CN114598082A - 一种谐波磁场驱动电机 - Google Patents

Abstract

一种谐波磁场驱动电机，其包括：A.定子叠片上设置若干个齿槽，槽数为Z；B.定子圆周360°机械空间上，定子绕组按照设定的连接规律分为m相；C．带绕组的定子组件单独置于自由空间，任意一相绕组通以直流恒定电流，在定子圆周360°机械空间上，形成的相绕组磁场极对数为Pm；D．每相绕组包含的线包个数为k=n×Pm,n=1，2，3…；E．转子磁钢在圆周方向上按照N极和S极顺序进行依次排列，沿着转子圆周360°机械空间上，形成的转子磁钢极对数为Pr；F．在定子和转子圆周360°机械空间上，组合的空间内形成电机气隙；所述谐波磁场驱动电机转子磁钢极对数Pr必须满足：Pr=Z±Pm；其中谐波磁场驱动电机定子槽数Z=m×k，采用双层绕组。

Description

一种谐波磁场驱动电机

技术领域

本发明涉及一种电机，特别涉及一种谐波磁场驱动电机。

背景技术

电机作为将电能转化为旋转机械能的装置，成为人们追求美好生活不可缺少及不可替代的核心器件。永磁电机具有体积小，效率相对高等优点，被广泛运用到各行各业，特别是稀土永磁材料具有高磁能积的显著优点，被广泛地运用到直流无刷电机（以下简称BLDC）和永磁同步电机（以下简称PMSM）领域，成为引领电机主流的发展方向和趋势。由于稀土永磁材料属于不可再生资源，如何充分提高材料的利用率成为全世界各国研究的重点课题。因此，迫切需要设计一种谐波磁场驱动电机，与传统电机相比，在输出功率相同的条件下，电机体积可以减小，意味着电机的重量也同步进行了减少，能明显节省电机材料的使用成本，尤其是稀土永磁材料的成本，极大地提升了产品的竞争优势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了针对上述现有技术的不足而提供一种谐波磁场驱动电机，使其能够减小体积，提高功率密度。

本发明解决上述存在的问题所采用的技术方案为：一种谐波磁场驱动电机，其包括：转子组件、定子组件、控制模块和线束，所述线束与控制模块通过焊接连接，控制模块通过定位柱和弹性固定卡固定于所述定子组件，线束穿过定子组件设置的径向孔并从轴向孔中引出，定子组件设置的柱形轴承对转子组件起支撑和定位作用，谐波磁场驱动电机通电转子组件沿圆周方向旋转，主要结构表述如下：

A. 定子叠片上设置若干个齿槽，槽数为Z；

B. 在定子圆周360°机械空间上，定子绕组按照设定的连接规律分为m相;

C．带绕组的定子组件单独置于自由空间(不进行电机装配)，任意一相绕组通以直流恒定电流，在定子圆周360°机械空间上，形成的相绕组磁场极对数为Pm;

D．每相绕组包含的线包个数为k=n×Pm （n =1，2，3…）；

E．转子磁钢在圆周方向上按照N极和S极顺序进行依次排列，沿着转子圆周360°机械空间上，形成的转子磁钢极对数为Pr；

F．在定子和转子圆周360°机械空间上，组合的空间内形成电机气隙。

本发明实施例设计为定子槽数 Z=15，转子磁钢极对数 Pr=10，每相线包极对数Pm=5, 每相线包数 k=5。

更具体地，对本发明谐波磁场驱动电机作进一步说明：

谐波磁场驱动电机的原理：A．无论作为BLDC控制或PMSM控制，电机转子转动的必要条件是定子绕组在电机气隙中产生的磁场极对数与转子永磁体极对数相等；B．定子绕组通电后，在电机气隙中产生基波磁动势, 在定子齿槽磁导的作用下，沿气隙空间分布一系列的谐波磁场；C．当特定的气隙谐波磁场的极对数等于永磁体转子极对数Pr时，则会输出稳定的电磁力矩。

为满足谐波磁场驱动电机的原理，必须符合以下条件：

A．谐波磁场驱动电机转子磁极对数Pr必须满足：Z±Pm=Pr，具体表述如下：

①根据安培环路定律：∑H×L=W×I=F ，其中，H—磁场强度，L—磁路长度，W—线圈匝数，I—线圈电流，F—磁动势；

② 在电机磁场闭合回路中,主要经过铁磁物质和电机气隙形成闭合,故电机安培环路定律表示为：H(δ)×L(δ)+H(铁磁)×L(铁磁)=W×I=F，由于铁磁物质中，H(铁磁)很小可以约等于零，故H(δ)×L(δ)=W×I=F；

