CN114696558A - 一种多档位主副齿式交替极永磁游标电机 - Google Patents

Abstract

一种多档位主副齿式交替极永磁游标电机，属于游标电机领域。解决了电机转矩低、转矩脉动大，以及游标电机结构过于复杂等的问题。本发明中采用双定子结构，充分利用电机内部空间，定子齿采用主副齿式设计，主齿的设计降低电机转矩脉动，且简化电机结构，副齿的设计可以引入更多的有效谐波，提高电机的输出转矩。中间使用共同转子，减少电机气隙层数。转子内侧和外侧均放有同极性表贴式永磁体，永磁体在径向的位置相同，每对同极性永磁体与其相邻的极靴形成一对极，即交替极，从而达到降级电机成本，提高永磁体的利用率，同时电机的电磁性能得到提升。本发明适用于风力发电、海洋波浪发电、电动汽车、船舶驱动等领域。

Description

一种多档位主副齿式交替极永磁游标电机

技术领域

本发明属于永磁游标电机领域。

背景技术

磁齿轮在很早就已经被提出，但由于早期永磁材料性能的限制，并未得到广泛的关注。随着永磁材料性能的不断提高，基于“磁齿轮效应”的复合电机的研究再次引起国内外专家学者的关注。永磁游标电机是基于磁场调制原理的一种新型电机。在许多低速直驱的应用场合，传统的永磁同步电机尺寸一般较大，而且需要较高的定子槽数和电枢绕组数，而利用磁场调制的永磁游标电机，可将转速较低的转子永磁体调制成转速较高的定子气隙磁场，从而达到“自增速”的效果，实现更高的输出转矩密度和更高的传递可靠性。永磁游标电机的结构多样性和多变性，为其发展和应用提供更多的可能。

永磁游标电机的效率高、转矩密度大且运行平稳。但对于多数单定转子以及带调磁环结构的永磁游标电机而言，电机的内部空间和调磁环所占空间都仍有较大的利用价值和更大的优化空间。如能合理的利用电机的内部空间，电机的转矩密度将能进一步的得到提升；如将调磁环和定子齿相结合，即分裂齿，不仅减少一层气隙层，降低拓扑结构的复杂程度，还能更进一步减小电机的体积，为后续的批量生产降低难度。

永磁游标电机不同于常规永磁电机，其定子绕组极对数和转子极对数有着特定的数量关系，通常转子极对数要大一些，这也导致永磁体极对数较多，而利用交替极结构，不仅可以大大减少永磁体的用量，还能在一定程度上提升电机的电磁性能。

发明内容

本发明结合了永磁游标电机的特点，设计充分利用了电机内部空间；采用主副齿的结构，引入更多的有效谐波以提升转矩；并考虑到永磁体用量问题，运用交替极。最终提出了一种转矩密度高、功率密度高、可多模式运行的多档位主副齿式交替极永磁游标电机。

双定子复合式游标电机，包括：外定子、共用转子、内定子、绕组、永磁体。

外定子和内定子是相似的结构，具有相同的槽数和相同的主副齿式结构，而且内定子和外定子各拥有一套独立的绕组。每个定子齿上分别开有两个主齿和两个副齿，相对于常规的分裂齿，主齿的设计完全延续分裂齿的优点，而副齿的设计引入更多的有效谐波，进一步提高电机的输出转矩。上述说明可以得知，内外侧具有相同的极槽配比，在保证性能的前提下简化电机结构，提高电机的实用性。

共用转子内侧和外侧均放有P₁对同极性表贴式永磁体，永磁体在径向的位置相同。

具体的，所述的外定子和内定子采用相同的结构，均为主副齿式结构，主齿延续分裂齿的优点，副齿在此基础上引入更多的有效谐波提高电机出力。内外侧定子具有相同的极慒配比，在简化电机结构同时避免内外侧磁路的相互干扰。

具体的，所述的同极性表贴式永磁体分别以曲边梯形嵌在内外转子靠近气隙侧的表面。因均采用同极性的永磁体，嵌入转子中，每对同极性永磁体与其相邻的极靴形成一对极，即交替极。

