CN115940559A - 一种定子偏置式双凸极永磁电机 - Google Patents

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袁建平
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Abstract

本发明公开了一种定子偏置式双凸极永磁电机，包括外定子、转子和内定子，外定子包括外定子铁心轭、外定子铁心齿和电枢线圈；转子包括非导磁连接结构和转子铁心块，转子铁心块沿周向均匀嵌在非导磁连接结构上；内定子包括内定子铁心和永磁体，永磁体沿周向均匀嵌在内定子铁心上；外定子铁心齿数Nos为6k1，转子铁心块数Nr＝Nos±k2，永磁体数NPM为2k1，其中，k1和k2为正整数；外定子铁心齿数Nos和转子铁心块数Nr的最大公约数为1。本发明可以较好地解决齿槽转矩幅值大、由永磁磁路不对称而造成的三相反电势波形不平衡、由偶次谐波多而引起的相反电势波形正弦性差、磁阻转矩脉动大、永磁体散热困难以及永磁体利用率不高的问题。

Description

一种定子偏置式双凸极永磁电机
技术领域
本发明属于电机技术领域，尤其是涉及一种定子偏置式双凸极永磁电机。
背景技术
定子偏置式双凸极永磁电机是一种具有两个定子铁心的永磁电机。与传统的单定子式双凸极永磁电机相比，定子偏置式双凸极永磁电机具有功率密度大和效率高等优点，因而受到电机工程界人士的广泛关注。
然而，与单定子式双凸极永磁电机类似，常规的定子偏置式双凸极永磁电机中外定子、转子和内定子的参数配比关系使得三相反电势波形质量差、齿槽转矩幅值大，造成电机转矩脉动大，这限制了其在工业领域的应用推广。如CN103001423A的中国专利文献公开了一种内外双定子电励磁双凸极起动发电机，电机的外定子极数为12N，转子极数为8N，内定子极数为6N。
公开号为CN105978270A的中国专利文献公开了一种定子分区式双凸极永磁无刷电机，包括外部定子、中间转子和内部定子，外部定子由一个环形定子铁芯和多块永磁体组成，多块永磁体沿圆周方向上有间隔地嵌在定子铁芯中，每两块永磁体组成一对极；中间转子由转子铁芯和非导磁的连接结构组成，连接结构沿圆周方向上均匀嵌在转子铁芯中，内部定子为凸极结构，凸极齿上绕有电枢绕组。该电机结构可消除永磁磁路不对称，提升反电势波形质量。然而，永磁体用量显著增多，经济性变差，再加之热源较大的电枢绕组置于内定子上，不利于散热。
发明内容
本发明提供了一种定子偏置式双凸极永磁电机，可以较好地解决齿槽转矩幅值大、由永磁磁路不对称而造成的三相反电势波形不平衡、由偶次谐波多而引起的相反电势波形正弦性差、磁阻转矩脉动大、永磁体散热困难以及永磁体利用率不高的问题。
一种定子偏置式双凸极永磁电机，包括外定子、转子和内定子，所述外定子包括外定子铁心轭、外定子铁心齿和电枢线圈，所述电枢线圈缠绕在所述外定子铁心齿上；所述转子包括非导磁连接结构和转子铁心块，所述转子铁心块沿周向均匀嵌在非导磁连接结构上；所述内定子包括内定子铁心和永磁体，所述永磁体沿周向均匀嵌在所述内定子铁心上；
所述外定子铁心齿数Nos为6k1，所述转子铁心块数Nr＝Nos±k2，所述永磁体数NPM为2k1，其中，k1和k2为正整数；所述外定子铁心齿数Nos和所述转子铁心块数Nr的最大公约数为1。
本发明通过优化外定子铁心齿数Nos、转子铁心块数Nr和永磁体数NPM之间的配比，从而增加了一个电周期下的齿槽转矩周期数，有利于减小齿槽转矩幅值，进而降低了电机转矩脉动，还能够保证永磁体材料的利用效率。与此同时，电枢线圈内通入交流电产生大量铜耗，使绕组发热，电枢线圈绕制在外定子铁心齿上，可以充分利用机壳进行散热。
优选地，k1＝3k3，k3为正整数，则外定子铁心齿数Nos为18k3，对应的永磁体数NPM为6k3，使与相邻永磁体对称轴对齐的6k3个外定子铁心齿上的电枢线圈平均分配给三相。该设置解决了因永磁磁路不对称而造成的三相反电势不平衡问题，有利于减少永磁转矩谐波，继而降低转矩脉动。
