CN110611384A - 一种磁路分解型游标永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁路分解型游标永磁电机，属于永磁电机技术领域，包括：嵌套设置的转子和定子；转子包括永磁体和转子导磁铁心；永磁体包括沿转子轴向设置的磁钢单元；转子导磁铁心包括轴向叠片和径向导磁铁心，轴向叠片由U形叠片和“一”字形叠片交替布置。定子铁心为齿槽结构，且齿槽结构内嵌放有电枢绕组，转子导磁铁心的“一”字形叠片与径向导磁铁心通过粘贴或插入的方式连接；磁钢单元为包括径向充磁磁钢和周向充磁磁钢的海尔贝克阵列。本发明在不影响永磁磁场的前提下削弱了电枢磁场，能够在不损失转矩性能的前提下提高电机的功率因数，从而减小驱动器容量，降低了应用成本。

Description

一种磁路分解型游标永磁电机
技术领域
本发明属于永磁电机技术领域，更具体地，涉及一种磁路分解型游标永磁电机。
背景技术
工业机器人的控制系统和自动化产品主要涉及伺服电机、减速机、控制器和传感器等。伺服电机是工业机器人的动力系统，一般安装在机器人的“关节”处，是机器人运动的“心脏”。目前，机器人的关节驱动离不开伺服系统，关节越多，机器人的柔性和精准度越高，所要使用的伺服电机的数量就越多。机器人对伺服系统的要求较高，必然满足快速响应、高起动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽。要适应机器人的形体做到体积小、重量轻、加减速运行等条件，且需要高可靠性和稳定性。
电力推进系统以其生命力强、噪声小、运行成本低、布置灵活等优点逐渐成为未来船舶的首选推进方式。推进电机的体积重量和它的输出转矩成正比，而船舶需要低转速、大转矩的推进系统，推进电机体积重量往往限制了电力推进的应用。
近年来，如图1所示，研究人员研发出一类定子转子极数不等的电机，该类电机磁路结构特殊，定子齿槽除起到导磁功能外，还起到气隙磁场调制的功能。在定子齿槽作用下，低速多极励磁磁动势在定子上形成少极高速的励磁磁场，该磁场现象使得该类电机在外特性相当于“高速永磁电机+磁齿轮箱”，具有超高转矩密度，学术界将这种特殊的电机电磁场工作原理，统称为磁场调制电机，游标永磁电机就是其中一种典型电机拓扑，与常规永磁电机相比，游标永磁电机具有高转矩密度、反电势正弦度好、转矩脉动小等特点，在供电、材料、尺寸与冷却条件相同的情况下，游标永磁电机的转矩密度在理论上可达到常规永磁电机的2～4倍，转矩密度优势非常显著，工程应用前景十分广阔。然而，过低的功率因数是当前游标永磁电机的技术难点，严重阻碍了高转矩密度游标永磁电机的工程应用。
现有的游标永磁电机的主要缺点是其功率因数低，导致给定输出功率的情况下，需增大驱动变流器容量，从而带来增加成本，降低系统运行可靠性等问题。所以，提高游标永磁电机的功率因数成为该电机大规模应用的一个关键问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种磁路分解型游标永磁电机，旨在解决现有的游标永磁电机功率因数低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种磁路分解型游标永磁电机，包括：嵌套设置的转子和定子；转子包括永磁体和转子导磁铁心；永磁体包括沿转子轴向设置的磁钢单元；转子导磁铁心包括轴向叠片和径向导磁铁心，轴向叠片由U形叠片和“一”字形叠片交替布置；定子铁心为齿槽结构，且齿槽结构内嵌放有电枢绕组。
优选地，转子的径向导磁铁心包括径向叠片或实心结构的铁心；
优选地，磁钢单元为包括径向充磁磁钢和周向充磁磁钢的海尔贝克阵列；
