CN113489175B - 一种定子阻尼型永磁双凸极电机 - Google Patents

一种定子阻尼型永磁双凸极电机 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种定子阻尼型永磁双凸极电机，涉及电机设计技术领域，能够减小磁钢损耗，缓减不可逆退磁风险。本发明包括：永磁体1、定子阻尼绕组2、电枢绕组3、定子铁心4和转子铁心5；定子铁心4与转子铁心5的定转子极数比为6N/4N，其中，N1、N2均为正整数；切向充磁的永磁体1包括四块并分别嵌入定子铁心4轭部的永磁体，包括：一号永磁体1‑1、二号永磁体1‑2、三号永磁体1‑3和四号永磁体1‑4；每个定子极(4‑1)上分别绕有一个电枢线圈，且每个电枢线圈的绕制方式相同，各个定子极(4‑1)上的电枢线圈依次串联构成电枢绕组3；定子阻尼绕组2中的阻尼线圈，分别绕制在三个定子极(4‑1)上，各个阻尼线圈分别短路连接。

Description

一种定子阻尼型永磁双凸极电机
技术领域
本发明涉及电机设计技术领域，尤其涉及一种定子阻尼型永磁双凸极电机。
背景技术
传统的转子励磁型永磁电机具有高功率密度的优点，被广泛应用于电动汽车、工业自动化等多个领域。转子励磁型永磁电机的永磁体位于转子上，电枢绕组位于电机定子上，电机的转子与定子之间是气隙，因此励磁磁场和电枢磁场分别位于气隙的两侧。虽然可以实现高效率运行，但由于位于转子侧的永磁体冷却困难，散热冷却系统的效率很低，引起的温升可能会导致永磁体发生不可逆退磁，缩短电机的使用寿命。因而高温退磁风险制约着转子励磁型永磁电机功率密度的进一步提高，限制电机出力。为了解决传统转子励磁型永磁电机在运行过程中所存在的温升过高的问题，现有方案中，主要通过在转子极上加装多个非导磁体和多个阻尼条，并在非导磁体上设置多个散热孔以提高发电机总体散热效率、抑制发电机输出震荡，从而延长电机使用寿命。然而转子励磁型永磁电机的转子机械强度弱、可靠性差，通常需要对转子采取特别加固措施以克服高速运行时的离心力，如安装由非金属纤维材料或不锈钢制成的套筒等，不仅导致转子结构复杂，制造成本高，而且增大了等效气隙，降低了电机性能。此外，转子永磁型电机在故障状态下的带载能力弱、转矩脉动大；并且永磁磁场难以调控、调速范围窄，因此电机难以长期适应恶劣环境。
为克服上述转子永磁型电机的缺点，出现了将永磁体安置于定子侧的定子励磁型永磁无刷电机，由于定子励磁型永磁无刷电机突破了传统转子励磁型永磁电机在本体结构、容错性能和调速能力等方面的技术瓶颈，受到了国内外学者日益广泛的关注。与转子励磁型永磁电机相比，定子励磁型永磁电机的永磁体安装在定子侧，不需要复杂的工艺和措施去固定永磁体，可以显著减小电机气隙的有效长度，提高功率密度。凸极转子仅由导磁材料构成，既无永磁体，也没有绕组，结构简单可靠，并且易于和某些应用对象直接耦合，集成一体。定子上同时存在永磁体和电枢绕组，永磁体产生励磁磁场。但是由于电机的气隙磁场受到转子凸极铁芯调制，因此导致气隙磁场中谐波含量丰富，并且电机负载运行时，电枢反应会引起永磁体工作点发生改变，从而导致永磁体中涡流损耗增加、温度上升，加剧不可逆退磁等风险。
发明内容
本发明的实施例提供一种定子阻尼型永磁双凸极电机，能够减小磁钢损耗，缓减不可逆退磁风险，从而进一步提高定子励磁型永磁双凸极电机的可靠性。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
提供一种定子阻尼型永磁双凸极电机,所述定子阻尼型永磁双凸极电机包括：永磁体(1)、定子阻尼绕组(2)、电枢绕组(3)、定子铁心(4)和转子铁心(5)。