优选地，外定子铁心齿数Nos和转子铁心块数Nr满足：(1)一个电枢线圈及其对应的补偿线圈的合成反电势偶次谐波为零，提高了相反电势波形正弦性，减少了永磁转矩谐波，可降低转矩脉动。(2)一个电枢线圈及其对应的补偿线圈的合成电感奇次谐波为零，有效抑制电感脉动，继而减小磁阻转矩波动。
一个电枢线圈及其补偿线圈的v次合成反电势ev计算公式如下：
Figure BDA0003952559110000031
α1＝2πNrSn/Nos
其中，i为正整数，v为谐波阶次，Ev为v次反电势谐波幅值，ωe为角速度，α1为两个线圈的基波分量相移，Sn为两个线圈之间所跨外定子铁心槽数。
一个电枢线圈及其补偿线圈的v次合成电感lv计算公式如下：
lv＝Lv sin(vωet-α1v)+Lv sin(vωet)
其中，Lv为v次电感谐波幅值。
优选地，转子铁心块数Nr小于外定子铁心齿数Nos，这可降低换向频率，从而降低铁心损耗和永磁体涡流损耗。同时，转子铁心块数Nr大于1，可减少漏磁，提高转矩输出能力。
优选地，可在所述内定子的内部沿轴向方向增设散热装置，所述散热装置与永磁体的径向内侧相连。永磁体产生涡流损耗，温度增高，增加了永磁体热退磁风险。在内定子内部沿轴向方向增设散热装置，与永磁体径向内侧相连，有利于提高永磁体的散热能力，提高了电机所允许损耗上限，有助于增大电负荷，提升转矩输出能力。
可选择地，所述外定子铁心垂直于轴向的横截面的外轮廓为圆形或多边形。电机的机械结构为旋转、直线或两者的组合结构。
优选地，所述外定子铁心齿顶极弧β1和所述转子铁心块径向外侧极弧β2满足如下关系：β1＝(0.95～1.05)*β2。该设置可提高聚磁能力，增加气隙磁密，提高转矩输出能力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明优化转子铁心块数后，可通过增加一个电周期下的齿槽转矩周期数来降低齿槽转矩幅值；可将与相邻永磁体对称轴对齐的6k3个外定子铁心齿上的电枢线圈平均分配给三相以消除反电势相间不平衡、能通过消除相反电势偶次谐波以提高其正弦性，显著改善了三相反电势波形，当与三相对称正弦电流作用时，产生的永磁转矩谐波显著减少，这是降低电机转矩脉动的又一因素；可消除相电感奇次谐波，使其脉动显著减小，继而有效抑制磁阻转矩纹波；这最终确保本发明电机具有显著小于传统结构的转矩脉动。
2、本发明电机中，电枢线圈绕制在外定子铁心齿上，而外定子铁心齿与机壳相连，当电枢线圈通入交流电流时，产生的大量热量可经由外定子铁心和机壳有效散出，一方面，可以减少因高温导致的热绝缘损坏风险；另一方面，在同等绝缘水平下，允许通入的电流增加，可提高电机转矩输出能力。此外，在内定子内部沿轴向方向增设散热装置，与永磁体径向内侧相连，可提高永磁体的散热能力，降低热退磁风险。
3、与现有技术相比，当外定子铁心齿数一定时，转子铁块数和永磁体数都相对较少，由于铁心损耗、永磁体涡流损耗随着材料用量和极对数(极对数等于转子铁块数)的减少而减小，所以本发明电机结构可减低电机损耗，提高电机效率。
4、当外定子铁心齿数Nos与永磁体数NPM配比为3时，相邻永磁体径向轴线所夹外定子铁心齿数为3，其中一个外定子铁心齿上所缠绕电枢线圈产生的磁通主要经由转子铁块、内定子铁心以及另外两个外定子铁心齿，形成闭合磁路，较少磁通强行穿过永磁体，该结构设计利于降低永磁体的电枢退磁风险。
附图说明
图1为本发明实施例中外定子铁心齿数Nos为18，永磁体数NPM为6，转子铁块数Nr为11的电机结构示意图；
图2为对比例中外定子铁心齿数Nos为18，永磁体数NPM为6，转子铁块数Nr为12的电机结构示意图；
图3为本发明实施例的电机(Nr＝11)与对比例的电机(Nr＝12)的齿槽转矩波形对比图；
图4为本发明电机结构中转子铁块数Nr为5的转子结构；
图5为本发明电机结构中转子铁块数Nr为7的转子结构；
图6为本发明电机结构中转子铁块数Nr为13的转子结构；
图7为本发明电机结构中转子铁块数Nr为17的转子结构；
图8为本发明实施例中设置散热装置的电机结构示意图；
图9为本发明电机(Nr＝5、7、11、13和17)与现有电机(Nr＝12)的电磁转矩波形对比图。
