CN111262355A - 一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机及方法，在定子内部开有空气槽，空气槽与电枢槽交替排列，均匀分布于定子铁芯内径一侧；所述定子开有永磁体槽，用于放置铁氧体，铁氧体按照短‑长‑短的方式排列形成一极，分布于电枢槽上方，每两相邻空气槽之间铁氧体充磁方向相同，形成一极，空气槽两侧铁氧体充磁方向相反；转子包括转子齿，相邻的转子齿之间设有转子槽，所述定子齿和转子齿之间设有主气隙；同极性下的铁氧体通过长度和安装角度的配合实现绝大多数磁通通过主气隙，实现聚磁功能，提高电机的性能和功率密度。

Description

一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机及方法

技术领域

本发明属于永磁电动机技术领域，尤其涉及一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机及方法。

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。

高速风机、泵类等负载驱动场合，由于在国民经济各领域中应用量大、面广，并且其中有相当数量的风机泵类负载需要调速，因而使得高速风机、泵类驱动电机在此领域中得到广泛应用。实际应用时，不同的风机和泵类驱动工况对驱动电机的性能有不同的需求，传统方法是通过节流装置来实现流量调节，比较简单，但会造成较大的能源浪费。同时，由于泵类负载以及风机类负载自身制造工艺不成熟、系统组成环节匹配度不高等缺陷的存在，电机耗能问题非常突出。因此，研发新型高速风机和泵类节能驱动电机，研究电机的节能途径与措施，提高其运行效率，降低系统能耗，具有重要意义。目前常见的风机和泵类负载驱动电机多采用交流感应电机和永磁无刷电机。

交流感应电动机以结构简单可靠、成本低廉著称，其转子磁场与同步旋转磁场不同步，因此受转差率的影响，电机转子上会产生感应电流，从而产生额外的焦耳热损耗，降低电机效率。对其进行变频调速时，基频以下通常处于恒转矩模式，即输出转矩保持不变，输出功率随着转速的减小而降低。由于感应电机的工作原理造成其功率因数不高，限制了感应电机在髙效率、髙功率运行区间的使用。

永磁无刷电机采用永磁材料激励，不需要定子侧提供无功励磁电流，功率因数可达相较于感应电机大大提高。在相同工况下，永磁无刷电机具有体积小、重量轻、效率高和噪音低等优点，非常适用于变频调速领域，但是其存在诸多问题。

现有高速风机和泵类永磁驱动电机存在的技术缺点如下：

1、现有大多数永磁电机永磁体位于转子上，运行时随转子一起转动，永磁体需采用特殊工序固定，制造成本高，尤其电机转速较高时，永磁体固定更加困难，由于永磁体位于转子上，运行时散热困难，温升和由于转子转动而引起的振动会导致永磁体机械结构损坏和发生不可逆退磁。

2、现有永磁电机一般为三相，要求电机的功率逆变电路至少需要6个功率开关器件，如IGBT或者MOSFET等，以及与之相应的驱动该功率开关器件的驱动电路和保护电路，使得电机功率逆变电路成本相当高，甚至达到电机本体成本的两到三倍，功率开关器件数量增多增加了控制电路复杂程度，器件发生故障的可能性增加，运行时系统的可靠性降低。

3、除此之外，现有永磁电机多采用分布绕组或者横跨多个极距的集中绕组，普遍存在绕组端部长，用铜量大，制造成本高，电机运行时铜耗大，效率低等缺点，尤其是对于外径较大，轴向长度较小，也就是径长比值较大的电机，这种缺点尤为突出，需要采用特殊的绕组线圈连接方式来减小绕组端部，减小用铜，提高电机运行效率。

4、转子上一般需要高磁能积的永磁体，比如钕铁硼等，永磁材料成本高，制造和加工困难，增加了永磁电机的制造成本，对驱动电机成本要求较高的场合，限制了永磁电机的实际工程应用。

