CN115632534B - 一种直驱式双边永磁励磁型磁场调制电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直驱式双边永磁励磁型磁场调制电机，包括定子、转子、转轴和电枢绕组。定子包括定子轭部、定子齿、径向充磁永磁体以及切向充磁永磁体，其中径向充磁的永磁体放置在定子槽口，切向充磁的永磁体镶嵌在定子齿上，同一定子齿上相邻两块切向充磁永磁体的充磁方向相反；电枢绕组绕在定子齿上；转子包括带有凸极转子齿的转子铁心和径向充磁的永磁体，且转子齿与径向充磁的永磁体交替排布形成交替极永磁体结构。本发明涉及电机通过同时利用定子齿对转子永磁体磁场的调制作用和转子齿对定子永磁体磁场的调制作用，即双向磁场调制，可获得丰富的气隙磁场工作谐波，从而大幅度提高电机转矩密度，实现直驱应用。

Description

一种直驱式双边永磁励磁型磁场调制电机
技术领域
本发明涉及一种直驱式双边永磁励磁型磁场调制电机，属于直驱永磁电机技术领域。
背景技术
永磁电机凭借高功率密度、高效率及动态响应好等优点，被广泛应用于工农业生产和智能制造领域。永磁电机的转矩密度主要由电负荷和磁负荷决定，其中电负荷主要取决于电机冷却方式及运行环境，而磁负荷主要受到永磁材料的磁性能影响。由于目前新型永磁材料的磁性能提升有限，在电负荷一定的情况下，依靠传统设计方法提高永磁电机转矩密度的空间已经受限。因此，工业中通常采用永磁电机与齿轮箱相结合的方案以提升传动系统的整体转矩密度。然而，这种方案带来了摩擦损耗增高、振动和噪声加大、结构复杂以及系统可靠性降低等一系列的问题。因此，研发具有高转矩密度的直驱永磁电机具有重要的工程应用价值。
近年来，国内外学者对直驱永磁电机进行了大量研究，其中磁场调制永磁电机是研究热点之一。磁场调制永磁电机通过特殊的结构设计产生非均匀的气隙磁导以实现对永磁体励磁磁场的调制，从而在气隙磁场中引入大量与永磁励磁磁场基波极对数不同的谐波分量，该现象也被称为“磁场调制效应”。通过利用“磁场调制效应”所产生的气隙磁场谐波，磁场调制永磁电机可以打破传统永磁电机电枢绕组与永磁体之间的极对数配合规则，在体积较小的情况下实现低速、大转矩运行。磁场调制永磁电机因具有高转矩密度的特点被视为理想的直驱方案，在包括输煤皮带机、机器人伺服驱动及大口径天文望远镜驱动等场合有良好的应用前景。然而目前磁场调制永磁电机通常为定子永磁型或转子永磁型磁场调制永磁电机，即仅在定子侧或转子侧放置永磁体，其产生的气隙磁场工作谐波数量和幅值相对有限，限制了进一步提升电机转矩密度的能力。如何进一步提高磁场调制永磁电机的转矩密度，提高其在直驱应用场合的竞争力是有待继续研究的技术问题。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提出一种具有高转矩密度的直驱式双边永磁励磁型磁场调制电机。该电机同时利用定子齿对转子永磁体磁场的调制作用和转子齿对定子永磁体磁场的调制作用，即双向磁场调制，获得丰富的气隙磁场工作谐波，从而大幅度提高电机转矩密度，有利于更好地实现直驱应用。
技术方案：本发明的一种直驱式双边永磁励磁型磁场调制电机包括定子、转子、电枢绕组和电机转轴；所述转子固定在电机转轴，定子设置在转子外部，其中，定子包括定子轭部、定子齿、切向充磁永磁体及第一径向充磁永磁体；定子轭部位于电机的最外侧，定子齿的外端设在定子轭部的内侧，切向充磁永磁体镶嵌在定子齿上，第一径向充磁永磁体放置在两定子齿之间的定子槽口，电枢绕组绕在定子齿上；转子包括带有凸极转子齿的转子铁心和第二径向充磁永磁体，第二径向充磁永磁体位于带有凸极转子齿的转子铁心的凸极转子齿之间。
每一个定子齿中镶嵌有两块切向充磁永磁体，切向充磁永磁体为长条形，切向充磁永磁体数量为定子齿数量的两倍；定子上第一径向充磁永磁体为圆弧形，数量与定子齿数量相等。
