CN111969819A - 三相聚磁式h型定子横向磁通永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三相聚磁式H型定子横向磁通永磁电机，包括定子、位于定子轴向两侧的第一转子和第二转子；H形定子铁心与H形永磁体交替排列后形成的带有凹槽的定子，凹槽内绕设有电枢线圈，H形永磁体沿周向磁化且相邻两个H形永磁体的磁化方向相反；第一、第二转子均有沿径向布置的2圈转子齿，通过一圆盘型轭部连成一体，每圈转子齿的数目为n个，并沿周向均匀排列，相邻两圈转子齿错开180/n机械角度。本发明的磁路可以通过轴向气隙分别往两个转子方向走，每相绕组可交链双倍磁通，提高了电机空间利用率和转矩密度。
Description
技术领域
本发明属于横向磁通电机技术领域。
背景技术
横向磁通电机结构是德国教授HerbertWeh在20世纪80年代初提出的，能从根本上提高转矩密度。传统永磁电机中，定子齿槽在同一截面，若增加线圈截面积，则齿的宽度要减小，由于饱和作用要减小磁通，齿槽尺寸相互制约。横向磁通永磁电机的定子齿和电枢线圈在空间上相互垂直，齿宽和线圈横截面尺寸彼此独立，磁路和电路解耦，因此可以获得更高的转矩密度和功率密度，适用于风力发电、电动汽车、直升机、舰船驱动等电力直驱领域。
德国H.Weh教授完成了首台45kW的横向磁通永磁电机样机制造，Aachen工业大学G.Henneberger教授在原型机基础上设计了单边定子的平板式轮毂结构电机，三相轴向排列，用于电动汽车直接驱动。
英国皇家海军与英国罗尔斯——罗伊斯公司合作开发了3兆瓦横向磁通永磁电机用于护卫舰推进，该样机采用双边结构，在体积增加较小情况下扭矩增加一倍，但电机单元有效材料产生的扭矩不增加。Peradeniya,SriLanka大学和瑞典斯德哥尔摩皇家工学院合作开发了一台横向磁通永磁电机，三相沿周向分布，每相占120°；C型定子铁心嵌入转子,盘式转子上分布轴向磁化的永磁体，周向相邻永磁体极性相反；该电机可实现较高的转矩密度，但功率因数低。
国内对横向磁通永磁电机的研究相对起步较晚，但也取得了一些成果。上海大学提出了一种双边定子、聚磁转子结构的横向磁通永磁电机，定子结构由外定子铁心、内定子铁心和定子过渡铁心组成，转子嵌在定子内。该电机气隙磁密较高，内、外双边气隙均参与能量转换,磁场利用率较高，但是转矩密度不高。
沈阳工业大学提出的一种横向磁通永磁电机，定子铁心由硅钢片卷绕而成，内置式聚磁转子，单边结构，定子结构可以有效减少电机涡流损耗，提高电机效率以及材料利用率。设计并制造了一台3相5kW的样机，此台样机转矩密度和功率因数都较高，但是没有采用双边结构，永磁体利用率不高。
清华大学邱阿瑞教授课题组提出了一种新型聚磁式结构横向磁通永磁电机，U型定子铁心，转子磁极采用三面墙聚磁式结构。该结构电机较好地发挥了永磁体的聚磁作用，提高了气隙磁密的同时简化了定子铁心结构，但永磁体用量较多，转子结构较复杂，且由于永磁体设置在转子上，转子发热可能会导致永磁体不可逆退磁问题。
以上几种横向磁通永磁电机均采用聚磁式结构，可以达到高的气隙磁密，但永磁体均放置在转子上，考虑到一些应用场合中永磁体的振动与散热问题比较严重，研究学者又提出了无源转子横向磁通永磁电机。