针对现有高速风机和泵类永磁驱动电机的上述缺点，相关学者提出了一些适用于高速驱动应用领域的开关磁阻电机结构。开关磁阻电动机驱动系统是70年代开始研制，80年代中期逐步发展起来的一种新的机电一体化的驱动调速设备，特别是大规模集成电路及电脑技术的飞速发展，使开关磁阻电机在90年代逐步进入实用阶段。由于开关磁阻电机既有直流电机调速方便的长处，又具备异步电机结构简单，运行可靠的优点，十分适合应用于高速运行场合，因此被广泛使用于车辆牵引，机床驱动，航空、航天工业及家用电器等各个领域。单相电励磁开关磁阻电机的定转子极数少，叠片结构简单成本低，坚固耐用；励磁绕组、电枢绕组全周期通电，绕组利用率比较高；由于是单相结构并且励磁电流为直流，只需控制电枢绕组电流即可，所需位置传感器简单、功率开关器件数量少，成本低。但是电励磁开关磁阻电机的显著缺点是其铜耗较大，效率较低。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机，本发明电机结合了永磁电机和开关磁阻电机的性能优点，既能够实现高速运行，又显著减小了电机运行时的绕组铜耗，提高了电机运行效率，增加了电机的功率/转矩密度。本发明电机不但能够达到提高能效节能减排的效果，又显著降低了电机的制造成本，具有良好的实际工程推广价值。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机，包括：定子及转子；

在定子内部开有电枢槽，电枢槽内放置有电枢绕组，在定子内部开有空气槽，空气槽与电枢槽交替排列，均匀分布于定子铁芯内径一侧；

所述定子开有永磁体槽，用于放置铁氧体，铁氧体按照短-长-短的方式排列形成一极，分布于电枢槽上方，每两相邻空气槽之间铁氧体充磁方向相同，形成一极，空气槽两侧铁氧体充磁方向相反；

其中，长永磁体中的磁通分为两部分，每一部分分别于相邻的两块短永磁体产生的磁通串联经过主气隙进入转子齿形成主磁通；

所述转子包括转子齿，相邻的转子齿之间设有转子槽，所述定子齿和转子齿之间设有主气隙；

同极性下的铁氧体通过长度和安装角度的配合实现绝大多数磁通通过主气隙，实现聚磁功能，提高电机的性能和功率密度。

进一步的技术方案，相同极性下永磁体之间设置有磁桥，使定子成为一个整体。

进一步的技术方案，电机运行时，控制一套电枢绕组的电流大小和方向，电枢电流磁场和铁氧体产生的磁场相互作用使得定子齿上的磁通相互增强或者抵消，定子磁场在某个方向上连续开通或者关断，利用定子和转子间磁阻变化产生转矩。

进一步的技术方案，所述电机定子齿的个数n_s满足：n_s＝2*n，其中n是大于等于2的自然数；

所述电机转子齿的个数n_r和电机定子齿的个数n_s满足：n_r＝n_s/2；

所述永磁体的块数n_pm和电机定子齿的个数n_s满足：n_pm/m＝0.5*n_s，m为大于等于1的自然数。

进一步的技术方案，所述永磁体采用低成本的铁氧体，通过设置三块铁氧体之间的安置角度来实现聚磁效应，提高气隙磁密。

进一步的技术方案，所述电枢绕组从一个电枢绕组所在槽穿入，从相邻的电枢槽穿出，相邻两个电枢槽内的绕组组成一个电枢线圈，每个电枢线圈横跨两个定子齿距，相邻两个电枢槽内绕组的电流大小相同，方向相反。

进一步的技术方案，所述定子槽内只安放有一套电枢绕组，定子槽内不需要相间绝缘，槽利用率高。

进一步的技术方案，所述空气槽内灌注环氧树脂非导磁材料。

进一步的技术方案，所述定子齿，定子轭和转子齿均采用硅钢片叠压而成或者采用高导磁率铁芯材料一次制成。

本发明公开一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机的工作方法，包括：

当电枢绕组不通电时，永磁体产生的磁通的一部分经过定子轭部，定子齿和主气隙沿电机径向流入转子齿，再经过相邻的转子齿流出到主气隙到达另一个极下的永磁体，再经过定子背部闭合，这形成了电机的主磁通；

