CN111064332A - 双边Halbach交替极式永磁游标电机 - Google Patents

双边Halbach交替极式永磁游标电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双边Halbach交替极式永磁游标电机，包括外定子、转子及内定子，外定子包括外定子铁心，外定子铁心内周向均匀间隔分布有外定子槽和外定子齿，外定子槽内嵌有外定子电枢绕组，外定子齿的端部分裂成两个外调制极；转子包括转子铁心，转子铁心内外两边周向间隔开设内转子槽和外转子槽，内转子槽和外转子槽错开设置，内转子槽和外转子槽中分别嵌入转子内侧Halbach永磁体和转子外侧Halbach永磁体；内定子包括内定子铁心，内定子铁心外周向均匀间隔分布有内定子槽和内定子齿，内定子齿的端部分裂成两个内调制极，内定子槽内嵌有内定子电枢绕组。本发明低速大转矩、齿槽转矩较小、转矩脉动较小、永磁体用量较少。

Description

双边Halbach交替极式永磁游标电机
技术领域
本发明涉及电机设备技术领域，具体而言，涉及一种双边Halbach交替极式永磁游标电机。
背景技术
永磁游标电机是基于磁场调制原理工作的。永磁游标电机在传统的永磁电机定子齿上引入了调制齿结构，利用特殊的游标效应，调制低极对数高转速的定子电枢绕组磁场，以获得可以与高极对数低转速的永磁体磁场相匹配且作用的谐波磁场分量。这种方式能够在不增加电机体积和槽数的条件下，实现低速大转矩的目标。永磁游标电机的低速大转矩能力，可以应用于电机直驱的场合，比如风力发电等，发电机叶轮直接带动永磁电机进行发电能够避免使用齿轮箱，简化机械结构，消除由于齿轮啮合传动引起的噪声和故障，从而提高发电机的效率和发电系统的可靠性。但是永磁游标电机在突破扭矩限制，降低齿槽转矩和提高功率因素方面还需要更深入的研究。
近几年有学者提出了一种双边永磁游标电机，转子内外磁极直接面向两侧气隙，能实现磁场内外侧双重调制，增加了电机转矩的输出能力。但该电机存在漏磁较大，永磁体利用率低和齿槽转矩过大等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低速大转矩、齿槽转矩较小、转矩脉动较小、永磁体用量较少的双边Halbach交替极式永磁游标电机。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种双边Halbach交替极式永磁游标电机，包括由外到内依次镶嵌设置的外定子、转子及内定子，所述外定子包括外定子铁心，外定子铁心内周向均匀间隔分布有外定子槽和外定子齿，所述外定子槽内嵌有外定子电枢绕组，所述外定子齿的端部分裂成两个外调制极，所述两个外调制极之间形成外定子调制极中间槽；
所述转子包括转子铁心，转子铁心内外两边周向间隔开设内转子槽和外转子槽，所述内转子槽和外转子槽错开设置，所述内转子槽和外转子槽中分别嵌入转子内侧Halbach永磁体和转子外侧Halbach永磁体，转子齿与转子外侧Halbach永磁体以及转子内侧Halbach永磁体形成阵列的交替极结构；
所述内定子包括内定子铁心，内定子铁心中心穿孔，内定子铁心外周向均匀间隔分布有内定子槽和内定子齿，内定子齿的端部分裂成两个内调制极，内定子槽内嵌有内定子电枢绕组，所述两个内调制极之间形成内定子调制极中间槽。
进一步，所述内定子齿与外定子齿在周向上布置位置错开半个齿槽角。
进一步，所述外调制极和所述内调制极对应的圆心角相等，所述外定子调制极中间槽与外定子槽在外定子内圈圆周上形成弧线对应的圆心角相等，所述内定子调制极中间槽与内定子槽在内定子外圈圆周上形成弧线对应的圆心角相等。
进一步，所述内转子槽和外转子槽数量相等，内转子槽和外转子槽错开3-5°的角度设置。
进一步，所述转子外侧Halbach永磁体包括转子外侧径向永磁及分别位于转子外侧径向永磁体两侧的转子外侧周向永磁体，所述转子内侧Halbach永磁体包括转子内侧径向永磁体，及两个分别位于转子内侧径向永磁体两侧的转子内侧周向永磁体。
进一步，所述转子外侧Halbach永磁体和转子内侧Halbach永磁体均为同极。
进一步，所述转子外侧Halbach永磁体和转子内侧Halbach永磁体阵列的极对数Pr、电枢绕组的极对数Pw、调制极数Ps满足关系：Ps-Pw＝Pr。
进一步，所述外定子铁心、内定子铁心及转子铁心均由硅钢材料制成。
进一步，所述转子外侧径向永磁体、转子外侧周向永磁体及转子内侧径向永磁体、转子内侧周向永磁体均由钕铁硼材料制成。