优选地，磁钢单元包括若干径向充磁磁钢；
优选地，定子为单齿或分裂齿；
优选地，转子导磁铁心的“一”字形叠片与径向叠片通过粘贴或插入的方式连接；
优选地，磁路分解型游标永磁电机为旋转电机或直线电机；
优选地，磁路分解型游标永磁电机的功率因数为：
其中，PF为磁路分解型游标永磁电机的功率因数；E0为磁路分解型游标永磁电机空载反电势；Xs为同步阻抗，且正比于电枢绕组电感；I为电枢绕组电流。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的磁路分解型游标永磁电机，通过采用径向叠片-轴向叠片的磁路分解结构，径向叠片和轴向叠片构成永磁和电枢直轴(d轴)磁路，轴向叠片间的气隙增大了磁路磁阻对电枢交轴(q轴)磁路的阻断；在不影响永磁磁场的前提下削弱了电枢磁场，能够在不损失转矩性能的前提下提高电机的功率因数，从而减小驱动器容量，降低了应用成本。
2、本发明提供的磁钢单元为包括径向充磁磁钢和周向充磁磁钢的海尔贝克阵列，相比于单一的径向充磁磁钢构成的磁钢单元，具有较好的转矩性能。
附图说明
图1是现有游标永磁电机结构示意图；
图2是实施例提供的磁路分解型游标永磁电机结构示意图；
图3是实施例提供的磁路分解型游标永磁电机定子结构示意图；
图4是实施例提供的磁路分解型游标永磁电机转子结构示意图；
图5是实施例提供的磁路分解型游标永磁电机转子导磁铁心结构示意图；
图6是实施例提供的磁路分解型游标永磁电机磁钢单元结构示意图；
图7是实施例提供的磁路分解型游标永磁电机转子叠片结构示意图；
图8是忽略电枢绕组压降，在Id＝0控制方式下的电机相量图；
图9是实施例提供的磁路分解型游标永磁电机永磁磁路示意图；
图10是实施例提供的磁路分解型游标永磁电机电枢磁场d轴磁路示意图；
图11是实施例提供的磁路分解型游标永磁电机电枢磁场q轴磁路示意图；
图12是本发明提供的另一定子结构示意图；
图13是本发明提供的另一转子结构示意图；
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-定子；11-分裂齿；2-绕组；3-转子；31-转子径向叠片；32-转子“一”字形叠片；33-转子U形叠片；4-永磁体。
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。
本发明提供了一种磁路分解型游标永磁电机，包括：嵌套设置的转子3和定子1；转子3包括永磁体4和转子导磁铁心；永磁体4包括沿转子3轴向设置的磁钢单元；转子导磁铁心包括轴向叠片和径向导磁铁心；轴向叠片由U形叠片33和“一”字形叠片32交替布置；定子的导磁铁心为齿槽结构，且所述齿槽结构内嵌放有电枢绕组2。
实施例
图2所示，实施例提供的一种磁路分解型游标永磁电机，适用于工业机器人、舰船推进等领域；包括嵌套设置的转子3和定子1；如图3所示，定子1的导磁铁心为齿槽结构，含有分裂齿11，且齿槽结构内嵌放有电枢绕2；如图4所示，转子3包括永磁体4和转子导磁铁心；如图5所示，转子导磁铁心分布在转子3的外侧，转子导磁铁心包括轴向叠片和径向叠片31，轴向叠片由U形叠片33和“一”字形叠片32交替布置；如图6所示，永磁体4包括沿转子3轴向设置的磁钢单元；磁钢单元包括径向充磁磁钢和周向充磁磁钢的海尔贝克阵列，三角箭头表示各磁钢充磁方向。
如图7所示，径向叠片31为径向平面内片状导磁铁心沿轴向堆叠而成；轴向叠片为U形叠片33和“一”字形叠片32，两者为轴向放置的片状导磁铁心沿径向由内而外堆叠而成，U形叠片33和“一”字形叠片32沿周向交替布置。
