CN113178961A - 一种轴向模块化磁通反向电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向模块化磁通反向电机，该电机包括若干个沿轴向分布的模块化单元；每个模块化单元均包括一个定子铁心和一个转子铁心。本发明通过模块化设计，使得电机空载磁链幅值得以增加，同时电机具有绕组互补性，大大减少或抵消单个线圈永磁磁链和感应电势中的偶次谐波分量，偶次谐波抵消，优化了电机永磁磁链的正弦性，减小电机反电势谐波含量，抑制电机输出转矩脉动。本发明具有转矩密度和功率密度高、转矩脉动小的优点。

Description

一种轴向模块化磁通反向电机
技术领域
本发明属于电机制造技术领域，具体是一种轴向模块化磁通反向电机。
背景技术
传统的磁通反向电机(Flux-Reversal Permanent Magnet Machine，FRPM)的永磁体贴装于定子齿表面，电枢绕组绕置于定子齿上，易于冷却和散热。转子仅由凸极铁心构成，既无绕组也无永磁体，结构简单，适合高速运行。然而，在电动转向系统、新能源电动汽车、风力发电等应用领域，对电机的转矩-转速特性具有更高的要求。
传统6槽/8极磁通反向电机绕组因绕组数较低，限制了输出转矩能力。此外，6槽/8极拓扑结构的转矩脉动较高，导致电机在运行过程中振动噪声较大。文献《A Study ofTorque Characteristics of a Novel Flux Reversal Machine》中提出了一种新型开槽磁通反向电机，可以减小电机的齿槽转矩，进而减小电机转矩脉动，然而由于定子开槽使得电机转矩下降。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种轴向模块化磁通反向电机。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种轴向模块化磁通反向电机，其特征在于，该电机包括若干个沿轴向分布的模块化单元；每个模块化单元均包括一个定子铁心和一个转子铁心；
所述定子铁心由导磁桥臂和定子齿构成，相邻两个定子齿之间由导磁桥臂连接；所有定子铁心沿轴向布置且完全重合；所有定子铁心相同位置的导磁桥臂上设置有一个沿轴向缠绕的电枢绕组；
每个定子齿的一侧表面均沿定子铁心的周向贴装两个永磁体且两个永磁体的充磁方向相反；一个定子铁心中，所有的定子齿上的永磁体的贴装方式相同；相邻两个定子铁心相同位置的定子齿上相同位置的永磁体的充磁方向相反；
定子铁心之间设置隔磁环；不同模块化单元上的永磁体之间设置隔磁环；
所有转子铁心的轴心共线，均轴向固定于轴上；相邻两个模块化单元上的相同位置的电枢绕组内的永磁磁链相位相差180°；永磁体与转子铁心之间形成气隙。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1)本发明通过模块化设计，使得电机空载磁链幅值得以增加，同时电机具有绕组互补性，大大减少或抵消单个线圈永磁磁链和感应电势中的偶次谐波分量，偶次谐波抵消，优化了电机永磁磁链的正弦性，减小电机反电势谐波含量，抑制电机输出转矩脉动。
2)电枢绕组为集中式环形拓扑，与永磁体分离，一个电枢绕组由多个模块化单元共用且仅沿轴向绕置于一个导磁桥臂上，减小了端部绕组的长度，降低了铜耗，提高了电机的运行效率，同时提高了电机的绕组因数，进而提高了电机的平均输出转矩，实现了电机的高转矩密度。
3)永磁体上无电枢绕组，降低了传统磁通反向电机中绕组温升对永磁体的影响，避免因绕组发热而引起的永磁体高温退磁。此外，永磁体与电枢绕组均置于定子侧，有利于冷却与散热。在高速运行过程中，有效降低了铁耗与永磁体涡流损耗。
