CN115603477A - 一种模块化永磁游标电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化永磁游标电机，属于永磁电机领域，包括：同轴套设的定子组件和转子组件，定子组件和转子组件之间存在一气隙；定子组件包括定子铁心和绕组；定子铁心为开口槽结构，且包括沿周向均匀设置的多个定子齿模块，定子齿模块包括弧形的定子轭部以及位于定子轭部两端的两个定子齿，相邻定子齿模块的轭部之间存在间隙；绕组绕制在定子齿外周；转子组件包括多个永磁体；优选地，绕组为分数槽集中绕组，且绕组中的每个线圈的跨距为一个槽距；定子齿模块内，槽底宽度大于槽口宽度；转子组件内的多个永磁体为无轭部海尔贝克永磁体阵列。本发明能够打断低次电枢磁场谐波路径，使永磁游标电机同时具有高转矩密度输出和高功率因数。

Description

一种模块化永磁游标电机
技术领域
本发明属于永磁电机领域，更具体地，涉及一种模块化永磁游标电机。
背景技术
与常规永磁同步电机相比，永磁游标电机具有高转矩密度、反电势正弦度好、转矩脉动小等特点，是当前最受关注的新型电机拓扑之一。其定子采用开口槽结构，除起励磁引导作用外，还起到了对转子侧励磁磁势的调制作用。研究表明，经过调制，励磁单元产生多个工作谐波，均可以和定子绕组(电枢单元)交链，进而贡献电动势和转矩。相较于常规的单工作谐波永磁同步电机，永磁游标电机的高转矩密度取决于其多工作谐波特性。
然而，进一步研究发现永磁游标电机的电枢反应强，功率因数普遍较低，并且功率因数和转矩密度负相关，呈现出极比(转子永磁体极对数与定子电枢绕组极对数之比)越大，功率因数越低的趋势。高极比下永磁游标电机功率因数可低至0.5以下，而同样条件下常规永磁电机可达到0.9左右。
低功率因数，一方面造成驱动器容量大幅提升；另一方面带来磁路易饱和、过载能力差、随负荷增大功率因数明显减小等系列寄生效应，严重阻碍了高转矩密度永磁游标电机的工程应用。因此，亟需解决永磁游标电机低功率因数这一技术瓶颈。现有技术中，提出了对永磁游标电机的转子结构进行改进，达到提高功率因数的目的，但是，该方案中转子结构较为复杂，且在输出转矩密度方面，仍有待进一步提高。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种模块化永磁游标电机，其目的在于，使永磁游标电机同时具有高转矩密度输出和高功率因数。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种模块化永磁游标电机，包括：同轴套设的定子组件和转子组件，定子组件和转子组件之间存在一气隙；
定子组件包括定子铁心和绕组；定子铁心为开口槽结构，且包括沿周向均匀设置的多个定子齿模块，定子齿模块包括弧形的定子轭部以及位于定子轭部两端的两个定子齿，相邻定子齿模块的轭部之间存在间隙；绕组绕制在定子齿外周；
转子组件包括多个永磁体。
进一步地，本发明提供的模块化永磁游标电机，绕组为分数槽集中绕组，且绕组中的每个线圈的跨距为一个槽距。
进一步地，本发明提供的模块化永磁游标电机，定子齿模块内，槽底宽度大于槽口宽度。
在一些可选的实施例中，本发明提供的模块化永磁游标电机，转子组件内的多个永磁体为无轭部海尔贝克永磁体阵列。
在一些可选的实施例中，本发明提供的模块化永磁游标电机，转子组件还包括转子轭部；
并且，转子组件内的多个永磁体为表贴式径向充磁永磁体或辐轴式切向充磁永磁体。
进一步地，本发明提供的模块化永磁游标电机，定子铁心由两面绝缘的硅钢片轴向叠压而成。
进一步地，本发明提供的模块化永磁游标电机，转子组件的永磁体极对数Pr、绕组产生的电枢磁场极对数iPa以及定子齿模块的数量Ns，满足以下关系：
|iPa±Pr|＝kNs
其中，k＝0,1,2…。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的模块化永磁游标电机，其中的定子采用独立的模块化结构，是一种模块化定子，在电磁性能上，该模块化定子，起到了励磁和调制的双重作用，转子励磁磁场经过定子齿的调制作用，产生多个工作气隙磁密和电枢绕组交链，贡献反电势，多工作谐波协同工作使得该电机具有高转矩密度的优势，同时，定子中独立的定子齿模块打断了电枢磁场中的低次谐波通路，降低了电机电枢反应强度，有效提高了永磁游标电机的功率因数。在物理结构上，定子采用独立的模块化结构，具有结构简单，加工方便的优势，并且，有效减小了电机整体的重量。
