CN211958893U - 一种定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机结构 - Google Patents
一种定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机结构 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机结构,包括均为凸极结构的定子和转子,转子和定子相对转动,定子与转子间形成环形气隙;所述转子包括转子铁芯、转子电枢绕组和转子永磁体,转子铁芯包含转子齿和转子轭部,转子电枢绕组采用两相电枢绕组缠绕在转子齿上,转子永磁体设置在两个转子齿之间的槽内;所述定子包括定子铁芯、定子电枢绕组和定子永磁体,定子铁芯包含定子齿和定子轭部,定子电枢绕组采用三相电枢绕组缠绕在定子齿上,定子永磁体设置在两个定子齿之间的槽内。本实用新型为双凸极结构,采用磁场调制原理,鲁棒性强,转矩密度高,容错性强。
Description
技术领域
本实用新型属于电机领域,具体涉及一种定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机结构。
背景技术
近年来,节能减排成为时代潮流,新能源汽车成为未来电动汽车的重要发展方向。电机作为新能源汽车的核心动力部件,要求必须具有高转矩密度(功率密度)、高效率和高容错能力等。此外,在航空航天领域,为了降低电机重量,对电机的功率密度有极高的要求。由于遵循磁场调制原理,磁场调制电机具有高转矩密度的特性,近几十年来在学术界和工业界得到了越来越多的研究和关注。
目前,通过对极比和永磁磁化方式的选择,提出了各种高转矩密度的磁场调制电机拓扑结构,包括单气隙游标磁阻电机、单气隙双定转子永磁游标电机和多气隙磁场调制电机等。但是,现有的磁场调制电机通常只包含一套电枢电枢绕组(一般位于定子上),一旦电枢绕组失效,就无法产生转矩,因此,转矩输出的可靠性较差。另一方面,在现有的磁场调制电机拓扑结构中,大部分的转子部位仅含有永磁体或仅采用凸极结构,造成转子侧空间的浪费。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述不足,提供一种定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机结构。本实用新型使得电机在正常运行时将含有多重电磁转矩分量,具有极高的转矩密度,同时在一套电枢绕组故障时,通过对健康电枢绕组电流的重构,实现满载输出,具有很高的容错性能。该实用新型专利在要求电机具有高转矩密度高容错能力的领域将具有广泛的应用前景。
为了达到上述目的,本实用新型采用如下技术方案:
一种定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机结构,包括均为凸极结构的定子和转子,转子和定子相对转动,定子与转子间形成环形气隙;
所述转子包括转子铁芯、转子电枢绕组和转子永磁体,转子铁芯包含转子齿和转子轭部,转子电枢绕组采用两相电枢绕组缠绕在转子齿上,转子永磁体设置在两个转子齿之间的槽内;
所述定子包括定子铁芯、定子电枢绕组和定子永磁体,定子铁芯包含定子齿和定子轭部,定子电枢绕组采用三相电枢绕组缠绕在定子齿上,定子永磁体设置在两个定子齿之间的槽内;
所述转子永磁体和定子永磁体均采用Halbach阵列分布,转子永磁体产生的磁场径向分布,定子永磁体产生的磁场径向分布,方向相同。
作为本实用新型的进一步改进,所述定子电枢绕组通入三相对称电流,并按照ia、ib、ic的顺序依次通入定子电枢绕组;转子电枢绕组通入两相对称电流,并按照ie、if的顺序依次通入转子电枢绕组。
作为本实用新型的进一步改进,各相电流表达式为:
其中,Is为定子电流的有效值,ωes为定子电枢绕组电角速度,аs为定子初相角,Ns为定子槽数,Ir为转子电流的有效值,ωer为转子电枢绕组电角速度,аr为转子初相角,Nr为转子槽数,ωr为机械角速度。
作为本实用新型的进一步改进,所述定子永磁体产生的磁势通过转子齿部调制成的旋转磁场与定子电枢绕组产生的旋转磁势和转子电枢绕组产生的旋转磁势相互作用产生转矩;转子永磁体产生的磁势通过定子齿部调制成的旋转磁场与定子电枢绕组产生的旋转磁势和转子电枢绕组产生的旋转磁势相互作用产生转矩。
作为本实用新型的进一步改进,所述定子永磁体产生的极对数Ppms的静止磁动势通过齿数Nr的转子齿所形成的旋转磁导波进行磁场调制后,产成的旋转磁场与定子电枢绕组产生的极对数为Pas的基波磁动势和转子电枢绕组产生的极对数为Par的基波磁动势相互作用产生转矩,各极对数满足公式:
|Ppms±Nr|=Pas=Par (1)
