CN111404290A - 一种集中绕组横向磁通永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集中绕组横向磁通永磁同步电机，包括定子“E”型齿、定子轭部、定子绕组、转子磁钢和转子轭部；所述定子“E”型齿包括三个齿和两个槽，所述三个齿朝向气隙且轴向排列；所述定子绕组绕在所述定子“E”型齿的中间齿上，并充满两个槽，形成一个集中绕组线圈，且相邻两个定子“E”型齿的线圈绕向相反；所述定子轭部包裹住相邻两个定子“E”型齿裸露在外的绕组；每一极转子磁钢由N极、S极交替的三块磁钢轴向排列组成，所述三块磁钢分别与所述定子“E”型齿的三个齿对齐；相邻两个极的转子磁钢极性相反；所述转子轭部提供磁通回路，包括径向磁通和横向磁通两个方向。通过本发明能够大幅提高定子绕组的利用率。

Description

一种集中绕组横向磁通永磁同步电机
技术领域
本发明属于永磁电机技术领域，更具体地，涉及一种集中绕组横向磁通永磁同步电机。
背景技术
自工业革命以来，人类社会从蒸汽时代迈入电气时代，机器生产逐渐取代人类劳动，是解放和发展生产力的必然选择，而电机作为电能和机械能的转换装置，是支撑电气化时代的基础，各种形式的电机是工农业生产和民用行业中应用最广泛的用电设备，每年各种电机消耗的用电量大约占我国发电总量的70％。光伏、风电、核电等各种新能源也都把电能作为二次能源，因此对电机的发展提出了更高的要求。
我国经济体量巨大，在能源危机逐渐制约经济发展的时代背景下，电力短缺将会是我国较长一段时间内的常态。提升电机的效率，发展高效电机成为必然趋势，也是提高能源利用率的重要措施，具有迫切的现实意义。随着电力电子器件和控制技术的发展，永磁同步电机凭借其更高的效率逐渐有了更广泛的应用，在很多场合取代了直流电机、异步电机等。
目前，常用的永磁同步电机有径向磁通电机和横向磁通电机，传统横向磁通电机定子电枢绕组是环形绕组，传统径向电机定子电枢绕组有叠绕组、波绕组、单层绕组等多种。相比于传统径向磁通电机的端部绕组占据轴向长度而不输出转矩，传统横向磁通电机定子两端并没有端部绕组，从而缩短了轴向长度，但是齿与齿之间的连接绕组同样产生铜耗而不做功。这两种电机的定子绕组都存在不做功但产生铜耗、只起连接作用的部分，如何改善甚至克服这一缺点，从而提高定子绕组的利用率，尚无解决方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种集中绕组横向磁通永磁同步电机，其目的在于提高定子绕组的利用率。
为实现上述目的，本发明提供了一种集中绕组横向磁通永磁同步电机，包括定子部分和转子部分，所述定子部分包括定子“E”型齿、定子轭部和定子绕组；所述转子部分包括转子磁钢和转子轭部；
所述定子“E”型齿包括三个齿和两个槽，所述三个齿朝向气隙且轴向排列；所述定子绕组绕在所述定子“E”型齿的中间齿上，并充满两个槽，形成一个集中绕组线圈，且相邻两个定子“E”型齿的线圈绕向相反；所述定子轭部包裹住相邻两个定子“E”型齿裸露在外的绕组；每相定子绕组为双层集中绕组，极对数为P1，线圈数为2P1；2P1个定子“E”型齿沿着气隙圆周排列，由2P1个定子轭部连接，构成一相定子铁芯；
所述转子磁钢极数为2P1，每一极转子磁钢由N极、S极交替的三块磁钢轴向排列组成，所述三块磁钢分别与所述定子“E”型齿的三个齿对齐；相邻两个极的转子磁钢极性相反；所述转子轭部提供磁通回路，包括径向磁通和横向磁通两个方向。
进一步地，所述定子部分为m相，各相之间沿轴向串联在一起并同方向依次错开相同角度，所述错开角度为360°/m；所述转子部分为m相，各相之间沿轴向串联在一起并对齐排列，不错开角度。
进一步地，所述转子部分为m相，各相之间沿轴向串联在一起并同方向依次错开相同角度，所述错开角度为360°/m；所述定子部分为m相，各相之间沿轴向串联在一起并对齐排列，不错开角度。
进一步地，所述定子“E”型齿和所述定子轭部通过叠片制作。
进一步地，所述电机为外转子电机，所述外转子电机从内到外依次是所述定子“E”型齿和所述定子轭部、所述定子绕组、气隙、所述转子磁钢、所述转子轭部。
进一步地，所述定子“E”型齿的三个齿和所述转子磁钢的三块磁钢为平行四边形。
进一步地，所述转子部分为内置式永磁转子，包括以下结构之一：spoke结构，一字型磁钢，“V”型磁钢，“U”型磁钢。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明是一种新的电机拓扑，相比传统的横向磁通电机，本发明的定子齿数加倍，定子齿的磁场也是双极性的；相比传统的径向磁通电机，本发明的绕组利用率大大提高，几乎所有的绕组都被铁芯包覆，都能做功。
