CN113612362A - 复合式交替极永磁游标电机 - Google Patents
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Abstract
复合式交替极永磁游标电机，涉及永磁游标电机领域。本发明是为了合理利用永磁游标电机内部空间，进一步提升电机的功率密度与转矩密度。本发明所述的复合式交替极永磁游标电机，定子包括：定子铁心、定子外侧绕组和定子内侧绕组，定子铁心外侧为裂槽式结构、内侧为开槽式结构，定子铁心内外侧之间通过隔磁环隔断，定子铁心外侧的调制齿数量大于定子内侧齿的数量，定子铁心内外侧槽数相同，定子外侧绕组缠绕在定子铁心外侧的定子外侧齿上，定子内侧绕组缠绕在定子铁心内侧的定子内侧齿上。
Description
技术领域
本发明属于永磁游标电机领域。
背景技术
永磁游标电机的相对运行转速较低，且电机运行平稳。因此，永磁游标电机以低速大转矩这一特点，获得了广泛关注。
永磁游标电机是基于磁场调制原理的一种新型电机。传统的磁场调制电机多数利用调磁环来实现磁场调制的作用，该调磁环在定转子之间由调磁铁块组合而成。近年来，一种基于“磁齿轮效应”同时具有高转矩密度的永磁游标电机引起了电机领域的广泛关注，将起调制作用的调磁铁块与电机定子齿部相结合。这样，整体结构上不仅减少了一层气隙，而且与调磁块结合后的定子齿能够直接充当原有的调磁环，仍承载气隙磁导的调制作用。
永磁游标电机的定子绕组极对数和转子极对数不同于常规永磁电机，它的转子极对数大于定子绕组极对数。但是对于大多数采用外转子内定子结构的永磁游标电机而言，电机内部空间仍旧拥有很大的利用价值。对于同体积下的永磁游标电机而言，合理利用其内部空间能够进一步提升该类电机的功率密度与转矩密度。
发明内容
本发明是为了合理利用永磁游标电机内部空间，进一步提升电机的功率密度与转矩密度，现提供复合式交替极永磁游标电机。
复合式交替极永磁游标电机，包括：同轴设置的定子、外转子和内转子，外转子嵌套在定子外侧，内转子嵌套在定子内侧，定子与外转子、定子与内转子之间均为气隙，
定子包括：定子铁心3、定子外侧绕组7和定子内侧绕组8，定子铁心3外侧为裂槽式结构、内侧为开槽式结构，定子铁心3内外侧之间通过隔磁环4隔断，定子铁心3外侧的调制齿3-2数量大于定子内侧齿3-3的数量，定子铁心3内外侧槽数相同，定子外侧绕组7缠绕在定子铁心3外侧的定子外侧齿3-1上，定子内侧绕组8缠绕在定子铁心3内侧的定子内侧齿3-3上。
进一步的，上述定子铁心3包括同轴嵌套的内外两层环形结构、内外两层环形结构之间通过隔磁环4隔断，内层环形结构的内圆周面均匀设有多个定子内侧齿3-3、构成开槽式结构，外层环形结构的外圆周面均匀设有多个定子外侧齿3-1，每个定子外侧齿3-1顶部开槽形成两个调制齿3-2，使得外层环形结构构成裂槽式结构。
进一步的，上述外转子永磁体2和内转子永磁体6结构相同、且均为瓦形。
进一步的，上述外转子永磁体2和内转子永磁体6均采用Halbach充磁阵列形成交替极。
进一步的，上述外转子永磁体2和内转子永磁体6均沿周向分为三部分，中间部分的充磁方向为径向，两侧部分的充磁方向与中间部分充磁方向相差45°，外转子永磁体2三部分的充磁方向呈发散式向外，内转子永磁体6三部分的充磁方向呈聚集式向内。
进一步的，上述外转子包括外转子铁芯1和外转子永磁体2，外转子永磁体2表贴式嵌固在外转子铁芯1气隙侧，内转子包括内转子铁芯5和内转子永磁体6，内转子永磁体6表贴式嵌固在内转子铁芯5气隙侧。
