CN111224478B - 一种永磁削极磁通反向电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁削极磁通反向电机，包括定子和内凸极转子，定子齿内表面均匀分布有极弧相等的永磁体，每个永磁体的内表面为正弦加3次谐波的削极结构，相邻永磁体的充磁方向相反，永磁体的数量与定子齿的数量相等，定子上放置有绕制在定子齿上的电枢绕组，定子齿内表面上的永磁体与内凸极转子之间形成气隙。本发明通过优化永磁体的边缘厚度、极弧大小、3次谐波注入比例以及定、转子结构参数减小电机的转矩脉动，并提高电机的转矩密度，可广泛应用于高精度伺服驱动，风力发电和电动汽车等牵引系统。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，特别涉及了一种磁通反向电机。
背景技术
永磁体贴于定子齿内表面的磁通反向电机由于高转矩密度、转子机械强度大、永磁体贴在定齿子内表面上易于散热等优点受到了广泛的研究，在电动车等应用领域具有广泛的应用前景。2015年发表于IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS的文献“NovelElectrical Machines Having Separate PM Excitation Stator”指出磁通反向电机存在转矩密度低、转矩脉动大的问题。2014年发表于IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS的文献“Torque Enhancement of Surface-Mounted Permanent Magnet Machine Using Third-Order Harmonic”指出正弦加三次谐波形永磁结构可以有效降低电机的转矩脉动，然而相应的电机转矩密度要下降约7.6％。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种永磁削极磁通反向电机，降低电机的转矩脉动，并且提高电机的转矩密度。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种永磁削极磁通反向电机，包括定子和内凸极转子，定子齿内表面均匀分布有极弧相等的永磁体，每个永磁体的内表面为正弦加3次谐波的削极结构，相邻永磁体的充磁方向相反，永磁体的数量与定子齿的数量相等，定子上放置有绕制在定子齿上的电枢绕组，定子齿内表面上的永磁体与内凸极转子之间形成气隙；通过优化永磁体的边缘厚度、极弧大小、3次谐波注入比例以及定、转子结构参数减小电机的转矩脉动，并提高电机的转矩密度。
基于上述技术方案的优选方案，每个定子齿内表面的中间位置设有极弧可调的小齿，各永磁体嵌于相邻两个所述小齿之间，所述小齿的高度与永磁体边缘厚度相等。
基于上述技术方案的优选方案，所述定子齿内表面的小齿与定子齿一体加工形成。
基于上述技术方案的优选方案，各永磁体的中轴线与对应定子槽的中轴线对齐。
基于上述技术方案的优选方案，所述定子和/或内凸极转子采用硅钢片叠压或者SMC复合软磁材料制成。
基于上述技术方案的优选方案，所述永磁体为钕铁硼永磁体或者铁氧永磁体。
基于上述技术方案的优选方案，所述定子采用12槽结构，12块永磁体形成6对极永磁体；所述内凸极转子为10凸极结构。
基于上述技术方案的优选方案，所述电枢绕组为集中式绕组。
基于上述技术方案的优选方案，每个电枢绕组的跨距为一个定子齿。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)本发明永磁体内表面采用正弦加3次谐波的削极结构，可以减小气隙磁密中的三次谐波，而该三次谐波产生负的电磁转矩，可以提高电机的转矩密度；永磁体内表面的削极不仅可以降低电机的转矩脉动，而且可以增强主磁场，提高电机的转矩密度，可广泛应用于高精度伺服驱动、风力发电和电动汽车等牵引系统；
(2)本发明定子齿内表面中间位置设置有小齿，小齿的高度与永磁体边缘厚度相等，定子齿内表面形成的槽便于安装永磁体，简化永磁体安装过程；永磁体卡在小齿之间的槽中可以减小电机高速运行时永磁体的脱落风险，提高电机运行可靠性。
附图说明
图1是传统磁通反向电机截面示意图；标号说明：1-12、定子齿标号；13、定子；14、瓦片形永磁体；15、内凸极转子；16、气隙；
图2是传统磁通反向电机永磁体截面图；标号说明：17、传统瓦片形永磁极弧；18、传统瓦片形永磁厚度；
图3是本发明永磁削极磁通反向电机截面示意图；标号说明：19、正弦加3次谐波形永磁体；20、定子齿表面的小齿；
图4是正弦加3次谐波形永磁体放大图；标号说明：21、正弦加3次谐波形永磁体边缘厚度；22、正弦加3次谐波形永磁体最大厚度；23、正弦加3次谐波形永磁体极弧；
图5是传统磁通反向电机与本发明永磁削极磁通反向电机齿槽转矩对比图；
图6是传统磁通反向电机与本发明永磁削极磁通反向电机空载反电势对比图；
图7是传统磁通反向电机与本发明永磁削极磁通反向电机空载反电势傅里叶分解谐波对比图；
