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CN104836398A - 转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机 - Google Patents

转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机 Download PDF

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CN104836398A
CN104836398A CN201510274802.6A CN201510274802A CN104836398A CN 104836398 A CN104836398 A CN 104836398A CN 201510274802 A CN201510274802 A CN 201510274802A CN 104836398 A CN104836398 A CN 104836398A
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CN
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iron core
shaped
stator iron
stator
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朱少洪
隋义
程路明
周承豫
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Harbin Institute of Technology
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Harbin Institute of Technology
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Abstract

转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机，属于电机领域，本发明为解决传统的横向结构电机，结构复杂，空间利用率和绕组利用率偏低，转矩密度和功率密度低的问题。本发明包括定子、转子、外壳和转子支架，定子包括外定子和内定子，转子位于外定子和内定子之间，且固定在转子支架上；外定子与转子之间形成第一工作气隙，内定子与转子之间形成第二工作气隙；外定子包括外定子铁心和外定子电枢绕组，外定子铁心包括p对左右交错的U型外定子铁心，内定子包括内定子电枢绕组、内定子铁心、非导磁内定子套筒和内定子轴，内定子铁心包括p对左右交错的U型内定子铁心，转子包括2p块第一永磁体、2p块第二永磁体、转子铁心和转轴。

Description

转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机
技术领域
本发明涉及一种高功率密度和高转矩密度的永磁电机，属于电机领域。
背景技术
与电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。永磁电机转子结构按照永磁体磁路结构分为：表贴式和聚磁式。转子采用聚磁式结构，与表贴式转子结构相比较，气隙中有效谐波磁密能够大大提高，可以提高电机的功率密度，同时也能提高电机的功率因数。
传统的径向磁通和轴向磁通电机，其电路和磁路在同一个平面，存在互相竞争，当加大电负荷时，需要加大线圈的截面，即槽面积，那么齿的宽度就会减小，为了防止饱和，就必须降低磁负荷。反之亦然。因此电机的功率密度难以提高。
为了提高功率密度，人们采用横向磁通结构电机，其电负荷与磁负荷在结构上完全解耦，而且每相磁路之间没有耦合，可独立分析与控制。在同样体积的情况下，可以通过加大电机的极对数来提高转矩密度和功率密度，特别适用于低速大转矩直驱的场合。
