CN202634097U - 一种集中绕组电机、发电机及电动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种集中绕组电机、发电机及电动机，集中绕组电机的转子轭上贴有间距为Sm的2P块N、S极性相间分布的磁钢，定子铁芯设有Z个槽和Z个定子齿，集中绕组电机的两个相邻定子齿之间的槽口宽度Sc与两块相邻磁钢的间距Sm的尺寸满足：Sm/Sc=（0.83～1.3）；磁钢的宽度τm与极距τ之比满足：τm/τ≥(0.75～0.9)；定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸，双凸波浪形或呈三凸波浪形。本实用新型的集中绕组电机且通过采用高次波形的定子气隙表面，进一步提高定位力矩频率，达到均化气隙磁阻，抑制定位力矩的目的。

Description

一种集中绕组电机、发电机及电动机

技术领域

本实用新型涉及集中绕组的永磁电机，具体涉及一种集中绕组电机、发电机及电动机。 

背景技术

永磁电机的转子一般采用稀土永磁体，例如钕铁硼永磁体。稀土永磁体材料正越来越稀缺，价格越来越贵，因此必需减少永磁体的用量和提高永磁体的利用率。 

集中绕组的永磁电机可以明显地提高永磁电机的力能指标，例如：绕组利用率、效率、功率体积比、力矩体积比等，以及改善电机制造工艺。 

然而，定位力矩偏大仍然是集中绕组永磁电机的问题，较优的磁极数与齿槽数配合可以抑制定位力矩，从而使集中绕组永磁电机的可选方案非常少。实用新型专利ZL200780009121.0，提出一种大、中、小齿定子结构来抑制定位力矩；ZL200920204762.8提出较优的磁极数与大、小齿的齿槽数配合来抑制定位力矩；这类方法的定子冲片必需采用拼块结构，拼块绕线后，再组装成定子体，或者把小齿取下后绕线，再把小齿组装上去。这些方法都无法实现直接全自动绕线，增加了工艺成本和工艺误差带来的风险。 

集中绕组的永磁电机与传统分布绕组的永磁电机比，定子的齿槽数至少少了3倍，也即，集中绕组永磁电机的槽数少而且槽距很大，可简化电机制造工艺，但也因此使得集中绕组永磁电机失去了采用斜一个槽距来有效抑制定位力矩的可能，因为集中绕组永磁电机斜一个槽距的机械角度和电角度都实在太大了。因此传统分布绕组永磁电机抑制定位力矩的最有效措施，集中绕组永磁电机不能采用，集中绕组永磁电机定位力矩偏大仍然是个大问题。 

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种集中绕组电机、发电机及电动机，其采用间贴式磁钢，节省了材料，利用磁钢间隙和槽口间隙的数值优化配合来提高定位力矩频率，抑制定位力矩幅值，且通过采用高次波形的定子气隙表面，进一步提高定位力矩频率，达到均化气隙磁阻，抑制定位力矩的目的。 

本实用新型提供一种集中绕组电机，其转子轭上贴有间距为Sm的2P块N、S极性相间分布的磁钢，定子铁芯设有Z个槽和Z个定子齿，所述集中绕组电机的两个相邻定子齿之间的槽口宽度Sc与两块相邻磁钢的间距Sm的尺寸，满足约束关系：Sm/Sc=（0.83～1.3）；所述磁钢的宽度τm与极距τ之比，满足约束关系：τm/τ≥(0.75～0.9)，其中极距τ=360°/2P，P是电机的磁极对数；所述定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸，双凸波浪形或呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸波浪形。 

根据本实用新型的集中绕组电机，所述电机为内转子集中绕组电机或外转子集中绕组电机。 

根据本实用新型的集中绕组电机，电机极数2P=10，槽数Z=12，定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸，双凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍。 

根据本实用新型的集中绕组电机，电机极数2P=10，槽数Z=12，定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍。 