转子永磁体产生的极对数为Ppmr的旋转磁动势通过齿数Ns的定子齿所形成的磁导波进行磁场调制后,产成的旋转磁场与定子电枢绕组产生的极对数为Pas的基波磁动势和转子电枢绕组产生的极对数为Par的基波磁动势相互作用产生转矩,各极对数满足公式:
|Ppmr±Ns|=Pas=Par (2)
作为本实用新型的进一步改进,所述定子、转子的槽数和极对数配合关系需满足公式(1)和公式(2),其中一种可行的槽极配合方案为:
作为本实用新型的进一步改进,
所述转子齿和转子轭部外部轮廓均为同心的圆弧结构;
所述定子齿和定子轭部外部轮廓均为同心的圆弧结构;
所述转子齿和定子齿之间为所述气隙。
与现有技术相比,具有以下优点:
本实用新型的定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机,采用双凸极结构,定子铁芯凹槽和转子铁芯凹槽中均设置有电枢绕组,定子铁芯槽口和转子铁芯的槽口均有永磁体,定子电枢绕组通入三相对称交流电,转子电枢绕组通入两相对称交流电。正常工作时,两套电枢绕组和两套永磁体叠加,输出机械转矩,进一步提高了转矩密度,并且在任意一套电枢绕组故障时也能产生转矩,提高了电机的容错能力。利用磁场调制原理,鲁棒性强,转矩密度高,容错性强。
不同于传统的单气隙游标磁阻电机、单气隙双定转子永磁游标电机等现有的磁场调制电机类型只有一套电枢电枢绕组,本实用新型定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机通过对电机定转子槽数、定转子电枢绕组极对数和定转子永磁体极对数的配合选择,使得电机在正常运行时将含有多重电磁转矩分量,具有极高的转矩密度。同时在一套电枢绕组故障时,通过对健康电枢绕组电流的重构,实现满载输出,具有很高的容错性能。该实用新型专利在要求电机具有高转矩密度高容错能力的领域将具有广泛的应用前景。
本实用新型电机具有转矩密度高,容错能力强的特点。在正常运行时,定转子电枢绕组同时供电,与定转子永磁体同时作用,实现高转矩密度输出。在电机定子或转子电枢绕组故障时,切除故障电枢绕组供电,并对正常电枢绕组电流重构或增大,仍能产生额定转矩,实现短时满载运行。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图;
图2为本实用新型的定子电枢绕组星型图;
图3为本实用新型的转子电枢绕组星型图。
其中:1、转子;1-1、转子齿;1-2、转子电枢绕组;1-3、转子永磁体;2、气隙;3、定子;3-1、定子齿;3-2、定子电枢绕组;3-3、定子永磁体。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案,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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本实用新型保护的范围。
本实用新型包括定子3、转子1,且定子3、转子1铁芯均为凸极结构,定子3、转子1间具有气隙2,定子3包括定子铁芯、定子电枢绕组3-2和定子永磁体3-3,转子1包括转子铁芯、转子电枢绕组1-2和转子永磁体1-3。
需要声明的是本实用新型所提出的定转子是相对的,根据实际应用场合和系统成本考虑最终确定,在本实用新型中将以外转子电机举例。
具体地,所述转子包括转子铁芯、转子电枢绕组和转子永磁体,转子铁芯包含转子齿和转子轭部,转子电枢绕组采用两相电枢绕组缠绕在转子齿上,转子永磁体设置在两个转子齿之间的槽内;且转子永磁体设置在转子电枢绕组外侧。
所述定子包括定子铁芯、定子电枢绕组和定子永磁体,定子铁芯包含定子齿和定子轭部,定子电枢绕组采用三相电枢绕组缠绕在定子齿上,定子永磁体设置在两个定子齿之间的槽内,且定子永磁体设置在定子电枢绕组外侧。
转子和定子永磁体都是采用Halbach阵列分布,转子永磁体产生的磁场径向分布,定子永磁体产生的磁场径向分布,方向相同,同时指向定子或转子侧。
一种成本较低的实施方案为:定子电枢绕组3-2通入三相对称电流,并按照ia、ib、ic的顺序依次通入定子电枢绕组3-2。转子电枢绕组1-2通入两相对称电流,并按照ie、if的顺序依次通入转子电枢绕组1-2,各相电流表达式为:
其中,Is为定子3电流的有效值,ωes为定子电枢绕组3-2电角速度,аs为定子3初相角,Ns为定子3槽数,Ir为转子1电流的有效值,ωer为转子电枢绕组1-2电角频率,аr为转子1初相角,Nr为转子1槽数,ωr为机械角速度。
定子永磁体3-3产生的极对数Ppms的静止磁动势通过齿数Nr的转子齿1-1所形成的旋转磁导波进行磁场调制后,产成的旋转磁场与定子电枢绕组3-2产生的极对数为Pas的基波磁动势和转子电枢绕组1-2产生的极对数为Par的基波磁动势相互作用,产生转矩,即满足公式:
|Ppms±Nr|=Pas=Par