当电枢绕组通电时，电枢绕组电流产生的磁场使得电枢绕组所在电枢槽两侧的定子齿分别呈现不同的极性，与永磁体产生的磁场作用叠加，使得一个定子齿显示极性，有主磁通磁通经过，相邻的另一个定子齿没有极性，无磁通流过，由于电枢绕组每隔一个槽设置，因此，电机内有一半的定子齿具有极性，一半的定子齿没有极性，根据磁阻最小原理，将使转子旋转到使转子齿与具有极性的定子齿重合；

由于转子齿数为定子齿数的一半，此时正好有每个转子齿均与定子齿正对，这个位置为转子齿和定子齿的对齐位置，这个位置对应的磁阻最小；此时，若转子继续旋转，需改变电枢绕组内电流的方向，使得刚才不具有极性的定子齿显示极性，而原先有极性的定子齿不显示极性，这时，根据磁阻最小原理，转子齿将有旋转到与现在四个有极性定子齿对齐的趋势，因而转子将受力旋转，当转子齿与定子再次重合后，继续改变电枢绕组电流的方向，这个过程将一直重复，转子将持续旋转。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、本发明电机运行时电枢绕组产生的磁场与永磁体产生的磁场在定子齿上相互增强或者抵消，以产生转矩。永磁体产生的磁通直接经过定子齿，主气隙和转子齿形成闭合回路，电枢绕组产生的磁通不直接通过永磁体，磁路上与永磁体产生的磁通是并联关系，不仅有效提高了弱磁效率，而且避免了永磁体由于反向磁化而产生的磁性能下降等不可逆退磁的风险。

2、本发明电机在长永磁体和短永磁体之间设置一个磁桥，使定子成为一个整体，从而提高了电机的机械强度，有利于电机运行的稳定性；由于采用了整体结构。定子冲片在加工过程中可以一次成型，大大降低了生产制造成本。

3、本发明电机为纯永磁体励磁开关磁阻电机，定子上只有一套定子电枢绕组，只需要两个功率开关器件即可实现电机控制，控制器成本低。而传统的永磁电机则需要六个功率开关器件，且控制方式更加复杂。

4、本发明电机每个定子槽内只安放有一套绕组，电机绕组下线工艺简单，槽内不需要放置相间绝缘，有利于提高槽满率和槽利用率。

5、由于极弧宽度较宽的永磁体成本较高，机械受力时易发生破裂，机械强度不及多块极弧宽度较小的永磁体拼接而成的情况。本发明中的永磁体按照短-长-短的方式组合实现聚磁效应，三块永磁体极性相同，形成一个有效磁极，避免了采用一整块长永磁体机械强度不佳的问题。

6、采用低磁能积的铁氧体提供磁通，成本更低，在磁路的设计上兼顾了机械强度和电磁性能，通过二短一长的同极性铁氧体，通过3块永磁体之间的角度设置，实现聚磁功能，使得本发明电机的功率密度高，材料利用率高，同样设计功率的电机，本发明电机节省材料用量，降低成本。

7、本发明电机所开空气槽的槽型综合考虑了电机的电磁性能和强度问题，通过对不同槽型的比较和计算，最终确定为梨形槽；采用梨形槽时，相较于其他形式的槽型永磁体的漏磁低，更多的磁通通过主气隙，提高了电机的功率密度；同时采用梨形槽时的机械强度相较于其他形式的槽更不容易发生形变，有利于提高电机运行的稳定性。

8、本发明电机永磁体固定于定子上，不随转子转动，安装方便，有利于散热，消除了普通单相永磁电机由于永磁体随转子旋转而产生的机械应力损坏，永磁体散热不良等缺点，有效遏制永磁体产生不可逆退磁。

9、本发明电机对磁路有特殊的设计，并且通过参数优化等方法确定定子轭部厚度等定子铁芯的相关尺寸，避免铁芯出现过饱和的情况，使得铁芯材料的利用率更高，从而令更多的磁通通过主气隙，最终实现电机的整体效率的提高。