镶嵌在同一定子齿中相邻两块切向充磁永磁体采用平行排布或“倒V”形状排布。
镶嵌在同一定子齿中相邻两块切向充磁永磁体的充磁方向相反，均背向相邻的切向充磁永磁体。
所述第一径向充磁永磁体的充磁方向均为径向朝外。
述第二径向充磁永磁体位于转子的外周，数量与带有凸极转子齿的转子铁心上的转子齿数量相等，且第二径向充磁永磁体与转子齿交替排布形成交替极永磁体结构。
所述转子上第二径向充磁永磁体充磁方向均为径向朝外。
定子上第一径向充磁永磁体和切向充磁永磁体以及转子上第二径向充磁永磁体使用相同永磁体材料，或使用不同永磁体材料。
定子和转子之间需留有一定长度的气隙。
所述电枢绕组采用集中绕组形式。
有益效果：
1、本电机通过在定子和转子同时布置永磁体可有效提高气隙磁密幅值；
2、本电机通过同时利用定子齿对转子永磁体磁场的调制作用和转子齿对定子永磁体磁场的调制作用，即“双向磁场调制”，可获得丰富的气隙磁场工作谐波，从而大幅度提高电机转矩密度，有利于更好地实现直驱应用；
3、本电机电枢绕组采用集中绕组形式，有效的减少了绕组端部长度，降低铜耗，从而有利于提高电机运行效率。
附图说明
图1为本发明的电机横截面结构图，其中箭头方向表示永磁体充磁方向。
图2为本发明的电机的空载磁力线分布图。
图3（a）为本发明的电机的空载气隙磁密分布图。
图3（b）为本发明的电机的空载气隙磁密傅里叶谐波分析图。
图4为本发明的电机在仅转子永磁体励磁状态、仅定子永磁体励磁状态和双边永磁励磁状态下的空载相磁链波形。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明涉及电机的结构包括定子1、转子2、电枢绕组3和电机转轴4。
转子2固定在电机转轴4，定子1设置在转子2外部，其中，定子1包括定子轭部1.1、定子齿1.2、切向充磁永磁体1.3及第一径向充磁永磁体1.4；定子轭部1.1位于电机的最外侧，定子齿1.2的外端设在定子轭部1.1的内侧，切向充磁永磁体1.3镶嵌在定子齿1.2上，第一径向充磁永磁体1.4放置在两定子齿1.2之间的定子槽口，电枢绕组3绕在定子齿1.2上；转子2包括带有凸极转子齿的转子铁心2.1和第二径向充磁永磁体2.2，第二径向充磁永磁体2.2位于带有凸极转子齿的转子铁心2.1的凸极转子齿之间。
每一个定子齿1.2中镶嵌有两块切向充磁永磁体1.3，切向充磁永磁体1.3为长条形，其数量为定子齿1.2数量的两倍；镶嵌在同一定子齿中相邻两块切向充磁永磁体1.3可采用平行排布或“倒V”形状排布，且镶嵌在同一定子齿中相邻两块切向充磁永磁体1.3的充磁方向相反，均背向相邻的切向充磁永磁体；定子1上第一径向充磁永磁体1.4为圆弧形，数量与定子齿1.2数量相等，且第一径向充磁永磁体1.4的充磁方向均为径向朝外。
第二径向充磁永磁体2.2位于转子2的外周，数量与带有凸极转子齿的转子铁心2.1上的转子齿数量相等，且第二径向充磁永磁体2.2与转子齿交替排布形成交替极永磁体结构。转子上第二径向充磁永磁体2.2充磁方向均为径向朝外。
电枢绕组3采用集中绕组形式，可以有效减少绕组端部长度，降低铜耗，从而有利于提高电机运行效率。
电机定子1和转子2铁心均由硅钢片叠压而成，硅钢片厚度通常选取在0.35mm~0.5mm之间，叠压系数为0.95。定子1与转子2之间留有气隙，气隙的长度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及定子1与转子2加工和装配工艺有关。
定子上切向充磁永磁体1.3和第一径向充磁永磁体1.4，以及转子上第二径向充磁永磁体2.2的永磁材料可根据电机性能需求、工作温度及成本进行选择，例如使用钕铁硼或铁氧体等永磁材料。定子上切向充磁永磁体1.3和第一径向充磁永磁体1.4，以及转子上第二径向充磁永磁体2.2可使用相同永磁材料，也可使用不同永磁材料，即混合永磁形式。