转子永磁体1-3产生的极对数为Ppmr的旋转磁动势通过齿数Ns的定子齿3-1所形成的磁导波进行磁场调制后,产成的旋转磁场与定子电枢绕组3-2产生的极对数为Pas的基波磁动势和转子电枢绕组1-2产生的极对数为Par的基波磁动势相互作用,产生转矩,即满足公式:
|Ppmr±Ns|=Pas=Par
以上分析表明,若电机参数选择合适,将会产生四部分转矩,前两种是定子永磁体3-3产生的磁势通过转子齿1-1部调制成的旋转磁场与定子电枢绕组3-2产生的旋转磁势和转子电枢绕组1-2产生的旋转磁势相互作用产生的转矩;后两种是转子永磁体1-3产生的磁势通过定子齿3-1部调制成的旋转磁场与定子电枢绕组3-2产生的旋转磁势和转子电枢绕组1-2产生的旋转磁势相互作用产生的转矩。当四部分转矩作用于转子1的方向相同时,合成的电磁转矩最大。
满足上述三个关系的定转子1槽数和极对数配合为:
而其他满足上述公式的所有槽极配合且符合本专利所述原理的,都属于本专利的保护范围内,此处不在列出。此外,本专利以外转子电机模型为例,符合本专利所述原理的包括但不限于内转子电机、轴向磁场电机等,都属于本专利的保护范围内。
下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
实施例
参见图1,本实用新型包括定子3,转子1,定子3与转子1间具有气隙2,转子1包括转子齿1-1、转子电枢绕组1-2和转子永磁体1-3,定子3包括定子齿3-1、定子电枢绕组3-2和定子永磁体3-3,转子电枢绕组1-2采用两相电枢绕组缠绕在转子齿1-1上,定子电枢绕组3-2采用三相电枢绕组缠绕在定子齿3-1上。
参见图2,图2为本实用新型定子绕组星型图,本实用新型定子3一共9槽,采用双层绕组,定子绕组3-2为三相分布式绕组结构,通入三相对称交流电,产生1对极磁势。
参见图3,图3为本实用新型转子绕组星型图,本实用新型转子1一共8槽,采用单层绕组,转子绕组1-2采用两相分布式绕组结构,通入两相对称交流电,产生1对极磁势。
定子电枢绕组3-2通入三相对称电流,并按照ia、ib、ic的顺序依次通入定子电枢绕组3-2。转子电枢绕组1-2通入两相对称电流,并按照ie、if的顺序依次通入转子电枢绕组1-2,各相电流表达式为:
其中,Is为定子3电流的有效值,ωes为定子电枢绕组3-2电角速度,аs为定子3初相角,Ns为定子3槽数,Ir为转子1电流的有效值,ωer为转子电枢绕组1-2电角速度,аr为转子1初相角,Nr为转子1槽数,ωr为机械角速度。
为了更好的解释本电机的工作原理,下面结合附图1对本实用新型进行说明。本实用新型电机定、转槽极配合为9/8,定子电枢绕组3-2通入三相对称交流电产生1对极旋转磁动势,定子永磁体3-3极对数产生9对极磁场,转子电枢绕组1-2通入两相对称交流电产生1对极旋转磁动势,转子永磁体1-3产生8对极磁场。定子永磁体3-3产生的9对极静止磁动势通过齿数为8的转子齿1-1所形成的旋转磁导波进行磁场调制后,产成的1对极旋转磁场分别与定转子电枢绕组产生的1对极基波磁动势相互作用,产生两部分转矩。转子永磁体1-3产生的8对极旋转磁动势通过齿数为9的定子齿3-1所形成的磁导波进行磁场调制后,产成的1对极旋转磁场与定转子电枢绕组产生的1对极基波磁动势相互作用,产生两部分转矩。当四部分转矩作用于转子1的方向相同时,合成的电磁转矩最大。
当转子电枢绕组1-2故障时,切除转子电枢绕组1-2供电,对定子相电流重构,定子电枢绕组3-2磁动势分别与定转子永磁体磁动势作用,电机相当于1对极永磁同步电机运行,实现短时满载运行;当定子电枢绕组3-2故障时,切除定子电枢绕组3-2供电,对转子相电流重构,转子电枢绕组1-2磁动势分别与定转子永磁体磁动势作用,电机也相当于1对极永磁同步电机运行,实现短时满载运行。因此,该新型电机具有较强的容错性能,鲁棒性强。
本实用新型运用了磁场调制原理,对电机结构进行了创新,在定转子上都加入了电枢电枢绕组和永磁体,从而能够产生多重电磁转矩,并且在定子或转子电枢绕组故障时,切除故障电枢绕组并对健康相电流重构,实现短时满载运行,实现了电机高转矩密度和高容错能力。电机定子、转子铁芯均采用凸极结构,电机模型较为简单,便于加工制造,鲁棒性强。本实用新型在要求高转矩密度和高容错能力的领域将具有广泛的应用前景。
作为优选实施例,转子齿1-1和转子1轭部外部轮廓均为同心的圆弧结构;定子齿3-1和定子3轭部外部轮廓均为同心的圆弧结构;转子齿1-1和定子齿3-1之间为所述气隙2。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本实用新型的保护范围。因此,本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