10、本发明电机运行时电枢绕组和铁氧体产生的磁场在定子齿上相互增强或者抵消，使电机的功率密度高，材料利用率高，同样设计功率的电机，本发明电机节省材料用量，降低成本。

附图说明

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

图1本发明电机的功率变换器电路图；

图2现有无刷直流永磁和永磁同步电机功率变换器电路图；

图3为本发明电机实施方式结构示意图；

图4(a)-图4(c)为本发明电机与传统开关磁阻电机转矩电流结果对比图，图中FE系列为电励磁模型的相关性能参数，PM系列为本发明电机的性能参数，从中可以看出电机在相同运行情况下，本发明电机的损耗远远小于电励磁电机；

其中，1.定子齿，2.空气槽，3.定子轭部，4.电枢槽，5.永磁体槽，6.电枢绕组，7.主气隙，8.永磁体，9.转子齿，10.转子槽，11.磁桥。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机，包括定子及转子，所述定子由定子槽、定子齿、定子轭部和永磁体槽组成，电枢槽上方靠近铁芯外周处设有永磁体槽，永磁体槽内设有永磁体。电枢槽沿圆周排列，所述电枢槽内安放有一套电枢绕组；转子包括转子齿，相邻的转子齿之间设有转子槽，定子齿和转子齿之间设有主气隙；所述相反极性永磁体之间的定子沿径向断开，开有空气槽。空气槽形状根据优化结果选用梨形空气槽，提高电机的性能使更多磁通通过主气隙，同时兼顾了铁芯整体的机械强度，并且根据需要可用环氧树脂等非导磁材料填充。

在定子内部开有电枢槽，电枢槽内放置有电枢绕组。在定子内部开有空气槽，空气槽与电枢槽交替排列，均匀分布于定子铁芯内径一侧。所述定子开有永磁体槽，用于放置铁氧体。每两相邻空气槽之间铁氧体充磁方向相同，形成一极，空气槽两侧铁氧体充磁方向相反。空气槽采用梨形槽，以兼顾电磁性能和机械强度；根据需要空气槽内部可用环氧树脂等非导磁材料填充，提高电机的机械机构整体性，减小齿部受力位移，进而有效降低铁芯的振动和噪声。

转子包括转子齿，相邻的转子齿之间设有转子槽，所述定子齿和转子齿之间设有主气隙；

长永磁体中的磁通分为两部分，一部分通过磁桥与相邻的两块短永磁体产生的磁通串联经过主气隙进入转子齿；另一部分与相邻的两块短永磁体产生的磁通在永磁体槽与电枢槽之间的铁芯处并联经过主气隙进入转子齿；这两部分磁通共同形成主磁通。

相同极性下永磁体之间设置有磁桥，使定子成为一个整体，降低了加工成本。具体的，同一极下的长永磁体与短永磁体之间设置有磁桥，使电机定子成为一个整体，以提高机械强度，同时可一次性使冲片成型，大大降低加工成本。

定子轭部通过优化分析确定尺寸，在定子内径、外径以及永磁体槽尺寸一定的条件下，令铁芯的主要磁路部分在工况下磁密不会过高，从而确定定子轭部厚度使定子不会饱和，提高了定子铁芯的利用率。

同极性下的铁氧体通过长度和安装角度的配合实现绝大多数通过主气隙，实现聚磁功能，提高了电机的性能和功率密度。每极下长永磁体中线与电枢槽中线重合，长永磁体与短永磁体的角度选择在原则上是使尽量多的永磁体磁通以最短的距离流经主气隙和附加气隙，使每极下的永磁体产生的磁通分布均匀。具体角度的选择应结合铁芯饱和情况来进行进一步的参数优化。

电机运行时，控制一套电枢绕组的电流大小和方向，电枢电流磁场和铁氧体产生的磁场相互作用使得定子齿上的磁通相互增强或者抵消，定子磁场在某个方向上连续开通或者关断，利用定子和转子间磁阻变化产生转矩