参见图2-图4，本发明涉及直驱式双边永磁励磁型磁场调制电机运行原理可以从磁链变化和磁场调制两个角度来理解，具体如下：
从磁链变化角度，当电机转子在一个电周期内持续旋转时，电机电枢绕组中匝链的磁通会随着转子位置改变而发生幅值变化，产生双极性磁链，从而感应产生反电动势，实现机电能量转换；
从磁场调制角度，由于电机定子1和转子2均为凸极结构，且定子1和转子2均布置了永磁体，因此本发明涉及电机的定子1和转子2均可以同时提供永磁体励磁磁场和磁场调制功能。电机通过同时利用定子齿1.2对转子上第二径向充磁永磁体2.2所产生磁场的调制作用，以及转子齿对定子上切向充磁永磁体1.3和径向充磁永磁体1.4所产生磁场的调制作用，即“双向磁场调制”，可以获得比传统定子永磁型或转子永磁型磁场调制电机更为丰富的气隙磁场工作谐波，包括2次谐波、4次谐波、8次谐波、10次谐波、14次谐波、16次谐波和20次谐波，这些谐波将直接参与电机反电动势和转矩产生，从而大幅度提高电机转矩密度。
以上仅为本发明较佳的实施方式，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种直驱式双边永磁励磁型磁场调制电机，包括定子（1）、转子（2）、电枢绕组（3）和电机转轴（4）；所述转子（2）固定在电机转轴（4），定子（1）设置在转子（2）外部，其中，定子（1）包括定子轭部（1.1）、定子齿（1.2）、切向充磁永磁体（1.3）及第一径向充磁永磁体（1.4）；定子轭部（1.1）位于电机的最外侧，定子齿（1.2）的外端设在定子轭部（1.1）的内侧，切向充磁永磁体（1.3）镶嵌在定子齿（1.2）上，第一径向充磁永磁体（1.4）放置在两定子齿（1.2）之间的定子槽口，电枢绕组（3）绕在定子齿（1.2）上；转子（2）包括带有凸极转子齿的转子铁心（2.1）和第二径向充磁永磁体（2.2），第二径向充磁永磁体（2.2）位于带有凸极转子齿的转子铁心（2.1）的凸极转子齿之间；
每一个定子齿（1.2）中镶嵌有两块切向充磁永磁体（1.3）；镶嵌在同一定子齿中相邻两块切向充磁永磁体（1.3）的充磁方向相反，均背向相邻的切向充磁永磁体；所述第二径向充磁永磁体（2.2）位于转子（2）的外周；所述转子上第二径向充磁永磁体（2.2）充磁方向均为径向朝外；所述第一径向充磁永磁体（1.4）的充磁方向均为径向朝外。
2.根据权利要求1所述的直驱式双边永磁励磁型磁场调制电机，其特征在于：所述切向充磁永磁体（1.3）为长条形，切向充磁永磁体（1.3）数量为定子齿（1.2）数量的两倍；定子（1）上第一径向充磁永磁体（1.4）为圆弧形，数量与定子齿（1.2）数量相等。
3.根据权利要求2所述的直驱式双边永磁励磁型磁场调制电机，其特征在于：镶嵌在同一定子齿中相邻两块切向充磁永磁体（1.3）采用平行排布或“倒V”形状排布。
4.根据权利要求1所述的直驱式双边永磁励磁型磁场调制电机，其特征在于：所述第二径向充磁永磁体（2.2）数量与带有凸极转子齿的转子铁心（2.1）上的转子齿数量相等，且第二径向充磁永磁体（2.2）与转子齿交替排布形成交替极永磁体结构。
5.根据权利要求1所述的直驱式双边永磁励磁型磁场调制电机，其特征在于：定子（1）上第一径向充磁永磁体（1.4）和切向充磁永磁体（1.3）以及转子（2）上第二径向充磁永磁体（2.2）使用相同永磁体材料，或使用不同永磁体材料。
6.根据权利要求1所述的直驱式双边永磁励磁型磁场调制电机，其特征在于：定子（1）和转子（2）之间需留有一定长度的气隙。
7.根据权利要求1所述的直驱式双边永磁励磁型磁场调制电机，其特征在于：所述电枢绕组（3）采用集中绕组形式。
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