbert Weh在20世纪80年代初提出的，能从根本上提高转矩密度。传统永磁电机中，定子齿槽在同一截面，若增加线圈截面积，则齿的宽度要减小，由于饱和作用要减小磁通，齿槽尺寸相互制约。横向磁通永磁电机的定子齿和电枢线圈在空间上相互垂直，齿宽和线圈横截面尺寸彼此独立，磁路和电路解耦，因此可以获得更高的转矩密度和功率密度，适用于风力发电、电动汽车、直升机、舰船驱动等电力直驱领域。
德国H.Weh教授完成了首台45kW的横向磁通永磁电机样机制造，Aachen工业大学G.Henneberger教授在原型机基础上设计了单边定子的平板式轮毂结构电机，三相轴向排列，用于电动汽车直接驱动。[Henneberger G，Bork M.Development of a new transverseflux motor[C].IEE Colloquium on New Topologies for Permanent Magbet Machines，1997：1-6]。
英国皇家海军与英国罗尔斯——罗伊斯公司合作开发了3兆瓦横向磁通永磁电机用于护卫舰推进，该样机采用双边结构，在体积增加较小情况下扭矩增加一倍，但电机单元有效材料产生的扭矩不增加。[Mitcham AJ.Transverse flux motors for electricpropulsion of ships[C].IEE Colloquium on New Topologies for Permanent MagnetMachines，1997：3/1-3/6]。
Peradeniya,Sri Lanka大学和瑞典斯德哥尔摩皇家工学院合作开发了一台横向磁通永磁电机。三相沿周向分布，每相占120°。C型定子铁心嵌入转子,盘式转子上分布轴向磁化的永磁体，周向相邻永磁体极性相反。该电机可实现较高的转矩密度，但功率因数低。[B.S.Payne，S.M.Husband，A.D.Ball.Development of Condition MonitoringTechniques for a Transverse Flux Motor.International Conference on PowerElectronics，Machines and Drivers，2002：139-144]。
国内对横向磁通永磁电机的研究相对起步较晚，但也取得了一些成果。
上海大学提出了一种双边定子、聚磁转子结构的横向磁通永磁电机，定子结构由外定子铁心、内定子铁心和定子过渡铁心组成，转子嵌在定子内。该电机气隙磁密较高，内、外双边气隙均参与能量转换,磁场利用率较高，但是转矩密度不高。[李永斌，袁琼，江建中.一种新型聚磁式横向磁场永磁电机研究[J].电工技术学报.2003，18(5)：46-49]。
沈阳工业大学提出的一种横向磁通永磁电机，定子铁心由硅钢片卷绕而成，内置式聚磁转子，单边结构，定子结构可以有效减少电机涡流损耗，提高电机效率以及材料利用率。设计并制造了一台3相5kW的样机，此台样机转矩密度和功率因数都较高，但是没有采用双边结构，永磁体利用率不高。[刘哲民，陈谢杰，唐任远等.基于3D-FEM的新型横向磁通永磁电机的研究[J].电工技术学报，2006，(5)：19-23]。
清华大学邱阿瑞教授课题组提出了一种新型聚磁式结构横向磁通永磁电机，U型定子铁心，转子磁极采用三面墙聚磁式结构。该结构电机较好地发挥了永磁体的聚磁作用，提高了气隙磁密的同时简化了定子铁心结构，但永磁体用量较多，转子结构较复杂。[陶果，邱阿瑞，李大雷.新型聚磁式横向磁场永磁推进同步电动机，2007]。
以上几种横向磁通永磁电机均采用聚磁式结构，可以达到高的气隙磁密，但永磁体均放置在转子上，考虑到一些应用场合中永磁体的振动与散热问题比较严重，研究学者又提出了无源转子横向磁通永磁电机。
加拿大Alberta大学的B.E.Hasubek教授等人提出的一种无源转子横向磁通永磁电机，永磁体和绕组均放在在定子上，转子倾斜一个极距，该结构冷却方便，降低了机械冲击敏感度，获得了和有源转子结构相同的转矩密度，但是该结构转子铁心之间没有导磁材料连接，漏磁通较大，永磁体利用率不高。[Hasubek，B.E.，Nowicki，E.P.Two dimensionalfinite element analysis of passive rotor transverse flux motors with slantedrotor design[C].Proc.IEEE Canadian Conference on Electrical and ComputerEngineering，Alberta，Canada，1999(2)：1199-1204]。
哈尔滨工业大学的寇宝泉教授等人提出了一种新型无源转子横向磁通永磁电机结构，电枢绕组和永磁体均放在定子上，定子由径向定子环和轴向定子桥组成，永磁体贴在定子表面。该电机冷却方便，转子结构简单可靠，在永磁体用量较小的情况下提供了较高的转矩密度，但定子结构较复杂，而且没有用聚磁式结构，气隙磁密较低。[Baoquan Kou，Xiaobao Yang，Jun Luo，Yiheng Zhou，He Zhang.Comparison of Torque Characteristicbetween Two Transverse Flux Motors with Passive External Rotor Structure[C].20th International Conference on Electrical Machines and Systems，2017：1-4]。