电机定子齿的个数n_s满足：n_s＝2*n，其中n是大于等于2的自然数；

电机转子齿的个数n_r和电机定子齿的个数n_s满足：n_r＝n_s/2；

永磁体的块数n_pm和电机定子齿的个数n_s满足：n_pm/m＝0.5*n_s，m为大于等于1的自然数。

永磁体采用低成本的铁氧体，价格低廉，电机的整体成本相较于传统永磁电机来说大大降低。铁氧体按照短-长-短的方式排列形成一极，分布于电枢槽上方，通过设置三块铁氧体之间的安置角度来实现聚磁效应，提高气隙磁密；而现有永磁电机由于极弧系数受到极数的限制，通常只有采用高性能永磁体才能满足设计磁密的需要，成本较高。

相同极性的铁氧体通过参数优化确定每块永磁体长度以及安装角度，按照一定角度排列设为一极，实现聚磁效应，从而有效提高气隙磁密。

永磁体按照短-长-短的排列顺序形成一极，每极下永磁体充磁方向相同；间隔空气槽安置极性相反的另一极永磁体。

永磁体为矩形，按照短-长-短的顺序排列为一组，每极永磁体充磁方向相同。

电枢绕组从一个电枢绕组所在槽穿入，从相邻的电枢槽穿出，相邻两个电枢槽内的绕组组成一个电枢线圈，每个电枢线圈横跨两个定子齿距，相邻两个电枢槽内绕组的电流大小相同，方向相反。

定子槽内只安放有一套电枢绕组，定子槽内不需要相间绝缘，槽利用率高，绕组下线工艺简单，制造成本低。

定子内部开有空气槽，空气槽与电枢槽交替排列，均匀分布于定子铁芯内径一侧。所述空气槽内可以灌注环氧树脂等非导磁材料，提高电机结构的整体性。

定子齿，定子轭和转子齿均采用硅钢片叠压而成或者采用高导磁率铁芯材料一次制成。

纯永磁体励磁的开关磁阻电机采用永磁体励磁来代替励磁电流励磁，可以有效的提高电机的效率。由于取消了励磁绕组，大大降低了电机的铜耗，使电机的性能明显提升。

本发明电机具体是这样来工作的，本发明电机的定子铁芯和转子铁心采用硅钢片叠压而成或者高导磁率的铁芯材料一次制成，当电枢绕组不通电时，所述永磁体产生的磁通的一部分经过定子轭部，定子齿和主气隙沿电机径向流入转子齿，再经过相邻的转子齿流出到主气隙到达另一个极下的永磁体，再经过定子背部闭合，这形成了电机的主磁通。当电枢绕组通电时，电枢绕组电流产生的磁场使得电枢绕组所在电枢槽两侧的定子齿分别呈现不同的极性，与永磁体产生的磁场作用叠加，使得一个定子齿显示极性，有主磁通磁通经过，相邻的另一个定子齿没有极性，无磁通流过，由于电枢绕组每隔一个槽设置，因此，电机内有一半的定子齿具有极性，一半的定子齿没有极性，根据磁阻最小原理，将使转子旋转到使转子齿与具有极性的定子齿重合，由于转子齿数为定子齿数的一半，此时正好有每个转子齿均与定子齿正对，这个位置为转子齿和定子齿的对齐位置，这个位置对应的磁阻最小。此时，要想转子继续旋转，需改变电枢绕组内电流的方向，使得刚才不具有极性的定子齿显示极性，而原先有极性的定子齿不显示极性，这时，根据磁阻最小原理，转子齿将有旋转到与现在四个有极性定子齿对齐的趋势，因而转子将受力旋转，当转子齿与定子再次重合后，继续改变电枢绕组电流的方向，这个过程将一直重复，转子将持续旋转。

本发明电机为永磁体励磁开关磁阻电机，定子上只有一套定子电枢绕组，只需要两个功率开关器件即可实现电机控制，控制器成本低。而传统的永磁电机则需要6个功率开关器件，且控制方式更加复杂。

