CN115224843A - 一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机 - Google Patents

一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机，涉及磁通切换电机领域，包括同轴安装的第一转子、第一定子、隔磁盘、第二定子与第二转子，所述第一转子与第一定子之间存在气隙，第二转子与第二定子之间存在气隙，第一转子、第一定子、第二转子与第二定子的结构为凸极结构，第一转子、第一定子、第二转子与第二定子关于隔磁盘对称设置；同时，本发明在使用时，通过永磁体设置于转子上，提高了转矩密度与功率密度，增强电机过载状态下的转矩能力，减小电机齿槽转矩，永磁体的气隙侧边界为三阶反余弦曲线状，定子齿的气隙边界为反余弦曲线状且定子容错齿上开有辅助槽，能够有效削弱产生齿槽转矩的气隙磁场谐波，进而降低转矩脉动。

Description

一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机
技术领域
本发明涉及磁通切换电机领域，具体的是一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机。
背景技术
永磁同步电机根据永磁体的位置可以分为表贴式永磁同步电机与内置式永磁同步电机，其中传统表贴式永磁同步电机的永磁体布置于转子表面，该结构加大了气隙的长度，增加了电机的体积，减弱了气隙磁密，降低了电机的转矩密度；内置式永磁同步电机的永磁体位于定子内部，影响电机的机械强度，不利于高速运行，增加了制作的工作难度且不利于永磁体的散热。并且永磁体位于定子使得电枢绕组槽面积被严重挤压，定子齿部磁路饱和严重，使得电机气隙磁密谐波含量增加，气隙磁密正弦度差；并且使得电机绕组铜耗与定子损耗急剧增加，削弱电机过载状态下转矩能力，电机整体发热严重，对电机工作寿命与可靠性产生不良影响。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机，本发明旨在解决现有技术中存在的定子永磁型混合励磁电机齿槽转矩大，输出转矩波动大，过载能力差，散热效率低等问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机，包括同轴安装的第一转子、第一定子、隔磁盘、第二定子与第二转子；
所述第一转子与第一定子之间存在气隙，第二转子与第二定子之间存在气隙，第一转子、第一定子、第二转子与第二定子的结构为凸极结构，第一转子、第一定子与第二转子、第二定子分别位于所述隔磁盘的两侧并且相对于所述隔磁盘对称设置。
进一步地，所述第一转子与第二转子包括转子模块单元与转子固定盘，转子模块单元包括第一转子极、第二转子极与永磁体，第一转子极与第二转子极的结构相同，永磁体设置于所述第一转子极与第二转子极之间，第一转子极与第二转子极靠近气隙侧的边界为三阶反余弦曲线，转子模块单元在所述转子固定环外侧沿圆周均匀分布。
进一步地，所述第一定子与第二定子包括定子铁心、电枢绕组与调磁绕组，定子铁心包括定子电枢齿、定子容错齿与定子轭部，定子电枢齿靠近气隙侧的边界为反余弦曲线，定子容错齿靠近气隙侧的边界为反余弦函数且在中心开有辅助槽，定子电枢齿与定子容错齿在所述定子轭部上沿圆周均匀交替分布。
进一步地，所述永磁体为切向充磁，相邻永磁体的充磁方向一致，所述第一转子与第二转子上对应相同位置的永磁体充磁方向一致。
进一步地，所述电枢绕组绕制于所述定子电枢齿上；所述调磁绕组绕制于所述定子容错齿上。
进一步地，所述第一转子极与第二转子极靠近气隙侧的边界的三阶反余弦曲线的函数为：
γ(α)＝k(a)δ/[cos(απ/τp)-cos(3απ/τp)]
所述定子电枢齿与定子容错齿靠近气隙侧的边界的反余弦曲线函数为：
γ(α)＝δ/cos(απ/τp)
其中：γ为电机的气隙长度，k(a)为气隙修正系数，δ为常规边界下的气隙长度，α为转子齿的极弧角度，τp为转子极距；所述定子容错齿上的开槽深度为 d，开槽宽度为w，其中d的范围为0.4～0.8mm，w的范围为0.3～0.7mm。
进一步地，所述第一转子极、第二转子极、定子铁心采用硅钢材料叠压而成，永磁体采用钕铁硼永磁体。
本发明的有益效果：
1.本发明的永磁体设置于转子上，提高了转矩密度与功率密度，增强电机过载状态下的转矩能力，减小电机齿槽转矩；
2.气隙的转子侧边界为三阶反余弦曲线状，定子侧边界为反余弦曲线状且定子容错齿上开有辅助槽，能够有效削弱产生齿槽转矩的气隙磁场谐波，进而降低转矩脉动；
3.电枢绕组采用集中绕组，减小端部长度，减小绕组电阻与电机铜耗，功率密度大，效率较高；调磁绕组与电枢绕组磁路并联，提高永磁体工作点的稳定性，在实现磁场的连续调节的同时，有效避免永磁体退磁与永磁磁通短路问题；