③ 磁感应强度B与磁场强度H的关系为：B=μ×H，其中，μ—相对导磁率；

④ 故F=WI=B(δ)×L(δ)/μ0 ，其中，μ0—空气相对导磁率；

⑤ 电机气隙磁感应强度可以表示为：B(δ)=F×μ0/L(δ)=F×ʌ(δ)，其中，ʌ(δ) —电机气隙磁导，气隙越小，磁导越大；

⑥ 磁动势F在电机气隙中空间分布为矩形波，根据傅里叶级数可以表示为：

F(α)=(2/π)×F×[sin(Pm×α)+(1/3)×sin(3×Pm×α)+ … +(1/n)×sin(n×Pm×α)] ，其中，n=1，2，3 ...，α—表示沿着气隙圆周方向的机械空间角度，可见，磁动势的基波幅值最大，基波磁动势表达式为：

F1(α)=(2/π)×F×sin(Pm×α)=(2×WI/π)×sin(Pm×α)

⑦ 电机气隙齿磁导ʌδ在空间分布近似矩形波，根据傅里叶级数可以表示为：

ʌδ(α)=ʌ0+ʌ1×cos(Z×α)+ʌ2×cos(2×Z×α)+ … +ʌn×cos(n×Z×α)，其中， n=1，2，3 ...，基波磁导幅值最大，其表达式为：ʌδ1(α)=ʌ0+ʌ1×cos(Z×α)；

⑧ 定子绕组基波磁动势在定子齿磁导的调制下,在电机气隙中沿空间分布产生的磁感应强度表达式：B(α)=F×ʌ(δ)=(2×WI/π)×sin(Pm×α)×[ʌ0+ʌ1×cos(Z×α)]=Bm0×sin(Ps×α)+Bm1×sin(Pm×α)×cos(Z×α)，其中，Bm0=2×WI×ʌ0/π，Bm1=2×WI×ʌ1/π，利用三角公式定理：sin(a)×cos(b)=[sin(a+b)+sin(a-b)]/2，将上述公式进行变化，得出：

B(α)=Bm0×sin(Pm×α)+(Bm1/2)×sin[(Z+Pm)×α]+(Bm1/2)×sin[(Z-Pm)×α]

由上式可见，由定子相绕组通电产生的基波磁动势可以在电机气隙中产生以下三种磁场：

a.极对数为Pm的基波磁动势磁场，该磁场性质相当于定子没有开槽而形成的磁场；

b.极对数为(Z+Pm)的齿谐波磁导磁场，该磁场性质是相当于基波磁动势被定子齿槽调制后形成的磁场；

c.极对数为(Z-Pm)的齿谐波磁导磁场，该磁场性质是相当于基波磁动势被定子齿槽调制后形成的磁场;

⑨ 谐波磁场驱动电机的转子磁极对数Pr选择：

a.根据电机运行基本原理，只有转子磁极对数和定子线圈形成的磁极对数相等时，电机才会输出稳定的电磁力矩；

b.根据上述原理，谐波磁场驱动电机的转子磁极对数Pr必须满足：Z+Pm=Pr或Z-Pm=Pr。

B．谐波磁场驱动电机定子槽数Z的选择：Z = m×k，具体表述如下：

每个线包有2 个元件边，每个定子槽为双层绕组，采用上下层或左右两侧放置2个元件边,这样就意味着定子槽数等于线包总数。

每相绕组包含 k 个线包，电机分为 m 相，则电机定子槽数Z需满足：Z = m×k，采用的双层绕组。

C．谐波磁场驱动电机每相线包个数k和每相线包形成磁极对数Pm的关系：k=n×Pm，其中，n =1，2，3…，具体表述如下：

从电磁场原理可知，1 个线包只能形成 1 对极磁场，所以线包个数 k≥线包磁极极对数 Pm。在电机气隙圆周 360°机械空间上，考虑到气隙磁场幅值对称的原则：形成 1对极的线包个数可以是 1,2,3, …；形成 2 对极的线包个数可以是 2,4,6, …；形成 3对极的线包个数可以是3,6,9,…；形成 Pm 对极的线包个数为：k=n×Pm，其中 n=1，2，3…。