根据本实用新型的集中绕组电机，电机极数2P=40，槽数Z=36，定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸，双凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍。 

根据本实用新型的集中绕组电机，电机极数2P=40，槽数Z=36，定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸-凹-凸-凹-凸，三凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍。 

根据本实用新型的集中绕组电机，电机极数2P=16，槽数Z=18，定子铁 芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍。 

本实用新型还提供一种发电机，其转子轭上贴有间距为Sm的2P块N、S极性相间分布的磁钢，定子铁芯设有Z个槽和Z个定子齿，所述发电机的两个相邻定子齿之间的槽口宽度Sc与两块相邻磁钢的间距Sm的尺寸，满足约束关系：Sm/Sc=（0.83～1.3）；所述磁钢的宽度τm与极距τ之比，满足约束关系：τm/τ≥(0.75～0.9)，其中极距τ=360°/2P，P是电机的磁极对数；所述定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸，双凸波浪形或呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸波浪形。 

根据本实用新型的发电机，所述发电机为内转子集中绕组发电机或外转子集中绕组发电机。 

本实用新型还提供一种电动机，其转子轭上贴有间距为Sm的2P块N、S极性相间分布的磁钢，定子铁芯设有Z个槽和Z个定子齿，所述电动机的两个相邻定子齿之间的槽口宽度Sc与两块相邻磁钢的间距Sm的尺寸，满足约束关系：Sm/Sc=（0.83～1.3）；所述磁钢的宽度τm与极距τ之比，满足约束关系：τm/τ≥(0.75～0.9)，其中极距τ=360°/2P，P是电机的磁极对数；所述定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸，双凸波浪形或呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸波浪形。 

本实用新型的集中绕组电机采用间贴式磁钢来节省磁钢，集中绕组电机定子两个齿之间的槽口宽度Sc与两块相邻磁钢的间距Sm的尺寸，满足约束关系：Sm/Sc=（0.83～1.3），与传统永磁电机的设计理念不同，传统永磁电机设计认为槽口宽度Sc和磁钢的间距Sm越小定位力矩就越小。本实用新型通过强化和利用磁钢间距的两个边沿磁场强度的突变、槽口的两个边沿磁阻的突变，在两者相互作用下，使定位力矩的频率提高一倍。一般来说，谐波频率提高一倍，谐波幅值至少减小一倍，因此本实用新型提高了定位力矩频率，能抑制定位力矩幅值。同时电机的槽口宽度Sc可以被人为设计所给定，从而电机槽口可充分满足直接全自动绕线的要求。磁钢的宽度τm与极距τ之比，满足 约束关系：τm/τ≥(0.75～0.9)，其中极距τ=360°/2P，P是电机的磁极对数，从而可以选择电机的磁钢用量，使集中绕组电机的磁场正弦性被优化，能够保持转矩恒定。 

同时，为了进一步抑制定位力矩，定子铁芯的Z个定子齿的气隙表面，设计呈双凸波浪形，这里的双凸波浪形，相当于将Z个定子齿的磁阻变化频率提高到了2Z个定子齿的频率；或设计呈三凸波浪形，那么三凸波浪形相当于将Z个定子齿的磁阻变化频率提高到了3Z个定子齿的频率。相当于定位力矩周期变化为：Tσ=360/（2P×2Z/c）或Tσ=360/（2P×3Z/c），其中c是2P×Z的公约数。从而本实用新型的电机气隙呈高次波形，这里采用双凸波浪形或三凸波浪形，要优先满足定位力矩Tσ最大化，以便取得最佳抑制定位力矩的效果。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1本实用新型集中绕组电机一种实施例的定子冲片和转子的正视图，其定子齿的气隙表面呈双凸正弦波波形； 

