CN111969823B - 径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机 - Google Patents

径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了径向‑轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机，每相电机包括极靴状定子铁心和极靴状永磁体组成的定子、径向‑轴向式转子。永磁体沿周向磁化且相邻两个永磁体的磁化方向相反，电枢绕组绕制在定子铁心与永磁体交替排列后形成的凹槽内。径向‑轴向式转子包含径向齿、轴向齿和直角轭，径向齿和轴向齿通过直角轭连接，相邻径向齿相隔360/n度机械角度，相邻轴向齿相隔360/n度机械角度，同一对极下的径向齿与轴向齿相隔180/n度机械角度，n为径向‑轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机的极对数。本发明中极靴状定子铁心使得轴向定转子齿相对面积增大，并且槽截面增大，绕组匝数增多，从而磁链增大，且径向‑轴向式转子结构使电机转矩密度提高。

Description

径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机
技术领域
本发明属于横向磁通电机技术领域。
背景技术
横向磁通电机结构由德国教授Herbert Weh在20世纪80年代初提出，此结构定子齿和电枢绕组在空间上互相垂直，齿宽和线圈横截面尺寸可独立设计，能够从根本上获得更大的转矩密度。横向磁通永磁电机具有低速大转矩特性，相间耦合小，容错能力强等优势，特别适用于风力发电、电动汽车、直升机、舰船驱动等电力直驱领域。
横向磁通永磁电机发展至今，在原型机基础上已提出多种拓扑结构，按照转子永磁体放置方式不同，可将其分为表贴式、聚磁式、无源转子式三种结构。表贴式结构较为简单，但永磁体利用率低；无源转子式结构可靠性高，但永磁体用量增加；聚磁式结构气隙磁密大，同时结构复杂。
较早期，英国皇家海军与英国Rolls.Royce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，双边结构使得电机体积增加较小时获得双倍扭矩，但不会增加单位有效材料电机产生的扭矩。Peradeniya,Sri Lanka大学和瑞典斯德哥尔摩皇家工学院合作开发了一台三相周向排列的横向磁通永磁电机，C型定子铁心内嵌入转子，盘式转子上的永磁体轴向磁化，该电机可实现较高的转矩密度，但功率因数低。澳大利亚维也纳科技大学提出一种聚磁式双边定子结构，永磁体嵌在转子铁心内，沿周向磁化，定子轭部采用SMC材料压制。国内对横向磁通永磁电机的研究起步较晚，我国将横向磁通永磁电机的研究纳入了国家高技术研究发展计划(863计划)。近些年，许多高校对横向磁通永磁电机展开研究，现已取得一些成果。沈阳工业大学提出的一种横向磁通永磁电机中，定子铁心由硅钢片卷绕而成，内置式聚磁转子，定子结构能有效减少电机涡流损耗，提高电机效率和材料利用率；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，但没有采用双边结构，永磁体利用率较低。清华大学邱阿瑞教授课题组提出一种新型聚磁式横向磁通永磁电机结构，转子磁极采用三面墙聚磁式结构，U型定子铁心。该结构较好地发挥了永磁体的聚磁作用，提高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。浙江大学基于横向磁通永磁电机的三维磁场特性，提出了一种混合铁心结构，定子齿用硅钢，定子轭用SMC，永磁体安放在转子铁心上，此样机可以获得较高的转矩密度，但没有采用聚磁式结构。湘潭大学提出一种径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机，此电机采用单转子双定子结构，使其具有双绕组；转子放在两个定子之间，每个转子铁心内嵌入一对永磁体，充分利用空间结构，提高永磁体的利用率。
但是以上几种横向磁通永磁电机的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，无源转子横向磁通永磁电机结构被提出，但无源转子式的相关文献较少。
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中，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，机械冲击敏感度降低，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。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的无源转子横向磁通永磁电机存在永磁体利用率不高，气隙磁密较低等问题，本发明提供了一种径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机。