加拿大Alberta大学的B.E.Hasubek教授等人提出的一种无源转子横向磁通永磁电机，永磁体和绕组均放在在定子上，转子倾斜一个极距，该结构冷却方便，降低了机械冲击敏感度，获得了和有源转子结构相同的转矩密度，但是该结构转子铁心之间没有导磁材料连接，漏磁通较大，永磁体利用率不高。哈尔滨工业大学的寇宝泉教授等人提出了一种新型无源转子横向磁通永磁电机结构，电枢绕组和永磁体均放在定子上，定子由径向定子环和轴向定子桥组成，永磁体贴在定子表面。该电机冷却方便，转子结构简单可靠，在永磁体用量较小的情况下提供了较高的转矩密度，但定子结构较复杂，而且没有用聚磁式结构，气隙磁密较低。专利申请文件CN201910456343.1中双H型定子的在定子外径较小的情况下，会导致槽较窄，不能绕制多匝线圈，应用范围受限，且绕组通入电流后，产生的磁动势方向为轴向，从而导致结构不够紧凑。
发明内容
发明目的：为解决现有横向磁通永磁电机存在漏磁通较大、永磁体利用率和气隙磁密较低等问题，本发明提供了一种三相聚磁式H型定子横向磁通永磁电机。
技术方案：本发明提供了一种三相聚磁式H型定子横向磁通永磁电机，包括定子和第一、二转子；所述第一转子，定子和第二转子依次沿轴向排列；所述定子为圆环形，包括三个结构相同，长度相等的扇环形定子分段，相邻两个定子分段之间存在间隙；每个定子分段均包括p个H形永磁体和p+1个H形定子铁心，p为小于等于2k的偶数，k为大于等于1的正整数；H形定子铁心与H形永磁体沿圆周方向交替排列，形成带有凹槽的扇环形定子分段，每个定子分段的凹槽内均绕设有电枢线圈；H形永磁体沿周向磁化，且该永磁体与相邻的H形永磁体的磁化方向相反；所述第一、二转子结构相同，大小相等，均包括一个圆环形转子轭，在转子轭的圆面上，沿转子轭外径的圆周方向等间距地布置第一圈转子齿，沿转子轭内径的圆周方向等间距地布置第二圈转子齿，所述第一、二圈转子齿的个数均为n，n＝3k+1或n＝3k+2；该两圈的转子齿错开180/n的机械角度，定子的内径等于第一、二转子的内径，定子的外径等于第一、二转子的外径，且定子的圆心与第一、二转子的圆心相对。
进一步的，所述每个定子分段中第2～p个定子铁心的周向弧度均为U，位于该定子分段最外侧的第1个和第p+1个定子铁心的周向弧度均为U/2。
进一步的，位于第一圈或第二圈中的转子齿的周向弧度大于等于U，且第一圈转子齿中转子齿的面积与第二圈转子齿中转子齿的面积相等。
进一步的，所述H形定子铁心采用软磁复合材料制作。
进一步的，所述第一转子和第二转子均采用软磁复合材料制作。
有益效果：
1、本发明提出的电机在线圈通入电流后，产生的磁势方向为径向，磁场作用于定子轭，再往轴向两边走，从而使得结构更加紧凑，且本发明采用双边转子结构，与单边转子结构相比，在相同电机体积下空间利用率更高，转矩密度更高。本发明提出的无源转子结构简化了铁心结构，便于加工和装配，而且永磁体位于定子上，振动小易于冷却。
2、本发明在电枢绕组交链最大永磁磁链时，定子齿和转子齿完全对齐，H形定子铁心和H形永磁体沿圆周交替放置，与定子铁心相邻的永磁体同时沿周向往定子齿聚磁，各永磁体均提供有效磁动势，与现有无源转子结构横向磁通电机相比提高了永磁体利用率。
3、本发明的定、转子铁心由软磁复合材料制作，几乎不存在磁隙间的损耗，并且由于软磁复合材料的绝缘性质，定转子铁心内部涡流损耗减小，从而提高电机效率。
附图说明
图1是本发明磁通最大时一对极的剖视图。
图2是本发明的转子从磁通最大处逆时针旋转1/2极距的一对极剖视图。
图3是本发明的转子从磁通最大处逆时针旋转1个极距的一对极剖视图。
图4是本发明的定子结构图。
图5是本发明的双边转子结构图。
图6是本发明的整体结构。
图7是本发明的电机在磁通最大时对应的等效磁路图。
图8是本发明的电机从磁通最大处逆时针旋转1个极距后对应的等效磁路图。
