CN113691034B - 一种基于轴向磁通电机的定子结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向磁通电机的定子结构，包括环形分布于定子内三个以上规格相同的线圈单体，每相邻的N个所述线圈单体组成一个线圈单元，定子内共设置有三个线圈单元，任一相邻两个所述线圈单元之间的夹角均为θ，所述θ的取值范围为2～35度，所有的所述线圈单元内的所述线圈单体以360‑3θ角度环形均匀阵列分布。本发明提出了一种轴向磁通电机的非均匀分布的定子结构，同时适用于轴向磁通的有铁芯电机和无铁芯电机，能够有效地降低电机反电动势的高次谐波，提高电机输出电压波形的正弦性。

Description

一种基于轴向磁通电机的定子结构
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种轴向磁通电机的定子结构。
背景技术
传统的永磁同步电机，为提高有效空间绕组的利用率，总是将绕组设计成均匀分布。因此，大多数永磁同步电机绕组会因为磁路饱和而影响电机性能。近年来，为了改善电机气隙磁密的正弦性而设计的电机永磁体采用Halbach阵列排列方式，但是此种排列方式不仅需要考虑永磁体块的尺寸、充磁和安装固定的工艺性，而且永磁体的加工和装配难度较大。现有技术中虽然也有提出改变定子绕组的分布方式来改善电机气隙磁密的正弦性，但也仅仅是针对无铁芯电机，如何对定子绕组进行分布方式使其既能改善无铁芯电机又能同样适用于有铁芯电机是本领域亟待解决的一个技术难题，基于此提出本发明。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于轴向磁通电机的定子结构，同时适用于轴向磁通的有铁芯电机和无铁芯磁通电机，能够有效地降低电机反电动势的高次谐波，提高反电动势波形的正弦性。
本发明提出一种基于轴向磁通电机的定子结构，包括环形分布于定子内三个以上规格相同的线圈单体，每相邻的N个所述线圈单体组成一个线圈单元，定子内共设置有三个线圈单元，任一相邻两个所述线圈单元之间的夹角均为θ，所述θ的取值范围为2～35度，所有的所述线圈单元内的所述线圈单体以360-3θ角度环形均匀阵列分布。
优选的，所述线圈单体包括有定子铁心以及绕在定子铁心上的绕组。
优选的，所述线圈单体的定子铁心材料为铁、磁粉芯、软磁复合材料中的一种。
优选的，所述线圈单体的定子铁心材料为空气。
本发明还提出一种轴向磁通电机，该电机包括上述的定子结构。
本发明的有益效果为：
本发明针对于一种基于轴向磁通电机，通过将组成其定子的线圈单体进行特殊的非均匀分布，既适用于轴向磁通的有铁芯电机又适用于无铁芯电机，能够有效地降低电机反电动势的高次谐波，提高反电动势波形的正弦性。并且本发明的定子工艺简单、组装方便、成本低，提高了电机的工作效率、性价比和加工制作的灵活性，有较好的机械强度和散热特性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例一中定子结构的整体示意图；
图2为本发明实施例一中组成定子的线圈单体结构示意图；
图3为本发明实施例二中定子结构的整体示意图；
图4为本发明实施例二中组成定子的线圈单体结构示意图。
图中：1、漆包线；2、绝缘材料；3、定子铁心；4、绕组。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例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例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是三个或三个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
参照图1-图2，本实施例公开了一种基于轴向磁通电机的定子结构，包括环形分布于定子内三个以上规格相同的线圈单体，以三相电机为例，本实施例中的线圈单体为轴向无铁芯电机内部的线圈单体，即定子铁心3的材料为空气，线圈单体由多根漆包线1绕制而成，相邻两根漆包线1之间具有绝缘材料2，绝缘材料2形成匝间绝缘，将电机绕组中电位不同的导体相互隔开，以免发生匝间短路，每相邻的N个线圈单体组成一个线圈单元，定子内共设置有三个线圈单元，任一相邻两个线圈单元之间的夹角均为θ，θ的取值范围为2～35度，所有的线圈单元内的线圈单体以360-3θ角度环形均匀阵列分布，线圈单元内相邻两个线圈单体之间的夹角为β，θ≠β。(N的取值为整数，例如针对18槽电机而言，N取值为6，共三个线圈单元，定子内每相邻两个线圈单元之间相隔一个θ角度，然后每个线圈单元内所有的线圈单体按360-3θ角度环形阵列分布。同样地，对于不同极槽而言，线圈单体的排布以此类推)。
实施例二
参照图3-图4，本实施例公开了一种基于轴向磁通电机的定子结构，包括环形分布于定子内三个以上规格相同的线圈单体，以三相电机为例，本实施例中的线圈单体为轴向有铁芯电机内部的线圈单体，其由定子铁心3以及绕在定子铁心3上的绕组4组成，定子铁心3的材料选用铁、磁粉芯、软磁复合材料中的一种，绕组4采用带有绝缘层的漆包线1绕制而成；定子铁心3与绕组4之间采用绝缘纸或绝缘漆隔开，避免绕组4与定子铁心3之间发生电气连接。组成定子的线圈单体成环形非均匀方式排布，每相邻的N个线圈单体组成一个线圈单元，定子内共设置有三个线圈单元，任一相邻两个线圈单元之间的夹角均为θ，θ的取值范围为2～35度，所有线圈单元内的线圈单体以360-3θ角度环形均匀阵列分布，线圈单元内相邻两个线圈单体之间的夹角为β，θ≠β。