(2)本发明把每个线圈的四个边都利用起来，不同于传统径向磁通电机只利用了每个线圈的两个边，即槽内的安培导体，也不同于传统横向磁通电机只能利用槽内的绕组，无法利用齿与齿之间的连接绕组；本发明中线圈的四个边都被利用起来，裸露在外的绕组只有线圈的四个角，这部分绕组便于引出连接头，其所占绕组总量的比例也很小。如此，极大地提高了定子绕组的利用率。
(3)本发明中轴向串联的相数可以改变，做成多相电机，通过合理调整错开的角度，能够改善齿槽转矩、轴向力等情况。
附图说明
图1为本发明实施例一中一种集中绕组横向磁通永磁同步电机单相电机的立体结构示意图；
图2为本发明实施例一中一种集中绕组横向磁通永磁同步电机单相电机的局部放大示意图；
图3为本发明实施例一中一种集中绕组横向磁通永磁同步电机单相电机的定子绕组的立体结构示意图；
图4-1至图4-4分别为包含spoke结构、一字型磁钢、“V”型磁钢、“U”型磁钢的内置式永磁转子的结构示意图；
图5为本发明实施例二中一种集中绕组横向磁通永磁同步电机三相电机的立体结构示意图；
图6为本发明实施例二中一种集中绕组横向磁通永磁同步电机三相电机的定子绕组的立体结构示意图；
图7为本发明实施例二中一种集中绕组横向磁通永磁同步电机三相电机的转子磁钢的立体结构示意图；
图8为本发明实施例三中一种集中绕组横向磁通永磁同步电机单相电机爆炸示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
图1为本实施例中一种集中绕组横向磁通永磁同步电机单相电机的立体结构示意图，包括定子部分和转子部分，定子部分包括定子“E”型齿1、定子轭部2和定子绕组3，转子部分包括转子磁钢4和转子轭部5，定转子之间有气隙。本实施例中极对数P1为12，定子齿数2P1为24，线圈数2P1为24。
图2为本实施例中一种集中绕组横向磁通永磁同步电机单相电机的局部放大示意图，左右两图是不同的视角且右图隐藏了定子绕组3。图中定子“E”型齿1、定子轭部2只展示了一个极(即1/24定子铁芯模型)，转子磁钢4和转子轭部5展示的是一对极(即1/12转子模型)。定子“E”型齿1包括三个齿和两个槽，三个齿朝向气隙且轴向排列；定子绕组3绕在定子“E”型齿1的中间齿上，并充满两个槽，形成一个集中绕组线圈，且相邻两个定子“E”型齿的线圈绕向相反；定子轭部2包裹住相邻两个定子“E”型齿裸露在外的绕组，并作为两个定子“E”型齿间绕组的磁通轭部。每一极的转子磁钢4分为三段，N极、S极交替排列，与定子“E”型齿的三个齿对齐，相邻的两个极的转子磁钢极性相反，构成一对极；转子轭部5提供磁通回路，包括径向磁通和横向磁通两个方向，同时固定住转子磁钢，实现和转轴的机械连接，转子磁钢、转子轭部、转轴三者同轴连接。
图3为本实施例中一种集中绕组横向磁通永磁同步电机单相电机的定子绕组的立体结构示意图，图中线圈6和线圈7是串联的，但电流流向相反(即电流相位互差180°电角度)，线圈8和线圈9的电流流向也相反，而线圈6和线圈8的电流流向相同，如此交替循环，每相绕组相当于是一个每极每相槽数为1的双层整距绕组，这就使得本发明的结构在电枢磁场极对数不变的条件下，定子齿数加倍。
本发明包含两种方向的磁路，定子“E”型齿中间的齿是传统径向磁通电机的磁路，由相邻两个定子“E”型齿中间的定子轭部充当磁路的轭部；定子“E”型齿两边的齿都是传统横向磁通电机的磁路，由定子“E”型齿的轭部充当磁路的轭部。如此，通过本发明能够把每个线圈的四个边都利用起来，不同于传统径向磁通电机只利用了每个线圈的两个边，即槽内的安培导体，也不同于传统横向磁通电机只能利用槽内的绕组，无法利用齿与齿之间的连接绕组，从而极大地提高了定子绕组的利用率。
实际应用中，还可以做如下改进：
(1)定子“E”型齿和连接相邻定子“E”型齿的轭部，可以由叠片、软磁复合材料等制作，由软磁复合材料制作时，槽型、铁芯直接的连接等设计可以有更多的选择，改善齿槽转矩、铁芯饱和等问题。
(2)通过调整电机各部件的安装位置，设计成外转子电机，即电机从内到外依次是定子“E”型齿和定子轭部、定子绕组、气隙、转子磁钢、转子轭部，以适应风扇、轮毂电机等场合。
(3)还可以将定子“E”型齿的三个齿和转子磁钢的三块磁钢由方形做成平行四边形，以形成斜极、斜槽结构，从而改善齿槽转矩、轴向力等。
