CN111262359A - 一种高转矩密度磁通反向电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高转矩密度磁通反向电机，包括定子和内凸极转子，定子上放置电枢绕组，每个定子齿的内表面均匀分布了n个极弧相同的调制齿，n为正整数，相邻调制齿之间镶嵌永磁体，相邻永磁体的充磁方向相反，定子齿内表面的永磁体与内凸极转子之间形成气隙。定子齿内表面的永磁体通过内凸极转子和定子齿内表面的调制齿的双重调制作用产生额外的与主磁场相同的磁场，从而增强主磁场，提高电机转矩密度，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

一种高转矩密度磁通反向电机
技术领域
本发明属于电机领域，特别涉及了一种高转矩密度磁通反向电机。
背景技术
由于高磁能永磁体的使用使得永磁电机具备了高转矩密度、高功率密度、良好的弱磁性能、高效率等优点，适合全速范围内运行。永磁体贴于定子齿内表面的磁通反向电机由于转矩密度较大、转子机械强度较大、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。然而在一些对转矩密度有更高需求的应用场合，现有的磁通反向电机依然无法提供足够大的转矩密度。另外，现有的磁通反向电机还存在电机高速运行时永磁体易脱落的问题。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种高转矩密度磁通反向电机，能够提高磁通反向电机的转矩密度。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种高转矩密度磁通反向电机，包括定子和内凸极转子，定子上放置电枢绕组，每个定子齿的内表面均匀分布了n个极弧相同的调制齿，n为正整数，相邻调制齿之间镶嵌永磁体，相邻永磁体的充磁方向相反，定子齿内表面的永磁体与内凸极转子之间形成气隙；定子齿内表面的永磁体通过内凸极转子和定子齿内表面的调制齿的双重调制作用产生额外的与主磁场相同的磁场。
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SMC复合软磁材料制成。
基于上述技术方案的优选方案，定子齿内表面分布的各永磁体形成定子永磁磁场，该定子永磁磁场与内凸极转子相互作用，调制出主磁场。
基于上述技术方案的优选方案，所述定子为12槽结构，转子为16凸极结构，每个定子齿内表面均匀分布了3个调制齿；定子齿内表面分布的36块永磁体形成18对极定子永磁磁场，该18极定子永磁磁场与16凸极的内凸极转子相互作用，调制出2对极的主磁场；定子齿内表面的调制齿与定子永磁磁场和内凸极转子相互作用，产生2对极的磁场，从而增强主磁场。
基于上述技术方案的优选方案，所述电枢绕组为三相电枢绕组，每相电枢绕组线圈的跨距为4个定子槽。
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体。
基于上述技术方案的优选方案，所述调制齿与定子齿一体加工形成。
基于上述技术方案的优选方案，相邻调制齿之间形成外极弧大于内极弧的槽，靠近内凸极转子侧的为内极弧。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)本发明定子齿内表面均匀分布有调制齿，该调制齿可以与永磁场和内凸极转子相互作用调制出额外的磁场，增强主磁场，提高电机转矩密度；
(2)现有的磁通反向电机还存在电机高速运行时永磁体易脱落的问题，永磁体卡在调制齿之间的外极弧大内极弧小的槽中，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；
(3)本发明定子齿内表面的调制齿可以与定子成一体加工，定子齿内表面形成槽便于安装永磁体，简化永磁体安装过程。
附图说明
图1是传统磁通反向电机剖面和绕组连接示意图；标号说明：1、定子；2、永磁体；3、气隙；4、内凸极转子；5-16、定子槽号；
图2是本发明高转矩密度磁通反向电机剖面和绕组连接示意图；标号说明：17、定子内表面的调制齿；
图3是本发明高转矩密度磁通反向电机定子齿内表面调制齿和和永磁体截面示意图；标号说明：18、永磁体极弧；
图4是传统磁通反向电机空载磁力线分布图；
图5是本发明高转矩密度磁通反向电机空载磁力线分布图；
图6是传统磁通反向电机与本发明高转矩密度磁通反向电机空载气隙磁密波形对比图；
图7是传统磁通反向电机与本发明高转矩密度磁通反向电机空载气隙磁密波形傅里叶分解对比图；
图8是传统磁通反向电机与本发明高转矩密度磁通反向电机空载反电势波形对比图；
图9是传统磁通反向电机与本发明高转矩密度磁通反向电机空载反电势波形傅里叶分解对比图。
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所示是传统磁通反向电机的一种实施例，包括12槽结构的定子1和16齿的内凸极转子4，定子1和内凸极转子4可采用硅钢片叠压或SMC复合软磁材料制成。定子齿内表面安装有36块等极弧的永磁体2，永磁体2可以采用钕铁硼永磁体或铁氧体，形成18对极永磁场。永磁体2与内凸极转子4之间形成独立的气隙3。定子1上放置有跨距为4个槽的三相电枢绕组线圈。