定子铁心(4)为凸极结构，由12个定子极(4-1)构成，转子铁心(5)为凸极结构，由8个转子极(5-1)构成。
切向充磁的永磁体(1)共有四块(1-1，1-2，1-3，1-4)，分别嵌入定子铁心(4)轭部；
每个定子极(4-1)上分别绕有一个电枢线圈(3-1，3-2，3-3，3-4，3-5，3-6，3-7，3-8，3-9，3-10，3-11，3-12)，每个电枢线圈(3-1，3-2，3-3，3-4，3-5，3-6，3-7，3-8，3-9，3-10，3-11，3-12)的绕制方式相同，各个定子极(4-1)上的电枢线圈依次串联构成电枢绕组(3)；
定子阻尼绕组(2)由四个完全相同的阻尼线圈(2-1，2-2，2-3，2-4)组成，每个阻尼线圈分别绕制在三个定子极(4-1)上，各个阻尼线圈分别短路连接。
在本实施例的优选方案中，所述定子阻尼线圈(2-1、2-2、2-3、2-4)采用导电性能良好的铜条，每个定子阻尼线圈绕制在三个定子极(4-1)上，铜条短路连接构成一个铜环。
具体地，永磁体(1-1)位于定子铁心(4)的轭部；3个电枢线圈(3-1、3-2、3-3)分别绕制在3个定子极(4-1)上，各个电枢线圈在各自的定子极(4-1)上的绕制方式相同。
进一步的，每三个定子极(4-1)上绕有一个定子阻尼线圈(2-1)；定子阻尼线圈(4-1)位于定子极(4-1)的齿部，与电枢线圈(3-1、3-2、3-3)相比更靠近转子，这是由于电机定子齿部磁密含量最高，为了有效抑制永磁体中的谐波电流，需要将定子阻尼线圈(2-1)绕制在定子齿处。
在现有方案中，往往都存在永磁体不可逆退磁、电机冷却效率较低的问题。而本实施例中，定子阻尼型永磁双凸极电机的永磁体、阻尼绕组和电枢绕组都在定子上，转子上既无永磁体也无绕组，转子结构简单可靠，可以高温高速运行。定子阻尼绕组可以吸收永磁体中的谐波电流，有利于减小磁钢损耗，避免不可逆退磁风险；定子阻尼绕组由四个短路的阻尼线圈组成，阻尼线圈采用导热性能良好的铜条，因此有利于永磁体的快速冷却，提高电机的散热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的定子阻尼型永磁双凸极电机3D结构示意图；
图2为本发明实施例提供的定子阻尼型永磁双凸极电机框架结构示意图；
图3为本发明实施例提供的定子阻尼型永磁双凸极电机框架结构主视图；
图4为本发明实施例提供的定子阻尼型永磁双凸极电机框架结构立体图；
图5为本发明实施例提供的定子阻尼型永磁双凸极电机阻尼线圈示意图；
图6为本发明实施例提供的定子阻尼型永磁双凸极电机阻尼线圈框架图；
图7～图10为本发明实施例提供的定子阻尼型永磁双凸极电机中不同观察角度下的定子局部放大的3D结构示意图；
图11～图15为本发明实施例提供的定子阻尼型永磁双凸极电机中不同观察角度下的定子局部放大的框架结构示意图。
附图中的各个标号分别表示：1:永磁体、1-1:一号永磁体、1-2:二号永磁体、1-3:三号永磁体、1-4:四号永磁体；2:定子阻尼绕组、2-1:一号阻尼线圈、2-2:二号阻尼线圈、2-3:三号阻尼线圈、2-4:四号阻尼线圈；3:电枢绕组、3-1:一号电枢线圈、3-2:二号电枢线圈、3-3:三号电枢线圈、3-4:四号电枢线圈、3-5:五号电枢线圈、3-6:六号电枢线圈、3-7:七号电枢线圈、3-8:八号电枢线圈、3-9:九号电枢线圈、3-10:十号电枢线圈、3-11:十一号电枢线圈、3-12:十二号电枢线圈；4:定子铁心、4-1:定子极；5:转子铁心、5-1:转子极。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