(4)转子部分可以选择改成内置式永磁转子，包括但不限于以下这些结构：spoke结构、一字型磁钢、“V”型磁钢、“U”型磁钢，分别如图4-1至4-4所示。
实施例二
图5为本实施例中一种集中绕组横向磁通永磁同步电机三相电机的立体结构示意图，三相电机由三个相同的单相电机轴向串联而成。每相电机都包含定子“E”型齿1、定子轭部2、定子绕组3、转子磁钢4和转子轭部5，A相电机10、B相电机11、C相电机12完全相同，三相之间沿轴向串联在一起，定子部分同方向依次错开120°。
图6为本实施例中一种集中绕组横向磁通永磁同步电机三相电机的定子绕组的立体结构示意图，A相绕组13、B相绕组14、C相绕组15依次错开120°。
图7为本实施例中一种集中绕组横向磁通永磁同步电机三相电机的转子磁钢的立体结构示意图，A相磁钢16、B相磁钢17、C相磁钢18也是轴向串联，且三相磁钢对齐排列，相位相同。
需要说明的是，也可以各相转子部分相互错开120°，各相定子部分对齐排列，效果与定子部分错开是相同的。
实施例三
图8为本实施例中一种集中绕组横向磁通永磁同步电机单相电机爆炸示意图，在实际装配过程中，可以将定子“E”型齿1分为“C”型铁芯齿19和中间齿21两个部分，定子轭部20和中间齿21可以通过轴向叠片来实现，同时可以固定“C”型铁芯齿19，解决了传统横向磁通电机定子齿相互分离，不易固定的问题。这种实现方式中，“C”型铁芯齿19也可以通过周向排列的“C”型叠片来实现，避免了特殊的软磁复合材料铁芯的使用，更具实用价值。定子绕组22和转子磁钢23并没有改变，为避免转子轭部24的铁耗过大，转子轭部24也可以通过和定子铁芯类似的轴向叠片和周向叠片两种叠片来实现，实际应用中为降低加工难度，也可以用软磁复合材料等实现，取决于应用场合的损耗要求高低。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种集中绕组横向磁通永磁同步电机，包括定子部分和转子部分，其特征在于，
所述定子部分包括定子“E”型齿(1)、定子轭部(2)和定子绕组(3)；
所述定子“E”型齿(1)包括三个齿和两个槽，所述三个齿朝向气隙且轴向排列；所述定子绕组(3)绕在所述定子“E”型齿(1)的中间齿上，并充满两个槽，形成一个集中绕组线圈，且相邻两个定子“E”型齿的线圈绕向相反；所述定子轭部(2)包裹住相邻两个定子“E”型齿(1)裸露在外的绕组；
每相定子绕组为双层集中绕组，极对数为P1，线圈数为2P1；2P1个定子“E”型齿沿着气隙圆周排列，由2P1个定子轭部(2)连接，构成一相定子铁芯；
所述转子部分包括转子磁钢(4)和转子轭部(5)；
所述转子磁钢(4)极数为2P1，每一极转子磁钢由N极、S极交替的三块磁钢轴向排列组成，所述三块磁钢分别与所述定子“E”型齿(1)的三个齿对齐；相邻两个极的转子磁钢极性相反；
所述转子轭部(5)提供磁通回路，包括径向磁通和横向磁通两个方向。
2.如权利要求1所述的集中绕组横向磁通永磁同步电机，其特征在于，所述定子部分为m相，各相之间沿轴向串联在一起并同方向依次错开相同角度，所述错开角度为360°/m；
所述转子部分为m相，各相之间沿轴向串联在一起并对齐排列，不错开角度。
3.如权利要求1所述的集中绕组横向磁通永磁同步电机，其特征在于，所述转子部分为m相，各相之间沿轴向串联在一起并同方向依次错开相同角度，所述错开角度为360°/m；
所述定子部分为m相，各相之间沿轴向串联在一起并对齐排列，不错开角度。
4.如权利要求1至3任一项所述的集中绕组横向磁通永磁同步电机，其特征在于，所述定子“E”型齿(1)和所述定子轭部(2)通过叠片制作。
5.如权利要求1至3任一项所述的集中绕组横向磁通永磁同步电机，其特征在于，所述电机为外转子电机，所述外转子电机从内到外依次是所述定子“E”型齿(1)和所述定子轭部(2)、所述定子绕组(3)、气隙、所述转子磁钢(4)、所述转子轭部(5)。
6.如权利要求1至3任一项所述的集中绕组横向磁通永磁同步电机，其特征在于，所述定子“E”型齿(1)的三个齿和所述转子磁钢(4)的三块磁钢为平行四边形。
7.如权利要求1至3任一项所述的集中绕组横向磁通永磁同步电机，其特征在于，所述转子部分为内置式永磁转子，包括以下结构之一：spoke结构，一字型磁钢，“V”型磁钢，“U”型磁钢。
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