本发明考虑到永磁体用量问题，还结合了永磁游标电机的特点，合理利用了电机内部空间，运用交替极永磁体Halbach阵列，提出了一种转矩密度高、功率密度高、可多模式运行的复合式交替极永磁游标电机。外转子与定子及其外侧绕组形成一个外转子内定子式的游标电机，内转子与定子及其内侧绕组形成了一个外定子内转子式的游标电机。两者通过嵌在共用定子中的隔磁环维持独立，实现一体化，所以称该游标电机为复合式，同极性永磁体的转子结构称为交替极。内外两个电机可各自独立工作，正常工作时外侧的输出转矩较大、内侧的输出转矩较小，当二者同时工作时该复合式游标电机的输出转矩为内外电机输出转矩之和，达到了提升输出转矩的效果。可根据不同工况的需求对双转子复合式电机进行调整实现多种运行模式。
附图说明
图1为复合式交替极永磁游标电机的拆解图；
图2为外转子结构示意图；
图3为定子结构示意图；
图4为内转子结构示意图；
图5为内外转子永磁体结构示意图；
图6为外转子永磁体阵列充磁方向示意图；
图7为内转子永磁体阵列充磁方向示意图。
外转子铁心、外转子永磁体2、定子铁心3、定子外侧齿3-1、调制齿3-2、定子内侧齿3-3、调磁环4、内转子铁心5、内转子永磁体6、定子外侧绕组7、定子内侧绕组8。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的复合式交替极永磁游标电机，包括：同轴设置的定子、外转子和内转子，外转子嵌套在定子外侧，内转子嵌套在定子内侧，定子与外转子、定子与内转子之间均为气隙。定子具有双边结构，以外侧、内侧来区分定子双边。
定子包括：定子铁心3、定子外侧绕组7和定子内侧绕组8。定子铁心3外侧为裂槽式结构、内侧为开槽式结构。具体的，定子铁心3包括同轴嵌套的内外两层环形结构、内外两层环形结构之间通过隔磁环4隔断。隔磁环4能够防止内外侧的磁路互通，保护内外侧电机独立运行，保证内外侧电机独立运行时的磁路状态不受影响。
所述开槽式结构为：内层环形结构的内圆周面均匀设有多个定子内侧齿3-3。
所述裂槽式结构为：外层环形结构的外圆周面均匀设有多个定子外侧齿3-1，每个定子外侧齿3-1顶部开槽形成两个调制齿3-2。定子外侧齿3-1相邻齿距不等，基于磁场调制原理，引入其他次工作谐波，提升电机的电磁性能。
考虑到复合式交替极游标电机中内外侧电机的尺寸问题，令内部电机的永磁体极对数少于外侧电机，所以定子铁心3内外侧槽数相同，定子铁心3外侧的调制齿3-2数量是定子内侧齿3-3数量的2倍，内外侧电机拥有不同的极槽配比，适配内外侧电机性能需求。
定子外侧绕组7缠绕在定子铁心3外侧的定子外侧齿3-1上，定子内侧绕组8缠绕在定子铁心3内侧的定子内侧齿3-3上。定子外侧绕组7和定子内侧绕组8的存在，使双子复合式游标电机内外侧各自形成独立运行的电机模块。
外转子包括外转子铁芯1和外转子永磁体2，外转子永磁体2表贴式嵌固在外转子铁芯1气隙侧；内转子包括内转子铁芯5和内转子永磁体6，内转子永磁体6表贴式嵌固在内转子铁芯5气隙侧。
外转子永磁体2和内转子永磁体6结构相同、且均为瓦形。外转子永磁体2和内转子永磁体6均沿周向分为三部分，中间部分的充磁方向为径向，两侧部分的充磁方向与中间部分充磁方向相差45°。外转子永磁体2三部分的充磁方向呈发散式向外，减少了外转子上的轭部磁通并增加了外转子与定子之间的气隙磁通。内转子永磁体6三部分的充磁方向呈聚集式向内，减少了内转子上的轭部磁通并增加了内转子与定子之间的气隙磁通。
因为永磁体为同极性，嵌入转子后，每个同极性永磁体与其结构上相邻的铁靴形成一对极，即交替极。本实施方式采用Halbach充磁阵列形成交替极，能够减少交替极结构存在的漏磁，并增加气隙磁通，减少内外转子轭部的磁通。减少了电机的永磁体用量并提升了电机的转矩输出。