图2A是图1中定子冲片的定子齿的气隙表面局部展开示意图； 

图2B是图1中定子冲片的定子齿的气隙表面呈三凸正弦波波形的局部展开示意图； 

图3是本实用新型集中绕组电机另一实施例的定子冲片和转子的正视图，其定子齿的气隙表面呈双凸正弦波波形； 

图4A是图3中定子冲片的定子齿的气隙表面局部展开示意图； 

图4B是图3中定子冲片的定子齿的气隙表面呈三凸正弦波波形的局部展开示意图； 

图5是本实用新型集中绕组电机又一实施例的定子冲片和转子的正视图。 

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。 

如图1所示，本实用新型一种集中绕组电机100，其转子轭10上贴有间距为Sm的2P块N、S极性相间分布的磁钢20，定子铁芯30设有Z个槽31和Z个定子齿32。由传统的理论分析和实验可知，该极数和槽数配合的永磁电机的定位力矩的周期是：Tσ=360/（2P×Z/c），c是2P×Z的最大公约数。该集中绕组电机100可作为高性能伺服电机、力矩电机、电动汽车电机和直驱风力发电机。 

其中，集中绕组电机100的两个相邻定子齿32之间的槽口宽度Sc与两块相邻磁钢20的间距Sm的尺寸，满足约束关系：Sm/Sc=（0.83～1.3）。这与传统永磁电机的设计理念不同，传统永磁电机设计认为槽口宽度Sc和磁钢的间距Sm越小定位力矩就越小。本实用新型通过强化和利用磁钢20间距的两个边沿磁场强度的突变、槽口的两个边沿磁阻的突变，在两者相互作用下，使定位力矩的频率提高一倍。一般来说，谐波频率提高一倍，谐波幅值至少减小一倍。因此本实用新型提高了定位力矩频率，能抑制定位力矩幅值。同时电机的槽口宽度Sc可以被人为设计所给定，从而电机槽口可充分满足直接全自动绕线的要求。 

磁钢20的宽度τm与极距τ之比，满足约束关系：τm/τ≥(0.75～0.9)，其中极距τ=360°/2P，P是电机的磁极对数。从而可以选择电机的磁钢用量，同时，使集中绕组电机100的磁场正弦性被优化，能够保持转矩恒定。借此，按上述两个约束条件设计的集中绕组电机100，气隙磁场正弦性好，电机的定位力矩比较小。 

如图2A及图2B所示，为了进一步抑制定位力矩，定子铁芯30的定子齿32的气隙表面321，设计呈凸—凹—凸，即为双凸波浪形，定子齿32的气隙表面321呈双凸波浪形，相当于将Z个定子齿32的磁阻变化频率提高到了2Z个定子齿的频率；或将定子齿32的气隙表面321设计呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸波浪形，定子齿32的气隙表面321呈三凸波浪形相当于将Z个定子齿32的磁阻变化频率提高到了3Z个定子齿的频率。于是相当于定位力矩周期变化为：Tσ=360/（2P×2Z/c）或Tσ=360/（2P×3Z/c），其中c是2P×Z的公约数。于是形成本实用新型的特征：电机气隙呈高次波形。这里采用双凸波浪形或三凸波浪形，要优先满足定位力矩Tσ最大化，以便取得最佳抑制定位力矩的效果。例如2P=8，Z=9，电机若采用双凸波浪形，由于公约数c变大了，所以定位力矩周期Tσ=360/（2P×2Z/c）=360/（8×2×9/2）=5，定位力矩周期不变。若采用三凸波浪形，定位力矩周期为Tσ=360/（2P×3Z/c）=5/3，定位力矩周期变小了3倍，频率提高3倍。谐波频率提高3倍，谐波幅值至少减小3倍，从而提高了定位力矩频率，能抑制定位力矩幅值。 

本实用新型的集中绕组电机100可以为如图1所示的内转子集中绕组电机或如图3、图5所示的外转子集中绕组电机。 

在图1中，集中绕组电机100为内转子集中绕组电机，电机极数2P=10，槽数Z=12，定子铁芯30的12个定子齿32的气隙表面321，呈凸—凹—凸，双凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍，其具体大小根据电机大小进行设置。定子齿32气隙表面321的波形能够与定位力矩波形中的二次谐波或三次谐波相互抵消，从而抑制定位力矩幅值。 