近年来，随着电力电子技术和高性能永磁材料的发展，永磁无刷电机得到了广泛的关注与应用。永磁无刷电机具有高功率密度、高效率的优点，根据永磁体的不同安装位置，可以将永磁无刷电机分为转子永磁型和定子永磁型两大类。传统的转子永磁型电机，其励磁磁场和电枢磁场分别位于气隙的两侧，虽然可以实现高效率运行，但由于位于转子侧的永磁体冷却困难，引起的温升可能会导致永磁体发生不可逆退磁。高温失磁风险制约了电机功率密度的进一步提高，限制电机出力。转子永磁型电机的转子机械强度弱、可靠性差，通常需要对转子采取特别加固措施以克服高速运行时的离心力，如安装由非金属纤维材料或不锈钢制成的套筒等，不仅导致其结构复杂，制造成本高，而且增大了等效气隙，降低了电机性能。此外，转子永磁型电机在故障状态下的带载能力弱、转矩脉动大；并且永磁磁场难以调控、调速范围窄。
为克服上述转子永磁型电机的缺点，出现了将永磁体安置于定子侧的定子永磁型无刷电机，由于定子永磁型无刷电机突破了传统转子永磁型电机在本体结构、容错性能和调速能力等方面的技术瓶颈，受到了国内外学者日益广泛的关注。
与转子励磁型永磁电机相比，定子励磁型永磁电机的永磁体安装在定子侧，不需要复杂的工艺和措施去固定永磁体，可以显著减小电机气隙的有效长度，提高功率密度。凸极转子仅由导磁材料构成，既无永磁体，也没有绕组，结构简单可靠，并且易于和某些应用对象直接耦合，集成一体。定子上同时存在永磁体和电枢绕组，永磁体产生励磁磁场。但是由于电机的气隙磁场受到凸极铁芯调制，因此导致气隙磁场中谐波含量丰富，并且电机负载运行时，电枢反应会引起永磁体工作点发生改变，导致永磁体中涡流损耗增加、温度上升，加剧不可逆退磁的风险。
本实施例的设计思路在于，改进定子阻尼型永磁双凸极电机的线圈结构，与定子励磁型永磁电机相比，定子阻尼型永磁双凸极电机的定子和转子均为凸极结构，转子上既没有永磁体也没有绕组，转子结构简单可靠，可以高温高速运行；定子上除了分布有永磁体和电枢绕组以外，增加了定子阻尼绕组。定子阻尼绕组可以吸收永磁体中的谐波电流，有利于减小磁钢损耗，避免不可逆退磁风险；定子阻尼绕组由四个短路的阻尼线圈组成，阻尼线圈采用导热性能良好的铜条，因此有利于永磁体的快速冷却，提高电机的散热效率。
本发明实施例所设计的定子阻尼型永磁双凸极电机，包括：
永磁体(1)、定子阻尼绕组(2)、电枢绕组(3)、定子铁心(4)和转子铁心(5)。定子铁心(4)与转子铁心(5)的定转子极数比为6N/4N，其中，N1、N2均为正整数。实际应用中，本实施例适用于各类定转子极数比为6N/4N(N1、N2为正整数)的定子阻尼型永磁双凸极电机。
切向充磁的永磁体(1)包括四块并分别嵌入定子铁心(4)轭部的永磁体，包括：一号永磁体(1-1)、二号永磁体(1-2)、三号永磁体(1-3)和四号永磁体(1-4)。
每个定子极(4-1)上分别绕有一个电枢线圈，且每个电枢线圈的绕制方式相同，各个定子极(4-1)上的电枢线圈依次串联构成电枢绕组(3)。
定子阻尼绕组(2)中的阻尼线圈，分别绕制在三个定子极(4-1)上，各个阻尼线圈分别短路连接。
