CN114944716A - 一种新型定转子双边永磁电机 - Google Patents

一种新型定转子双边永磁电机 Download PDF

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李焱鑫
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Abstract

本发明涉及一种新型定转子双边永磁电机，包括包括：定子铁心、定子绕组、定子永磁体、转子铁心和转子永磁体；其中，所述定子铁心上具有定子齿和定子槽，所述定子槽内嵌入所述定子绕组，所述定子槽的两端为定子槽口，所述定子槽口处嵌入所述定子永磁体；所述定子永磁体和所述转子永磁体均采用交替极式安置方式。本发明的有益效果是：本发明提出的电机结构不仅利用了转子永磁体与定子绕组产生的电枢磁场相互作用产生转矩，而且利用了定子永磁体通过转子铁心调制后产生的磁场与电枢磁场作用产生转矩，因此电机的总输出转矩大，时候用于低速大转矩的场合，具有较好的应用前景。

Description

一种新型定转子双边永磁电机
技术领域
本发明涉及永磁电机转子领域，更确切地说，它涉及一种新型定转子双边永磁电机。
背景技术
永磁电机中采用了高性能永磁材料，因而使得电机体积减小、转矩密度和功率密度高、结构简单、可靠性高以高效率高。由于这些优点，永磁电机广泛应用于各种领域。永磁电机的诸多优点是由磁钢带来的，一般情况下多采用转子安置永磁体+定子电枢供电结构的永磁电机，也称之为转子永磁电机。在某些特殊的场合下也会采用定子安置永磁体+定子电枢供电的定子永磁型电机。
如果能同时让定子和转子两边都存在永磁体且二者对于输出转矩的贡献一致，则能够的到极高转矩密度的定转子双永磁电机。现有技术中，定子侧通常采用海尔贝克(Halbach)结构，而转子侧也提倡采用Halbach结构。但是转子侧Halbach结构固定困难，极大的限制了转子转速，为了能安全的固定转子Halbach永磁阵列，还需要额外的护套或者磁桥，这都将增加转子部分的漏磁或者定转子间气隙，最终降低电机的输出转矩。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了一种新型定转子双边永磁电机，包括：定子铁心、定子绕组、定子永磁体、转子铁心和转子永磁体；
其中，所述定子铁心上具有定子齿和定子槽，所述定子槽内嵌入所述定子绕组，所述定子槽的两端为定子槽口，所述定子槽口处嵌入所述定子永磁体；所述定子永磁体和所述转子永磁体均采用交替极式安置方式。
作为优选，所述定子绕组由若干形状相同的线圈构成，所述线圈包括有效部分和无效端部，所述有效部分包括两个有效边，所述有效部分放置在定子槽中且与所述定子铁心的轴向长度重合；所述无效端部放置在定子槽外且与所述有效部分连接。
作为优选，所述有效部分的两个有效边之间跨过的定子齿的数量为1。
作为优选，所述有效部分的两个有效边之间跨过的定子齿的数量为大于1的整数，所述定子槽内存在双层绕组槽内线圈边，所述双层绕组槽内线圈边对应的无效端部重叠。
作为优选，所述定子永磁体的排列方式为海尔贝克式永磁阵列，所述定子永磁体包括海尔贝克永磁阵列中心位置永磁体和海尔贝克永磁阵列两边端永磁体，所述海尔贝克永磁阵列中心位置永磁体的磁化方向沿着径向，所述海尔贝克永磁阵列两边端永磁体的磁化方向为径向1与圆周方向的合成方向或圆周方向。
作为优选，所述转子铁心上具有转子槽、转轴孔和通风孔，所述转子槽上安置有所述转子永磁体，所述转子槽与定转子气隙接近的一部分之间具有第一磁桥，所述转轴孔上具有键槽和凸键。
作为优选，所述转子永磁体由多块永磁体组成，所述多块永磁体之间具有第二磁桥。
作为优选，所述转子永磁体的一个极内由两块矩形永磁体构成V型。
作为优选，所述定子铁心的材料为硅钢、钴钢或镍钢；所述转子铁心的材料为硅钢、钴钢或镍钢。
作为优选，所述定子永磁体的材料为铝镍钴、铁氧体、钐钴或钕铁硼；所述转子永磁体的材料为铝镍钴、铁氧体、钐钴或钕铁硼。
本发明的有益效果是：本发明提出的电机结构不仅利用了转子永磁体与定子绕组产生的电枢磁场相互作用产生转矩，而且利用了定子永磁体通过转子铁心调制后产生的磁场与电枢磁场作用产生转矩，因此电机的总输出转矩大，时候用于低速大转矩的场合，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本申请提供的新型定转子双边永磁电机的结构示意图；