具体的，所述的内外侧定子具有各自的一套独立绕组，任意一侧定子绕组通电，另一侧定子和共用转子为其提供运行条件，在加上内外定子拥有相同的极槽配比，为电机的多模式运行提供条件。

进一步的，在定子齿上引入副齿的设计，使电机能够利用更多的有效谐波，在提升电机转矩的同时，使电机的转矩脉动更小，运行更加平稳。

进一步的，内外侧定子采用完全相同的结构，当电机一侧绕组通电而另一侧绕组断电时，电机仍然可以正常运行，提高电机的运行稳定性，而当内外侧极槽配比不同时，电机磁路会受到一定程度的干扰，影响电机磁路分布，如要解决磁路互相干扰，需在转子中间加入隔磁层，这样就增加电机后续批量生产的难度，而内外侧极槽配比相同可以避免隔磁层的存在，达到简化电机的整体结构，为后续生产提供便利。

进一步的，共用转子上的永磁体采用交替极，在保证性能的前提减少永磁体的用量。在定子内外侧的永磁体保持在径向方向上的位置相同，且具有相同的极弧系数，从而减少转子内外侧永磁体错位，使得转子内部直接形成闭合的磁路；相同的径向位置使两侧永磁体共同出力，内外侧永磁体的叠加相当于增加永磁体厚度，增加气隙磁密。

本发明的多档位主副齿式交替极永磁游标电机，充分合理地运用电机的内部空间。定子外侧绕组和定子内侧绕组各有一套绕组，加上本发明电机结构的特殊性，使其任意一侧绕组通电，电机即可运行。主副齿的设计为本发明一大亮点，主齿的设计完全保留分裂齿的优点，副齿的设计是引入更多有效谐波，提高电机的输出转矩，起到辅助性的作用，故称为主副齿，因此称该游标电机为主副齿式，同极性永磁体的转子结构称为交替极。任意一侧电枢绕组通电电机便可运行，电机根据定子通电的三种选择可分为高、中、低三个档位，故为多档位。由于外定子槽可放置更多匝数的绕组，外定子半径大于内定子半径，所以在外定子绕组单独通电运行时，电机的输出转矩要大于内定子绕组单独通电时的输出转矩。故内定子单独通电运行时为低档位，外定子单独通电运行时为中档位，内外电子同时通电运行时为高档位，工作时可根据需求选择不同的档位，既能实现低速大转矩，又可保证资源的高效利用，实现绿色科学的宗旨。

附图说明

图1为电机有效分布结构示意图；

图2为电机外定子结构示意图；

图3为电机转子结构示意图；

图4为电机永磁体结构示意图；

图5为电机内定子结构示意图；

图6为电机外定子主副齿结构局部放大示意图；

图7为电机内定子主副齿结构局部放大示意图；

具体实施方式

多档位主副齿交替极永磁游标电机具备三种运行模式，当需要较大的转矩输出时，内外测定子同时通电，此时电机输出最大转矩；当需要转矩较小时，可选择给内定子电枢绕组或者外定子电枢绕组通电，电机输出相对较低的转矩，而且由于外定子槽的空间大于内定子槽的空间，所以外定子可以放置更多匝数的绕组，当只有外侧绕组通电时输出的转矩要大于内定子绕组单独通电时的输出转矩，这也给用户更多的选择可能。当有一侧绕组断电或故障时，电机也能保持一定的转矩输出，提高电机运行的稳定性。相对于传统的NS极为一对极的同种结构的电机，采用交替极，既提高永磁体的利用率，降低永磁体的用量，又使电机的输出转矩和反电动势得到提升。以下将结合附图和实施例来详细说明本发明的实施方式。

参见图1至图4，为本实施方案所述的多档位主副齿交替极游标电机的结构图，包括外定子1、永磁体2、转子3、内定子4、外定子绕组5、内定子绕组6、外定子主齿7、外定子副齿8、内定子主齿9、内定子副齿10。

