CN112865465B - 一种抑制转矩脉动的磁通切换永磁电机结构 - Google Patents

一种抑制转矩脉动的磁通切换永磁电机结构 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种抑制转矩脉动的磁通切换永磁电机结构，包括：定子与转子。所述转子由转轴和转子铁心构成，所述定子由定子铁心、永磁体与电枢绕组构成。所述定子铁心由“U”型硅钢片铁心单元构成，每个定子齿靠槽口侧处采用阶梯齿结构；所述转子铁心为凸级结构，每个转子齿的顶部采用阶梯齿结构，本发明提出的一种抑制转矩脉动的磁通切换永磁电机结构，通过在每个定子齿靠槽口侧处和每个转子铁心齿顶处采用阶梯齿结构，可以使定转子间气隙的变化趋于缓慢，形成气隙变化的过渡区，气隙磁通密度的波形更接近于正弦波。从而减小电机的齿槽转矩，降低电机的转矩脉动。

Description

一种抑制转矩脉动的磁通切换永磁电机结构
技术领域
本发明涉及磁通切换永磁电机技术领域，特别是涉及一种抑制转矩脉动的磁通切换永磁电机结构。
背景技术
随着全球变暖、化石燃料紧缺以及环境污染问题，如何更高效地利用能源成为人类发展过程中所必须面对的问题。永磁同步电机具有体积小、高功率密度、高效率、高输出转矩和运行可靠等优点，已经在许多领域内得到了广泛的应用，尤其是在汽车工业领域，永磁同步电机在新能源汽车的发展中发挥着重要的作用。
传统永磁电机大多采用表面贴装式、插入式或嵌入式等工艺将永磁体固定于转子，这样，在电机运行过程中，就会产生散热困难、过高温升导致永磁体不可逆退磁，从而限制电机出力等问题。针对这一问题，早在上个世纪50年代，就有学者对定子永磁电机开展了研究。与转子永磁电机不同，定子永磁电机将永磁体和电枢绕组都置于定子，简单的转子结构不但提高了电机运行的可靠性，而且转子旋转时，也可以起到风扇的作用，使电机散热性能得到增强。1997年磁通切换永磁电机被首次提出。由于其转子结构坚固、转矩密度高、易于热管理等优点，近年来获得了大量的研究关注。
磁通切换永磁电机的主要结构特点是：（1）采用永磁材料，并将永磁体置于定子上；（2）定子电枢绕组为集中式绕组，端部较短，减小了用铜量和铜耗；（3）转子铁心由导磁材料制成，转子上既无永磁体也无电枢绕组，故电机有结构简单、坚固耐用，适合宽转速范围运行。因此，磁通切换永磁电机具有广泛的工业应用前景，适合于工作温度较高、对电机体积和质量有严格要求，又要有较大出力的应用场合。
然而，将永磁体置于定子，电机采用双凸极结构，由于聚磁效应，磁通切换永磁电机气隙磁密增加的同时，齿槽转矩问题也变得愈发严重。所谓齿槽转矩，是永磁电机中永磁体与有槽铁芯相互作用的结果，将会导致电机运行时产生振动和噪声。该力矩始终存在于永磁电机中，与电机是否通电无关，过大的峰一峰值不但会给电机起动带来困难，而且也会导致电机运行过程中存在较大的转矩脉动，从而限制其在各领域的应用，因此，采用有效的方法抑制磁通切换永磁电机的转矩脉动就具有重要的意义和实用价值。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种抑制转矩脉动的磁通切换永磁电机结构，抑制转矩脉动的结构，该电机具有传统磁通切换永磁电机高正弦度每相感应电动势、较大功率密度和较高转矩密度优点的同时，能够降低电机的齿槽转矩，减小磁通切换永磁电机运行时的转矩脉动。
本发明提供一种抑制转矩脉动的磁通切换永磁电机结构，包括定子与转子，所述转子由转子铁心和转轴构成，所述定子由永磁体、定子铁心与电枢绕组构成，所述转轴在转子铁心内，所述定子铁心由U型硅钢片铁心单元构成，所述定子铁心等角度绕转轴中心线布置，所述永磁体设置在相邻的定子铁心之间且通过电枢绕组固定，所述定子铁心的每个定子齿靠槽口侧处采用阶梯齿结构，所述转子铁心的每个转子齿顶采用阶梯齿结构。
作为本发明的进一步改进，所述磁通切换永磁电机结构中每个转子齿顶部的阶梯齿的阶梯数量为奇数个。
作为本发明的进一步改进，所述磁通切换永磁电机结构中每个定子齿靠槽口侧处的阶梯齿的阶梯数量为偶数个。
作为本发明的进一步改进，所述磁通切换永磁电机结构中每个转子齿顶部的阶梯齿中每个阶梯的宽度和高度都分别相等。
作为本发明的进一步改进，所述磁通切换永磁电机结构中每个定子齿靠槽口侧处阶梯齿中每个阶梯的宽度和高度都分别相等。
作为本发明的进一步改进，所述磁通切换永磁电机结构为12槽10级电机结构。
作为本发明的进一步改进，所述磁通切换永磁电机结构为12槽14级电机结构。
作为本发明的进一步改进，所述磁通切换永磁电机结构为8槽6级电机结构。
本发明提出的结构磁通切换永磁电机具有以下优点：
（1）降低了磁通切换永磁电机的齿槽转矩和输出转矩脉动，改善了电机的性能;
（2）维持了电机的空载感应电动势大小和输出转矩大小;