具体的，如图1所示，所述定子阻尼型永磁双凸极电机包括：永磁体(1)、定子阻尼绕组(2)、电枢绕组(3)、定子铁心(4)和转子铁心(5)。定子铁心(4)为凸极结构，由12个定子极(4-1)构成，转子铁心(5)为凸极结构，由8个转子极(5-1)构成。切向充磁的永磁体(1)共有四块(1-1，1-2，1-3，1-4)，分别嵌入定子铁心(4)轭部；每个定子极(4-1)上分别绕有一个电枢线圈(3-1，3-2，3-3，3-4，3-5，3-6，3-7，3-8，3-9，3-10，3-11，3-12)，每个电枢线圈(3-1，3-2，3-3，3-4，3-5，3-6，3-7，3-8，3-9，3-10，3-11，3-12)的绕制方式相同，各个定子极(4-1)上的电枢线圈依次串联构成电枢绕组(3)；阻尼绕组(2)由四个完全相同的阻尼线圈(2-1，2-2，2-3，2-4)组成，每个阻尼线圈分别绕制在三个定子极(4-1)上，各个阻尼线圈分别短路连接。
本实施例中，定子阻尼绕组(2)由四个完全相同的阻尼线圈组成，包括：一号阻尼线圈(2-1)至四号阻尼线圈(2-4)，阻尼线圈的材料为铜。具体的，阻尼线圈的材料为导热性能良好的铜条。
本实施例中，每个阻尼线圈绕制在三个定子极(4-1)上，阻尼线圈短路连接构成一个环。其中，定子阻尼线圈(2-1)位于定子极(4-1)的齿部，且相比于电枢线圈更靠近转子铁心(5)。具体的，如图1、图2、图3、图4所示的，定子铁心(4)、定子极(4-1)、转子铁心(5)、转子极(5-1)为相同的定子铁心(4)、定子极(4-1)、转子铁心(5)、转子极(5-1)。以及图5和图6所示的单个定子阻尼线圈的结构，定子阻尼线圈(2-1、2-2、2-3、2-4)采用导电性能良好的铜条，每个定子阻尼线圈绕制在三个定子极(4-1)上，铜条短路连接构成一个铜环。
本实施例中，各个定子极(4-1)上的电枢线圈共有12个，包括：一号电枢线圈(3-1)至十二号电枢线圈(3-12)。在优选方案中，所述定子阻尼型永磁双凸极电机的定转子极数为12/8极的双凸极结构。定子铁心(4)为凸极结构，包括12个定子极(4-1)。转子铁心(5)为凸极结构，包括8个转子极(5-1)。例如：图2、图3、图4所示的不同视角下12/8极定子阻尼型永磁双凸极电机的结构。进一步的，如图7～图15所示的在不同观察角度下，12/8极定子阻尼型永磁双凸极电机定子结构。从图7～图15中可以看出子阻尼型永磁双凸极电机的永磁体(1-1)在定子铁心(4)上的位置，以及定子阻尼线圈(2-1)和电枢线圈(3-1、3-2、3-3)在定子极(4-1)上的绕制关系。
图7～图15中的永磁体(1-1)、定子阻尼线圈(2-1)和电枢线圈(3-1、3-2、3-3)、定子铁心(4)、定子极(4-1)为相同的永磁体(1-1)、定子阻尼线圈(2-1)和电枢线圈(3-1、3-2、3-3)、定子铁心(4)、定子极(4-1)。在本实施例的优选方案中，永磁体(1-1)位于定子铁心(4)的轭部；3个电枢线圈(3-1、3-2、3-3)分别绕制在3个定子极(4-1)上，各个电枢线圈在各自的定子极(4-1)上的绕制方式相同。进一步的，每三个定子极(4-1)上绕有一个定子阻尼线圈(2-1)；定子阻尼线圈(2-1)位于定子极(4-1)的齿部，与电枢线圈(3-1、3-2、3-3)相比更靠近转子，这是由于电机定子齿部磁密谐波含量最高，为了有效抑制永磁体中的谐波电流，需要将定子阻尼线圈(2-1)绕制在定子齿处。
本实施例在实际应用中，定子阻尼型永磁双凸极电机的励磁磁场是由位于定子上的永磁体(1)产生。可选的，也适用于永磁体位于定子铁心其它位置时(如将永磁体直接安装在定子齿表面、在两块定子铁心单元之间嵌入永磁体等)的定子阻尼型永磁双凸极电机。即可以适用于本实施例可以应用在定子铁心(4)位于转子铁心(5)外部的设计场景，或者，也可以应用在转子铁心(5)位于定子铁心(4)外部的设计场景。
进一步的，本实施例还可以适用于其他励磁方式的定子阻尼型双凸极电机：如定子上只有阻尼绕组和电枢绕组的定子电励磁双凸极电机，以及同时存在永磁励磁和电励磁方式的混合励磁双凸极电机。