图2为本申请提供的定子铁心的结构示意图；
图3为本申请提供的定子绕组的安装示意图；
图4为本申请提供的定子永磁体的安装示意图；
图5为本申请提供的转子铁心的结构示意图；
图6为本申请提供的转子永磁体的安装示意图；
图7为本申请提供的另一种新型定转子双边永磁电机的结构示意图；
图8为定子磁体采用单永磁体的新型定转子双边永磁电机的结构示意图；
图9为定子绕组采用端部非重叠式绕组的新型定转子双边永磁电机的结构示意图；
图10为转子磁体采用U型永磁体的新型定转子双边永磁电机的结构示意图；
图11为转子磁体采用双层一字型永磁体的新型定转子双边永磁电机的结构示意图；
附图标记说明：径向1、圆周方向2、定子铁心3、定子绕组4、定子永磁体5、转子铁心6、转子永磁体7、定子齿8、定子槽9、定子槽口10、有效部分11、无效端部12、双层绕组槽内线圈边13、海尔贝克永磁阵列中心位置永磁体14、海尔贝克永磁阵列两边端永磁体15、转子槽16、第一磁桥17、第二磁桥18、转轴孔19、键槽20、凸键21、通风孔22、矩形永磁体23。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1：
本申请提供了一种100kW的三相永磁同步电机，定子槽口采用海尔贝克(Halbach)永磁阵列交替极结构，转子采用V型内置永磁体交替极结构。定子槽数为30，转子极对数和极数相等为25，绕组为双层叠绕组形式，线圈节距为6，定转子铁心轴向由硅钢片叠压而成总厚80mm。
此外，定转子铁芯都采用硅钢片叠压而成。电机的主要尺寸参数如下表所示。
100kW新型定转子双永磁同步电机主要尺寸
Figure BDA0003639492310000031
如图1和图7所示，新型定转子双边永磁电机包括：定子铁心3、定子绕组4、定子永磁体5、转子铁心6和转子永磁体7；
其中，定子铁心3上具有定子齿8和定子槽9，定子铁心由硅钢、钴钢或镍钢为主要成分的钢片叠压而成，钢片上通过冲压或线切割工艺等裁出定子齿8和定子槽9用于安置定子绕组4；定子槽9内嵌入定子绕组4，定子绕组4由铜或铝线构成，绕组形式需要根据定转子极槽配合以及电机相数进行确定；定子槽9的两端为定子槽口10；定子槽口10处嵌入定子永磁体5，定子永磁体5为瓦片状横截面形状，定子永磁体5的材料可以为铝镍钴、铁氧体、钐钴、钕铁硼等；定子永磁体5和转子永磁体7均采用交替极式安置方式，也就是说，每个定子槽口10的定子永磁体5布置完全相同，进而定转子两侧的永磁体都能对总输出转矩进行贡献。此外，转子铁心6外径略小于定子铁心3内径用于实现自由的旋转运动，转子铁心6部分槽内嵌入转子永磁体7，定子在合适的机壳、轴承、端盖等部件的固连装配下组成电机。
需要说明的是，交替极结构意味着转子极对数和转子极数相等(本例中均为25)，定子极对数同样和定子齿槽数相等(本例中均为30)。此外，定子绕组的等效电枢极对数并不等于转子极对数。为了同时利用定转子双永磁电机产生转矩，电枢绕组的极对数通过磁场调制效应原理确定，即为定转子极对数之差，本例中30定子极数与25转子极数之差为5，即电枢绕组极对数为5，本例中的30槽定子铁心以及线圈节距为6的双层叠绕组结构也只是应用中的具体实例，绝非限制。25极意味着转子上沿圆周正方向14.4度的范围内为一极的极距。一极之内包含两块磁钢，该磁钢为简单的矩形，也可以称为矩形永磁体23，该矩形永磁体23的尺寸必须相同，因而用于嵌入矩形永磁体23的槽孔尺寸一致，永磁体沿该极中心径向直线必须承对称分布。
定子绕组4由若干形状相同的线圈构成，线圈包括有效部分11和无效端部12，有效部分11包括两个有效边，有效部分11放置在定子槽9中且与定子铁心3的轴向长度重合；无效端部12放置在定子槽9外且与有效部分11连接。
需要说明的是，本申请不对有效部分11的两个有效边之间跨过的定子齿8的数量进行限定，有效部分11的两个有效边之间跨过的定子齿8的数量可以为1，也可以为大于1的整数。