本发明的定子绕组或者是定子线圈，以其扁平圆盘式的形态应用于轴向磁通电机，设计了一种新型的定子结构，定子内空间上均匀的空开三个θ角度，可以降低反电动势中的高次谐波幅值，由于本发明主要针对的是线圈单体的分布，而线圈单体的形状可任意。下面通过公式来进一步的描述本发明的定子产生的谐波相电动势。
首先本领域中的谐波相电动势有效值计算公式为：
Eφν＝4.44NkNvfvΦv
kNν＝kyνkqν
式中，kNν为第ν次谐波绕组系数，N为线圈匝数，Φv为第ν次谐波每极磁通量，fν为高次谐波的频率。
对于第ν次谐波，槽距电角为να1，则第ν次谐波的绕组系数
Figure GDA0003853894480000041
第ν次谐波的分布系数
Figure GDA0003853894480000042
谐波相电动势有效值为：
Eφν＝4.44NkNνfνφν
其中kNν为第ν次谐波绕组系数
kNν＝kyνkqν
经计算最终得出绕组系数的解析式为：(θ是定子盘内空间上均匀的空开三个角度)
Figure GDA0003853894480000043
以下为计算过程：
其中，y1为节距；τ为极距；q为每极每相槽数。因为线圈单体呈现不均匀分布，y1及q只能视为平均值，令
Figure GDA0003853894480000044
对上式进行整理，即
Figure GDA0003853894480000051
令
Figure GDA0003853894480000059
则：
Figure GDA0003853894480000053
令
Figure GDA00038538944800000510
对上式g求导得：
Figure GDA0003853894480000055
其中，H＝15ν*sin(27gν)*cos(15gν)+27ν*sin(15gν)*cos(27gν)]*sin(16gν)-16ν*sin(15gν)*sin(27gν)*cos(16gν)
由上式可得，H＝0时，kNν取到最小值，对上式化简得：
Figure GDA0003853894480000056
把
Figure GDA0003853894480000057
带入得：
Figure GDA0003853894480000058
通过求解，由于三相绕组对称接法可消除三次谐波，本文优化主要考虑消除5～13次谐波。由于解析计算时错开角的有些取值是没有意义的，而实际取值范围是连续区间，故解析法空开角范围曲线是一条点线，仅供设计参考，经计算可得：kNν在
Figure GDA00038538944800000511
内取到最小值，本发明对电机定子的线圈单体进行特殊分布，使每相邻的N个线圈单体组成一个线圈单元，三个线圈单元中任一相邻两个线圈单元之间的夹角
Figure GDA00038538944800000512
电机反电动势的高次谐波幅值能够得到有效削弱，从而提高反电动势波形的正弦性。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种轴向磁通电机定子结构，其特征在于：包括环形分布于定子内三个以上规格相同的线圈单体，每相邻的多个所述线圈单体组成一个线圈单元，定子内共设置有三个线圈单元，任一相邻两个所述线圈单元之间的夹角均为θ，所述θ的取值范围为2～35度，所有的所述线圈单元内的线圈单体以360-3θ角度环形均匀阵列分布，并且所述线圈单元内相邻两个所述线圈单体之间的夹角为β，θ
≠β；所述线圈单体包括有定子铁心以及绕在定子铁心上的绕组；所述线圈单体的定子铁心材料为铁、磁粉芯或软磁复合材料中的一种；
绕组系数的解析式为：
Figure FDA0003853894470000011
式中，y1为节距；τ为极距；q为每极每相槽数；ν为谐波次数，线圈单体呈现不均匀分布，y1及q为平均值，令
Figure FDA0003853894470000012
代入公式(1)中，
Figure FDA0003853894470000013
令关于θ的函数
Figure FDA0003853894470000014
Figure FDA0003853894470000015
令函数
Figure FDA0003853894470000016
对上式(3)求导得：
Figure FDA0003853894470000017
其中，函数H＝15ν*sin(27gν)*cos(15gν)+27ν*sin(15gν)*cos(27gν)]*sin(16gν)-16ν*sin(15gν)*sin(27gν)*cos(16gν)
由上式可得，H＝0时，kNν取到最小值。
2.一种轴向磁通电机，其特征在于：该轴向磁通电机包括权利要求1所述的轴向磁通电机定子结构。
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