图中：1-外定子，2-转子，3-内定子，4-散热装置，11-外定子铁心轭，12-电枢线圈，13-外定子铁心齿，21-转子铁心块，22-非导磁连接结构，31-内定子铁心，32-永磁体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本实施例及附图只阐述了电机外定子铁心齿数Nos为18，永磁体数NPM为6，转子铁块数Nr为5、7、11、13或17的情况，但本发明也适用于其它满足本发明提出的定子偏置式双凸极永磁电机结构。
如图1所示，本发明提出的一种定子偏置式双凸极永磁电机，包括外定子1、转子2和内定子3，外定子1包括外定子铁心轭11、电枢线圈12和外定子铁心齿13，电枢线圈12缠绕在所述外定子铁心齿13上；转子2包括转子铁心块21和非导磁连接结构22；内定子3包括内定子铁心31和永磁体32，永磁体32沿圆周方向均匀嵌在所述内定子铁心31上。如图1中所示，外定子铁心齿13的数量Nos为18，转子铁心块21的数量11，永磁体数NPM为6。
作为对比例，如图2所示，外定子铁心齿13的数量Nos为18，转子铁心块21的数量12，永磁体数NPM为6。该对比例中，外定子铁心齿13的数量Nos和转子铁心块21的数量Nr的最大公约数为6，一个电周期内的齿槽转矩周期数Nc＝NPM/GCD(Nos,Nr)＝1。一般而言，一个电周期内的齿槽转矩周期数越小，其齿槽转矩幅值越大，因此，对比例的电机结构具有较大的齿槽转矩幅值，导致电机转矩脉动较大。
与对比例相比，在本发明电机中，外定子铁心齿13的数量Nos和转子铁心块21的数量Nr的最大公约数为1，一个电周期内的齿槽转矩周期数最大，可显著减小其转矩脉动，如图3所示。
进一步地，如图2所示，l1和l3为永磁体32的径向轴线，l2为相邻永磁体的对称轴线，与l1和l3邻近的外定子铁心齿相对于永磁体的位置有别于与l2对齐的外定子铁心齿，所以永磁磁路非对称。当转子铁心块21的数量Nr为12时，与相邻永磁体对称轴对齐的6个外定子铁心齿13均分配给B相，导致其相反电势不同于A相和C相，从而造成三相反电势不平衡。而在图1所示的本发明电机结构中，转子铁心块21的数量Nr为11，与相邻永磁体对称轴对齐的6个外定子铁心齿13平均分配给A相、B相和C相，故反电势相间对称。
下面以一个电枢线圈及其补偿线圈的合成反电势ev和电感lv来说明本发明的效果，其中，一个电枢线圈及其补偿线圈的合成v次反电势ev和电感lv计算公式如下所示：
Figure BDA0003952559110000071
α1＝2πNrSn/Nos              (2)
lv＝Lv sin(vωet-α1v)+Lv sin(vωet)                    (3)
式中，i为正整数，v为谐波阶次，Ev为v次反电势谐波幅值，ωe为角速度，α1为两个线圈的基波分量相移，Sn为两个线圈之间所跨外定子铁心槽数，Lv为v次电感谐波幅值。
如图2所示，以电枢线圈A1及其补偿线圈A4为例阐释相反电势偶次谐波。此两个线圈之间所跨外定子铁心槽数Sn为9，根据公式(2)可知，α1＝12π；根据公式(1)可得，此两个线圈合成v次反电势谐波ev＝2Evsin(vωet)，故无论v为奇数或偶数，其合成反电势均不为零，最终导致每相反电势存在大量偶次谐波。相比之下，如图1所示，本发明的结构中，电枢线圈A1和A4也互为补偿线圈，它们之间所跨外定子铁心槽数Sn也为9，根据公式(1)和(2)可得，α1＝11π，
Figure BDA0003952559110000072
其中，j为正整数。因此，本发明电机结构不存在相反电势偶次谐波。与此同时，根据公式(3)可知，本发明电机结构的外定子铁心齿13、转子铁心块21与所述永磁体32之间的数量配比关系，可保证
Figure BDA0003952559110000073
这抑制了电感波形脉动，继而可降低磁阻转矩脉动。