在有效部分11的两个有效边之间跨过的定子齿8的数量为大于1的整数时，一个定子槽9内存在双层绕组槽内线圈边13，双层绕组槽内线圈边13对应的无效端部12重叠，也即定子绕组4采用端部重叠式绕组。
定子永磁体5的排列方式为海尔贝克式永磁阵列，定子永磁体5包括海尔贝克永磁阵列中心位置永磁体14和海尔贝克永磁阵列两边端永磁体15，海尔贝克永磁阵列中心位置永磁体14的磁化方向沿着径向1，海尔贝克永磁阵列两边端永磁体15的磁化方向为径向1与圆周方向2的合成方向或圆周方向2。其中，定子永磁体5采用海尔贝克式永磁阵列能够提高定子永磁体5对总输出转矩的贡献。此外，Halbach永磁阵列中心位置永磁体14和海尔贝克永磁阵列两边端永磁体15的磁化方向必须和定子绕组4的相绕组正方向对应。
转子铁心6上具有转子槽16、转轴孔19和通风孔22，转子铁心6由硅钢、钴钢或镍钢为主要成分的钢片延圆周方向叠压而成，钢片上通过冲压或线切割工艺等裁出用于安置转子永磁体和转子轴的槽孔(转子槽16和转轴孔19)；通风孔22用于转子运行时的散热和减重；转子槽16上安置有转子永磁体7，转子永磁体7的材料可以为铝镍钴、铁氧体、钐钴、钕铁硼等；转子槽16与定转子气隙接近的一部分之间具有第一磁桥17，该第一磁桥17用于隔磁；转轴孔19上具有键槽20和凸键21，转子铁心6通过转轴孔19与转轴进行装配，装配可以通过结合键槽20或凸键21进行。并且，本申请不对通风孔22、转轴孔19以及转轴的形状进行限定。
在转子永磁体7由多块永磁体组成时，多块永磁体之间具有第二磁桥18，该第二磁桥18用于加强转子机械强度。
转子永磁体7的一个极内由两块矩形永磁体23构成V型，不仅能够有聚磁作用，而且能够极大的提高转子机械强度。其中，转子每极两块尺寸相同的矩形永磁体23构成对称结构，矩形永磁体23磁化方向为简单的平行充磁，实现矩形永磁体23宽度范围内的均匀充磁。两块矩形永磁体23的磁化方向按图1中所示需要合成径向磁场，合成磁场的方向可以沿着径向1的正方向，或者为径向1的负方向，但无论沿着什么方向，相邻极的矩形永磁体23磁化方向必须完全相同，从而保证极对数和极数相等这一关键限制。
需要说明的是，本申请中的电机定转子双永磁结构且转子采用永磁体内置式为重点，电机相数不是约束所在，本例中为三相电机，实际中可以根据所需相数进行齿槽数和绕组结构的修改。
此外，本申请中的定子永磁体5不一定局限于Halbach阵列，可以采用简单的一块径向磁化永磁体即可，图8所示为基于图7结构将定子槽口Halbach阵列更换为简单径向充磁永磁体的结构。
本申请中的定子绕组4需要根据定转子极数之差确定的电枢绕组极对数进行绕组，图7中所示为5对极电枢绕组，因此可以采用单层或如图7中一样的双层绕组，如果为了减小绕组端部长度，也可以通过合适选择极槽配合实现端部非重叠式绕组，例如定子采用和本例中相同但是转子极数为20极的结构，此时电枢绕组极对数为10，所构成的电机如图9所示。
本申请中的转子结构不限于V型磁极，在实际中可以是一字型磁极、U型磁极、W型磁极等磁极结构。关键点在于每个极距内的磁极布置完全相同，意味着当一个极距内的永磁体特征在沿圆周正方向旋转正整数倍的极距后完全相同，同时更为关键的是在一个极距内若永磁体数目大于1，则这些永磁体的尺寸可以有所不同，但是永磁体的分布在极距内对于中心径向直线必须对称，从而保证电机正反转时的特性一致。如图10所示，基于图7，将转子一极内改为U型永磁体布置磁极。
此外，本申请中的转子结构不限于单层磁极，在实际中可以是一层磁极、二层磁极、三型磁极等层数磁极结构。无论磁极为几层结构，一个极距内的永磁体特征在沿圆周正方向旋转正整数倍的极距后完全相同，永磁体的分布在极距内对于中心径向直线必须对称。每一层的永磁体数目可以相同也可以不同，但是总体上极距内磁钢必须对称分布。如图11所示，基于图7,转子一极内改为双层一字型永磁体布置磁极。
综上所述，本申请提供的新型定转子双边永磁电机的定转子两侧的永磁体都能对总输出转矩进行贡献，为此需要满足严格极槽配合且定转子双边永磁体必须采用交替极式安置方式。本申请提出的电机结构不仅利用了转子永磁体与定子绕组产生的电枢磁场相互作用产生转矩，而且利用了定子永磁体通过转子铁心调制后产生的磁场与电枢磁场作用产生转矩，因此电机的总输出转矩大，时候用于低速大转矩的场合，具有较好的应用前景。