图2A是图1中10极12槽内转子电机定子冲片的定子齿的气隙表面局部展开示意图。显而易见，该10极12槽内转子电机100定子冲片的定子齿32的气隙表面321也可设置为三凸正弦波波形，其具体结构如图2B所示，定子铁芯30的12个定子齿32的气隙表面321，呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍，其具体大小根据电机大小进行设置。 

在图3中，集中绕组电机100为外转子集中绕组电机，电机极数2P=40，槽数Z=36，定子铁芯30的30个定子齿32的气隙表面321，呈凸—凹—凸，双凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍，其具体大小根据电机大小进行设置。 

图4A是图3中40极36槽内转子电机定子冲片的定子齿的气隙表面局部展开示意图。显而易见，该40极36槽外转子电机100定子冲片的定子齿32的气隙表面321也可设置为三凸正弦波波形，其具体结构如图4B所示，定子铁芯30的36个定子齿32的气隙表面321，呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍，其具体大小根据电机大小进行设置。 

在图5中，集中绕组电机100为外转子集中绕组电机，电机极数2P=16，槽数Z=18，定子铁芯30的18个定子齿32的气隙表面321，呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍，其具体大小根据电机大小进行设置。显而易见，该16极18槽外转子电机100定子冲片的定子齿32的气隙表面321也可设置为双凸正弦波波形。 

本实用新型还提供一种发电机，其转子轭上贴有间距为Sm的2P块N、S极性相间分布的磁钢，定子铁芯设有Z个槽和Z个定子齿，所述发电机的两个相邻定子齿之间的槽口宽度Sc与两块相邻磁钢的间距Sm的尺寸，满足约束关系：Sm/Sc=（0.83～1.3）；所述磁钢的宽度τm与极距τ之比，满足约束关系：τm/τ≥(0.75～0.9)，其中极距τ=360°/2P，P是电机的磁极对数；所述定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸，双凸波浪形或呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸波浪形。本实用新型的发电机的具体结构与集中绕组电机100一致，在此不再赘述。 

本实用新型还提供一种电动机，其转子轭上贴有间距为Sm的2P块N、S极性相间分布的磁钢，定子铁芯设有Z个槽和Z个定子齿，所述电动机的两 个相邻定子齿之间的槽口宽度Sc与两块相邻磁钢的间距Sm的尺寸，满足约束关系：Sm/Sc=（0.83～1.3）；所述磁钢的宽度τm与极距τ之比，满足约束关系：τm/τ≥(0.75～0.9)，其中极距τ=360°/2P，P是电机的磁极对数；所述定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸，双凸波浪形或呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸波浪形。本实用新型的电动机的具体结构与集中绕组电机100一致，在此不再赘述。 

综上所述，本实用新型的集中绕组电机采用间贴式磁钢来节省磁钢，集中绕组电机定子两个齿之间的槽口宽度Sc与两块相邻磁钢的间距Sm的尺寸，满足约束关系：Sm/Sc=（0.83～1.3），与传统永磁电机的设计理念不同，传统永磁电机设计认为槽口宽度Sc和磁钢的间距Sm越小定位力矩就越小。本实用新型通过强化和利用磁钢间距的两个边沿磁场强度的突变、槽口的两个边沿磁阻的突变，在两者相互作用下，使定位力矩的频率提高一倍。一般来说，谐波频率提高一倍，谐波幅值至少减小一倍，因此本实用新型提高了定位力矩频率，能抑制定位力矩幅值。同时电机的槽口宽度Sc可以被人为设计所给定，从而电机槽口可充分满足直接全自动绕线的要求。磁钢的宽度τm与极距τ之比，满足约束关系：τm/τ≥(0.75～0.9)，其中极距τ=360°/2P，P是电机的磁极对数，从而可以选择电机的磁钢用量，使集中绕组电机的磁场正弦性被优化，能够保持转矩恒定。 

