CN110504811A - 一种错位双转子磁通切换型永磁电机及发电设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种错位双转子磁通切换型永磁电机及发电设备。其中，错位双转子磁通切换型永磁电机包括：定子，其包括多个定子H型铁心单元、定子绕组和永磁体；所述定子绕组采用相组线圈集中式绕组，所述组线圈集中式绕组分别位于定子内外两侧，可独立控制；所述永磁体内置于相邻两个定子H型铁心单元之间；双转子，其包括分别位于定子内侧和外侧的内转子和外转子，内转子和外转子周向互错一个转子齿部弧宽。本公开解决了现有磁通切换型永磁电机的转矩密度提升和转矩脉动抑制间存在的不协调问题，大幅提高了转矩密度、运行效率以及故障容错能力，大幅度降低齿槽转矩和转矩脉动，减少了运行时的振动和噪声。

Description

一种错位双转子磁通切换型永磁电机及发电设备

技术领域

本公开属于电机设计制造领域，尤其涉及一种错位双转子磁通切换型永磁电机及发电设备。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着全球能源危机的影响日益扩大，高效节能电机受到广泛关注。其中永磁电机由于其高功率密度、高效率等优点，越来越受到工业界的重视。基于永磁体的安放位置，永磁电机分为转子永磁型电机和定子永磁型电机。其中转子永磁型电机主要分为表贴式和内置式两种类型，目前在大多工业应用中占据主导地位。然而转子永磁型电机的电枢反应磁场直接通过转子永磁体，在低速大转矩的运行状态时，永磁体面临着很高的不可逆退磁风险。另一方面，转子永磁型电机由于永磁体位于旋转转子上，散热较为困难，转子的温升是限制该类型电机过载能力的主要因素之一。相反的，定子永磁型电机的电枢反应磁场不直接通过永磁体，并且永磁体位于静止的定子上，安装及散热方便，并可以方便的在定子上外加强制冷却系统，因此定子永磁型电机不可逆退磁风险小，过载能力大。磁通切换型电机作为其中一种定子永磁型电机是一种替代转子永磁型电机的优选方案。传统的磁通切换型永磁电机的定子通常由多个U型铁心单元依次紧贴拼装而成，每两块U型铁心单元之间嵌有一块永磁体，转子仅由硅钢片叠压构成，U型铁心单元的槽内放置两个集中电枢绕组的各一个线圈边，结构简单，运行可靠。

另外，磁通切换型永磁电机的绕组具有一致性和互补性，互相抵消了每个线圈的反电动势和永磁磁链中的偶数次谐波分量，可以得到高度正弦的磁链和反电动势。同时，磁通切换型永磁电机采用轮辐式永磁体结构，可以产生的较高的气隙磁通密度，从而获得相对较高的转矩(功率)密度，但与此同时该类电机具有高齿槽转矩、高转矩脉动的缺点，不可避免地产生振动和噪音。发明人发现，利用传统的方法，例如倾斜永磁体和优化齿部形状或采用复杂的控制算法，可以一定程度上减小齿槽转矩和转矩脉动，但这些方法也不可避免地造成电机性能下降并且增加制造难度。

发明内容

为了解决现有磁通切换型永磁电机的转矩密度提升和转矩脉动抑制存在的不协调问题，本公开提供一种错位双转子磁通切换型永磁电机，定子通过相组线圈集中式绕组实现模块化设计，双转子周向互错一个转子齿部弧宽实现磁通交替聚合和转矩脉动抑制效果，内侧绕组和外侧绕组可独立控制，使电机具有高功率密度，强过载能力，低齿槽转矩，低转矩脉动和适合模块化制造等优点。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种错位双转子磁通切换型永磁电机，包括：

定子，其包括多个定子H型铁心单元、定子绕组和永磁体；所述定子绕组采用相组线圈集中式绕组，相组线圈集中式绕组分别位于定子内外两侧，可独立控制；所述永磁体内置于相邻两个定子H型铁心单元之间；

双转子，其包括分别位于定子内侧和外侧的内转子和外转子，内转子和外转子周向互错一个转子齿部弧宽。

作为一种实施方式，所述双转子为同心套筒结构，采取错开一个转子齿弧宽方式装配，通过双转子连接件连接内转子和外转子，且内转子和外转子的旋转方向和旋转速度相同。

当定子一侧的某相电枢绕组通电产生的磁场与该相的永磁体方向一致时，合成磁场为增强型磁场，促使该相位置附近的转子极与该相的定子齿部对齐。当转子极与定子齿部对齐时，该相电流开始反向，合成磁场为减弱型磁场，同时下一相处的合成磁场为增强型磁场，促使转子极与下一相定子齿部对齐。以此方式，周而复始地促使转子不断旋转。