（3）本发明可以在12槽10极，12槽14极，8槽6极等不同极槽数配合的磁通切换永磁电机电机结构中被用来降低齿槽转矩，减小转矩脉动。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2是对本发明模型的局部放大图。
附图标记：1、永磁体；2、定子铁心；3、电枢绕组；4、转子铁心；5、转轴；6、阶梯齿；7、转子齿；8、定子齿；9、槽口；10、气隙。
具体实施例
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种抑制转矩脉动的磁通切换永磁电机结构，抑制转矩脉动的结构，该电机具有传统磁通切换永磁电机高正弦度每相感应电动势、较大功率密度和较高转矩密度优点的同时，能够降低电机的齿槽转矩，减小磁通切换永磁电机运行时的转矩脉动。
如图1所示，本发明提供一种抑制转矩脉动的磁通切换永磁电机结构，所述电机包括永磁体（1）、定子铁心（2）、电枢绕组（3）、转子铁心（4）、转轴（5）、阶梯齿（6）、转子齿（7）、定子齿（8）、槽口（9）。所述永磁体（1）紧贴拼装在两个U型定子铁心（2）单元之间，所述定子铁心（2）的每个定子齿（8）靠槽口（9）侧处采用阶梯齿（6）结构；所述转子铁心（4）为凸级结构，所述转子铁心（4）的每个转子齿（7）顶采用阶梯齿（6）结构。
如图2所示为本发明模型的局部放大图。根据本发明较佳实施例，为保证转子齿（7）的对称，所述每个转子齿（7）顶部的阶梯齿（6）的阶梯数量为奇数个。进一步的，所述每个定子齿（8）靠槽口（9）侧处阶梯齿（6）的阶梯数量为偶数个。进一步的，所述每个转子齿（7）顶部的阶梯齿（6）中每个阶梯的宽度和高度都分别相等。进一步的，所述每个定子齿（8）靠槽口（9）侧处阶梯齿（6）中每个阶梯的宽度和高度都分别相等。进一步的，所述磁通切换永磁电机结构为12槽10级电机结构。进一步的，所述磁通切换永磁电机结构为12槽14级电机结构。进一步的，所述磁通切换永磁电机结构为8槽6级电机结构。在传统磁通切换永磁电机中，当电机的定子齿（8）与转子齿（7）逐渐进入重合区域时，气隙（10）长度发生急剧变化，气隙（10）的迅速改变导致气隙磁场储能发生急剧变化。随之，电机的平均转矩会有所下降。所以每个电周期定转子齿从重合到分开的过程伴随着气隙磁场能量的变化。在每个定子齿靠槽口侧处和每个转子齿顶部采用阶梯齿结构可以使定转子间气隙（10）的变化趋于缓慢，形成气隙（10）变化的过渡区，气隙磁通密度的波形更接近于正弦波。从而减小电机的齿槽转矩，抑制电机的转矩脉动。
综上所述，本发明的技术方案通过在磁通切换永磁电机的转子铁心的每个转子齿顶和在定子铁心的每个定子齿靠槽口侧处均采用阶梯齿结构，降低了电机的齿槽转矩，抑制了电机的转矩脉动，电机的性能得到了提升，可以在12槽10极，12槽14极，8槽6极等不同极槽数配合的磁通切换永磁电机结构中用以优化。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例之一，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种抑制转矩脉动的磁通切换永磁电机结构，包括定子与转子，所述转子由转子铁心（4）和转轴（5）构成，所述定子由永磁体（1）、定子铁心（2）与电枢绕组（3）构成，所述转轴（5）在转子铁心（4）内，所述定子铁心（2）由U型硅钢片铁心单元构成，所述定子铁心（2）等角度绕转轴（5）中心线布置，所述永磁体（1）设置在相邻的定子铁心（2）之间且通过电枢绕组（3）固定，所述定子铁心（2）的每个定子齿（8）靠槽口（9）侧处采用阶梯齿（6）结构，所述转子铁心（4）的每个转子齿（7）顶采用阶梯齿（6）结构,定子齿的具有阶梯齿处的周向宽度从径向外侧向径向内侧逐渐递减,转子齿的具有阶梯齿处的周向宽度从径向外侧向径向内侧逐渐递增；
所述每个转子齿（7）顶部的阶梯齿（6）的阶梯数量为奇数个；
所述每个定子齿（8）靠槽口（9）侧处阶梯齿（6）的阶梯数量为偶数个；
所述每个转子齿（7）顶部的阶梯齿（6）中每个阶梯的宽度和高度都分别相等；
所述每个定子齿（8）靠槽口（9）侧处阶梯齿（6）中每个阶梯的宽度和高度都分别相等。
2.根据权利要求1所述的一种抑制转矩脉动的磁通切换永磁电机结构，其特征在于：所述磁通切换永磁电机结构为12槽10级电机结构。
3.根据权利要求1所述的一种抑制转矩脉动的磁通切换永磁电机结构，其特征在于：所述磁通切换永磁电机结构为12槽14级电机结构。
4.根据权利要求1所述的一种抑制转矩脉动的磁通切换永磁电机结构，其特征在于：所述磁通切换永磁电机结构为8槽6级电机结构。
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