但传统的横向结构电机，结构复杂，空间利用率和绕组利用率偏低，转矩密度和功率密度低。
发明内容
本发明目的是为了解决传统的横向结构电机，结构复杂，空间利用率和绕组利用率偏低，转矩密度和功率密度低的问题，提供了一种转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机。
本发明所述转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机，它包括定子、转子、外壳和转子支架，定子包括外定子和内定子，转子位于外定子和内定子之间，且固定在转子支架上；外定子与转子之间形成第一工作气隙，内定子与转子之间形成第二工作气隙；
外定子包括外定子铁心和外定子电枢绕组，外定子铁心包括p个第一U型外定子铁心和p个第二U型外定子铁心，p个第一U型外定子铁心和p个第二U型外定子铁心沿圆周方向交替均布在外壳的内圆表面，且第一U型外定子铁心和第二U型外定子铁心在轴向错开距离d；外定子电枢绕组设置在p个第一U型外定子铁心和p个第二U型外定子铁心共同的U型区域中；
内定子包括内定子电枢绕组、内定子铁心、非导磁内定子套筒和内定子轴，内定子铁心包括p个第一U型内定子铁心和p个第二U型内定子铁心，p个第一U型内定子铁心和p个第二U型内定子铁心沿圆周方向交替均布在非导磁内定子套筒的外圆表面，且第一U型内定子铁心和第二U型内定子铁心在轴向错开距离d；内定子电枢绕组设置在p个第一U型内定子铁心和p个第二U型内定子铁心共同的U型区域中；非导磁内定子套筒固定设置在内定子轴上；
转子包括2p块第一永磁体、2p块第二永磁体、转子铁心和转轴，转子铁心包括2p个中间位置H型转子铁心和4p个外部矩形转子铁心；2p个中间位置H型转子铁心沿圆周方向均布，每个中间位置H型转子铁心的左右侧表面和对称设置的两个外部矩形转子铁心之间分别设置有第一永磁体和第二永磁体，该对称设置的两个外部矩形转子铁心固定在转子支架上；转子支架通过轴承与内定子轴活动连接，转子支架固定在转轴上，转轴通过轴承与外壳活动连接；转轴与内定子轴的轴心在同一中心线上；
第一U型外定子铁心和一侧的外部矩形转子铁心径向对齐，第一U型内定子铁心和对称侧的外部矩形转子铁心径向对齐，且轴向宽度相等。
第二U型外定子铁心和一侧的外部矩形转子铁心径向对齐，第二U型内定子铁心和对称侧的外部矩形转子铁心径向对齐，且轴向宽度相等。
本发明的优点：
1、本发明电机的转子采用聚磁式结构，铁心中放置一对永磁体，磁化方向相反，且圆周方向相邻两个转子铁心中的永磁体磁化方向相反，结合周向相邻两个定子铁心左、右分别对称排列的结构特点，可以实现磁通切换的功能，避免相邻传统的横向磁场电机两个转子铁心只能对应一个定子铁心的情况，提高了空间利用率，同时外定子和内定子铁心左、右分别对称排列的结构特点，可以同时利用转子上的两个相邻永磁体，避免永磁体无效工作区，减小聚磁式结构的漏磁，提高了电机的磁通利用率。
2、本发明电机的各定子铁心尺寸相同，各转子铁心尺寸也相同，且都可用硅钢片叠制而成。任何时刻都能充分利用永磁体，避免永磁体无效工作区，可以有效的减少电机的漏磁通，提高了电机的转矩密度和功率密度。因此，本发明具有广泛的应用前景，可在风力发电、电动汽车，舰船电力推进等场合应用。
3、本发明电机的定子电枢绕组为环形绕组，嵌在定子铁心凹槽内，没有端部，有效地缩短了绕组的无效长度。同时，每相外定子绕组和内定子绕组可以顺向串联组成一套绕组，也可以并联作为两套绕组独立运行。在大功率驱动电机系统中，采用双定子绕组，在总功率不变的情况下，可以减小驱动器电力电子开关器件的电压或电流限值，降低系统成本。
附图说明
图1是本发明所述转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图1的B-B剖视图；