为了减小漏磁以提升转矩输出能力，转子铁心块21的数量Nr大于1，此外为降低换向频率、铁心损耗、永磁体涡流损耗，优选小于外定子铁心齿数Nos的转子铁心块数Nr。当外定子铁心齿13的数量Nos为18时，转子铁心块21的数量Nr可为5、7、11、13或17，图4、图5、图6和图7为与图1对应的本发明电机结构中的其它优选转子结构。
如图8所示，内定子内部沿轴向方向增设散热装置4，其与永磁体32的径向内侧相连。永磁体因涡流产生的热量可及时经由散热装置导出，降低了热退磁风险。此外，电枢线圈12绕制在外定子铁心齿13上，外定子铁心齿13与电机机壳相连。电枢线圈通入交流电产生铜耗，使绕组发热，热量可经由外定子铁心通过机壳散出，降低了绕组绝缘损毁的风险。总体而言，本发明电机具有良好的散热能力，可提高电机所允许的损耗上限，有助于增大电流，提高电机的转矩密度。
如图9所示，选择无散热装置同尺寸的本发明电机与对比例的电机进行对比测试，在相同铜耗情况下得到稳态电磁转矩波形对比图，可以看出，采用本发明电机的转矩脉动远小于对比例的电机。转子铁心块21的数量Nr为12(对比例)、5(本发明)、7(本发明)、11(本发明)、13(本发明)和17(本发明)的转矩脉动分别为168.4％、6.6％、4.8％、1.9％、1.9％和1.7％。特别地，转子铁心块21的数量Nr为11的本发明电机平均转矩比对比例的电机大22.2％。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种定子偏置式双凸极永磁电机，包括外定子、转子和内定子，其特征在于，所述外定子包括外定子铁心轭、外定子铁心齿和电枢线圈，所述电枢线圈缠绕在所述外定子铁心齿上；所述转子包括非导磁连接结构和转子铁心块，所述转子铁心块沿周向均匀嵌在非导磁连接结构上；所述内定子包括内定子铁心和永磁体，所述永磁体沿周向均匀嵌在所述内定子铁心上；
所述外定子铁心齿数Nos为6k1，所述转子铁心块数Nr＝Nos±k2，所述永磁体数NPM为2k1，其中，k1和k2为正整数；所述外定子铁心齿数Nos和所述转子铁心块数Nr的最大公约数为1。
2.根据权利要求1所述的定子偏置式双凸极永磁电机，其特征在于，k1＝3k3，k3为正整数，则外定子铁心齿数Nos为18k3，对应的永磁体数NPM为6k3，使与相邻永磁体对称轴对齐的6k3个外定子铁心齿上的电枢线圈平均分配给三相。
3.根据权利要求1所述的定子偏置式双凸极永磁电机，其特征在于，外定子铁心齿数Nos和转子铁心块数Nr满足一个电枢线圈及其对应的补偿线圈的合成反电势偶次谐波为零；其中，一个电枢线圈及其补偿线圈的v次合成反电势ev计算公式如下：
Figure FDA0003952559100000011
α1＝2πNrSn/Nos
其中，i为正整数，v为谐波阶次，Ev为v次反电势谐波幅值，ωe为角速度，α1为两个线圈的基波分量相移，Sn为两个线圈之间所跨外定子铁心槽数。
4.根据权利要求3所述的定子偏置式双凸极永磁电机，其特征在于，外定子铁心齿数Nos和转子铁心块数Nr满足一个电枢线圈及其对应的补偿线圈的合成电感奇次谐波为零；其中，一个电枢线圈及其补偿线圈的v次合成电感lv计算公式如下：
lv＝Lvsin(vωet-α1v)+Lvsin(vωet)
其中，Lv为v次电感谐波幅值。
5.根据权利要求1所述的定子偏置式双凸极永磁电机，其特征在于，转子铁心块数Nr小于外定子铁心齿数Nos，且转子铁心块数Nr大于1。
6.根据权利要求1所述的定子偏置式双凸极永磁电机，其特征在于，所述内定子的内部沿轴向方向增设散热装置，所述散热装置与永磁体的径向内侧相连。
7.根据权利要求1所述的定子偏置式双凸极永磁电机，其特征在于，所述外定子铁心垂直于轴向的横截面的外轮廓为圆形或多边形。
8.根据权利要求1所述的定子偏置式双凸极永磁电机，其特征在于，电机的机械结构为旋转、直线或两者的组合结构。
9.根据权利要求1所述的定子偏置式双凸极永磁电机，其特征在于，所述外定子铁心齿顶极弧β1和所述转子铁心块径向外侧极弧β2满足：β2＝(0.95～1.05)*β1。
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