本发明电机每个槽内只安放有一套绕组，槽内不需要相间绝缘，电机绕组下线工序简单，整体成本低于现有的各类永磁电机，由于槽内不需相间绝缘，槽满率高。

采用低磁能积的铁氧体提供磁通，成本更低，在磁路的设计上兼顾了机械强度和电磁性能，通过二短一长的同极性铁氧体，通过3块永磁体之间的角度设置，实现聚磁功能，使得本发明电机的功率密度高，材料利用率高，同样设计功率的电机，本发明电机节省材料用量，降低成本。

本发明电机永磁体固定于定子上，不随转子转动，安装方便，有利于散热，消除了普通单相永磁电机由于永磁体随转子旋转而产生的机械应力损坏，永磁体散热不良等缺点。

本发明电机在相邻两组永磁体之间所开槽型综合考虑了电机的电磁性能和强度问题，通过对不同槽型的比较和计算，最终确定为梨形槽；采用梨形槽时，相较于其他形式的槽型永磁体的漏磁低，更多的磁通通过主气隙，提高了电机的功率密度；同时采用梨形槽时的机械强度相较于其他形式的槽更不容易发生形变，有利于提高电机运行的稳定性。

本发明电机的永磁体采用特殊的短-长-短组合方式，采用低磁能积的铁氧体实现聚磁效应，电机成本相较于现有永磁电机大大降低；通过电机的设计气隙磁密确定永磁体的剩磁密度，再通过磁路计算确定铁氧体的尺寸，使其工作在最大磁能积状态附近，大大提高了永磁体材料的利用率。

本发明电机在长永磁体和短永磁体之间设置一个磁桥，使定子成为一个机械整体，从而提高了电机的机械强度，有利于电机运行的稳定性；由于采用了整体结构。定子冲片在加工过程中可以一次成型，大大降低了生产制造成本。

本发明电机通过特殊的磁路设计，通过参数优化等方法确定了定子轭部厚度，从而确定了定子的相关结构尺寸，使定子铁芯的主要磁路部分不会出现过饱和，从而令更多的磁通通过主气隙，最终使得铁芯材料的利用率更高，提高了电机的效率。

其中一实施例如图3所示，本实施方式电机定子齿数为8，转子齿数为4，永磁体块数为12，本实施方式包括定子，转子，主气隙和空气槽，定子包括定子铁芯、永磁体槽5、磁桥11和定子槽，定子铁芯包括定子齿1，定子背轭部3，定子铁芯由高导磁率铁磁材料制成，定子铁芯上设有定子槽，定子槽包括电枢槽4和空气槽2，空气槽2与电枢槽4间隔排列，均匀分布于定子铁芯内径一侧，电枢槽内安放有电枢绕组6，电枢绕组6从一个电枢槽4穿入，从相邻的另一个电枢槽穿出，形成一个线圈，使得每相邻两个电枢槽内的电流大小相同，方向相反；定子电枢槽上方安放有矩形永磁体8，按照短-长-短的顺序放置于定子电枢槽上方的永磁体槽5内，永磁体8采用低磁能积的铁氧体永磁体材料，永磁体8采取平行充磁，两空气槽之间的3块永磁体的充磁方向相同，形成一极，空气槽两侧的永磁体充磁方向相反；同一极下长永磁体与短永磁体之间设置有磁桥11，使定子铁芯成为一个整体；转子包括转子齿9和转子槽10；转子齿9和定子齿1之间设有主气隙7。

图1为本发明电机的功率变换器电路图；图2为现有无刷直流永磁和永磁同步电机功率变换器电路图；图4(a)-图4(c)为本发明电机与传统开关磁阻电机转矩电流结果对比图，图中FE系列为电励磁模型的相关性能参数，PM系列为本发明电机的性能参数，从中可以看出电机在相同运行情况下，本发明电机的损耗远远小于电励磁电机。

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

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机，其特征是，包括：定子及转子；

在定子内部开有电枢槽，电枢槽内放置有电枢绕组，在定子内部开有空气槽，空气槽与电枢槽交替排列，均匀分布于定子铁芯内径一侧；

所述定子开有永磁体槽，用于放置铁氧体，铁氧体按照短-长-短的方式排列形成一极，分布于电枢槽上方，每两相邻空气槽之间铁氧体充磁方向相同，形成一极，空气槽两侧铁氧体充磁方向相反；