本实施方式所述的复合式交替极永磁游标电机，外转子和内转子共用一个定子，有效地利用了电机内部空间。若结构上没有隔磁环4的存在，当内外转子其中一个转子转动，另一个转子静止时，会产生磁路的互通，影响电机磁路的分布。有了隔磁环4之后，保证了内外侧电机的独立运行状态，通过对内外侧电机运行状态的控制，可实现复合式交替极游标电机的多模式运行。
本实施方式所述的复合式交替极永磁游标电机具备多种运行模式，内外部电机在同转速的条件下，相比等体积下的游标电机，提升了输出转矩、转矩密度和功率密度；相比于采用永磁体NS极为一对极的同种结构电机，使用单极性Halbach永磁体阵列，既提升了电机的输出转矩和反电动势，又减少了永磁体的用量。
当内侧电机独立运行时，向定子内侧绕组8通入电流，而定子外侧绕组7不施加电流激励，内部电机以转速n1进行转动，内部电机通过转轴输出转矩，此时为复合式交替极游标电机的低功率模式，内部电机独立运行。
当外侧电机独立运行时，向定子外侧绕组7通入电流，而定子内侧绕组8不施加电流激励，外部电机以转速n1进行转动，外部电机通过转轴输出转矩，此时为复合式交替极游标电机的高功率模式，外部电机独立运行。
当内外侧电机同时运行时，向定子外侧绕组7、定子内侧绕组8同时通入电流，内外部电机同时以转速n1进行转动，此时复合式交替极游标电机的转矩输出为内外部电机转矩输出之和，相比同体积大小的电机，增加了转矩输出，提升了该电机的转矩密度与功率密度。此时为复合式交替极游标电机的内外部电机同时运行状态，为高转矩模式。
Claims (6)
1.复合式交替极永磁游标电机，包括：同轴设置的定子、外转子和内转子，外转子嵌套在定子外侧，内转子嵌套在定子内侧，定子与外转子、定子与内转子之间均为气隙，
其特征在于，
定子包括：定子铁心(3)、定子外侧绕组(7)和定子内侧绕组(8)，定子铁心(3)外侧为裂槽式结构、内侧为开槽式结构，定子铁心(3)内外侧之间通过隔磁环(4)隔断，定子铁心(3)外侧的调制齿(3-2)数量大于定子内侧齿(3-3)的数量，定子铁心(3)内外侧槽数相同，定子外侧绕组(7)缠绕在定子铁心(3)外侧的定子外侧齿(3-1)上，定子内侧绕组(8)缠绕在定子铁心(3)内侧的定子内侧齿(3-3)上。
2.根据权利要求1所述的复合式交替极永磁游标电机，其特征在于，定子铁心(3)包括同轴嵌套的内外两层环形结构、内外两层环形结构之间通过隔磁环(4)隔断，
内层环形结构的内圆周面均匀设有多个定子内侧齿(3-3)、构成开槽式结构，
外层环形结构的外圆周面均匀设有多个定子外侧齿(3-1)，每个定子外侧齿(3-1)顶部开槽形成两个调制齿(3-2)，使得外层环形结构构成裂槽式结构。
3.根据权利要求1或2所述的复合式交替极永磁游标电机，其特征在于，外转子永磁体(2)和内转子永磁体(6)结构相同、且均为瓦形。
4.根据权利要求3所述的复合式交替极永磁游标电机，其特征在于，外转子永磁体(2)和内转子永磁体(6)均采用Halbach充磁阵列形成交替极。
5.根据权利要求3所述的复合式交替极永磁游标电机，其特征在于，外转子永磁体(2)和内转子永磁体(6)均沿周向分为三部分，中间部分的充磁方向为径向，两侧部分的充磁方向与中间部分充磁方向相差45°，
外转子永磁体(2)三部分的充磁方向呈发散式向外，
内转子永磁体(6)三部分的充磁方向呈聚集式向内。
6.根据权利要求1或2所述的复合式交替极永磁游标电机，其特征在于，
外转子包括外转子铁芯(1)和外转子永磁体(2)，外转子永磁体(2)表贴式嵌固在外转子铁芯(1)气隙侧，
内转子包括内转子铁芯(5)和内转子永磁体(6)，内转子永磁体(6)表贴式嵌固在内转子铁芯(5)气隙侧。
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