技术方案：本发明提供一种径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机，包括定子，转子和三个电枢绕组；所述定子为圆环柱形，包括三个结构相同的扇环形定子分段，每个定子分段包括p块极靴状永磁体和p+1块极靴状定子铁心，p为小于等于2k的偶数，k为大于等于1的正整数；定子铁心与永磁体沿定子分段的圆周方向交替排列形成带有凹槽的定子分段，且相邻两个定子分段之间存在间隙；定子铁心的靴状齿与永磁体的靴状齿构成圆环柱形定子的内圈，定子铁心的外侧与永磁体的外侧构成定子的外圈；在任意一个定子分段中，任意一个永磁体均沿该定子分段的扇环形圆周方向周向磁化，且相邻两个永磁体的磁化方向相反，所述转子为圆环柱形，包括n个径向-轴向式转子单元，n＝3k+1或3k+2，该n个径向-轴向式转子单元依次连接；n个径向-轴向式转子单元结构相同，均包括1个径向齿、第一、二轴向齿和1个直角轭，第一、二轴向齿和径向齿设置在直角轭上；在转子内，相邻的径向齿相隔360/n度机械角度，相邻的第一轴向齿相隔360/n度机械角度，相邻的第二轴向齿相隔360/n度机械角度；所述定子设置在转子内，且定子与转子的圆心重合；所述三个电枢绕组分别绕制在三个定子分段的凹槽内。
进一步的，径向齿设置在直角轭的径向内侧，第一、二轴向齿分别设置在直角轭的两个轴向内侧上，n个直角轭的径向内侧构成圆环柱形转子的柱内壁；在每个径向-轴向式转子单元中，第一、二轴向齿的周向位置相对齐；径向齿的周向位置与第一、二轴向齿的周向位置错开180/n度机械角度。
进一步的，所述电枢绕组为跑道型电枢绕组。
进一步的，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为U/2。
进一步的，所述定子铁心齿部采用硅钢片叠压或软磁复合材料制作，轭部采用软磁复合材料压制。
进一步的，所述径向-轴向式单元中转子齿部采用硅钢片叠压或软磁复合材料制作，直角轭采用软磁复合材料压制。
有益效果：
1、本发明为径向-轴向式转子结构，在定子的圆周外侧面和轴向端面均流过主磁通，从而增加电枢绕组交链的磁通量，同样电枢安匝下的电磁转矩增加，提高了电机转矩密度，且相邻的永磁体同时沿周向往中间定子铁心聚磁，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。
2、本发明极靴状定子铁心使得定子齿面对气隙的面积增大，并且槽截面增大，绕组匝数增多，从而磁链增大，反电势增大，通入相同电流时功率密度提高。
3、本发明的永磁体位于定子上，振动小且易于冷却。
4、本发明的定、转子铁心轭部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是本发明电机的一相结构。
图2是电枢绕组交链的磁通达到最大时本发明的横向磁通永磁电机的一对极剖视图。
图3是本发明的电机从磁通最大的位置逆时针旋转转1/2极距后的一对极剖视图。
图4是本发明的电机从磁通最大的位置逆时针旋转转1个极距后的一对极剖视图。
图5是本发明的一对极下定子结构。
图6是本发明的一对极下转子结构。
图7是本发明的横向磁通永磁电机在磁通最大时对应的等效磁路图。
图8是本发明的横向磁通永磁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、定子铁心；2、永磁体；3、电枢绕组；4、转子；5、电机位于图2位置时的主励磁路径；6、电机位于图3位置时的主励磁路径；7、电机位于图4位置时的主励磁路径；8、第一轴向齿；9、直角轭；10、径向齿。
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。
如图1～5所示，本发明提供了一种径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机，其特征在于，包括定子，转子4和三个电枢绕组；所述定子包括三个结构相同的扇环形的定子分段，每个定子分段包括p块极靴状永磁体2、p+1块极靴状定子铁心1，p为小于等于2k的偶数，k为大于等于1的正整数；定子铁心与永磁体沿定子分段的圆周方向交替排列形成带有凹槽的定子分段；三个定子分段构成圆环柱形定子，且相邻两个定子分段之间存在间隙；定子铁心的靴状齿与永磁体的靴状齿构成圆环柱形定子的内圈，定子铁心的外侧与永磁体的外侧构成圆环柱形定子的外圈；在任意一个定子分段中，任意一个永磁体沿该定子分段的圆周方向周向磁化，且该永磁体与相邻永磁体的磁化方向相反，所述转子4包括n个径向-轴向式转子单元，n＝3k+1或3k+2，该n个径向-轴向式转子单元依次连接，形成圆环柱形转子；n个径向-轴向式转子单元相同，均包括1个径向齿10、第一、二轴向齿8和1个直角轭9，第一、二轴向齿和径向齿设置在直角轭上；在圆环柱形转子内，相邻的径向齿10相隔360/n度机械角度，相邻的第一轴向齿8相隔360/n度机械角度，相邻的第二轴向齿相隔360/n度机械角度；所述圆环柱形定子设置在圆环柱形转子内，且圆环柱形定子与圆环柱形转子的圆心重合；所述三个电枢绕组3分别绕制在三个定子分段的凹槽内，n为径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机的极对数。
两块相邻的永磁体同时沿周向往中间定子铁心聚磁，磁路经过定子径向外侧铁心、径向气隙、径向转子齿、直角转子轭、轴向转子齿、轴向气隙、定子齿，再经过定子轭回到定子径向外侧铁心，形成三维闭合磁路。
优选的，每个直角轭均包括径向内侧和两个轴向内侧，径向齿设置在直角轭的径向内侧，第一、二轴向齿分别设置在直角轭的两个轴向内侧上，n个直角轭的径向内侧构成圆环柱形转子的柱内壁；在每个径向-轴向式转子单元中，第一、二轴向齿所在的周向位置相对齐；如图6所示，同一对极下，径向齿与第一、二轴向齿所在的周向位置错开180/n度机械角度。
优选的，所述电枢绕组3为跑道型电枢绕组。