相较于传统的磁通切换型永磁电机，大幅提高了转矩(功率)密度、运行效率以及故障容错能力，大幅度降低齿槽转矩和转矩脉动，减少了运行时的振动和噪声。

作为一种实施方式，各个定子H型铁心单元两端的开口沿径向分别指向内转子和外转子，定子H型铁心单元的侧面与永磁体贴合。

作为一种实施方式，定子H型铁心单元包括相间H型铁心单元和相内H型铁心单元，在圆周方向上相邻的相间H型铁心单元之间间隔设置有若干个相内H型铁心单元。

作为一种实施方式，所述内转子的外侧面开有等距分布的内转子槽，所述外转子的内侧面开有等距分布的外转子槽；相间H型铁心单元齿弧宽、相内H型铁心单元齿弧宽和永磁体弧宽相等。

其中，相间H型铁心单元齿弧宽、相内H型铁心单元齿弧宽、永磁体弧宽均为θ(电角度为90度)。

作为一种实施方式，所述永磁体的充磁方向为圆周切向，相邻的两块永磁体充磁方向相反，以产生聚磁效应，增大气隙磁通密度。

作为一种实施方式，相组线圈集中式绕组的每一组三相绕组以ABC三相依次相差120度排列，每相绕组含有六个线圈，分别包绕于定子的一相中的六个三明治结构；所述三明治结构是由定子齿-永磁体-定子齿构成的结构。

作为一种实施方式，所述永磁体为扇形底面或矩形底面的柱状结构，呈轮辐状排列。

作为一种实施方式，定子铁心、外转子和内转子均由硅钢片叠压而成。

本公开的第二方面提供一种发电设备。

一种发电设备，包括上述所述的错位双转子磁通切换型永磁电机。

本公开的有益效果是：

1)定子采用相组线圈集中式绕组，提高绕组系数并减少端部绕组，显著提高转矩密度并利于实现模块化设计；

2)采用周向互错一个转子齿部弧宽的双转子结构，实现双气隙相组内磁通交替聚合，提高转矩密度，并通过双气隙产生的转矩分量叠加有效抑制转矩脉动；

3)内侧绕组和外侧绕组可独立控制，接入两个逆变器，各自独立运行，从而获得较高的故障容错能力。

4)本公开的错位双转子磁通切换型永磁电机由于内侧绕组和外侧绕组通电产生的磁场方向与永磁体充磁方向垂直，所以该电机在重负荷下对永磁体的不可逆退磁有很高的承受能力。

5)本公开的错位双转子磁通切换型永磁电机的定子铁心由H型铁心单元和扇形(或矩形)柱状轮辐式永磁体结构组装而成，每个单元都有轴向孔，用于安装支架固定，有利于定子铁心和电枢绕组散热。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开实施例的错位双转子磁通切换型永磁电机整体结构示意图。

图2是本公开实施例的错位双转子磁通切换型永磁电机的结构展开示意图。

图3是本公开实施例的错位双转子磁通切换型永磁电机的截面示意图。

图4是本公开实施例的相组线圈集中式绕组布置示意图。

图5是本公开实施例的错位双转子结构示意图。

图6(a)是本公开实施例的定子铁心结构示意图。

图6(b)是本公开实施例的一种H型铁心单元结构示意图。

图6(c)是本公开实施例的另一种H型铁心单元结构示意图。

图7(a)是本公开实施例的定子永磁体结构示意图。

图7(b)是本公开实施例的定子永磁体单元结构。

图8(a)是本公开实施例的外转子正对定子齿的磁路示意图。

图8(b)是本公开实施例的转子旋转90度电角度的磁路示意图。

图8(c)是本公开实施例的转子旋转180度电角度的磁路示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

如图1所示，本实施例的一种错位双转子磁通切换型永磁电机，包括：

定子包括多个H型铁心单元4、定子绕组5、永磁体2，所述定子绕组包括内侧绕组和外侧绕组，所述内侧绕组和外侧绕组均采用相组线圈集中式绕组；所述永磁体内置于相邻两个定子H型铁心单元之间；

双转子，其包括分别位于定子内侧和外侧的内转子3和外转子1，内转子和外转子周向互错一个转子齿部弧宽。

其中，所述定子铁心由多个H型铁心单元4构成；各个H型铁心单元4两端的开口沿径向分别指向内转子和外转子，H型铁心单元4的侧面与永磁体2贴合。

如图2所示，永磁体内置于两个H型铁心单元4之间。外转子与内转子分别位于定子的外侧与内侧。电机定子的电枢绕组相带分布按图4所示。在定子上设置有若干个定子槽。例如：定子槽数为36，转子极数为37。定子的电枢绕组线圈设置在定子槽内。所述内转子的外侧面开有等距分布的内转子槽，所述外转子的内侧面开有等距分布的外转子槽；所述外转子齿弧宽、内转子齿弧宽、永磁体弧宽和定子相内槽弧宽均相等。外转子槽弧宽、内转子槽弧宽和定子相内H型铁心单元弧宽相等。相间H型铁心单元齿弧宽、相内H型铁心单元齿弧宽和永磁体弧宽相等。