如图2所示是本发明高转矩密度磁通反向电机的一种实施例，该电机结构与传统的磁通反向电机最大的区别在于永磁体之间放置有调制齿17，每个定子齿内表面均匀放置有3个等极弧的调制齿。如图3所示，本发明设计的传统反向电机可以通过调节永磁体的极弧18和转子齿的形状优化电机的输出电磁性能。此外，永磁体卡在调制齿之间的外极弧大内极弧小的槽中，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；调制齿可以与定子成一体加工，定子齿内表面形成槽便于安装永磁体，简化永磁体安装过程。
本发明采用的电枢绕组绕制方式与传统磁通反向电机的绕制方向相同。结合图1，以三相电枢绕组为例，每个线圈跨4个槽且每个槽中放置两相电枢绕组的线圈边。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2对电机的主三相电枢磁场，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。
下面结合磁场调制原理对本发明电机的磁场增强原理进行说明：
1、对于传统磁通反向电机，永磁场经过凸极转子齿调制后的磁场含有静止的
Figure BDA0002385327210000041
次谐波。此外还含有与电机频率相同的
Figure BDA0002385327210000042
和
Figure BDA0002385327210000043
次谐波。其中，i为正奇数，k为正整数，Nr为转子极数,Zs为定子槽数。当k＝1，i＝1时，
Figure BDA0002385327210000044
该电机永磁场经转子凸极齿调制后可以产生2对极的工作谐波，该2对极主谐波在定子三相电枢绕组中感应出反电势，实现机电能量转换。
2、对于本发明提出的高转矩密度磁通反向电机，气隙中不仅含有传统磁通反向电机的谐波磁场，而且含有永磁场经凸极转子齿和调制齿产生的额外的工作谐波。根据磁场调制原理永磁场经凸极转子齿和调制齿产生的额外的与工作谐波频率相同的
Figure BDA0002385327210000051
和
Figure BDA0002385327210000052
次谐波。其中，j为正整数。当k＝1，i＝1，j＝1时，
Figure BDA0002385327210000053
通过上述可以看出，18对极永磁场经16极凸极转子齿和36个调制齿调制也可产生2对极的主磁场谐波，增强主磁场进而增加电机的转矩密度。
图4和图5分别是传统磁通反向电机和本发明高转矩密度磁通反向电机的空载磁力线分布图，对比两图可以发现，图5中2对极的磁场要强于图4。图6和图7分别是传统磁通反向电机和本发明高转矩密度磁通反向电机空载气隙磁密波形和谐波分析图，从图7中可以看出本发明高转矩密度磁通反向电机气隙中2对极的磁场谐波幅值要大于传统磁通反向电机，验证了图4和图5中的空载磁力线分布图。图8和图9是两个电机的空载反电势波形和谐波分析图，本发明高转矩密度磁通反向电机的反电势基波幅值是传统磁通反向电机的1.41倍，从而验证了本发明调制齿磁场增强的有效性。
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，例如调制齿可以应用在磁通反向电机的其他的极槽配合；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)

1.一种高转矩密度磁通反向电机，包括定子和内凸极转子，定子上放置电枢绕组，其特征在于：每个定子齿的内表面均匀分布了n个极弧相同的调制齿，n为正整数，相邻调制齿之间镶嵌永磁体，相邻永磁体的充磁方向相反，定子齿内表面的永磁体与内凸极转子之间形成气隙；定子齿内表面的永磁体通过内凸极转子和定子齿内表面的调制齿的双重调制作用产生额外的与主磁场相同的磁场。
2.根据权利要求1所述高转矩密度磁通反向电机，其特征在于：所述定子和/或内凸极转子采用硅钢片叠压或SMC复合软磁材料制成。
3.根据权利要求1所述高转矩密度磁通反向电机，其特征在于：定子齿内表面分布的各永磁体形成定子永磁磁场，该定子永磁磁场与内凸极转子相互作用，调制出主磁场。
4.根据权利要求3所述高转矩密度磁通反向电机，其特征在于：所述定子为12槽结构，转子为16凸极结构，每个定子齿内表面均匀分布了3个调制齿；定子齿内表面分布的36块永磁体形成18对极定子永磁磁场，该18极定子永磁磁场与16凸极的内凸极转子相互作用，调制出2对极的主磁场；定子齿内表面的调制齿与定子永磁磁场和内凸极转子相互作用，产生2对极的磁场，从而增强主磁场。
5.根据权利要求4所述高转矩密度磁通反向电机，其特征在于：所述电枢绕组为三相电枢绕组，每相电枢绕组线圈的跨距为4个定子槽。
6.根据权利要求1所述高转矩密度磁通反向电机，其特征在于：所述永磁体为钕铁硼永磁体或者铁氧体。
7.根据权利要求1所述高转矩密度磁通反向电机，其特征在于：所述调制齿与定子齿一体加工形成。
8.根据权利要求1所述高转矩密度磁通反向电机，其特征在于：相邻调制齿之间形成外极弧大于内极弧的槽，靠近内凸极转子侧的为内极弧。
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