进一步，所述外定子电枢绕组和内定子绕组为双层集中式分数槽三相绕组。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明设内定子和外定子，该双定子结构可有效利用交替极永磁体磁场，减小漏磁，提高转矩；
2、转子永磁体按照Halbach阵列排布，可有效增大气隙磁通密度，提高电机的转矩密度，可获得更大的输出转矩；
3、双边Halbach永磁体阵列之间错开一定角度，可有效降低转矩脉动。
4、转子使用双边Halbach交替极结构，降低了永磁体用量。
5、内定子与外定子的定子齿在周向上布置位置错开半个齿槽角，这种结构可有效提高功率因素，减小转矩脉动。
6、本发明设计合理，可行性好，可靠性高。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的二维结构简图；
图2为本实施例的转子结构；
图3为本实施例的立体结构爆炸图；
图4为本实施例的三相磁链图；
图5为本实施例的三相反电势图；
图6为本实施例的输出转矩图；
图7为本实施例的空载磁力线图；
图中：
10-外定子，11-外定子铁心，12-外定子槽，13-外定子齿，14-外调制极，15-外定子调制极中间槽，16-外定子电枢绕组；
20-转子，21-转子铁心，22-内转子槽，23-外转子槽，24-转子内侧Halbach永磁体，241-转子内侧径向永磁体，242-转子内侧周向永磁体，25-转子外侧Halbach永磁体，251-转子外侧径向永磁体，252-转子外侧周向永磁体，26-转子齿；
30-内定子，31-内定子铁心，32-内定子槽，33-内定子齿，34-内调制极，35-内定子调制极中间槽，36-内定子电枢绕组。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1-3所示，本申请实施例提供了一种双边Halbach交替极式永磁游标电机，包括外定子10、转子20及内定子30，其中，外定子10包括外定子铁心11，外定子铁心11内周向均匀间隔分布有外定子槽12和外定子齿13；所述外定子槽12内嵌有外定子电枢绕组16；所述定子齿在端部分裂为两个外调制极14；
如图2所示的转子20结构，包括转子铁心21，转子铁心21内外两侧周向开设内转子槽22和外转子槽23，相邻两转子槽之间形成转子齿26，内转子槽22和外转子槽23之间形成转子齿26，内转子槽22和外转子槽23中分别嵌入转子内侧Halbach永磁体24和转子外侧Halbach永磁体25，即Halbach永磁体阵列；转子齿26与转子外侧Halbach永磁体25以及转子内侧Halbach永磁体24形成阵列的交替极结构；
内定子30部分包括内定子铁心31，其中心穿孔，内定子铁心31外周向均匀间隔分布有内定子槽32和内定子齿33；所述内定子槽32内嵌有内定子电枢绕组36；所述定子齿在端部分裂为两个调制极，两个内调制极34之间形成内定子调制极中间槽35。
进一步优选的实施例中，内定子齿33与外定子齿13在周向上布置位置错开半个齿槽角。
在上述实施例中，所述外调制极14和所述内调制极34对应的圆心角相等，所述外定子调制极中间槽15与外定子槽12在外定子内圈圆周上形成弧线对应的圆心角相等，所述内定子调制极中间槽35与内定子槽32在内定子外圈圆周上形成弧线对应的圆心角相等。齿槽角即为外定子调制极与外定子齿13槽对应圆心角之和或者内定子调制极与内定子齿33槽对应圆心角之和。内外定子间错开半个齿槽角，更好串联了内外磁路，有效减少了漏磁，提高了电机的功率密度，所述外定子电枢绕组16和内定子绕组为双层集中式分数槽三相绕组。
进一步优选的实施例中，转子外侧Halbach永磁体25包括转子外侧径向永磁及分别位于转子外侧径向永磁体251两侧的转子外侧周向永磁体252，所述转子内侧Halbach永磁体24包括转子内侧径向永磁体241，及两个分别位于转子内侧径向永磁体241两侧的转子内侧周向永磁体242；上述转子外侧Halbach永磁体25的转子外侧径向永磁体251的磁化方向沿径向向外，其两侧转子外侧周向永磁体252的磁化方向基于Halbach原理沿相反的切向方向；所述转子内侧径向永磁体241的磁化方向沿径向向内，其两侧的转子内侧周向永磁体242的磁化方向基于Halbach原理沿相反的切向方向；双边Halbach永磁体阵列之间错开一定角度；
上述实施例中Halbach永磁体为海尔贝克阵列，是一种磁体结构，内转子槽22和外转子槽23数量相等，内转子槽22和外转子槽23错开3-5°的角度设置，这个角度记为βst，βst取3°到5°，可使电机的转矩脉动降到3.9％，有效抑制了电机的转矩脉动。