图8为忽略电枢绕组压降，并采用Id＝0控制方式时电机相量图，电机功率因数表达式为：
其中，PF为磁路分解型游标永磁电机的功率因数；E0为磁路分解型游标永磁电机空载反电势；Xs为同步阻抗，且正比于电枢绕组电感；I为电枢绕组电流；θ为功率因数角。
由上述电机功率因数表达式可知，电机的功率因数同空载反电势和同步阻抗(即电枢绕组电感)相关，通过增大空载反电势或减少同步阻抗，可以增大功率因数。
图9为磁路分解型游标永磁电机永磁磁路示意图，相比于现有的如图1所示的电机结构，虽然采用了径向叠片31和轴向叠片结合的结构，但并不影响永磁磁路，永磁体产生的磁通可以沿海尔贝克磁钢阵列的径向充磁磁钢通过“一”字形叠片32和径向叠片31构成闭合磁路；同时海尔贝克磁钢阵列的周向充磁磁钢通过U形叠片33构成闭合磁路，也即功率因素表达式中的空载反电势基本不变。
图10是磁路分解型游标永磁电机电枢磁场d轴磁路示意图，图11是磁路分解型游标永磁电机电枢磁场q轴磁路示意图；对d轴磁路而言，类似永磁磁路，可以通过轴向叠片形成闭合磁路，对q轴磁路而言，由于轴向叠片在径向平面内叠片之间存在间隙，增大了磁路的磁阻，导致电枢绕组电感减小，即功率因数表达式中的阻抗减小，功率因数提高，且转矩性能基本不变。
本发明中的径向导磁铁心可以为径向叠片31，也可以为实心结构的铁心，定子1的导磁铁心为齿槽结构，可以含有分裂齿11，也可以含有如图12所示的单齿。
转子导磁铁心的“一”字形叠片32与径向叠片31通过粘贴或插入的方式连接。
磁钢单元并不局限于海尔贝克阵列，也可为如图13所示的磁钢单元仅有径向充磁磁钢构成。
本发明提供的磁路分解型游标永磁电机可为旋转电机也可为直线电机。
综上所述，本发明提供的磁路分解型游标永磁电机，通过采用径向叠片-轴向叠片的磁路分解结构，径向叠片和轴向叠片构成永磁和电枢直轴(d轴)磁路，轴向叠片间的气隙增大了磁路磁阻对电枢交轴(q轴)磁路的阻断；在不影响永磁磁场的前提下削弱了电枢磁场，能够在不损失转矩性能的前提下提高电机的功率因数，从而减小驱动器容量，降低了应用成本。
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)

1.一种磁路分解型游标永磁电机，其特征在于，包括：嵌套设置的转子(3)和定子(1)；所述转子(3)包括永磁体(4)和转子导磁铁心；所述永磁体(4)包括沿转子(3)轴向设置的磁钢单元；所述转子导磁铁心包括轴向叠片和径向导磁铁心；所述轴向叠片由U形叠片(33)和“一”字形叠片(32)交替布置；所述定子的导磁铁心为齿槽结构，且所述齿槽结构内嵌放有电枢绕组(2)。
2.根据权利要求1所述的磁路分解型游标永磁电机，其特征在于，所述转子的径向导磁铁心为径向叠片(31)或实心结构的铁心。
3.根据权利要求1或2所述的磁路分解型游标永磁电机，其特征在于，所述磁钢单元包括若干径向充磁磁钢。
4.根据权利要求1或2所述的磁路分解型游标永磁电机，其特征在于，所述磁钢单元为包括径向充磁磁钢和周向充磁磁钢的海尔贝克阵列。
5.根据权利要求3所述的磁路分解型游标永磁电机，其特征在于，所述定子为单齿或分裂齿。
6.根据权利要求2所述的磁路分解型游标永磁电机，其特征在于，所述转子导磁铁心的“一”字形叠片(32)与径向叠片(31)通过粘贴或插入的方式连接。
7.根据权利要求6所述的磁路分解型游标永磁电机，其特征在于，磁路分解型游标永磁电机的功率因数为：
其中，PF为磁路分解型游标永磁电机的功率因数；E0为磁路分解型游标永磁电机空载反电势；Xs为同步阻抗；I为电枢绕组电流。
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