4.采用隔磁盘将定子分为两部分，实现了两个定子磁路的解耦，降低了磁路的饱和程度，也提高了电机的容错运行能力。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明转子结构示意图。
图3是本发明定子结构示意图。
图4是本发明定转子边界曲线示意图。
图5是本发明角度为α1时永磁磁通路径图。
图6是本发明角度为α2时永磁磁通路径图。
图7是本发明增磁运行原理图。
图8是本发明弱磁运行原理图。
图中：1、第一转子；2、第一定子；3、隔磁盘；4、第二定子；5、第二转子；1-1、转子模块单元；1-2、转子固定盘；1-1-1、第一转子极、1-1-2、第二转子极、1-1-3、永磁体；2-1、定子铁心、2-2、电枢绕组；2-3、调磁绕组；2-1-1、定子电枢齿；2-1-2、定子容错齿；2-1-3、定子轭部；6、转子角度为α1时永磁磁通路径；7、转子角度为α2时永磁磁通路径；8、电机增磁运行时永磁磁通路径； 9、电机增磁运行时励磁磁通路径；10、电机弱磁运行时永磁磁通路径；11、电机弱磁运行时励磁磁通路径。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，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组件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。
一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机，如图1所示，包括同轴安装的第一转子1、第一定子2、隔磁盘3、第二定子4与第二转子5，电枢绕组2-2绕制于定子电枢齿2-1-1上；调磁绕组2-3绕制于定子容错齿2-1-2 上；第一转子极1-1-1、第二转子极1-1-2、定子铁心2-1采用硅钢材料叠压而成；永磁体1-1-3采用钕铁硼永磁体；第一转子极1-1-1、第二转子极1-1-2的数量为 12n±2k个；定子电枢齿2-1-1、定子容错齿2-1-2的数量为12n个；电枢绕组2-2 与调磁绕组2-3的数量为12n个，其中k，n为正整数；双转子与双定子组成的双气隙对称结构，可以平衡两侧轴向磁拉力，采用隔磁盘3实现了两个定子磁路的解耦，降低了磁路的饱和程度，也提高了电机的容错运行能力。
如图2所示，第一转子1与第二转子5包括转子模块单元1-1与转子固定盘 1-2；转子模块单元1-1包括第一转子极1-1-1、第二转子极1-1-2与永磁体1-1-3；第一转子极1-1-1与第二转子极1-1-2的结构相同；第一转子极1-1-1与第二转子极1-1-2靠近气隙侧的边界为三阶反余弦曲线；转子模块单元1-1在转子固定盘1-2外侧沿圆周均匀分布；永磁体1-1-3设置于第一转子极1-1-1与第二转子极1-1-2之间；永磁体1-1-3为切向充磁，相邻永磁体1-1-3的充磁方向一致，第一转子1与第二转子5上对应相同位置的永磁体1-1-3充磁方向一致。
如图3所示，第一定子2与第二定子4包括定子铁心2-1、电枢绕组2-2与调磁绕组2-3；定子铁心2-1包括定子电枢齿2-1-1、定子容错齿2-1-2与定子轭部2-1-3；定子电枢齿2-1-1靠近气隙侧的边界为反余弦曲线；定子容错齿2-1-2 靠近气隙侧的边界为反余弦函数且在中心开有辅助槽；定子电枢齿2-1-1与定子容错齿2-1-2在定子轭部2-1-3上沿圆周均匀交替分布。
如图4所示，第一转子极1-1-1与第二转子极1-1-2靠近气隙侧的边界的三阶反余弦曲线的函数为：γ(α)＝k(a)δ/[cos(απ/τp)-cos(3απ/τp)]；所述定子电枢齿 (2-1-1)与定子容错齿(2-1-2)靠近气隙侧的边界的反余弦曲线函数为：γ(α)＝δ/cos(απ/τp)，其中：γ为电机的气隙长度，k(a)为气隙修正系数，δ为常规边界下的气隙长度，α为转子齿的极弧角度，τp为转子极距；所述定子容错齿2-1-2上的开槽深度为d，开槽宽度为w，其中d的范围为0.4～0.8mm，w的范围为 0.3～0.7mm。
上述电机的工作运行原理：当第一转子1与第二转子5运行至α1角度时，转子角度为α1时永磁磁通路径6在图5中进行表示，以A相为例，根据“磁阻最小原理”，永磁磁通沿箭头方向穿入电枢绕组A1、A2；当第一转子1与第二转子5运行至α2角度时，转子角度为α2时永磁磁通路径7在图6中表示，磁通沿箭头的方向穿出电枢绕组。在上述两种位置电枢绕组A1、A2匝链的永磁磁通数值相同极性相反，当第一转子1与第二转子2连续转动时，电枢绕组绕组 A1、A2匝链的永磁磁通在正负幅值之间发生周期性变化，对应产生幅值与相位交替变化的感应电动势。