图4(a)(b)是t0时刻、两邻两个转子单元与外定子、内定子之间的电机主磁通，电枢绕组不通电；
图5(a)(b)是t1时刻、两邻两个转子单元与外定子、内定子之间的电机主磁通，电枢绕组不通电。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机，它包括定子、转子、外壳3和转子支架4，定子包括外定子和内定子，转子位于外定子和内定子之间，且固定在转子支架4上；外定子与转子之间形成第一工作气隙，内定子与转子之间形成第二工作气隙；
外定子包括外定子铁心5和外定子电枢绕组6，外定子铁心5包括p个第一U型外定子铁心5-1和p个第二U型外定子铁心5-2，p个第一U型外定子铁心5-1和p个第二U型外定子铁心5-2沿圆周方向交替均布在外壳3的内圆表面，且第一U型外定子铁心5-1和第二U型外定子铁心5-2在轴向错开距离d；外定子电枢绕组6设置在p个第一U型外定子铁心5-1和p个第二U型外定子铁心5-2共同的U型区域中；
内定子包括内定子电枢绕组9、内定子铁心10、非导磁内定子套筒12和内定子轴13，内定子铁心10包括p个第一U型内定子铁心10-1和p个第二U型内定子铁心10-2，p个第一U型内定子铁心10-1和p个第二U型内定子铁心10-2沿圆周方向交替均布在非导磁内定子套筒12的外圆表面，且第一U型内定子铁心10-1和第二U型内定子铁心10-2在轴向错开距离d；内定子电枢绕组9设置在p个第一U型内定子铁心10-1和p个第二U型内定子铁心10-2共同的U型区域中；非导磁内定子套筒12固定设置在内定子轴13上；
转子包括2p块第一永磁体7、2p块第二永磁体11、转子铁心8和转轴1，转子铁心8包括2p个中间位置H型转子铁心8-1和4p个外部矩形转子铁心8-2；2p个中间位置H型转子铁心8-1沿圆周方向均布，每个中间位置H型转子铁心8-1的左右侧表面和对称设置的两个外部矩形转子铁心8-2之间分别设置有第一永磁体7和第二永磁体11，该对称设置的两个外部矩形转子铁心8-2固定在转子支架4上；转子支架4通过轴承14与内定子轴13活动连接，转子支架固定在转轴1上，转轴1通过轴承2与外壳3活动连接；转轴1与内定子轴13的轴心在同一中心线上；
第一U型外定子铁心5-1和一侧的外部矩形转子铁心8-2径向对齐，第一U型内定子铁心10-1和对称侧的外部矩形转子铁心8-2径向对齐，且轴向宽度相等。
第二U型外定子铁心5-2和一侧的外部矩形转子铁心8-2径向对齐，第二U型内定子铁心10-2和对称侧的外部矩形转子铁心8-2径向对齐，且轴向宽度相等。
第一永磁体7和第二永磁体11均沿轴向充磁，同一个中间位置H型转子铁心8-1两侧的第一永磁体7和第二永磁体11的充磁方向相反，周向相邻两块第一永磁体7的充磁方向交替相反，周向相邻两块第二永磁体11的充磁方向交替相反。
外定子铁心5和内定子铁心10均由硅钢片叠制而成。
中间位置H型转子铁心8-1中间的长条部分可用非导磁材料制成。
外定子电枢绕组6和内定子电枢绕组9采用环形绕组。嵌在定子铁心凹槽内，该绕组没有端部，有效地缩短了绕组的无效长度。在大功率驱动电机系统中，采用双定子绕组，在总功率不变的情况下，可以减小驱动器电力电子开关器件的电压或电流限值，降低系统成本。
本实施方式为单相电机，极数为2p，本实施方式电机可做发电机使用，即当原动机驱动转子做旋转运动时，定子电枢绕组输出交流电，经整流，升压，逆变等电路，可以直接给负载供电或者进行微电网组网。
本实施方式转子采用聚磁式结构。铁心中放置一对永磁体，且圆周方向相邻两个转子铁心中的永磁体磁化方向相反，结合周向相邻两个定子铁心左、右分别对称排列的结构特点，可以实现磁通切换的功能，避免相邻传统的横向磁场电机两个转子铁心只能对应一个定子铁心的情况，提高了空间利用率，同时外定子和内定子铁心左、右分别对称排列的结构特点，可以同时利用转子上的两个相邻永磁体，避免永磁体无效工作区，减小聚磁式结构的漏磁，提高了电机的磁通利用率。