根据原理条件，当采用三相（m=3）绕组结构，谐波磁场驱动电机的定子槽数/转子磁钢极对数/每相线包数组合如下表：

谐波磁场驱动电机的控制方式：适用于BLDC控制方式和PMSM控制方式，其中BLDC为方波电压（电流）驱动方式，PMSM为正弦波电压（电流）驱动方式。

谐波磁场驱动电机提升功率体积密度的原理：

A.永磁电机的基本评价指标：电机作为旋转机械装置，不可避免的会产生振动噪音，而电机齿槽力矩脉动是引起电机振动噪音的重要根源，故电机在追求功率体积密度（瓦/每升）到极致的同时，也必须同时降低齿槽力矩脉动，保证电机振动噪音在合理范围内，这样提升功率体积密度才有实际意义；

B．提升永磁电机功率体积密度的主要手段：a. 优化电机磁路：提升效果有限；b.选用磁能积更高的永磁材料：造成制造成本明显上升；c. 减少电机定子和转子间的气隙值：基本上气隙磁场幅值与气隙值成反比，故提升效果明显；

C．减少电机气隙值对电机齿槽力矩脉动的负面影响：齿槽力矩幅值与气隙磁场幅值的平方成正比，故缩小电机气隙值会使得电机齿槽力矩脉动显著增加，导致电机振动噪音也显著增加；

D. 降低电机齿槽力矩脉动幅值的有效方法：

a. 在维持固定的电机气隙值条件下, 理论研究表明，降低电机齿槽力矩脉动的有效方法是增大电机齿槽力矩波动周期数（转子旋转一周齿槽力矩波动的周期个数），其中，波动周期数等于定子槽数和转子极数的最小公倍数；

b. 谐波磁场驱动电机和传统电机在相同定子槽数条件下的波动周期数对比如下表：

从上表对比结果可以看出，在定子槽数相同的情况下，谐波磁场驱动电机与传统永磁电机相比，谐波磁场驱动电机的齿槽力矩波动周期数增加趋势明显。

更好地，所述转子叠片设置内弧面、燕尾槽左斜面和燕尾槽右斜面分别与磁钢设置的外弧面、左斜面和右斜面配合进行磁钢径向和圆周方向定位，提高磁钢定位精度以保证谐波磁场驱动电机运行平稳性。

更好地，所述定子组件的电机轴上设置径向孔和轴向孔，以方便线束穿过径向孔和从轴向孔通过，实现线束的引出。

更好地，所述定子组件上设置弹性固定卡和定位柱，能提高控制模块定位精度并使其固定更加牢固可靠。

还可以，所述转子组件的磁钢与机壳设计为表贴方式连接，不采用转子叠片及燕尾槽结构进行定位，磁钢粘接过程采用辅助工装进行定位，能起到对磁钢等同的定位效果也是可行的。

还可以，所述磁钢考虑加工过程的方便性，将一根磁钢分成多段结构，不会影响本专利谐波磁场驱动电机的性能和效果。

还可以，所述谐波磁场驱动电机根据不用的用途，设计为外定子内转子结构，同样能达到与本专利实施例外转子内定子结构等同的性能和效果。

还可以，所述谐波磁场驱动电机设计为外定子内转子结构，所述转子组件的磁钢粘接方式可采用表贴方式或表埋方式，同样能达到等同的性能和效果。

还可以，所述谐波磁场驱动电机设计为外定子内转子结构，采用PMSM控制方式，所述转子组件的磁钢可以用内埋方式，同样能达到等同的性能和效果。

与现有技术相比，本发明的优点在于：谐波磁场驱动电机通过设定的定子槽数和转子磁钢极数的组合,大幅提升齿槽力矩波动周期数，可以在缩小谐波磁场驱动电机气隙值的同时, 维持或降低谐波磁场驱动电机的齿槽力矩波动幅值，通过设定的定子绕线方式,使得定子产生的谐波磁场极对数等于转子磁钢的极对数，形成稳定的电磁力矩输出，采用较小的谐波磁场驱动电机气隙设计,大幅提升气隙磁场强度，使谐波磁场驱动电机输出功率正比例提升，谐波磁场驱动电机的功率体积密度也同步正比例提升。与传统电机相比较, 在输出功率相同的条件下, 谐波磁场驱动电机体积减少了一倍以上，意味着谐波磁场驱动电机重量也减少一倍以上，能明显节省电机材料的使用成本，尤其是稀土永磁材料的成本，极大地提升了产品市场竞争优势。该谐波磁场驱动电机结构，可匹配传统的BLDC和PMSM电机控制模块，控制方面具有较强的通用性。