本实施例中，转子内侧径向永磁体241、转子内侧周向永磁体242及转子外侧径向永磁体251、转子外侧周向永磁体252的极对数和电枢绕组1的极对数满足双向场调制效应的要求；所述转子内侧径向永磁体241、转子内侧周向永磁体242的极对数与转子外侧径向永磁体251、转子外侧周向永磁体252极对数相等记为Pr、电枢绕组的极对数Pw、调制极数Ps满足关系：Ps-Pw＝Pr。本实施例中，Ps为18，Pw为4，Pr为14。
本实施例中，转子外侧Halbach永磁体25和转子内侧Halbach永磁体24均为同极，所述外定子铁心11、内定子铁心31及转子铁心21均由具有高磁导率的硅钢材料制成；所述转子内外侧径向永磁体和转子内外侧周向永磁体均由钕铁硼材料制成；电枢绕组为8极双层集中式分数槽三相绕组。
如图4所示为本实施中的双边Halbach交替极式永磁游标电机的三相磁链图，图5所示为本实施中的双边Halbach交替极式永磁游标电机的三相反电势图以及图7所示为本实施中的双边Halbach交替极式永磁游标电机的空载磁力线图。如图6所示，本实施例中的双边Halbach交替极式永磁游标电机空载反电势为164V，平均输出转矩为237N.m，与传统电机相比反电动势提高了约171.6％，输出转矩提高了约155.5％，性能提升显著。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种双边Halbach交替极式永磁游标电机，其特征在于:包括由外到内依次镶嵌设置的外定子、转子及内定子，所述外定子包括外定子铁心，外定子铁心内周向均匀间隔分布有外定子槽和外定子齿，所述外定子槽内嵌有外定子电枢绕组，所述外定子齿的端部分裂成两个外调制极，所述两个外调制极之间形成外定子调制极中间槽；
所述转子包括转子铁心，转子铁心内外两边周向间隔开设内转子槽和外转子槽，所述内转子槽和外转子槽错开设置，所述内转子槽和外转子槽中分别嵌入转子内侧Halbach永磁体和转子外侧Halbach永磁体，转子齿与转子外侧Halbach永磁体以及转子内侧Halbach永磁体形成阵列的交替极结构；
所述内定子包括内定子铁心，内定子铁心中心穿孔，内定子铁心外周向均匀间隔分布有内定子槽和内定子齿，内定子齿的端部分裂成两个内调制极，内定子槽内嵌有内定子电枢绕组，所述两个内调制极之间形成内定子调制极中间槽。
2.根据权利要求1所述的一种双边Halbach交替极式永磁游标电机，其特征在于：所述内定子齿与外定子齿在周向上布置位置错开半个齿槽角。
3.根据权利要求1所述的一种双边Halbach交替极式永磁游标电机，其特征在于：所述外调制极和所述内调制极对应的圆心角相等，所述外定子调制极中间槽与外定子槽在外定子内圈圆周上形成弧线对应的圆心角相等，所述内定子调制极中间槽与内定子槽在内定子外圈圆周上形成弧线对应的圆心角相等。
4.根据权利要求1所述的一种双边Halbach交替极式永磁游标电机，其特征在于：所述内转子槽和外转子槽数量相等，内转子槽和外转子槽错开3-5°的角度设置。
5.根据权利要求1所述的一种双边Halbach交替极式永磁游标电机，其特征在于：所述转子外侧Halbach永磁体包括转子外侧径向永磁及分别位于转子外侧径向永磁体两侧的转子外侧周向永磁体，所述转子内侧Halbach永磁体包括转子内侧径向永磁体，及两个分别位于转子内侧径向永磁体两侧的转子内侧周向永磁体。
6.根据权利要求1所述的一种双边Halbach交替极式永磁游标电机，其特征在于：所述转子外侧Halbach永磁体和转子内侧Halbach永磁体均为同极。
7.根据权利要求1所述的一种双边Halbach交替极式永磁游标电机，其特征在于：所述转子外侧Halbach永磁体和转子内侧Halbach永磁体阵列的极对数Pr、电枢绕组的极对数Pw、调制极数Ps满足关系：Ps-Pw＝Pr。
8.根据权利要求1所述的一种双边Halbach交替极式永磁游标电机，其特征在于：所述外定子铁心、内定子铁心及转子铁心均由硅钢材料制成。
9.根据权利要求1所述的一种双边Halbach交替极式永磁游标电机，其特征在于：所述转子外侧径向永磁体、转子外侧周向永磁体及转子内侧径向永磁体、转子内侧周向永磁体均由钕铁硼材料制成。
10.根据权利要求1所述的一种双边Halbach交替极式永磁游标电机，其特征在于：所述外定子电枢绕组和内定子绕组为双层集中式分数槽三相绕组。
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