外定子气隙磁路与内定子气隙磁路串联，且主磁通所在平面与转子旋转方向垂直。
定子极数和转子极数相等，可以提高电机的空间利用率。
转子铁心8中的第一永磁体7和第二永磁体11采用钕铁硼材料。
工作原理：如图4所示，t0时刻转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机的主磁通，电枢绕组不通电，图4(a)所示为P极下，外定子铁心5-1与转子铁心8左对齐，即与左侧转子铁心8-2对齐，内定子铁心10-1与转子铁心8右对齐，即与右侧转子铁心8-2对齐，图4(b)所示为P+1极下，外定子铁心5-2与转子铁心8右对齐，即与右侧转子铁心8-2对齐，内定子铁心10-2与转子铁心8左对齐，即与左侧转子铁心8-2对齐，同一极下外定子与内定子磁路串联，不同极下转子单元永磁体产生的穿过定子铁心的磁通方向相同，外定子绕组6和内定子绕组9的磁通方向也相同；当转子处于和t0时刻位置相差180度电角度的位置二时，即t1时刻位置，如图5所示，外定子铁心5和内定子铁心10与转子铁心8的对齐方向与t0时刻正好相反，磁通方向切换为另一个方向。同时，磁通方向所在平面与运动方向垂直。当转子连续旋转时，定子电枢绕组中交链的磁通的幅值和方向呈周期性改变，从而感应出电势，实现机电能量转换。
当定子电枢绕组通入合适的电流，即可实现转子旋转。通过改变电枢绕组供电电流的频率和幅值，就可以控制转子的转速和转矩。
由图4和5可知，任何时刻每个单元的两个永磁体均处于工作状态，外定子气隙磁路与内定子气隙磁路串联，可以有效减小永磁体漏磁，从而提高电机的功率因数和功率密度。
具体实施方式二：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机，它包括三相定子、三相转子、外壳3和三个转子支架4，每相定子包括外定子和内定子，每相转子位于该相外定子和该相内定子之间，且固定在一个转子支架4上；外定子与转子之间形成第一工作气隙，内定子与转子之间形成第二工作气隙；三相定子沿轴向并列排列；
外定子包括外定子铁心5和外定子电枢绕组6，外定子铁心5包括p个第一U型外定子铁心5-1和p个第二U型外定子铁心5-2，p个第一U型外定子铁心5-1和p个第二U型外定子铁心5-2沿圆周方向交替均布在外壳3的内圆表面，且第一U型外定子铁心5-1和第二U型外定子铁心5-2在轴向错开距离d；外定子电枢绕组6设置在p个第一U型外定子铁心5-1和p个第二U型外定子铁心5-2共同的U型区域中；
内定子包括内定子电枢绕组9、内定子铁心10、非导磁内定子套筒12和内定子轴13，内定子铁心10包括p个第一U型内定子铁心10-1和p个第二U型内定子铁心10-2，p个第一U型内定子铁心10-1和p个第二U型内定子铁心10-2沿圆周方向交替均布在非导磁内定子套筒12的外圆表面，且第一U型内定子铁心10-1和第二U型内定子铁心10-2在轴向错开距离d；内定子电枢绕组9设置在p个第一U型内定子铁心10-1和p个第二U型内定子铁心10-2共同的U型区域中；非导磁内定子套筒12固定设置在内定子轴13上；
转子包括2p块第一永磁体7、2p块第二永磁体11、转子铁心8和转轴1，转子铁心8包括2p个中间位置H型转子铁心8-1和4p个外部矩形转子铁心8-2；2p个中间位置H型转子铁心8-1沿圆周方向均布，每个中间位置H型转子铁心8-1的左右侧表面和对称设置的两个外部矩形转子铁心8-2之间分别设置有第一永磁体7和第二永磁体11，该对称设置的两个外部矩形转子铁心8-2固定在转子支架4上；转子支架4通过轴承14与内定子轴13活动连接，转子支架固定在转轴1上，转轴1通过轴承2与外壳3活动连接；转轴1与内定子轴13的轴心在同一中心线上；
第一U型外定子铁心5-1和一侧的外部矩形转子铁心8-2径向对齐，第一U型内定子铁心10-1和对称侧的外部矩形转子铁心8-2径向对齐，且轴向宽度相等。