(2)本发明提供的模块化永磁游标电机，在其优选方案中，绕组为分数槽集中绕组，且绕组中的每个线圈的跨距为一个槽距，一方面，能够使得更多的谐波满足转矩输出公式，从而增加协同工作的谐波的数量，进一步提高电机的输出转矩密度；另一方面，绕组端部更短，容错性能更好。
(3)本发明提供的模块化永磁游标电机，在其优选方案中，其中的每个定子齿模块中，槽底宽度大于槽口宽度，由此能够减小定子齿模块的电感，进一步提高功率因数。
(4)本发明提供的模块化永磁游标电机，在优选方案中，转子组件内的多个永磁体为无轭部海尔贝克永磁体阵列，这种无轭部转子，其电感更小，能够进一步提高功率因数，并降低电机的重量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的模块化永磁游标电机的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的转子组件中海尔贝克永磁体阵列的充磁方向示意图；
图3为本发明实施例提供的转矩密度随电流密度变化的波形示意图；
图4为本发明实施例提供的功率因数随电流密度变化的波形示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-定子齿模块，11-定子轭部，12-定子齿；
2-绕组；
3-永磁体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
为了使永磁游标电机同时具有高转矩密度输出和高功率因数，本发明提供了一种模块化永磁游标电机，其整体思路在于：通过对定子结构进行特殊设计，在确保多个低极比磁场谐波协同工作，实现低极比下的高转矩密度输出的同时，打断电枢磁场中低次谐波通路，大幅降低电枢反映强度，实现高功率因数和强过载能力。
本发明所提供的模块化永磁游标电机，既可以是外转子内定子电机，也可以是外定子内转子电机，不失一般性地，在以下实施例中，均以外定子内转子电机为例进行说明。
以下为实施例。
实施例1：
一种模块化永磁游标电机，如图1所示，包括：同轴套设的定子组件和转子组件，定子组件和转子组件之间存在一气隙；
定子组件包括定子铁心和绕组2；
定子铁心为开口槽结构，且包括沿周向均匀设置的多个定子齿模块1，定子齿模块1包括弧形的定子轭部11以及位于定子轭部11两端的两个定子齿12，相邻定子齿模块1的轭部之间存在间隙；本实施例中，定子铁心由两面绝缘的硅钢片轴向叠压而成；如图1所示，定子齿模块1内，槽底宽度大于槽口宽度；
绕组2绕制在定子齿12外周；如图1所示，本实施例中，绕组2为分数槽集中绕组，且绕组2中的每个线圈的跨距为一个槽距，即绕组2中的每个线圈跨两齿绕制，该两齿相邻且位于不同的定子齿模块1中；
转子组件包括多个永磁体3；如图1所示，本实施例中，转子组件内的多个永磁体3为无轭部海尔贝克永磁体阵列，各永磁体的充磁方向如图2所示，其中，切向充磁的永磁体与径向充磁的永磁体间隔设置。
本实施例中，转子组件的永磁体极对数Pr、绕组产生的电枢磁场极对数iPa以及定子齿模块的数量Ns，满足以下关系：
|iPa±Pr|＝kNs
其中，k＝0,1,2…；具体地，谐波次数为1,2,4,5,7,8,10,11,13,14，定子齿模块的数量为Ns＝9，转子永磁体极对数为Pr＝14；
绕组产生的电枢磁场极对数iPa＝4，该电枢磁场的磁势经过定子磁导谐波2Ns＝18对极的凸极调制，产生14对极电枢磁场，与转子永磁体Pr＝14磁场极对数和频率相同，共同作用输出转矩；
绕组产生的电枢磁场极对数iPa＝5，该电枢磁场的磁势经过定子磁导谐波Ns＝9对极的凸极调制，产生14对极电枢磁场，与转子永磁体Pr＝14磁场极对数和频率相同，共同作用输出转矩；
绕组产生电枢磁场极对数iPa＝14，该电枢磁场的磁势经过定子常数项磁导0对极的调制，产生14对极电枢磁场，与转子永磁体Pr＝14磁场极对数和频率相同，共同作用输出转矩。
上述电枢磁场谐波协同作用，产生转矩，称为电枢工作次谐波分量，其幅值较高，保证该电机具有高转矩密度。