定子槽内置有的绕组分为外侧绕组与内侧绕组。所述绕组采用相组线圈集中式绕组方式布置。所述外侧绕组和内侧绕组为非同相位绕组，即两侧绕组内同一相的电流非同相位，两套绕组可以各自独立控制。如图3所示，电机定子分为内外两侧，两侧分别设置相组线圈集中式绕组。对于一侧的相组线圈集中式绕组，在圆周上分成2个相组，每个相组为三相绕组，2个相组的同相线圈串联；每个相组的一相绕组包含6个线圈，分别串联包绕在6个“H型铁心单元齿-永磁体-H型铁心单元齿”的“三明治”结构上。

错位结构：参见图5，本电机的双转子结构由外转子和内转子通过连接件刚性连接构成。内、外转子以错开θ弧宽(电角度为90度)进行装配连接。每个转子上均匀开有相同数量的3θ弧宽的扇形槽，从而转子齿弧宽为θ。

参见图6(a)，定子铁心包含2种结构的H型铁心单元，分别为相间H型铁心4.1，相内H型铁心组4.2。相内H型铁心组4.2包含沿圆周方向均匀排布的5个相间H型铁心。本电机的定子铁心包含6个沿圆周方向均匀排布的相间H型铁心；两个相间H型铁心之间设置有相内H型铁心组。同一相内的H型铁心单元以间隔θ弧度均匀排列。各个铁心单元开口沿径向指向内、外转子，铁心单元侧面与永磁体3严密贴合。

参见图6(b)，相间H型铁心单元4.1的径向长度与相内H型铁心组4.2、永磁体3径向长度均相等为h₁，并且满足关系h_1＝h₃₊h₄。相间H型铁心单元4.1齿部弧宽θ与槽弧宽β、整个单元弧宽γ的关系满足γ＝2θ+β。

参见图6(c)，相内H型铁心单元结构尺寸在径向、轴向上与相间H型铁心单元相同，在圆周方向上定子齿部弧宽θ满足关系α＝3θ。定子铁心轴向长度l和定子径向长度h₁为非关键参数，根据电机功率尺寸方程决定。定子铁心轭部厚度h₂根据有限元仿真结果进行适当选取。

参见图7(a)，本电机包含36个圆周切向充磁的永磁体，沿圆周方向均匀排布，相邻两块永磁体充磁方向相反，从而具有聚磁效应。永磁体位于两个定子H型铁心中间如图6(a)，与H型铁心单元侧面严密贴合。如图7(b)的永磁体单元为扇形柱状结构，其弧宽为θ，轴向长度和径向长度与如图6(b)的定子铁心相同。

本实施例的错位双转子磁通切换型永磁电机的工作原理为：

电机通电后，定子的内外侧两套绕组分别产生两个相位相差90度(电角度)的旋转磁动势并沿着圆周旋转，当某处定子绕组形成的磁场和该处永磁体磁场方向一致时，合成磁场为增强型磁场，促使转子极与相邻定子齿部对齐而旋转。当转子极与定子齿对齐后，该处电流方向相反，电枢反应为弱磁，减弱合成磁场，同时相邻相的电枢绕组处的电枢反应为增磁，促使转子极与该相的附近的定子齿对齐。以此方式，周而复始地促使转子不断旋转。

考虑某一相组的情况，当外侧的转子极旋转到与定子齿部对齐时，正对于该相的永磁体产生的磁通几乎全部通过外侧气隙，极大加强气隙磁通密度。在之后的90度(电角度)旋转过程中，永磁体磁通同时通过两个气隙。在旋转90度(电角度)后，内转子极对齐于定子齿部，永磁体产生的磁通也几乎全部通过内侧气隙。因此本发明与单气隙的传统磁通切换型永磁电机相比，可以获得高度改善的气隙磁通密度，通过增加一个外转子来合理利用传统型电机定子轭部的漏磁，从而产生更高的合成转矩。并且由于本实施例采取双转子错位的设计，使得不通电时，两侧气隙的磁场能量随着转子位置角的变化趋势是错相位的，从而起到齿槽转矩相互抵消的作用。永磁体磁通交替变换运行，内外两侧的定子绕组产生的反电动势相位，相差电角度，这样形成两套独立的三相电枢绕组。