同时，为了进一步抑制定位力矩，定子铁芯的Z个定子齿的气隙表面，设计呈双凸波浪形，这里的双凸波浪形，相当于将Z个定子齿的磁阻变化频率提高到了2Z个定子齿的频率；或设计呈三凸波浪形，那么三凸波浪形相当于将Z个定子齿的磁阻变化频率提高到了3Z个定子齿的频率。相当于定位力矩周期变化为：Tσ=360/（2P×2Z/c）或Tσ=360/（2P×3Z/c），其中c是2P×Z的公约数。从而本实用新型的电机气隙呈高次波形，这里采用双凸波浪形或三凸波浪形，要优先满足定位力矩Tσ最大化，以便取得最佳抑制定位力矩的效果。 

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于 本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。 

Claims (10)

1.一种集中绕组电机，其转子轭上贴有间距为Sm的2P块N、S极性相间分布的磁钢，定子铁芯设有Z个槽和Z个定子齿，其特征在于，

所述集中绕组电机的两个相邻定子齿之间的槽口宽度Sc与两块相邻磁钢的间距Sm的尺寸，满足约束关系：Sm/Sc=（0.83～1.3）；

所述磁钢的宽度τm与极距τ之比，满足约束关系：τm/τ≥(0.75～0.9)，其中极距τ=360°/2P，P是电机的磁极对数；

所述定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸，双凸波浪形或呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸波浪形。

2.根据权利要求1所述的集中绕组电机，其特征在于，所述电机为内转子集中绕组电机或外转子集中绕组电机。

3.根据权利要求1所述的集中绕组电机，其特征在于，电机极数2P=10，槽数Z=12，定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸，双凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍。

4.根据权利要求1所述的集中绕组电机，其特征在于，电机极数2P=10，槽数Z=12，定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍。

5.根据权利要求1所述的集中绕组电机，其特征在于，电机极数2P=40，槽数Z=36，定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸，双凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍。

6.根据权利要求1所述的集中绕组电机，其特征在于，电机极数2P=40，槽数Z=36，定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍。

7.根据权利要求1所述的集中绕组电机，其特征在于，电机极数2P=16，槽数Z=18，定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸-凹-凸-凹-凸，三凸正弦波波形，正弦波的幅值是电机最小气隙长度δ的0.3～1.5倍。

8.一种发电机，其转子轭上贴有间距为Sm的2P块N、S极性相间分布的磁钢，定子铁芯设有Z个槽和Z个定子齿，其特征在于，

所述发电机的两个相邻定子齿之间的槽口宽度Sc与两块相邻磁钢的间距Sm的尺寸，满足约束关系：Sm/Sc=（0.83～1.3）；

所述磁钢的宽度τm与极距τ之比，满足约束关系：τm/τ≥(0.75～0.9)，其中极距τ=360°/2P，P是电机的磁极对数；

所述定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸，双凸波浪形或呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸波浪形。

9.根据权利要求8所述的发电机，其特征在于，所述发电机为内转子集中绕组发电机或外转子集中绕组发电机。

10.一种电动机，其转子轭上贴有间距为Sm的2P块N、S极性相间分布的磁钢，定子铁芯设有Z个槽和Z个定子齿，其特征在于，

所述电动机的两个相邻定子齿之间的槽口宽度Sc与两块相邻磁钢的间距Sm的尺寸，满足约束关系：Sm/Sc=（0.83～1.3）；

所述磁钢的宽度τm与极距τ之比，满足约束关系：τm/τ≥(0.75～0.9)，其中极距τ=360°/2P，P是电机的磁极对数；

所述定子铁芯的定子齿的气隙表面，呈凸—凹—凸，双凸波浪形或呈凸—凹—凸—凹—凸，三凸波浪形。

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