此外，绕组还产生iPa＝0和iPa＝2为主的电枢磁势，分别经过定子常数项磁导0对极的调制，产生1对极和2对极的低次电枢磁场谐波，该谐波是造成电机电枢反应较强，功率因数较低的主要因素。
本实施例采用的模块化的定子结构，在不影响电枢工作谐波的基础上，打断了低次电枢磁场谐波路径，在保证高输出转矩密度的情况下，极大地提高了电机的功率因数，并且模块化的定子结构具有结构简单，加工方便的优势，轻质的优势。本实施例在模块化定子的结构中，使绕组中的每个线圈的跨一个槽距绕制，相比于转子侧改进的永磁游标电机，能够有效增加电枢工作次谐波分量的数量，进一步提高输出转矩密度，同时，具有绕组端部短，容错性能好的优势。本实施例采用无轭部转子的设计，具有励磁能力强，反电势正弦的优点，且进一步降低了电机的重量。
图3所示为本实施例提供的模块化永磁游标电机转矩体积密度随电流密度的变化趋势图。根据图3可知，本实施例提供的模块化永磁游标电机转矩线性度好，电机无明显饱和，在电流密度为20A/mm^2时，该电机转矩体积密度高达55Nm/L，是常规永磁同步电机的2倍以上。
图4所示为本实施例提供的模块化永磁游标电机功率因数随电流密度的变化趋势图。根据图4可知，在电流密度为20A/mm^2时，该电机转矩功率因数维持在0.8，而常规永磁游标电机的功率因数低至0.5左右，因此，本实施例所提供的模块化永磁游标电机相比于传统的永磁游标电机的功率因数有了明显的改善。
总体而言，本实施例本发明提供的模块化永磁游标电机，定子采用电枢磁势和定子磁导定向设计方法，确保多个低极比磁场谐波协同工作，实现了永磁游标电机在低极比下的高转矩密度输出；通过模块化定子设计，打断电枢磁场中低次谐波通路，大幅降低电枢反应强度，实现了永磁游标电机的高功率因数和强过载能力；采用无轭部转子、模块化定子和集中绕组，具有高效轻质高转矩密度的优势，具有极大的工程应用潜力。
应当说明的是，以上设置仅为本发明优选的实施方式，不应理解为对本发明唯一的限定。在本发明其他的一些实施例中，在采用模块化定子结构设计的基础上，在满足输出转矩及容错性能要求的情况下，定子齿模块内定子齿与轭部也可采用非倾斜的设置，绕组线圈跨距也可设置为其他值，转子组件也可采用表贴式径向充磁永磁体或辐轴式切向充磁永磁体等其他的结构。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模块化永磁游标电机，其特征在于，包括：同轴套设的定子组件和转子组件，所述定子组件和所述转子组件之间存在一气隙；
所述定子组件包括定子铁心和绕组；所述定子铁心为开口槽结构，且包括沿周向均匀设置的多个定子齿模块，所述定子齿模块包括弧形的定子轭部以及位于定子轭部两端的两个定子齿，相邻定子齿模块的轭部之间存在间隙；所述绕组绕制在定子齿外周；
所述转子组件包括多个永磁体。
2.如权利要求1所述的模块化永磁游标电机，其特征在于，所述绕组为分数槽集中绕组，且所述绕组中的每个线圈的跨距为一个槽距。
3.如权利要求1或2所述的模块化永磁游标电机，其特征在于，所述定子齿模块内，槽底宽度大于槽口宽度。
4.如权利要求1～3任一项所述的模块化永磁游标电机，其特征在于，所述转子组件内的多个永磁体为无轭部海尔贝克永磁体阵列。
5.如权利要求1～3任一项所述的模块化永磁游标电机，其特征在于，所述转子组件还包括转子轭部；
并且，所述转子组件内的多个永磁体为表贴式径向充磁永磁体或辐轴式切向充磁永磁体。
6.如权利要求1～3任一项所述的模块化永磁游标电机，其特征在于，所述定子铁心由两面绝缘的硅钢片轴向叠压而成。
7.如权利要求1～3任一项所述的模块化永磁游标电机，其特征在于，所述转子组件的永磁体极对数Pr、所述绕组产生的电枢磁场极对数iPa以及所述定子齿模块的数量Ns，满足以下关系：
|iPa±Pr|＝kNs
其中，k＝0,1,2…。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115395681A (zh) * 2022-08-11 2022-11-25 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 一种高转矩密度的差调制游标永磁电机

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