CN111277092A - 一种定子模块化双转子交替极永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子模块化双转子交替极永磁电机，包括内转子、外转子以及位于内转子与外转子之间的定子，内转子和外转子分别与定子形成独立的气隙；定子包括若干定子模块，各定子模块之间通过铁芯磁桥连接，每个定子模块轭部的外侧和内侧分别连接了外定子齿和内定子齿；每个外定子齿和内定子齿上均绕有集中式电枢绕组，同一定子模块的外定子齿和内定子齿上电枢绕组的正负方向相反，内、外定子齿上属于同相的电枢绕组连接构成一相绕组；内转子与外转子中至少有一个转子为交替极永磁转子，该交替极永磁转子上的各永磁体的磁化方向一致，内转子与外转子的极对数相同。本发明可以消除交替极永磁转子造成的反电势不平衡，提高了电机的输出转矩性能。

Description

一种定子模块化双转子交替极永磁电机

技术领域

本发明属于电机领域，特别涉及了一种定子模块化双转子交替极永磁电机。

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、良好的弱磁性能以及高效率的优点，适合全速范围内运行。因此永磁电机在风里发电，电动车等应用领域具有广泛的应用前景。为了提高永磁电机永磁体利用率、降低电机成本，交替极永磁电机得到了广大科研人员和企业界的关注。然而，交替极永磁电机结构也导致了一些亟待解决的问题，比如以3槽4极为单元电机的永磁电机采用交替极永磁结构会导致气隙磁密不对称，电机空载运行时会在电枢绕组中感应出偶次反电势谐波；而偶次反电势谐波与基波电流相互作用会产生较大的奇次转矩脉动，增加电机的电磁转矩脉动，影响电机的输出电磁转矩性能。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种定子模块化双转子交替极永磁电机，消除交替极永磁转子造成的反电势不平衡，改善电机的输出转矩性能。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种定子模块化双转子交替极永磁电机，包括内转子、外转子以及位于内转子与外转子之间的定子，所述内转子和外转子分别与定子形成独立的气隙；所述定子包括若干定子模块，各定子模块之间通过铁芯磁桥连接，每个定子模块轭部的外侧和内侧分别连接了n个外定子齿和n个内定子齿，n≥1；每个外定子齿和内定子齿上均绕有集中式电枢绕组，同一定子模块的外定子齿和内定子齿上电枢绕组的正负方向相反，内、外定子齿上属于同相的电枢绕组连接构成一相绕组；所述内转子与外转子中至少有一个转子为交替极永磁转子，该交替极永磁转子上的各永磁体的磁化方向一致。

基于上述技术方案的优选方案，相邻定子模块轭部的外侧之间形成外侧大槽，相邻定子模块轭部之间形成内侧大槽，各外侧大槽和内侧大槽内放置有辅助绕组。

基于上述技术方案的优选方案，放置在外侧大槽内的辅助绕组为跨于定子模块的各外定子齿上的分布式绕组，放置在内侧大槽内的辅助绕组为跨于定子模块的各内定子齿上的分布式绕组；放置在外侧大槽内的辅助绕组与同相的外定子齿上的电枢绕组连接，并且二者正负方向相同；放置在内侧大槽内的辅助绕组与同相的内定子齿上的电枢绕组连接，并且二者正负方向相同；在此辅助绕组的连接方式下，内、外转子分别由不同的电枢绕组控制，能够实现内、外转子的同步运行和异步运行。

基于上述技术方案的优选方案，所述辅助绕组为绕在外侧大槽与内侧大槽之间轭部上的环形绕组，该环形绕组与同相的电枢绕组连接。

基于上述技术方案的优选方案，将绕在外定子齿和内定子齿上的集中式电枢绕组替换为绕在该外定子齿与内定子齿之间轭部的环形电枢绕组，在此辅助绕组的连接方式下，内、外定子齿共用一套电枢绕组对内、外转子进行控制，能够实现内、外转子的同步运行。

基于上述技术方案的优选方案，所述内转子和外转子均为交替极永磁电机，内转子与外转子上永磁体的磁化方向一致或相反；或者内转子和外转子中一个为交替极永磁转子，另一个为双极永磁转子。

基于上述技术方案的优选方案，所述铁芯磁桥的宽度为τ/3，τ为极距。

基于上述技术方案的优选方案，所述内转子和外转子能够实现同步同轴输出或者异步双机械端口输出。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明模块化定子齿上的电枢绕组可消除由于交替极转子引起的偶次谐波反电势；模块化定子之间的大槽内的辅助绕组不仅不含有偶次反电势谐波而且可以提高基波反电势，提高电机的电磁性能；

(2)本发明模块化定子齿上的电枢绕组和模块化定子之间的大槽内的分布式辅助绕组可采用绕制于定子轭部的环形绕组，可以降低电机端部长度，导线绕制方便，可以降低铜耗，提高电机效率；