第二U型外定子铁心5-2和一侧的外部矩形转子铁心8-2径向对齐，第二U型内定子铁心10-2和对称侧的外部矩形转子铁心8-2径向对齐，且轴向宽度相等。
三相外定子铁心5在圆周方向上依次相差120度电角度、三相内定子铁心10在圆周方向上依次相差120度电角度或三相转子铁心8在圆周方向相依次相差120度电角度。
第一永磁体7和第二永磁体11均沿轴向充磁，同一个中间位置H型转子铁心8-1两侧的第一永磁体7和第二永磁体11的充磁方向相反，周向相邻两块第一永磁体7的充磁方向交替相反，周向相邻两块第二永磁体11的充磁方向交替相反。
外定子铁心5和内定子铁心10均由硅钢片叠制而成。
中间位置H型转子铁心8-1中间的长条部分可用非导磁材料制成。
外定子电枢绕组6和内定子电枢绕组9采用环形绕组。
本实施方式为三相电机，其工作原理与实施方式一相同。
每相外定子绕组6和内定子绕组9可以顺向串联组成一套绕组，也可以并联作为两套绕组独立运行。

Claims (6)

1.转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机，其特征在于，它包括定子、转子、外壳(3)和转子支架(4)，定子包括外定子和内定子，转子位于外定子和内定子之间，且固定在转子支架(4)上；外定子与转子之间形成第一工作气隙，内定子与转子之间形成第二工作气隙；
外定子包括外定子铁心(5)和外定子电枢绕组(6)，外定子铁心(5)包括p个第一U型外定子铁心(5-1)和p个第二U型外定子铁心(5-2)，p个第一U型外定子铁心(5-1)和p个第二U型外定子铁心(5-2)沿圆周方向交替均布在外壳(3)的内圆表面，且第一U型外定子铁心(5-1)和第二U型外定子铁心(5-2)在轴向错开距离d；外定子电枢绕组(6)设置在p个第一U型外定子铁心(5-1)和p个第二U型外定子铁心(5-2)共同的U型区域中；
内定子包括内定子电枢绕组(9)、内定子铁心(10)、非导磁内定子套筒(12)和内定子轴(13)，内定子铁心(10)包括p个第一U型内定子铁心(10-1)和p个第二U型内定子铁心(10-2)，p个第一U型内定子铁心(10-1)和p个第二U型内定子铁心(10-2)沿圆周方向交替均布在非导磁内定子套筒(12)的外圆表面，且第一U型内定子铁心(10-1)和第二U型内定子铁心(10-2)在轴向错开距离d；内定子电枢绕组(9)设置在p个第一U型内定子铁心(10-1)和p个第二U型内定子铁心(10-2)共同的U型区域中；非导磁内定子套筒(12)固定设置在内定子轴(13)上；
转子包括2p块第一永磁体(7)、2p块第二永磁体(11)、转子铁心(8)和转轴(1)，转子铁心(8)包括2p个中间位置H型转子铁心(8-1)和4p个外部矩形转子铁心(8-2)；2p个中间位置H型转子铁心(8-1)沿圆周方向均布，每个中间位置H型转子铁心(8-1)的左右侧表面和对称设置的两个外部矩形转子铁心(8-2)之间分别设置有第一永磁体(7)和第二永磁体(11)，该对称设置的两个外部矩形转子铁心(8-2)固定在转子支架(4)上；转子支架(4)通过轴承(14)与内定子轴(13)活动连接，转子支架固定在转轴(1)上，转轴(1)通过轴承(2)与外壳(3)活动连接；转轴(1)与内定子轴(13)的轴心在同一中心线上；
第一U型外定子铁心(5-1)和一侧的外部矩形转子铁心(8-2)径向对齐，第一U型内定子铁心(10-1)和对称侧的外部矩形转子铁心(8-2)径向对齐，且轴向宽度相等。
第二U型外定子铁心(5-2)和一侧的外部矩形转子铁心(8-2)径向对齐，第二U型内定子铁心(10-2)和对称侧的外部矩形转子铁心(8-2)径向对齐，且轴向宽度相等。
2.转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机，其特征在于，它包括三相定子、三相转子、外壳(3)和三个转子支架(4)，每相定子包括外定子和内定子，每相转子位于该相外定子和该相内定子之间，且固定在一个转子支架(4)上；外定子与转子之间形成第一工作气隙，内定子与转子之间形成第二工作气隙；三相定子沿轴向并列排列；