具体地运行原理，参见图8：

电机定子一相内相邻两块永磁体充磁方向相反，这样永磁体6与永磁体12产生的磁动势相互并联，具有聚磁效应，从而获得更大的气隙磁通密度。参见图8(a),此时外转子齿9处于正对外侧定子齿10的位置，由永磁体6与永磁体12共同产生的磁力线，从永磁体6与永磁体12出发，经过定子铁轭13，在外侧定子齿10聚合，经过外侧定子齿10-外侧气隙7-外转子齿9-外转子铁轭8-外转子齿9-外侧气隙7-外侧定子齿10，最后一部分回到永磁体12。此时定子线圈11中的永磁磁通量为正向最大值。

参见图8(b),转子旋转了90度电角度，此时内转子齿17处于正对内侧定子齿18的位置。由永磁体6与永磁体12共同产生的磁力线，从永磁体6与永磁体12出发，经过定子铁轭13，在内侧定子齿18聚合，经过内侧定子齿18-内侧气隙15-内转子齿17-内转子铁轭16-内转子齿17-内侧气隙15-内侧定子齿18，最后一部分回到永磁体6。此时定子线圈11中的永磁磁通量为零。定子线圈14中的永磁体磁通量达到最大。

参见图8(c)，转子旋转了180度电角度，此时外转子齿9处于正对外侧定子齿10的位置。由永磁体6与永磁体12共同产生的磁力线经过与图8(a)对称的磁路，而定子线圈11中的永磁磁通量方向为负向最大值。转子继续旋转，周而复始地，磁力线经过的回路交替切换，下转子回路存在同样的磁通切换过程。通过这样的磁通切换原理，在相组线圈集中式绕组中感应出交替变化的高度正弦的反电动势。

本公开将内转子和外转子在装配时错开θ弧宽(电角度为90度)，合理的极槽配合关系以及定子H型铁心尺寸、永磁体尺寸和双转子尺寸之间合理的约束关系，使得永磁磁通在一个周期内交替通过内外侧磁路，增大了气隙面积，提高转矩密度。定子绕组采用相组线圈集中式绕组，提高绕组系数并减少端部绕组，实现模块化设计，提高容错能力和转矩密度。不仅如此，错位结构使得内外两侧感应的反电动势在相位上相差90度电角度，因此可以将内外侧电枢绕组接在两个相位差90度电角度的逆变器上，因而提高故障容错能力。更进一步的，这种巧妙的错位90度电角度的双转子结构相比传统的单转子磁通切换型永磁电机，可以显著降低齿槽转矩和转矩脉动，提高转矩密度。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种错位双转子磁通切换型永磁电机，其特征在于，包括：

定子，其包括多个定子H型铁心单元、定子绕组和永磁体；所述定子绕组采用相组线圈集中式绕组，相组线圈集中式绕组分别位于定子内外两侧，可独立控制；所述永磁体内置于相邻两个定子H型铁心单元之间；

双转子，其包括分别位于定子内侧和外侧的内转子和外转子，内转子和外转子周向互错一个转子齿部弧宽。

2.如权利要求1所述的错位双转子磁通切换型永磁电机，其特征在于，所述双转子为同心套筒结构，采取错开一个转子齿弧宽方式装配，通过双转子连接件连接内转子和外转子，且内转子和外转子的旋转方向和旋转速度相同。

3.如权利要求1所述的错位双转子磁通切换型永磁电机，其特征在于，各个定子H型铁心单元两端的开口沿径向分别指向内转子和外转子，定子H型铁心单元的侧面与永磁体贴合。

4.如权利要求1所述的错位双转子磁通切换型永磁电机，其特征在于，定子H型铁心单元包括相间H型铁心单元和相内H型铁心单元，在圆周方向上相邻的相间H型铁心单元之间间隔设置有若干个相内H型铁心单元。

5.如权利要求4所述的错位双转子磁通切换型永磁电机，其特征在于，所述内转子的外侧面开有等距分布的内转子槽，所述外转子的内侧面开有等距分布的外转子槽；相间H型铁心单元齿弧宽、相内H型铁心单元齿弧宽和永磁体弧宽相等。

6.如权利要求1所述的错位双转子磁通切换型永磁电机，其特征在于，所述永磁体的充磁方向为圆周切向，相邻的两块永磁体充磁方向相反，以产生聚磁效应，增大气隙磁通密度。

7.如权利要求1所述的错位双转子磁通切换型永磁电机，其特征在于，相组线圈集中式绕组的每一组三相绕组以ABC三相依次相差120度排列，每相绕组含有六个线圈，分别包绕于定子的一相中的六个三明治结构；所述三明治结构是由定子齿-永磁体-定子齿构成的结构。

8.如权利要求1所述的错位双转子磁通切换型永磁电机，其特征在于，所述永磁体为扇形底面或矩形底面的柱状结构，呈轮辐状排列。

9.如权利要求1所述的错位双转子磁通切换型永磁电机，其特征在于，定子铁心、外转子和内转子均由硅钢片叠压而成。

10.一种发电设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的错位双转子磁通切换型永磁电机。