4)本发明电机既可以做电动运行也可以做发电运行。
5)本发明电机属于定子永磁型电机，具有高转矩密度和高效率的优势。
6)转子上既无永磁体也无电枢绕组，仅由导磁材料构成，结构简单，机械强度高，适合高速运行。
附图说明
图1为本发明实施例1的电机整体结构示意图；
图2为本发明实施例1的一个模块化单元的结构示意图；
图3为本发明实施例1的与图2的模块化单元相邻的另一个模块化单元的结构示意图；
图4为本发明实施例1的三相电枢绕组空载线磁链的谐波含量分布图。
图中：1、模块化单元，2、定子铁心，3、导磁桥臂，4、永磁体，5、电枢绕组，6、隔磁环，7、转子铁心，8、轴，9、定子齿，10、转子齿。
511、A相正极电枢绕组；512、A相负极电枢绕组；521、B相正极电枢绕组；522、B相负极电枢绕组；531、C相正极电枢绕组；532、C相负极电枢绕组。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种轴向模块化磁通反向电机(简称电机)，其特征在于，该电机包括若干个沿轴向分布的模块化单元1；每个模块化单元1均包括一个定子铁心2和一个转子铁心7；
所述定子铁心2由导磁桥臂3和定子齿9构成，相邻两个定子齿9之间由导磁桥臂3连接；所有定子铁心2沿轴向布置且完全重合；所有定子铁心2相同位置的导磁桥臂3上设置有一个沿轴向缠绕的电枢绕组5；
每个定子齿9的一侧表面均沿定子铁心2的周向贴装两个永磁体4且两个永磁体4的充磁方向相反(一个沿定子齿9的径向向外，一个沿定子齿9的径向向内)；一个定子铁心2中，所有的定子齿9上的永磁体4的贴装方式相同(即相邻的定子齿9上的相邻的永磁体4的充磁方向相反)；相邻两个定子铁心2相同位置的定子齿9上相同位置的永磁体4的充磁方向相反；
定子铁心2之间设置隔磁环6，通过隔磁环6实现定子铁心2之间的隔离；不同模块化单元1上的永磁体4之间设置隔磁环6；
所有转子铁心7的轴心共线，均轴向固定于轴8上；相邻两个模块化单元1上的相同位置的电枢绕组5内的永磁磁链相位相差180°；永磁体4与转子铁心7之间形成气隙。
优选地，每个电枢绕组5和与其径向相对的电枢绕组5构成一相电枢绕组。
优选地，所述定子铁心2和转子铁心7均为凸极结构。
优选地，转子铁心7设置在定子铁心2内部构成内转子结构，或者设置在定子铁心2外部构成外转子结构；当构成内转子结构时，定子齿9的内侧表面沿定子铁心2的周向贴装两块永磁体4且两个永磁体4的充磁方向相反；当构成外转子结构时，定子齿9的外侧表面沿定子铁心2的周向贴装两块永磁体4且两个永磁体4的充磁方向相反。
优选地，所述转子铁心7为直槽结构或斜槽结构。
优选地，所述定子铁心2和转子铁心7均为硅钢片等导磁材料。
优选地，所述永磁体4为钕铁硼、钐钴或铁氧体永磁材料。
优选地，所述电枢绕组5采用集中式电枢绕组。
实施例1
本实施例采用内转子结构的6槽/8极磁通反向电机，模块化单元1为三个，如图1所示，整体电机有效长度75mm。
每个模块化单元1中，定子齿9具有6个，采用凸极结构，均布于定子铁心2的周向，定子极弧40.5°，定子铁心2的内径70.4mm，定子铁心2的外径128mm。永磁体充磁方向厚度1.6mm，永磁体极弧20.25°。
每个模块化单元1中，电枢绕组5具有6个集中式环形绕组，分别为A相正极电枢绕组511、A相负极电枢绕组512、B相正极电枢绕组521、B相负极电枢绕组522、C相正极电枢绕组531和C相负极电枢绕组532；所有电枢绕组5内的永磁磁链为双极性变化；