其中，长永磁体中的磁通分为两部分，每一部分分别于相邻的两块短永磁体产生的磁通串联经过主气隙进入转子齿形成主磁通；

所述转子包括转子齿，相邻的转子齿之间设有转子槽，所述定子齿和转子齿之间设有主气隙；

同极性下的铁氧体通过长度和安装角度的配合实现绝大多数磁通通过主气隙，实现聚磁功能，提高电机的性能和功率密度。

2.如权利要求1所述的一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机，其特征是，相同极性下永磁体之间设置有磁桥，使定子成为一个整体。

3.如权利要求1所述的一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机，其特征是，电机运行时，控制一套电枢绕组的电流大小和方向，电枢电流磁场和铁氧体产生的磁场相互作用使得定子齿上的磁通相互增强或者抵消，定子磁场在某个方向上连续开通或者关断，利用定子和转子间磁阻变化产生转矩。

4.如权利要求1所述的一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机，其特征是，所述电机定子齿的个数n_s满足：n_s＝2*n，其中n是大于等于2的自然数；

所述电机转子齿的个数n_r和电机定子齿的个数n_s满足：n_r＝n_s/2；

所述永磁体的块数n_pm和电机定子齿的个数n_s满足：n_pm/m＝0.5*n_s，m为大于等于1的自然数。

5.如权利要求1所述的一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机，其特征是，所述永磁体采用低成本的铁氧体，通过设置三块铁氧体之间的安置角度来实现聚磁效应，提高气隙磁密。

6.如权利要求1所述的一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机，其特征是，所述电枢绕组从一个电枢绕组所在槽穿入，从相邻的电枢槽穿出，相邻两个电枢槽内的绕组组成一个电枢线圈，每个电枢线圈横跨两个定子齿距，相邻两个电枢槽内绕组的电流大小相同，方向相反。

7.如权利要求1所述的一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机，其特征是，所述定子槽内只安放有一套电枢绕组，定子槽内不需要相间绝缘，槽利用率高。

8.如权利要求1所述的一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机，其特征是，所述空气槽内灌注环氧树脂非导磁材料。

9.如权利要求1所述的一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机，其特征是，所述定子齿，定子轭和转子齿均采用硅钢片叠压而成或者采用高导磁率铁芯材料一次制成。

10.基于权利要求1-9任一所述的一种低成本高功率密度单相高速永磁电动机的工作方法，其特征是，包括：

当电枢绕组不通电时，永磁体产生的磁通的一部分经过定子轭部，定子齿和主气隙沿电机径向流入转子齿，再经过相邻的转子齿流出到主气隙到达另一个极下的永磁体，再经过定子背部闭合，这形成了电机的主磁通；

当电枢绕组通电时，电枢绕组电流产生的磁场使得电枢绕组所在电枢槽两侧的定子齿分别呈现不同的极性，与永磁体产生的磁场作用叠加，使得一个定子齿显示极性，有主磁通磁通经过，相邻的另一个定子齿没有极性，无磁通流过，由于电枢绕组每隔一个槽设置，因此，电机内有一半的定子齿具有极性，一半的定子齿没有极性，根据磁阻最小原理，将使转子旋转到使转子齿与具有极性的定子齿重合；

由于转子齿数为定子齿数的一半，此时正好有每个转子齿均与定子齿正对，这个位置为转子齿和定子齿的对齐位置，这个位置对应的磁阻最小；此时，若转子继续旋转，需改变电枢绕组内电流的方向，使得刚才不具有极性的定子齿显示极性，而原先有极性的定子齿不显示极性，这时，根据磁阻最小原理，转子齿将有旋转到与现在四个有极性定子齿对齐的趋势，因而转子将受力旋转，当转子齿与定子再次重合后，继续改变电枢绕组电流的方向，这个过程将一直重复，转子将持续旋转。

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