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机，实现了永磁体向定子铁心聚磁，双边转子结构可以充分利用永磁体产生的磁场，解决了现有横向磁通永磁电机永磁体利用率较低、转子结构复杂的技术问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机，包括定子、第一转子、第二转子、电枢线圈，第一转子、定子和第二转子沿轴向依次排列；所述定子包括三个结构相同的扇环形的定子分段，相邻两个定子分段之间存在间隙，每个定子分段包括p块双H形永磁体、p+1块双H形定子铁心，双H形定子铁心与双H形永磁体沿圆周方向交替排列，每个定子分段最外侧的两个双H形定子铁心的切向弧长是其它位置双H形定子铁心的切向弧长的一半；所述第一转子、第二转子均包括一个圆盘形转子轭以及在转子轭上沿径向布置的三圈转子齿，每圈转子齿的数量为n，相邻两圈转子齿错开180/n度的机械角度，每圈转子齿的径向位置与双H形定子铁心形成的定子齿的径向位置一致；双H形永磁体沿周向磁化且相邻两个双H形永磁体的磁化方向相反，电枢线圈绕制在双H形定子铁心与双H形永磁体交替排列后形成的凹槽内，且沿轴向平行放置，每个定子分段处于相同周向位置的两个电枢线圈反向串联构成一个相绕组，三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机的极对数为n，满足n＝3k+1或3k+2，k为大于等于1的正整数，p为小于等于2k的正整数。
作为本发明的一种优选方案，所述第一转子和第二转子中，定义沿径向布置的三圈转子齿由外往内依次为外圈、中间圈、内圈，内圈和外圈上转子齿的面积相等，内圈与外圈转子齿的面积之和等于中间圈转子齿的面积。
作为本发明的一种优选方案，所述双H形定子铁心采用软磁复合材料制作。
作为本发明的一种优选方案，所述第一转子、第二转子均采用软磁复合材料制作。
作为本发明的一种优选方案，所述每个定子分段上电枢线圈绕制在双H形定子铁心与双H形永磁体交替排列后形成的四个凹槽内，且沿轴向平行放置，一个电枢线圈单独构成一个相绕组，形成六相绕组结构。
作为本发明的一种优选方案，所述电枢线圈交链最大永磁磁链时，定子齿和转子齿完全重合。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明提出的无源转子结构简化了铁心结构，便于加工和装配。
2、本发明在电枢绕组交链最大永磁磁链时，定子齿和转子齿完全重合，双H形定子铁心和双H形永磁体沿圆周交替放置，与定子铁心相邻的永磁体同时沿周向往定子齿聚磁，各永磁体均提供有效磁动势，与现有无源转子结构横向磁通电机相比提高了永磁体利用率。
3、本发明双边转子结构，与单边转子结构相比，在相同电机体积下，空间利用率更高，提高了转矩密度。
4、本发明电机正常运行时，每相定子结构轴向分布的两个电枢线圈通入的电流方向相反，由于互感存在，绕组所交链的总磁链被削弱，从而减小了绕组的等效电感，提高功率因数。
5、本发明永磁体位于定子上，振动小且易于冷却。
6、本发明定、转子铁心由软磁复合材料制作，几乎不存在磁隙间的损耗，并且由于软磁复合材料的绝缘性质，定转子铁心内部涡流损耗减小，从而提高电机效率。
附图说明
图1是本发明16对极三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机的一对极剖视图。
图2是本发明16对极三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机转子从图1位置逆时针旋转1/2极距(11.25°)的一对极剖视图。
图3是本发明16对极三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机转子从图1位置逆时针旋转1个极距(22.5°)的一对极剖视图。
图4是本发明16对极三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机的定子结构。
图5是本发明16对极三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机的双边转子结构。
图6是本发明16对极三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机的结构。
图7是16对极三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机在图1位置对应的等效磁路图。
图8是16对极三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机在图3位置对应的等效磁路图。
图9(a)、图9(b)分别为绕组磁通、反电势随转子位置角变化的波形。
其中,1-双H形定子铁心；2-双H形永磁体；3-电枢线圈；4-第一、第二转子；5-主励磁路径。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。下面以16对极三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机为例阐述本发明技术方案，16对极三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机这个例子不是对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本申请记载的技术方案可以得到其它实施例，凡是符合本申请发明宗旨的实施例均落入本发明的保护范围。
