CN116722681A - 一种定子混合模块化永磁游标电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及游标电机技术领域，尤其涉及一种定子混合模块化永磁游标电机，包括转子和定子，转子和定子之间通过气隙隔开；转子由转子铁芯和永磁体构成，永磁体采用表贴方式排布于转子的外表面，且相邻两个永磁体采用径向励磁形式排布，相邻两个永磁体的励磁方向相反；定子由大模块铁芯结构和小模块铁芯结构交替排布构成，定子上设有多个电枢齿顶，每个电枢齿顶上分布有多个分裂齿；定子的电枢槽包括模块内电枢槽和模块间电枢槽，定子的电枢槽内设有电枢绕组。本发明能在少量降低电机转矩性能的前提下，大幅度降低电机损耗，提高电机效率。且该类模块化设计能使得电机具有更轻的重量，更好的散热性能及更高的材料利用率，具有较大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及游标电机技术领域，尤其涉及一种定子混合模块化永磁游标电机。
背景技术
永磁游标电机由于结构简单、转矩密度大的优点，在电动汽车直驱领域得到了广泛关注。永磁游标电机中存在丰富的永磁磁场谐波，导致电机空载下损耗已经较高，加之为了获得大转矩密度，永磁游标电机的电枢一般采用低极对数绕组形式，这种方式下虽然能获得较大的调制比，但也会引入长跨距电枢磁场谐波，使得电机损耗进一步升高。这些缺点致使永磁游标电机只适用于低速运行状态，严重限制了该类电机的应用范围。
其次，在一些特定场合，如电动飞机或电动装甲车辆等应用中均要求电机进行轻量化设计以提升续航和机动能力。如何在现有永磁游标电机的基础上，在少降低，甚至不降低电磁性能的前提下，减少材料使用，减轻电机整体重量是拓展永磁游标电机应用场景的重要方向。
最后，对于航空航天领域，为提升电机性能一般会使用高饱和磁密的铁磁材料，如1J22,HiperCo50等，这些材料价格成本高，且需热处理。同时，对于高功率密度要求的驱动电机，常规设计下的电机内外径比较大，这使得电机铁芯材料浪费严重。因此，如何提高电机铁芯材料利用率是降低加工制造成本的关键。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种定子混合模块化永磁游标电机，该游标电机不仅具备传统永磁游标电机高转矩密度性能，还通过定子混合模块化设计使得电机具备更优的损耗性能，更轻的电机重量和更高的材料利用率等。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种定子混合模块化永磁游标电机，包括转子和定子，所述转子和定子之间通过气隙隔开；
所述转子由转子铁芯和永磁体构成，所述永磁体采用表贴方式排布于转子的外表面，且相邻两个永磁体采用径向励磁形式排布，相邻两个永磁体的励磁方向相反；
所述定子由大模块铁芯结构和小模块铁芯结构交替排布构成，所述定子上设有多个电枢齿顶，每个电枢齿顶上分布有多个分裂齿；
所述定子的电枢槽包括模块内电枢槽和模块间电枢槽，所述定子的电枢槽内设有电枢绕组，所述电枢绕组采用单层集中绕组形式排布于电枢槽内；
所述小模块铁芯结构上绕制有电枢绕组的一个线包，单个所述大模块铁芯结构上绕制有电枢绕组的两个线包。
优选地，所述定子上的分裂齿沿圆周方向均匀分布或呈规律性的非均匀分布。
优选地，每个分裂齿顶部的分裂极数量相同且形状为矩形或菱形。
优选地，所述定子的大模块铁芯结构和小模块铁芯结构通过机壳固定并确定相对位置关系。
优选地，所述转子的转子铁芯和定子的大模块铁芯结构和小模块铁芯结构均由高导磁率的硅钢片材料叠压而成，所述转子的永磁体采用钕铁硼或铁氧体永磁体材料制备而成。
优选地，所述定子的电枢绕组的极对数为Pw，转子的永磁体的极对数为Ppm，分裂齿的总数为ns，满足以下关系式：ns＝Pw+Ppm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明运用磁场调制原理，通过调制齿引起的磁导变化产生低速有效磁场，能有效提升电机的转矩密度；定子混合模块化设计对永磁磁场影响很小，这意味着该设计对电机的转矩性能几乎没有影响。