应该理解,以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述,在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此,本教导的范围不应该参照上述描述来确定,而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的,所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容,也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的实用新型主题的一部分。
Claims (8)
1.一种定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机结构,其特征在于,包括均为凸极结构的定子和转子,转子和定子相对转动,定子与转子间形成环形气隙;
所述转子包括转子铁芯、转子电枢绕组和转子永磁体,转子铁芯包含转子齿和转子轭部,转子电枢绕组采用两相电枢绕组缠绕在转子齿上,转子永磁体设置在两个转子齿之间的槽内;
所述定子包括定子铁芯、定子电枢绕组和定子永磁体,定子铁芯包含定子齿和定子轭部,定子电枢绕组采用三相电枢绕组缠绕在定子齿上,定子永磁体设置在两个定子齿之间的槽内。
2.根据权利要求1所述的定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机结构,其特征在于,所述转子永磁体和定子永磁体均采用阵列分布,转子永磁体产生的磁场径向分布,定子永磁体产生的磁场径向分布,方向相同。
3.根据权利要求1所述的定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机结构,其特征在于,所述定子电枢绕组通入三相对称电流,并按照ia、ib、ic的顺序依次通入定子电枢绕组;转子电枢绕组通入两相对称电流,并按照ie、if的顺序依次通入转子电枢绕组。
5.根据权利要求1所述的定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机结构,其特征在于,所述定子永磁体产生的磁势通过转子齿部调制成的旋转磁场与定子电枢绕组产生的旋转磁势和转子电枢绕组产生的旋转磁势相互作用产生转矩;转子永磁体产生的磁势通过定子齿部调制成的旋转磁场与定子电枢绕组产生的旋转磁势和转子电枢绕组产生的旋转磁势相互作用产生转矩。
6.根据权利要求5所述的定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机结构,其特征在于,所述定子永磁体产生的极对数Ppms的静止磁动势通过齿数Nr的转子齿所形成的旋转磁导波进行磁场调制后,产成的旋转磁场与定子电枢绕组产生的极对数为Pas的基波磁动势和转子电枢绕组产生的极对数为Par的基波磁动势相互作用产生转矩,各极对数满足公式:
|Ppms±Nr|=Pas=Par
转子永磁体产生的极对数为Ppmr的旋转磁动势通过齿数Ns的定子齿所形成的磁导波进行磁场调制后,产成的旋转磁场与定子电枢绕组产生的极对数为Pas的基波磁动势和转子电枢绕组产生的极对数为Par的基波磁动势相互作用产生转矩,各极对数满足公式:
|Ppmr±Ns|=Pas=Par。
8.根据权利要求1所述的定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机结构,其特征在于,
所述转子齿和转子轭部外部轮廓均为同心的圆弧结构;
所述定子齿和定子轭部外部轮廓均为同心的圆弧结构;
所述转子齿和定子齿之间为所述气隙。
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CN202020762271.1U CN211958893U (zh) | 2020-05-09 | 2020-05-09 | 一种定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机结构 |
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CN114421666A (zh) * | 2022-02-28 | 2022-04-29 | 上海交通大学 | 双馈开关磁阻电机、系统及其控制方法 |
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2020
- 2020-05-09 CN CN202020762271.1U patent/CN211958893U/zh active Active
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