图9是绕组磁通随转子位置角变化的波形。
图10是反电势随转子位置角变化的波形。
附图标号说明：1、H形定子铁心；2、H形永磁体；3、电枢线圈；4、第一转子；5、第二转子；6、电机位于图1位置时的主励磁路径；7、电机位于图2位置时的主励磁路径；8、电机位于图3位置时的主励磁路。
具体实施方式
构成本发明的一部分的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。
本实施例提供一种三相聚磁式H型定子横向磁通永磁电机，下面以16对极三相聚磁式H型定子横向磁通永磁电机为例阐述本发明技术方案，16对极三相聚磁式H型定子横向磁通永磁电机这个例子不是对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本申请记载的技术方案可以得到其它实施例，凡是符合本申请发明宗旨的实施例均落入本发明的保护范围。
如图1至图6所示，本发明提供的一种三相聚磁式H型定子横向磁通永磁电机，包括定子、第一、二转子4、5；所述第一转子4、定子和第二转子5依次沿轴向排列；所述定子为圆环形，包括三个结构相同，长度相等的扇环形定子分段，相邻两个定子分段之间存在间隙；每个定子分段均包括p个H形永磁体2和p+1个H形定子铁心1；H形定子铁心与H形永磁体沿扇环形的圆周方向交替排列，形成带有凹槽的扇环形定子分段，每个定子分段的凹槽内均绕设有电枢线圈3；H形永磁体沿周向磁化，且该永磁体与相邻的H形永磁体的磁化方向相反；所述第一转子第二转子结构相同，大小相等，均包括一个圆环形转子轭，在转子轭的圆面上，沿转子轭外径的圆周方向等间距的布置第一圈转子齿，沿转子轭内径的圆周方向等间距的布置第二圈转子齿，所述第一、二圈转子齿的个数均为n，n＝3k+1或n＝3k+2；相邻两圈的转子齿错开180/n的机械角度，圆环形定子的内径等于第一、第二转子的内径，圆环形定子的外径等于第一、第二转子的外径，且圆环形定子的圆心与第一、二转子的圆心相对。
优选的，所述每个定子分段中第2～p个定子铁心的周向弧度均为U，位于该定子分段最外侧的第1和第p+1个定子铁心的周向弧度均为U/2。
优选的，H形定子铁心由软磁复合材料制作；第一转子4、第二转子5均由软磁复合材料制作。
优选的，位于第一或第二圈中的转子齿的周向弧度大于等于U，且为保证磁密分布均匀，第一圈转子齿中转子齿的面积与第二圈转子齿中转子齿的面积相等。
优选的，任意一个定子铁心均包括第一、二定子齿，两个定子齿之间通过定子轭连接组成H形定子铁心；第一定子齿位于圆环形定子的外圈，第二定子齿位于圆环形定子的内圈；一对极下，电枢线圈交链的永磁磁链最大时，第一定子齿和位于第一圈的转子齿完全对齐，第二定子齿和位于第二圈的转子齿完全对齐。
本实施例采用16对极三相聚磁式H型定子横向磁通永磁电机，具有27块H形定子铁心1和24块H形永磁体2组成的定子、3个电枢线圈3、第一转子4、第二转子5。第一、第二转子4、5均包括沿径向布置的2圈转子齿，通过一个圆盘型轭部连成一体，每圈有16个转子齿，相邻两圈转子齿错开11.25度的机械角度。三相定子结构沿圆周均匀排列，每相定子结构中，包括8块H形永磁体、9块H形定子铁心，每相定子结构两端的H形定子铁心的周向弧度是其他位置的H形定子铁心的周向弧度的一半，H形定子铁心1与H形永磁体2沿圆周方向交替排列，H形永磁体2沿周向磁化且相邻两个H形永磁体2的磁化方向相反，电枢线圈3绕制在H形定子铁心1与H形永磁体2交替排列后形成的凹槽内。第一转子的转子齿与H形定子铁心1的定子齿顶部相对，第二转子的转子齿与H形定子铁心1的定子齿底部相对。