(3)本发明模块化定子之间的大槽中增加了辅助绕组，可以有效利用电机内部空间，增大了机的转矩和功率密度；

(4)本发明定子采用模块化设计，便于加工和批量化生产，加工好的模块化定子可直接绕线然后拼装完成装配，可以简化生产过程和装配过程；

(5)本发明使用铁芯极代替永磁极，可以减少永磁体用量，降低电机成本，提高永磁体利用率。

附图说明

图1是本发明实施例1的电机截面示意图；

图2是本发明实施例1中电枢绕组连接示意图；

图3是本发明实施例1中定子齿标号示意图；

图4是本发明实施例2中辅助绕组连接示意图；

图5是本发明实施例3中辅助绕组连接示意图；

图6是本发明实施例4中电枢绕组连接示意图；

图7是图4所示电机结构三相环形辅助绕组反电势波形图；

图8是图5所示电机结构三相环形主绕组反电势波形图；

图9是三相环形辅助绕组和三相环形主绕组反电势合成波形图；

标号说明：1、定子模块轭部；2、外转子上永磁体；3、外转子；4、外气隙；5、铁芯磁桥；6、外定子齿；7、内定子齿；8、内转子上永磁体；9、内定子齿上电枢绕组；10、内转子；11、内气隙；12、外定子齿上电枢绕组；13-24、相邻两个定子模块内、外定子齿上电枢绕组；25-30、定子模块；31-32、分布式辅助绕组；33-38、环形辅助绕组；39-40、环形电枢绕组。

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。

实施例1

如图1所示，一种定子模块化双转子交替极永磁电机，包括内转子10、外转子3以及位于内转子与外转子之间的定子，所述内转子10和外转子3分别与定子形成独立的气隙11和4。所述定子包括若干定子模块，各定子模块之间通过铁芯磁桥5连接，每个定子模块轭部1的外侧和内侧分别连接了n个外定子齿6和n个内定子齿7，n≥1。每个外定子齿6和内定子齿7上均绕有集中式电枢绕组12和9，同一定子模块的外定子齿和内定子齿上电枢绕组的正负方向相反，内、外定子齿上属于同相的电枢绕组连接构成一相绕组。

内转子10与外转子3中至少有一个转子为交替极永磁转子，该交替极永磁转子上的各永磁体2或8的磁化方向一致，内转子与外转子的极对数相同。在本实施例中，如图1所示，内转子10和外转子3均为交替极永磁电机，内转子与外转子上永磁体的磁化方向一致(相反亦可)。外转子上永磁铁的轴线与内转子上永磁体的轴线相对。当然，外转子上的永磁体也可以与内转子上的凸极铁芯相对，外转子与内转子具体的放置方式可根据输出转矩的要求进行调整以满足要求。

结合图2和3对25-30号定子模块的内外定子齿上的电枢绕组连接方式进行说明。在本实施例中，内外定子采用了6个3槽4极的单元电机，由于交替极转子的使用，按照常规的绕组连接方式相绕组反电势中会存在偶次谐波，本发明采用了模块化定子结构来消除相反电势中的偶次谐波，以外定子齿上的电枢绕组连接为例：25号外定子齿上绕A+线圈；因每个定子齿跨240电角度，为了得到平衡的三相电枢绕组26号外定子齿上绕C+线圈，27号外定子齿上绕B+线圈；为了消除反电势中的偶次谐波，在27和28号齿之间插入了磁桥，磁桥跨τ/3极距，28号外定子齿上绕C-线圈，29号外定子齿上绕B-线圈，30号外定子齿上绕A-线圈；28号外定子齿上C-线圈与26号外定子齿上C+线圈在空间相隔180电角度，基波叠加在一起而偶次谐波可以完全抵消，25、26、29、30上的属于A相和B相的线圈基波叠加和偶次谐波消除原理与28号外定子齿上C-线圈与26号外定子齿上C+线圈相同。

可以按照上述方法逆时针方向依次确定每个定子齿上的线圈连接方式，形成平衡的三相绕组。

内定子齿上的线圈正负方向正好与外定子齿上的线圈方向相反，内、外定子齿上属于同相的电枢绕组相互连接。内定子齿上逆时针方向三相绕组分布方式与外定子齿上线圈排列原理相同。内定子齿上线圈感应反电势基波叠加和偶次小波消除原理与外定子齿上线圈相同。

实施例2

实施例1中为了消除反电势中的偶次谐波在每个模块化定子之间加入了τ/3的铁芯磁桥，间隔形成了一个大槽，为了提高电机的转矩和功率密度，本实施例在大槽中加入了辅助绕组，如图4所示，辅助绕组跨于外定子模块上的辅助绕组线圈31正负与26号定子模块位于中间的外定子齿上绕组线圈的正负方向相同且与此线圈属于同一相(C相)。