参见图2和图6，外定子1上缠绕一套绕组，即外定子绕组5，外定子1的定子齿由一对外定子主齿7和一对外定子副齿8组成。

参见图2和图5，外定子1和内定子4具有相似的拓扑结构，并且拥有相同的定子槽数。

参见图3和图4，转子3具有双边结构，在转子3内外两侧嵌有曲边梯形形状的转子外侧永磁体2-1和转子内侧永磁体2-2，放置方式均为表贴式；转子外侧永磁体2-1和转子内侧永磁体2-2都采用径向充磁的方式且拥有相同的极弧系数。

参见图5和图7，内定子4上缠绕一套绕组，即内定子绕组6。内定子4的定子齿由一对内定子主齿9和一对内定子副齿10组成。

下面给出多档位运行的具体实施方式：

低档位模式：内定子绕组6通入电流，对外定子绕组5不施加电流激励，转子以转速n1进行转动，电机通过转轴输出转矩，此时为多档位主副齿式交替极游标电机的低档位模式，即内定子单独运行。

中档位模式：外定子绕组5通入电流，对内定子绕组6不施加电流激励，转子以转速n1进行转动，电机通过转轴输出转矩，此时为多档位主副齿式交替极游标电机的中档位模式，即外定子单独运行。

高档位模式：对外定子绕组5、内定子绕组6同时通入电流，转子以转速n1进行转动，此时多档位主副齿式交替极游标电机的转矩输出为内定子4和外定子1共同作用下的转矩，此时相比同体积大小的电机，具有更高的转矩输出，提升了转矩密度与功率密度。此时为多档位主副齿式交替极游标电机的高档位模式，即内外定子绕组同时通电运行。

Claims (5)

1.一种具有多档位运行的主副齿式交替极游标电机，包括：外定子(1)、转子外侧永磁体(2-1)、转子内侧永磁体(2-2)、转子(3)、内定子(4)、外定子绕组(5)、内定子绕组(6)、外定子主齿(7)、外定子副齿(8)、内定子主齿(9)和内定子副齿(10)。

转子(3)具有双边结构，在转子(3)内外两侧嵌有曲边梯形形状的转子外侧永磁体(2-1)和转子内侧永磁体(2-2)，放置方式均为表贴式；外定子(1)和内定子(4)均采用主副齿式结构，外定子齿由一对外定子主齿(7)和一对外定子副齿(8)组成，内定子齿由一对内定子主齿(9)和一对内定子副齿(10)组成，外定子绕组(5)缠绕在外定子(1)槽中，内定子绕组(6)缠绕在内定子(4)槽中。

其特征在于，外定子(1)、内定子(6)共用一个转子(3)，有效地利用了电机内部空间。外定子(1)、内定子(6)均采用主副齿结构，其是集调磁环和开口槽于一体，减少气隙层数的同时也简化电机结构，副齿的设计引入有效谐波提升电机出力；定子外侧绕组(5)和定子内侧绕组(6)各有一套绕组，使其任意一侧通电电机即可运行；转子外侧永磁体(2-1)、转子内侧永磁体(2-2)均为交替极且径向位置相同，减少电机永磁体用量的同时，内外永磁体互相作用进一步提高气隙磁密，提升电机的输出转矩。

2.根据权利要求1所述的一种具有多档位运行的主副齿式交替极游标电机，其特征在于，当内定子绕组单独通电运行时，此时主副齿式交替极游标电机为低档位模式。

3.根据权利要求1所述的一种具有多档位运行的主副齿式交替极游标电机，其特征在于，当外定子绕组单独通电运行时，此时主副齿式交替极游标电机为中档位模式。

4.根据权利要求1所述的一种具有多档位运行的主副齿式交替极游标电机，其特征在于，当内外定子绕组同时通电运行时，此时双定子复合式电机转矩输出为内外定子共同作用下的电机转矩输出，此时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。

5.根据权利要求1所述的一种具有多档位运行的主副齿式交替极游标电机，其特征在于，主副齿的设计，主齿起到调磁块的作用，而副齿是可以引入更多的有效谐波，增加电机的出力。

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