图1至图6所示的16对极三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机，包括：27块‘双H’形定子铁心1和24块‘双H’形永磁体2组成的定子、6个电枢线圈3、第一转子4、第二转子4。第一、第二转子4均包括沿径向布置的3圈转子齿，通过一个圆盘型轭部连成一体，每圈有16个转子齿，相邻两圈转子齿错开11.25度的机械角度。三相定子结构沿圆周均匀排列，每相定子结构中，包括8块‘双H’形永磁体、7块厚的‘双H’形定子铁心和2块薄的‘双H’形定子铁心，每相定子结构两端的薄的‘双H’形定子铁心的切向弧长是其他位置的‘双H’形定子铁心的切向弧长的一半，‘双H’形定子铁心1与‘双H’形永磁体2沿圆周方向交替排列，‘双H’形永磁体2沿周向磁化且相邻两个‘双H’形永磁体2的磁化方向相反，电枢线圈3绕制在‘双H’形定子铁心1与‘双H’形永磁体2交替排列后形成的凹槽内，沿轴向平行放置，处于相同周向位置的2个线圈反向串联构成一个相绕组。第一转子的转子齿与‘双H’形定子铁心1形成的定子齿相对，第二转子的转子齿与‘双H’形定子铁心1形成的定子齿相对。
为了减小齿槽转矩，第一转子4、第二转子4中，径向相邻两圈转子齿错开的机械角度可以在180/16度的基础上小幅度偏移。
第一转子4、第二转子4中，径向内、外两圈转子齿的面积相等，且内、外两圈转子齿面积之和等于中间圈转子齿的面积。‘双H’形定子铁心1由软磁复合材料制作。第一转子4、第二转子4均由软磁复合材料制作。
电枢线圈3绕制在‘双H’形定子铁心1与‘双H’形永磁体2交替排列后形成的四凹槽内，每个线圈可以单独构成一个相绕组，形成六相绕组结构。形成六相绕组结构时，上、下两个转子4的速度可以不一样。
当电机转子处于图1位置时，电枢绕组交链的磁通沿轴向穿过转子轭部，在该位置电枢绕组交链的磁通达到最大，等效磁路图如图7所示。当转子逆时针旋转，定转子齿的相对面积减小，磁路磁阻变大，电枢绕组交链的磁通减小，当旋转到图2位置，转子轴向磁通为0，电枢绕组交链的磁通也变为0。转子继续逆时针旋转到图3位置时，主励磁路径与图1对称，等效磁路如图8所示，转子轴向磁通大小与图6相同，方向相反，即φra2＝-φra1。图6、图7中符号意义：EPM是一块永磁体提供的磁势，RPM是一块永磁体的磁阻，Rst是图1、图2、图3所示的一条主励磁路径中的定子铁心磁阻，Rrt是图1、图2、图3所示的一条主励磁路径中的转子齿部磁阻，Rg是图1、图2、图3所示的一条主励磁路径中的气隙磁阻，Rra是图1、图2、图3所示的一条主励磁路径中的转子轭部轴向磁阻，φra1、φra2是一条主励磁路径5提供的转子轭部轴向磁通。
经过优化设计可以得到随转子角度正弦变化的磁链，对应的磁链与感应电势波形如图9(a)、图9(b)所示。若电机由原动机驱动，就可以进行发电工作，若根据反电动势波形通入相应的电流，就可以作为电动机向机械负载提供转矩。θ是转子位置角，图1位置对应于转子位置角0度。τ是极距角，对于16对极三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机来说为π/16rad或11.25°。φ是绕组交链的磁通。e是反电动势，em是反电动势峰值。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机，其特征在于，包括定子、第一转子、第二转子、电枢线圈，第一转子、定子和第二转子沿轴向依次排列；所述定子包括三个结构相同的扇环形的定子分段，相邻两个定子分段之间存在间隙，每个定子分段包括p块双H形永磁体、p+1块双H形定子铁心，双H形定子铁心与双H形永磁体沿圆周方向交替排列，每个定子分段最外侧的两个双H形定子铁心的切向弧长是其它位置双H形定子铁心的切向弧长的一半；所述第一转子、第二转子均包括一个圆盘形转子轭以及在转子轭上沿径向布置的三圈转子齿，每圈转子齿的数量为m，相邻两圈转子齿错开180/m度的机械角度，每圈转子齿的径向位置与双H形定子铁心形成的定子齿的径向位置一致；双H形永磁体沿周向磁化且相邻两个双H形永磁体的磁化方向相反，电枢线圈绕制在双H形定子铁心与双H形永磁体交替排列后形成的凹槽内，且沿轴向平行放置，每个定子分段处于相同周向位置的两个电枢线圈反向串联构成一个相绕组，三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机的极对数为n，满足n＝3k+1或3k+2，k为大于等于1的正整数，p为小于等于2k的正整数，n＝m。
2.根据权利要求1所述三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机，其特征在于，所述第一转子和第二转子中，定义沿径向布置的三圈转子齿由外往内依次为外圈、中间圈、内圈，内圈和外圈上转子齿的面积相等，内圈与外圈转子齿的面积之和等于中间圈转子齿的面积。
3.根据权利要求1所述三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机，其特征在于，所述双H形定子铁心采用软磁复合材料制作。
4.根据权利要求1所述三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机，其特征在于，所述第一转子、第二转子均采用软磁复合材料制作。
5.根据权利要求1所述三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机，其特征在于，所述每个定子分段上电枢线圈绕制在双H形定子铁心与双H形永磁体交替排列后形成的四个凹槽内，且沿轴向平行放置，一个电枢线圈单独构成一个相绕组，形成六相绕组结构。
6.根据权利要求1所述三相聚磁式双边无源转子横向磁通永磁电机，其特征在于，电枢线圈交链最大永磁磁链时，定子齿和转子齿完全重合。
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