在本实施例中，如图1～图15所示的，存在部件定子阻尼绕组(2)，定子阻尼绕组(2)由四个完全相同的定子阻尼线圈(2-1、2-2、2-3、2-4)构成，每个定子阻尼线圈分别绕制在三个定子极(4-1)上，定子阻尼线圈是由首尾短路相连接的铜条。从原理上来说，定子阻尼绕组可以有效抑制永磁体中的谐波电流，减小永磁体损耗，避免不可逆退磁风险；并且定子阻尼绕组采用导热性能良好的铜条，有利于提升电机的散热效率，提高了电机运行的可靠性。需要说明的是，本实施例也适用于其他定转子极数比为6N/4N(6N/4N为正整数)的定子励磁型永磁电机、定子电励磁型双凸极电机以及混合励磁电机。
总的来说，与现有的转子励磁型永磁双凸极电机相比，本实施例具有以下优点，
1、定子阻尼型永磁双凸极电机的永磁体、阻尼绕组和电枢绕组均位于定子上，转子上既无永磁体,也无绕组,转子结构简单可靠，可以高温高速运行，提高了发电系统的可靠性；
2、定子阻尼绕组可以抑制气隙磁密中的谐波分量，减小永磁体的涡流损耗，避免不可逆退磁风险；定子阻尼绕组采用导热性能良好的铜条，有利于永磁体的冷却，可以提高电机的散热效率与使用寿命。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种定子阻尼型永磁双凸极电机，其特征在于，包括：
永磁体(1)、定子阻尼绕组(2)、电枢绕组(3)、定子铁心(4)和转子铁心(5)；
定子铁心(4)与转子铁心(5)的定转子极数比为6N/4N，N为正整数；
切向充磁的永磁体(1)包括四块并分别嵌入定子铁心(4)轭部的永磁体，包括：一号永磁体(1-1)、二号永磁体(1-2)、三号永磁体(1-3)和四号永磁体(1-4)；
每个定子极(4-1)上分别绕有一个电枢线圈，且每个电枢线圈的绕制方式相同，各个定子极(4-1)上的电枢线圈依次串联构成电枢绕组(3)；
定子阻尼绕组(2)中的阻尼线圈，分别绕制在三个定子极(4-1)上，各个阻尼线圈分别短路连接；
其中，每三个定子极(4-1)上绕有一个定子阻尼线圈(2-1)；定子阻尼线圈(4-1)位于定子极(4-1)的齿部，与3个电枢线圈(3-1、3-2、3-3)相比更靠近转子。
2.根据权利要求1所述的定子阻尼型永磁双凸极电机，其特征在于，定子阻尼绕组(2)由四个完全相同的阻尼线圈组成，包括：一号阻尼线圈(2-1)至四号阻尼线圈(2-4)，阻尼线圈的材料为铜。
3.根据权利要求1所述的定子阻尼型永磁双凸极电机，其特征在于，每个阻尼线圈绕制在三个定子极(4-1)上，阻尼线圈短路连接构成一个环。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的定子阻尼型永磁双凸极电机，其特征在于，定子阻尼线圈(2-1)位于定子极(4-1)的齿部，且相比于电枢线圈更靠近转子铁心(5)。
5.根据权利要求1所述的定子阻尼型永磁双凸极电机，其特征在于，各个定子极(4-1)上的电枢线圈共有12个，包括：一号电枢线圈(3-1)至十二号电枢线圈(3-12)。
6.根据权利要求1所述的定子阻尼型永磁双凸极电机，其特征在于，所述定子阻尼型永磁双凸极电机的定转子极数为12/8极的双凸极结构；
定子铁心(4)为凸极结构，包括12个定子极(4-1)；
转子铁心(5)为凸极结构，包括8个转子极(5-1)。
7.根据权利要求1所述的定子阻尼型永磁双凸极电机，其特征在于，定子铁心(4)位于转子铁心(5)外部；
或者，转子铁心(5)位于定子铁心(4)外部。
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