内定子大槽中的辅助绕组32跨于内定子模块化定子上，辅助绕组线圈32正负方向与26号定子模块位于中间的内定子齿上绕组线圈的正负相同且与此线圈属于同一相(C相)。

内外定子齿上绕制的辅助绕组可遵循以上介绍的连接方式进行连接形成对称的三相绕组。

实施例3

实施例2中的辅助绕组也可连接成环形绕组，如图5所示。

为了使辅助绕组33和34中的反电势基波与定子齿上的三相绕组反电势基波叠加，辅助绕组线圈的正负如图所示，且33和34辅助绕组属于A相，35和36辅助绕组属于C相，37和38辅助绕组属于B相。辅助绕组可以直接绕于定子轭部，可节约端部绕组，减小铜耗，提高电机效率。

实施例4

将实施例1中绕于每个内外定子齿的电枢绕组可以变换为绕制于定子齿轭部的环形电枢绕组39和40，如图6所示。此变换过程可以看成将图2中每个内外定子齿上的电枢绕组从端部剪断，电枢线圈的方向不变；然后外定子槽中属于同一相的线圈与属于同相的的内定子槽中线圈相连，依次构成环形绕组，三相绕组按照正负连接可组成对称的三相绕组。

图7和8分别给出了图5和6中环形辅助绕组和环形电枢绕组(即环形主绕组)的反电势波形，图9给出了图5和6中环形辅助绕组和环形电枢绕组的合成反电势波形。从图中可已看出，环形辅助绕组与主绕组同相位，基波可以叠加，且反电势中不存在偶次谐波，验证了本发明的正确性。

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，例如交替极转子可以有多种结构，V形交替极永磁转子，spoke永磁转子，halbach排列交替极永磁转子等等，本发明专利以三相3槽4极单元电机为例进行了说明，本发明专利可以拓展到M相极槽配合反电势存在偶次谐波的交替极永磁电机，此外也可扩展到轴向磁通，直线电机等多种电机，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)

1.一种定子模块化双转子交替极永磁电机，其特征在于：包括内转子、外转子以及位于内转子与外转子之间的定子，所述内转子和外转子分别与定子形成独立的气隙；所述定子包括若干定子模块，各定子模块之间通过铁芯磁桥连接，每个定子模块轭部的外侧和内侧分别连接了n个外定子齿和n个内定子齿，n≥1；每个外定子齿和内定子齿上均绕有集中式电枢绕组，同一定子模块的外定子齿和内定子齿上电枢绕组的正负方向相反，内、外定子齿上属于同相的电枢绕组连接构成一相绕组；所述内转子与外转子中至少有一个转子为交替极永磁转子，该交替极永磁转子上的各永磁体的磁化方向一致，内转子与外转子的极对数相同。

2.根据权利要求1所述定子模块化双转子交替极永磁电机，其特征在于：相邻定子模块轭部的外侧之间形成外侧大槽，相邻定子模块轭部之间形成内侧大槽，各外侧大槽和内侧大槽内放置有辅助绕组。

3.根据权利要求2所述定子模块化双转子交替极永磁电机，其特征在于：放置在外侧大槽内的辅助绕组为跨于定子模块的各外定子齿上的分布式绕组，放置在内侧大槽内的辅助绕组为跨于定子模块的各内定子齿上的分布式绕组；放置在外侧大槽内的辅助绕组与同相的外定子齿上的电枢绕组连接，并且二者正负方向相同；放置在内侧大槽内的辅助绕组与同相的内定子齿上的电枢绕组连接，并且二者正负方向相同；在此辅助绕组的连接方式下，内、外转子分别由不同的电枢绕组控制，能够实现内、外转子的同步运行和异步运行。

4.根据权利要求2所述定子模块化双转子交替极永磁电机，其特征在于：所述辅助绕组为绕在外侧大槽与内侧大槽之间轭部上的环形绕组，该环形绕组与同相的电枢绕组连接。

5.根据权利要求4所述定子模块化双转子交替极永磁电机，其特征在于：将绕在外定子齿和内定子齿上的集中式电枢绕组替换为绕在该外定子齿与内定子齿之间轭部的环形电枢绕组，在此辅助绕组的连接方式下，内、外定子齿共用一套电枢绕组对内、外转子进行控制，能够实现内、外转子的同步运行。

6.根据权利要求1所述定子模块化双转子交替极永磁电机，其特征在于：所述内转子和外转子均为交替极永磁电机，内转子与外转子上永磁体的磁化方向一致或相反；或者内转子和外转子中一个为交替极永磁转子，另一个为双极永磁转子。

7.根据权利要求1所述定子模块化双转子交替极永磁电机，其特征在于：所述铁芯磁桥的宽度为τ/3，τ为极距。

8.根据权利要求1所述定子模块化双转子交替极永磁电机，其特征在于：所述内转子和外转子能够实现同步同轴输出或者异步双机械端口输出。

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