外定子包括外定子铁心(5)和外定子电枢绕组(6)，外定子铁心(5)包括p个第一U型外定子铁心(5-1)和p个第二U型外定子铁心(5-2)，p个第一U型外定子铁心(5-1)和p个第二U型外定子铁心(5-2)沿圆周方向交替均布在外壳(3)的内圆表面，且第一U型外定子铁心(5-1)和第二U型外定子铁心(5-2)在轴向错开距离d；外定子电枢绕组(6)设置在p个第一U型外定子铁心(5-1)和p个第二U型外定子铁心(5-2)共同的U型区域中；
内定子包括内定子电枢绕组(9)、内定子铁心(10)、非导磁内定子套筒(12)和内定子轴(13)，内定子铁心(10)包括p个第一U型内定子铁心(10-1)和p个第二U型内定子铁心(10-2)，p个第一U型内定子铁心(10-1)和p个第二U型内定子铁心(10-2)沿圆周方向交替均布在非导磁内定子套筒(12)的外圆表面，且第一U型内定子铁心(10-1)和第二U型内定子铁心(10-2)在轴向错开距离d；内定子电枢绕组(9)设置在p个第一U型内定子铁心(10-1)和p个第二U型内定子铁心(10-2)共同的U型区域中；非导磁内定子套筒(12)固定设置在内定子轴(13)上；
转子包括2p块第一永磁体(7)、2p块第二永磁体(11)、转子铁心(8)和转轴(1)，转子铁心(8)包括2p个中间位置H型转子铁心(8-1)和4p个外部矩形转子铁心(8-2)；2p个中间位置H型转子铁心(8-1)沿圆周方向均布，每个中间位置H型转子铁心(8-1)的左右侧表面和对称设置的两个外部矩形转子铁心(8-2)之间分别设置有第一永磁体(7)和第二永磁体(11)，该对称设置的两个外部矩形转子铁心(8-2)固定在转子支架(4)上；转子支架(4)通过轴承(14)与内定子轴(13)活动连接，转子支架固定在转轴(1)上，转轴(1)通过轴承(2)与外壳(3)活动连接；转轴(1)与内定子轴(13)的轴心在同一中心线上；
第一U型外定子铁心(5-1)和一侧的外部矩形转子铁心(8-2)径向对齐，第一U型内定子铁心(10-1)和对称侧的外部矩形转子铁心(8-2)径向对齐，且轴向宽度相等。
第二U型外定子铁心(5-2)和一侧的外部矩形转子铁心(8-2)径向对齐，第二U型内定子铁心(10-2)和对称侧的外部矩形转子铁心(8-2)径向对齐，且轴向宽度相等。
三相外定子铁心(5)在圆周方向上依次相差120度电角度、三相内定子铁心(10)在圆周方向上依次相差120度电角度或三相转子铁心(8)在圆周方向相依次相差120度电角度。
3.根据权利要求1或2所述转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机，其特征在于，第一永磁体(7)和第二永磁体(11)均沿轴向充磁，同一个中间位置H型转子铁心(8-1)两侧的第一永磁体(7)和第二永磁体(11)的充磁方向相反，周向相邻两块第一永磁体(7)的充磁方向交替相反，周向相邻两块第二永磁体(11)的充磁方向交替相反。
4.根据权利要求1或2所述转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机，其特征在于，外定子铁心(5)和内定子铁心(10)均由硅钢片叠制而成。
5.根据权利要求1或2所述转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机，其特征在于，中间位置H型转子铁心(8-1)中间的长条部分采用非导磁材料制成。
6.根据权利要求1或2所述转子聚磁式双定子横向磁场永磁同步电机，其特征在于，外定子电枢绕组(6)和内定子电枢绕组(9)采用环形绕组。
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