2、本发明通过定子混合模块化结构，切断电枢反应磁场中低极对数非工作谐波路径，降低主要损耗谐波，显著降低电机铁耗和永磁体涡流损耗，提升电机效率，拓宽电机转速范围。
3、本发明的定子模块化设计能便于电机实现轻量化设计。同时，方便电机加工，能显著提升铁磁材料利用效率，降低电机应用成本。
4、本发明采用模块化设计能降低电机绕线难度，且模块与模块之间存在较大空间，有利于散热或为散热结构设计提供足够的空间。
5、本发明采用的定子混合模块化和集中绕组形式，在某些特定极槽配合下，会使得电机相与相之间完全隔离，大幅降低相间互感，提升了电机的容错性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明和现有结构磁场分布图；
图3为本发明和现有结构的永磁磁场谐波对比图；
图4为本发明和现有结构的电枢反应磁场谐波对比图；
图5为本发明与现有结构电机反电势对比图；
图6为本发明与现有结构电机转矩波形对比图；
图7为本发明与现有结构电机的损耗对比图。
图中：1转子、11转子铁芯、12永磁体、2定子、21大模块铁芯结构、22小模块铁芯结构、23分裂齿、231分裂极、24电枢槽、241模块内电枢槽、242模块间电枢槽、25电枢绕组、3气隙。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-7，一种定子混合模块化永磁游标电机，包括转子1和定子2，所述转子1和定子2之间通过气隙隔开。
所述转子1由转子铁芯11和永磁体12构成，所述永磁体12采用表贴方式排布于转子1的外表面，且相邻两个永磁体12采用径向励磁形式排布，相邻两个永磁体12的励磁方向相反；这里永磁体12可采用表贴、Halbach阵列、辐射状阵列等结构排布在转子1上。
所述定子2由大模块铁芯结构21和小模块铁芯结构22交替排布构成，所述定子2上设有多个电枢齿，每个电枢齿的顶上分布有多个分裂齿23；
所述定子2的电枢槽24包括模块内电枢槽241和模块间电枢槽242，所述定子2的电枢槽24内设有电枢绕组25，所述电枢绕组25采用单层集中绕组形式排布于电枢槽24内；
所述小模块铁芯结构22上绕制有电枢绕组25的一个线包，单个所述大模块铁芯结构21上绕制有电枢绕组25的两个线包。
具体的，所述定子2上的分裂齿23沿圆周方向均匀分布或呈规律性的非均匀分布。
具体的，每个分裂齿23顶部的分裂极231数量相同且形状为矩形或菱形。
具体的，所述定子2的大模块铁芯结构21和小模块铁芯结构22通过机壳固定并确定相对位置关系。
本发明中，分裂极231起到调制磁场的作用，且定子通过将非均匀间隔的方式将槽底轭部结构去除，形成两种及两种以上定子模块，即形成混合模块化定子。其中，该游标电机采用集中式绕组结构，这样能在少量降低电机转矩性能的前提下，大幅度降低电机损耗，提高电机效率。
具体的，所述转子1的转子铁芯11和定子2的大模块铁芯结构21和小模块铁芯结构22均由高导磁率的硅钢片材料叠压而成，所述转子1的永磁体12采用钕铁硼或铁氧体永磁体材料制备而成。
具体的，所述定子2的电枢绕组25的极对数为Pw，转子1的永磁体12的极对数为Ppm，分裂齿23的总数为ns，满足以下关系式：ns＝Pw+Ppm。
为了清楚阐述本发明的具体实施方式，下面将结合附图中的三相电机对本发明加以说明，图1为本发明电机的模型，可以看到，定子2采用混合模块化结构，该结构包括大模块铁芯结构21和小模块铁芯结构22，这两种结构交替排布于圆周上。电枢绕组25采用单层集中绕组形式。电枢槽24由模块内电枢槽241和模块间电枢槽242组成。