当电机转子处于图1位置时，电枢绕组交链的磁通沿轴向穿过转子轭部，在该位置电枢绕组交链的磁通达到最大，等效磁路图如图7所示。当转子逆时针旋转，定转子齿的相对面积减小，磁路磁阻变大，电枢绕组交链的磁通减小，当旋转到图2位置，转子轴向磁通为0，电枢绕组交链的磁通也变为0。转子继续逆时针旋转到图3位置时，主励磁路径与图1对称，等效磁路如图8所示，转子轴向磁通大小与图1相同，方向相反，即φra2＝-φra1。图7、图8中符号意义：EPM是一块永磁体提供的磁势，RPM是一块永磁体的磁阻，Rst是图1、图2或图3中的主励磁路径6、7或8中的定子铁心磁阻，Rrt是主励磁路径6、7或8中的转子齿部磁阻，Rg是主励磁路径6、7或8中的气隙磁阻，Rra主励磁路径6、7或8中的转子轭部轴向磁阻，φra1是主励磁路径6提供的转子轭部轴向磁通，φra2是主励磁路径8提供的转子轭部轴向磁通。
经过优化设计可以得到随转子角度正弦变化的磁链，对应的磁链与感应电势波形如图9、10所示。若电机由原动机驱动，就可以进行发电工作，若根据空载反电动势波形通入同相位的电流，就可以作为电动机向机械负载提供转矩。θ是转子位置角，图1位置对应于转子位置角0度。τ是极距角，对于16对极三相聚磁式H型定子横向磁通永磁电机来说为π/32rad或5.625°。φ是绕组交链的磁通。e是反电动势，em是反电动势峰值。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (5)
1.三相聚磁式H型定子横向磁通永磁电机，其特征在于，包括定子和第一、二转子；所述第一转子，定子和第二转子依次沿轴向排列；所述定子为圆环形，包括三个结构相同，长度相等的扇环形定子分段，相邻两个定子分段之间存在间隙；每个定子分段均包括p个H形永磁体和p+1个H形定子铁心，p为小于等于2k的偶数，k为大于等于1的正整数；H形定子铁心与H形永磁体沿圆周方向交替排列，形成带有凹槽的扇环形定子分段，每个定子分段的凹槽内均绕设有电枢线圈；在任意一个定子分段中，H形永磁体沿该定子分段的圆周方向周向磁化，且相邻两个H形永磁体的磁化方向相反；所述第一、二转子结构相同，大小相等，均包括一个圆环形转子轭，在转子轭的圆面上，沿转子轭外径的圆周方向等间距地布置第一圈转子齿，沿转子轭内径的圆周方向等间距地布置第二圈转子齿，所述第一、二圈转子齿的个数均为n，n＝3k+1或n＝3k+2；该两圈转子齿错开180/n的机械角度，定子的内径等于第一、二转子的内径，定子的外径等于第一、二转子的外径，且定子的圆心与第一、二转子的圆心相对。
2.根据权利要求1所述的三相聚磁式H型定子横向磁通永磁电机，其特征在于，所述每个定子分段中第2～p个定子铁心的周向弧度均为U，位于该定子分段最外侧的第1个和第p+1个定子铁心的周向弧度均为U/2。
3.根据权利要求2所述的三相聚磁式H型定子横向磁通永磁电机，其特征在于，第一圈或第二圈中的转子齿的周向弧度大于等于U，且第一圈转子齿中转子齿的面积与第二圈转子齿中转子齿的面积相等。
4.根据权利要求1所述的三相聚磁式H型定子横向磁通永磁电机，其特征在于，所述H形定子铁心采用软磁复合材料制作。
5.根据权利要求1所述的三相聚磁式H型定子横向磁通永磁电机，其特征在于，所述第一转子和第二转子均采用软磁复合材料制作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201120 |