根据槽导体星型矢量图得出，相对于其他情况，当A相正极电枢绕组511与A相负极电枢绕组512串联成为A相线圈组时磁链幅值最大，此时A相正极电枢绕组511与A相负极电枢绕组512径向相对(即空间位置圆心角相差180°)，电枢绕组内匝链的永磁磁链相位相同，幅值相同。同理，B相正极电枢绕组521和B相负极电枢绕组522串联成为B相线圈组，C相正极电枢绕组531与C相负极电枢绕组532联成为C相线圈组。
每个模块化单元1中，相邻两个转子铁心7上的转子齿10之间相差22.5°(即相邻两个转子铁心7完全重合后，一个转子相对于另一个转子顺时针或逆时针旋转22.5°，且所有转子铁心7的旋转方向相同)。转子齿10沿周向均布构成的，转子齿10的内径44.5mm，转子齿10的外径66.5mm，转子极弧20°。
如图4所示，通过对线磁链的傅里叶分解可以直观看到偶次谐波含量被削减，尤其是含量最高的二次谐波。二次谐波含量由单模块的0.64下降为0.02，奇数次谐波含量不受影响。因此，线磁链总畸变率减小。
相邻两个转子铁心7上的转子齿10之间相差22.5°，因此相邻两个模块化单元1上的相同位置的电枢绕组5内的永磁磁链相位相差180°；相邻两个模块化单元1相同位置的定子齿9上相同位置的永磁体4的充磁方向相反，因此相邻两个模块化单元1上的相同位置的电枢绕组5中的磁链幅值相反；磁链相位相差180°且磁链幅值相反，因此电机空载磁链幅值得以增加，同时相邻两个模块化单元1的磁链变化具有互补性，偶次谐波抵消，优化了电机永磁磁链的正弦性，减小电机反电势谐波含量，抑制电机输出转矩脉动。
本发明电机在运行时具有以下特点：
电机仅靠永磁体4产生励磁磁场，通过控制电枢电流调节电机的输出转矩、功率密度与调速性能。在高速运行过程中，有效降低了铁耗与永磁体涡流损耗。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种轴向模块化磁通反向电机，其特征在于，该电机包括若干个沿轴向分布的模块化单元；每个模块化单元均包括一个定子铁心和一个转子铁心；
所述定子铁心由导磁桥臂和定子齿构成，相邻两个定子齿之间由导磁桥臂连接；所有定子铁心沿轴向布置且完全重合；所有定子铁心相同位置的导磁桥臂上设置有一个沿轴向缠绕的电枢绕组；
每个定子齿的一侧表面均沿定子铁心的周向贴装两个永磁体且两个永磁体的充磁方向相反；一个定子铁心中，所有的定子齿上的永磁体的贴装方式相同；相邻两个定子铁心相同位置的定子齿上相同位置的永磁体的充磁方向相反；
定子铁心之间设置隔磁环；不同模块化单元上的永磁体之间设置隔磁环；
所有转子铁心的轴心共线，均轴向固定于轴上；相邻两个模块化单元上的相同位置的电枢绕组内的永磁磁链相位相差180°；永磁体与转子铁心之间形成气隙。
2.根据权利要求1所述的轴向模块化磁通反向电机，其特征在于，所述定子铁心和转子铁心均为凸极结构。
3.根据权利要求1所述的轴向模块化磁通反向电机，其特征在于，转子铁心设置在定子铁心内部构成内转子结构，或者设置在定子铁心外部构成外转子结构；当构成内转子结构时，定子齿的内侧表面沿定子铁心的周向贴装两块永磁体且两个永磁体的充磁方向相反；当构成外转子结构时，定子齿的外侧表面沿定子铁心的周向贴装两块永磁体且两个永磁体的充磁方向相反。
4.根据权利要求1所述的轴向模块化磁通反向电机，其特征在于，所述转子铁心为直槽结构或斜槽结构。
5.根据权利要求1所述的轴向模块化磁通反向电机，其特征在于，所述定子铁心和转子铁心均为导磁材料。
6.根据权利要求1所述的轴向模块化磁通反向电机，其特征在于，所述永磁体为钕铁硼、钐钴或铁氧体永磁材料。
7.根据权利要求1所述的轴向模块化磁通反向电机，其特征在于，所述电枢绕组采用集中式电枢绕组。
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