Claims (10)

1.一种新型定转子双边永磁电机，其特征在于，包括：定子铁心(3)、定子绕组(4)、定子永磁体(5)、转子铁心(6)和转子永磁体(7)；
其中，所述定子铁心(3)上具有定子齿(8)和定子槽(9)，所述定子槽(9)内嵌入所述定子绕组(4)，所述定子槽(9)的两端为定子槽口(10)，所述定子槽口(10)处嵌入所述定子永磁体(5)；所述定子永磁体(5)和所述转子永磁体(7)均采用交替极式安置方式。
2.根据权利要求1所述的新型定转子双边永磁电机，其特征在于，所述定子绕组(4)由若干形状相同的线圈构成，所述线圈包括有效部分(11)和无效端部(12)，所述有效部分(11)包括两个有效边，所述有效部分(11)放置在定子槽(9)中且与所述定子铁心(3)的轴向长度重合；所述无效端部(12)放置在定子槽(9)外且与所述有效部分(11)连接。
3.根据权利要求2所述的新型定转子双边永磁电机，其特征在于，所述有效部分(11)的两个有效边之间跨过的定子齿(8)的数量为1。
4.根据权利要求2所述的新型定转子双边永磁电机，其特征在于，所述有效部分(11)的两个有效边之间跨过的定子齿(8)的数量为大于1的整数，所述定子槽(9)内存在双层绕组槽内线圈边(13)，所述双层绕组槽内线圈边(13)对应的无效端部(12)重叠。
5.根据权利要求3或4所述的新型定转子双边永磁电机，其特征在于，所述定子永磁体(5)的排列方式为海尔贝克式永磁阵列，所述定子永磁体(5)包括海尔贝克永磁阵列中心位置永磁体(14)和海尔贝克永磁阵列两边端永磁体(15)，所述海尔贝克永磁阵列中心位置永磁体(14)的磁化方向沿着径向(1)，所述海尔贝克永磁阵列两边端永磁体(15)的磁化方向为径向(1)与圆周方向(2)的合成方向或圆周方向(2)。
6.根据权利要求1所述的新型定转子双边永磁电机，其特征在于，所述转子铁心(6)上具有转子槽(16)、转轴孔(19)和通风孔(22)，所述转子槽(16)上安置有所述转子永磁体(7)，所述转子槽(16)与定转子气隙接近的一部分之间具有第一磁桥(17)，所述转轴孔(19)上具有键槽(20)和凸键(21)。
7.根据权利要求6所述的新型定转子双边永磁电机，其特征在于，所述转子永磁体(7)由多块永磁体组成，所述多块永磁体之间具有第二磁桥(18)。
8.根据权利要求7所述的新型定转子双边永磁电机，其特征在于，所述转子永磁体(7)的一个极内由两块矩形永磁体(23)构成V型。
9.根据权利要求1所述的新型定转子双边永磁电机，其特征在于，所述定子铁心(3)的材料为硅钢、钴钢或镍钢；所述转子铁心(6)的材料为硅钢、钴钢或镍钢。
10.根据权利要求1所述的新型定转子双边永磁电机，其特征在于，所述定子永磁体(5)的材料为铝镍钴、铁氧体、钐钴或钕铁硼；所述转子永磁体(7)的材料为铝镍钴、铁氧体、钐钴或钕铁硼。
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