图2给出了本发明和现有电机的磁力线分布图。其中，图a为本发明的磁力线分布图，图b为现有电机的磁力线分布图；从对比中可以看出，现有电机的磁场是会存在从某一个电枢齿进入定子，然后从其相邻的两个电枢齿形成回路。而本发明通过将部分轭部结构去除，使得部分该类磁场仅能从相邻的单个齿形成回路，改变了电机的磁场分布特征。
图3对比了本发明公开的定子混合模块化永磁游标电机及现有电机的永磁磁场谐波频谱。可以看出，本发明虽然改变了磁场分布特征，但整体谐波分布变化较小，这意味着电机的转矩输出性能变化不大。可见本发明能兼顾电机转矩输出性能。
图4对比了本发明公开的定子混合模块化永磁游标电机及现有电机的电枢磁场谐波频谱。可以看出，本发明能显著抑制电枢磁场中的低极对数损耗谐波，特别是1对极谐波，其抑制比例达64.1％。这意味着电机损耗能得到显著抑制。
图5对比了本发明和现有电机的反电势性能。可以看出，这两个电机的反电势幅值相差较小，验证了图3的分析。
图6对比了本发明和现有电机的转矩性能。定子混合模块化设计后电机转矩性能下降仅约3.9％，整体而言对电机转矩性能影响较小。
图7对比了本发明和现有电机的损耗性能。可以看出，本发明的混合模块化定子能显著降低电机铁耗和永磁体涡流损耗，损耗下降比例分别为：转子铁耗下降77.4％，定子铁耗下降43.5％，永磁体涡流损耗下降26.9％。
综上所述，本发明不仅具备传统永磁游标电机高转矩密度性能，还通过定子混合模块化设计使得电机具备更优的损耗性能，更轻的电机重量和更高的材料利用率等。
本发明中披露的说明和实践，对于本技术领域的普通技术人员来说，都是易于思考和理解的，且在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或改进，也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种定子混合模块化永磁游标电机，其特征在于，包括转子(1)和定子(2)，所述转子(1)和定子(2)之间通过气隙隔开；
所述转子(1)由转子铁芯(11)和永磁体(12)构成，所述永磁体(12)采用表贴方式排布于转子(1)的外表面，且相邻两个永磁体(12)采用径向励磁形式排布，相邻两个永磁体(12)的励磁方向相反；
所述定子(2)由大模块铁芯结构(21)和小模块铁芯结构(22)交替排布构成，所述定子(2)上设有多个电枢齿顶，每个电枢齿顶上分布有多个分裂齿(23)；
所述定子(2)的电枢槽(24)包括模块内电枢槽(241)和模块间电枢槽(242)，所述定子(2)的电枢槽(24)内设有电枢绕组(25)，所述电枢绕组(25)采用单层集中绕组形式排布于电枢槽(24)内；
所述小模块铁芯结构(22)上绕制有电枢绕组(25)的一个线包，单个所述大模块铁芯结构(21)上绕制有电枢绕组(25)的两个线包。
2.根据权利要求1所述的一种定子混合模块化永磁游标电机，其特征在于，所述定子(2)上的分裂齿(23)沿圆周方向均匀分布或呈规律性的非均匀分布。
3.根据权利要求1所述的一种定子混合模块化永磁游标电机，其特征在于，每个分裂齿(23)顶部的分裂极(231)数量相同且形状为矩形或菱形。
4.根据权利要求1所述的一种定子混合模块化永磁游标电机，其特征在于，所述定子(2)的大模块铁芯结构(21)和小模块铁芯结构(22)通过机壳固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种定子混合模块化永磁游标电机，其特征在于，所述转子(1)的转子铁芯(11)和定子(2)的大模块铁芯结构(21)和小模块铁芯结构(22)均由高导磁率的硅钢片材料叠压而成，所述转子(1)的永磁体(12)采用钕铁硼或铁氧体永磁体材料制备而成。
6.根据权利要求1所述的一种定子混合模块化永磁游标电机，其特征在于，所述定子(2)的电枢绕组(25)的极对数为Pw，转子(1)的永磁体(12)的极对数为Ppm，分裂齿(23)的总数为ns，满足以下关系式：ns＝Pw+Ppm。
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