所述第一转子极1-1-1、第二转子极1-1-2的数量为12n±2k个；所述定子电枢齿2-1-1、定子容错齿2-1-2的数量为12n个；所述电枢绕组2-2与调磁绕组 2-3的数量为12n个，其中k，n为正整数。
当调磁绕组2-3中通入正向励磁电流时，如图7所示，虚线为电机增磁运行时永磁磁通路径8，点划线为电机增磁运行时励磁磁通路径9，两种磁通方向相同，两者合成磁通增强气隙磁场，电机运行于增磁模式；在相同转子位置，改变励磁电流方向，励磁绕组中通入反向励磁电流，如图8所示，虚线为电机弱磁运行时永磁磁通路径10，点划线为电机弱磁运行时励磁磁通路径11，励磁磁通与永磁磁通方向相反，两者合成磁通削弱电机气隙磁场，电机运行于弱磁模式。通过调节励磁电流的方向与大小，改变调磁绕组2-3所产生的磁链，实现电枢绕组2-2磁链的灵活调节，使得电机在宽广的恒功率调速范围内运行。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机，其特征在于，包括同轴安装的第一转子(1)、第一定子(2)、隔磁盘(3)、第二定子(4)与第二转子(5)；
所述第一转子(1)与第一定子(2)之间存在气隙，第二转子(5)与第二定子(4)之间存在气隙，第一转子(1)、第一定子(2)、第二转子(5)与第二定子(4)的结构为凸极结构，第一转子(1)、第一定子(2)与第二转子(5)、第二定子(4)分别位于所述隔磁盘(3)的两侧并且相对于所述隔磁盘(3)对称设置。
2.根据权利要求1所述的一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机，其特征在于，所述第一转子(1)与第二转子(5)包括转子模块单元(1-1)与转子固定盘(1-2)，转子模块单元(1-1)包括第一转子极(1-1-1)、第二转子极(1-1-2)与永磁体(1-1-3)，第一转子极(1-1-1)与第二转子极(1-1-2)的结构相同，永磁体(1-1-3)设置于所述第一转子极(1-1-1)与第二转子极(1-1-2)之间，第一转子极(1-1-1)与第二转子极(1-1-2)靠近气隙侧的边界为三阶反余弦曲线，转子模块单元(1-1)在所述转子固定环(1-2)外侧沿圆周均匀分布。
3.根据权利要求1所述的一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机，其特征在于，所述第一定子(2)与第二定子(4)包括定子铁心(2-1)、电枢绕组(2-2)与调磁绕组(2-3)，定子铁心(2-1)包括定子电枢齿(2-1-1)、定子容错齿(2-1-2)与定子轭部(2-1-3)，定子电枢齿(2-1-1)靠近气隙侧的边界为反余弦曲线，定子容错齿(2-1-2)靠近气隙侧的边界为反余弦函数且在中心开有辅助槽，定子电枢齿(2-1-1)与定子容错齿(2-1-2)在所述定子轭部(2-1-3)上沿圆周均匀交替分布。
4.根据权利要求1所述的一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机，其特征在于，所述永磁体(1-1-3)为切向充磁，相邻永磁体(1-1-3)的充磁方向一致，所述第一转子(1)与第二转子(5)上对应相同位置的永磁体(1-1-3)充磁方向一致。
5.根据权利要求1所述的一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机，其特征在于，所述电枢绕组(2-2)绕制于所述定子电枢齿(2-1-1)上；所述调磁绕组(2-3)绕制于所述定子容错齿(2-1-2)上。
6.根据权利要求1所述的一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机，其特征在于，所述第一转子极(1-1-1)与第二转子极(1-1-2)靠近气隙侧的边界的三阶反余弦曲线的函数为：
γ(α)＝k(a)δ/[cos(απ/τp)-cos(3απ/τp)]
所述定子电枢齿(2-1-1)与定子容错齿(2-1-2)靠近气隙侧的边界的反余弦曲线函数为：
γ(α)＝δ/cos(απ/τp)
其中：γ为电机的气隙长度，k(a)为气隙修正系数，δ为常规边界下的气隙长度，α为转子齿的极弧角度，τp为转子极距；所述定子容错齿(2-1-2)上的开槽深度为d，开槽宽度为w，其中d的范围为0.4～0.8mm，w的范围为0.3～0.7mm。
7.根据权利要求1所述的一种混合励磁轴向磁场非对称气隙混合励磁辐条式永磁电机，其特征在于，所述第一转子极(1-1-1)、第二转子极(1-1-2)、定子铁心(2-1)采用硅钢材料叠压而成，永磁体(1-1-3)采用钕铁硼永磁体。
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