优选的，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为U/2。
优选的，所述极靴状定子铁心齿部采用硅钢片叠压或软磁复合材料制作，轭部采用软磁复合材料压制。
优选的，所述径向-轴向式单元中转子齿部采用硅钢片叠压或软磁复合材料制作，直角轭采用软磁复合材料压制。
本实施例采用16对极径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机，每个定子分段包括8块极靴状永磁体、9块极靴状定子铁心，定子铁心与永磁体沿圆周方向交替排列，最外侧的两个定子铁心的周向弧度是其它位置定子铁心的周向弧度的一半；转子包括16个径向-轴向式转子单元，有16个径向齿、16个直角轭、32个轴向齿，径向齿和轴向齿通过直角轭连接，相邻径向齿相隔360度电角度，即22.5(360/16)度机械角度，相邻轴向齿相隔360度电角度，即22.5(360/16)度机械角度，同一对极下的径向齿与轴向齿相隔180度电角度，即11.25(180/16)度机械角度；永磁体沿周向磁化且相邻两个永磁体的磁化方向相反，跑道型电枢绕组绕制在定子铁心与永磁体交替排列后形成的凹槽内。
当电机转子处于图2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3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4位置时，主励磁路径与图2对称，等效磁路如图8所示，转子轴向磁通大小与图7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2、图3或图4的主励磁路径5、6或7中的定子铁心磁阻，Rrt是图2、图3或图4的主励磁路径5、6或7中的转子齿部磁阻，Rg是图2、图3或图4的主励磁路径5、6或7中的气隙磁阻，Rra是图2、图3或图4的主励磁路径主励磁路径5、6或7中的转子轭部轴向磁阻，φra1是主励磁路径5提供的转子轭部轴向磁通，φra2是主励磁路径7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、图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2位置对应于转子位置角0度。τ是极距角，对于16对极径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机来说为π/16rad或11.25°。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 (6)

1.径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机，其特征在于，包括定子，转子和三个电枢绕组；所述定子为圆环柱形，包括三个结构相同的扇环形定子分段，每个定子分段包括p块极靴状永磁体和p+1块极靴状定子铁心，p为小于等于2k的偶数，k为大于等于1的正整数；定子铁心与永磁体沿定子分段的圆周方向交替排列形成带有凹槽的定子分段，且相邻两个定子分段之间存在间隙；定子铁心的靴状齿与永磁体的靴状齿构成圆环柱形定子的内圈，定子铁心的外侧与永磁体的外侧构成定子的外圈；在任意一个定子分段中，任意一个永磁体均沿该定子分段的圆周方向周向磁化，且相邻两个永磁体的磁化方向相反，所述转子为圆环柱形，包括n个径向-轴向式转子单元，n＝3k+1或3k+2，该n个径向-轴向式转子单元依次连接；n个径向-轴向式转子单元结构相同，均包括1个径向齿、第一、二轴向齿和1个直角轭，第一、二轴向齿和径向齿设置在直角轭上；在转子内，相邻的径向齿相隔360/n度机械角度，相邻的第一轴向齿相隔360/n度机械角度，相邻的第二轴向齿相隔360/n度机械角度；所述定子设置在转子内，且定子与转子的圆心重合；所述三个电枢绕组分别绕制在三个定子分段的凹槽内。
2.根据权利要求1所述的径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机，其特征在于，径向齿设置在直角轭的径向内侧，第一、二轴向齿分别设置在直角轭的两个轴向内侧上，n个直角轭的径向内侧构成圆环柱形转子的柱内壁；在每个径向-轴向式转子单元中，第一、二轴向齿的周向位置相对齐；径向齿的周向位置与第一、二轴向齿的周向位置错开180/n度机械角度。
3.根据权利要求1所述的径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机，其特征在于，所述电枢绕组为跑道型电枢绕组。
4.根据权利要求1所述的径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机，其特征在于，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为U/2。
5.根据权利要求1所述的径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机，其特征在于，定子铁心齿部采用硅钢片叠压或软磁复合材料制作，轭部采用软磁复合材料压制。
6.根据权利要求1所述的径向-轴向气隙式三相盘式横向磁通永磁电机，其特征在于，所述径向-轴向式转子单元中转子齿部采用硅钢片叠压或软磁复合材料制作，直角轭采用软磁复合材料压制。
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