图8是传统磁通反向电机与本发明永磁削极磁通反向电机电磁转矩对比图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1-2所示的一种传统的磁通反向电机，包括定子13和一个内凸极转子15，且如图中所示，定子13为12槽结构，内凸极转子15为10极结构。定子齿内表面均匀分布有12块极弧相等的瓦片形永磁体14，相邻永磁体的充磁方向相反，图2中的17为瓦片形永磁体的极弧，18为瓦片形永磁体的厚度。定子齿内表面的永磁体14与内凸极转子15形成独立的气隙16。定子上放置有绕制在齿上的电枢绕组线圈。
如图3所示为本发明设计的永磁削极磁通反向电机的一种实施例，与图1所示传统磁通反向电机的区别在于：定子齿内表面均匀分布有12块极弧相等的削极永磁体19，如图4所示，永磁体19的内曲面为正弦加3次谐波形。另外，每个定子齿内表面的中间位置设有极弧可调的小齿20，各永磁体嵌于相邻两个小齿之间，小齿的高度与永磁体边缘厚度相等。
本发明设计的永磁削极磁通反向电机与传统磁通反向电机的定子绕组连接方式相同，下面结合图1说明该电机的绕组连接方式：以三相电枢绕组为例，每个线圈绕制在一个齿上是典型的集中绕组。现以逆时针方向对线圈的连接方式进行说明，线圈A+和A-的定义如图所示(B相和C相与A相相似)，为了绕制出4对极三相电枢主磁场，三相绕组在圆周方向的放置方式如图所示，线圈按照A+、B+、C+、A+、B+、C+、A+、B+、C+、A+、B+和C+在定子圆周分布。
在本实施例中，定子齿内表面的小齿与定子齿一体加工形成。各永磁体的中轴线与对应定子槽的中轴线对齐。定子和/或内凸极转子采用硅钢片叠压或者SMC复合软磁材料制成。永磁体为钕铁硼永磁体或者铁氧永磁体。
结合图4说明削极永磁体的优化方法。削极永磁体内曲面极弧半极弧可以看作无数个离散的点组成，且每点的坐标满足以下公式：
上式中，X(t)和Y(t)分别是内曲面极弧上离散点的横纵坐标；RPMo是削极永磁体外极弧的半径，HPM是削极永磁体最大厚度，HPMe是削极永磁体的边缘厚度，P是削极永磁极对数，b是三次谐波注入比例，θPMo是半极距，θp是削极永磁体半极弧，ka是保证本发明永磁削极磁通反向电机最小气隙与传统磁通反向电机气隙保持一致的系数。通过优化削极永磁体以上参数和电机定转子结构参数可以优化电机的转矩脉动和转矩密度。
本发明永磁削极磁通反向电机转矩脉动降低和转矩密度增大的效果：
图5是传统磁通反向电机与本发明永磁削极磁通反向电机齿槽转矩对比图，通过图中可以看出，本发明永磁削极磁通反向电机的齿槽转矩要远小于传统磁通反向电机。图6和图7分别是传统磁通反向电机与本发明永磁削极磁通反向电机空载反电势波形和谐波分析图，本发明磁通反向电机和传统磁通反向电机的反电势基波幅值分别为7.81V和8.50V，可以看出本发明磁通反向电机的反电势基波幅值是传统磁通反向电机的1.087倍。图8是传统磁通反向电机与本发明永磁削极磁通反向电机电磁转矩对比图，本发明磁通反向电机的转矩脉动为1.63％，平均转矩为2.66Nm，传统磁通反向电机的转矩脉动为11.97％，平均转矩为2.46Nm，通过对比发现，本发明永磁削极磁通反向电机不仅可以降低电机的转矩脉动，而且可以提高电机的转矩密度。
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，例如正弦加3次谐波形永磁体可以用在磁通反向电机的其他的极槽配合以降低电机的转矩脉动，提高电机转矩密度；本发明专利以三相单元电机为例进行了说明，本发明专利可以拓展到M相极槽配合的磁通反向电机，此外该思想也可扩展到轴向磁通和直线等多种磁通反向电机中，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 (8)
1.一种永磁削极磁通反向电机，其特征在于：包括定子和内凸极转子，定子齿内表面均匀分布有极弧相等的永磁体，每个永磁体的内表面为正弦加3次谐波的削极结构，相邻永磁体的充磁方向相反，永磁体的数量与定子齿的数量相等，定子上放置有绕制在定子齿上的电枢绕组，定子齿内表面上的永磁体与内凸极转子之间形成气隙；通过优化永磁体的边缘厚度、极弧大小、3次谐波注入比例以及定、转子结构参数减小电机的转矩脉动，并提高电机的转矩密度；每个定子齿内表面的中间位置设有极弧可调的小齿，各永磁体嵌于相邻两个所述小齿之间，所述小齿的高度与永磁体边缘厚度相等。
2.根据权利要求1所述永磁削极磁通反向电机，其特征在于：所述定子齿内表面的小齿与定子齿一体加工形成。
3.根据权利要求1所述永磁削极磁通反向电机，其特征在于：各永磁体的中轴线与对应定子槽的中轴线对齐。
4.根据权利要求1所述永磁削极磁通反向电机，其特征在于：所述定子和/或内凸极转子采用硅钢片叠压或者SMC复合软磁材料制成。
5.根据权利要求1所述永磁削极磁通反向电机，其特征在于：所述永磁体为钕铁硼永磁体或者铁氧永磁体。
6.根据权利要求1所述永磁削极磁通反向电机，其特征在于：所述定子采用12槽结构，12块永磁体形成6对极永磁体；所述内凸极转子为10凸极结构。
7.根据权利要求1所述永磁削极磁通反向电机，其特征在于：所述电枢绕组为集中式绕组。
8.根据权利要求1所述永磁削极磁通反向电机，其特征在于：每个电枢绕组的跨距为一个定子齿。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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