附图说明

图1是本发明实施例谐波磁场驱动电机的立体图。

图2是本发明实施例谐波磁场驱动电机的分解示意图。

图3是本发明实施例谐波磁场驱动电机的结构示意图。

图4a是图3中 A-A 剖面图的局部视图。

图4b是图3中 B-B 剖面图的局部视图。

图5a是图4a中F的局部放大图。

图5b是图4b中P的局部放大图。

图6是本发明实施例转子组件的分解示意图。

图7是图6中W的局部旋转放大图。

图8是本发明实施例磁钢的立体图。

图9是本发明实施例定子组件的分解示意图。

图10是本发明实施例电机轴的剖视图。

图11是本发明另一实施例谐波磁场驱动电机转子在外的结构示意图。

图12是本发明又一实施例谐波磁场驱动电机转子在内的结构示意图。

图13是本发明再一实施例谐波磁场驱动电机转子在内的结构示意图。

图14是本发明再一实施例谐波磁场驱动电机转子在内的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

如图1、2所示，一种谐波磁场驱动电机，其包括转子组件1、定子组件2、控制模块3和线束4。谐波磁场驱动电机通电工作时通过转子组件1的旋转进行扭矩的输出，实现电能转换为机械能。

如图3至图10所示，所述转子组件1由机壳11、转子叠片12和磁钢13组成。

所述转子叠片12通过粘接剂粘接于机壳11内圆面。

所述转子叠片12在内圆上均匀设置20片磁钢（10对极）。

上述转子叠片12设置内弧面1201、燕尾槽左斜面1202和燕尾槽右斜面1203分别与磁钢13设置的外弧面1301、左斜面1302和右斜面1303配合进行磁钢13径向和圆周方向定位，并通过粘接剂按N极和S极交替排列分布粘接于转子叠片12的燕尾槽内，以提高谐波磁场驱动电机运行平稳性。

所述定子组件2的叠片在外圆上均匀设置15个齿槽，每相线包极对数为5, 每相线包数为5。

所述每个线包有2 个元件边，每个定子槽设计采用双层绕组，采用上下层或左右两侧放置2个元件边,定子槽数等于线包总数。

所述定子组件2的叠片外圆与转子组件1的磁钢13形成谐波磁场驱动电机气隙L。

所述线束4与所述控制模块3通过焊接连接。

所述定子组件2设置弹性固定卡212和定位柱213对控制模块3进行定位和固定，使控制模块3的固定更加牢固可靠。

所述定子组件2的电机轴211上设置径向孔2111和轴向孔2112，以方便线束4穿过径向孔2111和从轴向孔2112通过，实现线束4的引出。

所述定子组件2设置的柱形轴承23、28固定于所述转子组件1的机壳11内，并对转子组件1起支撑和定位作用，谐波磁场驱动电机通电工作时转子组件可进行圆周方向旋转。

所述定子组件2设置止位环25、26分别对柱形轴承23、28进行固定，以实现对转子组件1进行轴向限位，设置的耐磨垫片24、27起到减小摩擦力的作用。

如图11所示，所述转子组件的磁钢N、S与机壳111设计为表贴方式连接，不采用转子叠片的燕尾槽定位，能起到对磁钢等同的定位效果。

如图12和图13所示，所述谐波磁场驱动电机设计为外定子内转子结构，所述转子组件的磁钢N、S 粘接方式采用表贴方式或表埋方式连接到转子叠片222上，能达到等同的性能和效果。

如图14所示，所述谐波磁场驱动电机设计为外定子内转子结构，采用PMSM控制方式，所述转子组件的磁钢N、S可以用内埋方式，同样能达到等同的性能和效果。

Claims (2)

1.一种谐波磁场驱动电机，其包括：

A、定子叠片上设置若干个齿槽，槽数为 Z；

B、在定子圆周 360°机械空间上，定子绕组按照设定的连接规律分为 m 相；

C、带绕组的定子组件单独置于自由空间，任意一相绕组通以直流恒定电流，在定子圆周360°机械空间上，形成的相绕组磁场极对数为 Pm；

D、每相绕组包含的线包个数为 k=n×Pm,n =1，2，3…；

E、转子磁钢在圆周方向上按照 N 极和 S 极顺序进行依次排列，沿着转子圆周360°机械空间上，形成的转子磁钢极对数为 Pr；

F、在定子和转子圆周 360°机械空间上，组合的空间内形成电机气隙；

其特征在于，所述谐波磁场驱动电机转子磁钢极对数 Pr 必须满足：Pr =Z±Pm；其中谐波磁场驱动电机定子槽数 Z：Z= m×k，采用双层绕组。

2.如权利要求 1 所述的谐波磁场驱动电机，其特征在于：所述定子叠片槽数 Z=15，转子磁钢极对数 Pr=10，每相线包极对数 Pm=5, 每相线包数 k=5。

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