CN115714485A - 一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机。属于电机设计领域，该电机由转子铁心、分离型永磁体、定子永磁体、定子铁心和绕组组成，其特征在于转子上采用分离型交替极永磁励磁，其中，将基于电机初始设计的径向充磁表贴永磁体沿其径向中心线和周向中心线分离为三块永磁体，一块整宽度的外永磁体和两块半宽度等高的内永磁体，两块内永磁体以永磁体周向外侧分离点为圆点向转子内表面旋转，可与外永磁体构成等腰梯形、矩形以及三角形‑矩形组合等结构的分离型永磁体结构。该永磁结构在同永磁用量下具有高励磁能力，并且调节电机内气隙磁场分布，降低谐波畸变率。本发明公开的电机具有高功率因数、高转矩密度及高效率等优点。
Description
技术领域
本发明属于电机设计领域，涉及了一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机。
背景技术
现有技术中，发展新能源汽车产业是汽车产业转型发展的主要方向的重要引擎，通过新能源汽车产业的发展，推动了交通电气化和新能源汽车纯电驱动转型；而电机在现代工业中起着重要作用；此外，由于其理论上的零排放，电机在清洁能源系统中尤其受欢迎，如电动汽车和风力发电机，旨在解决能源危机和环境污染问题。
当前，具有高效率和高功率密度的永磁同步电机，可取代传统电励磁电机应用各个领域已被广泛研究；目前，大部分电机驱动系统通常采用“电机+机械减速齿轮箱”的组合方式，实现整个电机系统的高转矩输出；然而，该方法会不可避免地带来体积大、可靠性低、摩擦与噪声大等一系列问题。为了解决以上这些问题，将磁齿轮效应引入永磁同步电机中，形成磁场调制电机。目前，磁场调制电机大多采用单边永磁励磁结构，包括转子永磁结构和定子永磁结构。转子永磁电机利用转子永磁激励产生的空间谐波经过定子侧调制极调制后，再与通电后的电枢绕组产生的空间谐波相互作用，产生电磁转矩；定子永磁电机利用定子永磁体激励的磁场空间谐波首先由转子调制极调制，然后与通电后的电枢磁场产生的空间谐波相互作用，以产生电磁转矩。但传统磁场调制电机采用单永磁励磁，存在电机内部空间利用率低问题。
为了解决该问题，电机研究人员采用一种采用定子和转子永磁共同励磁的永磁电机结构，即双磁场调制电机。该电机基于双磁场调制效应，定、转子永磁励磁磁场分别由转、定子铁芯极调制，形成双边磁场调制，增加了工作谐波的数量及幅值，提高电机转矩输出能力。
本发明公开的一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机，该电机输出转矩大、内部空间利用率高、高转矩密度以及永磁体利用率高。
发明内容
针对上述问题，本发明目的是为了进一步提高磁场调制电机的转矩输出能力，本发明在探索新型转子永磁阵列和双磁场调制电机等技术的基础上，公开了一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机；
所述转子上采用分离型交替极永磁励磁，其中，将基于电机初始设计的径向充磁表贴永磁体沿其径向中心线和周向中心线分离为三块永磁体，即一块整宽度的外永磁体和两块半宽度等高的内永磁体，两块内永磁体以永磁体周向外侧分离点为圆点向转子内表面旋转角度数值根据初始设计需要的最佳气隙磁场分布计算求得且小于90度，以保证聚磁和磁场调节能力，降低气隙磁场谐波畸变率；
通过转子上永磁励磁磁场与定子上永磁励磁磁场分别被定子齿和转子铁心调制后与电枢绕组耦合，在气隙磁场内基于双磁场调制效应进行机电能量转换；
本发明具有转子永磁励磁能力强，气隙磁场内工作谐波数量多、幅值高的特点，并且基于双磁场调制效应，电机具有高输出转矩、高转矩密度、高空间利用率、高效率、高功率因数、低谐波畸变率、低齿槽转矩、低转矩脉动等优点，适用于电动汽车、多电飞机驱动等要求高输出转矩、高效率的场合具有良好的发展前景。
本发明的技术方案：本发明所述的一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机，包括转子及定子；
所述转子包括转轴、轴承、转子铁心、分离型永磁体及转子铁心极，
所述定子包括定子永磁体、定子齿顶、定子铁心及电枢绕组；
所述定子采用定子永磁与定子齿顶构成的定子交替极永磁结构，辅助励磁并调节电机内磁场分布；
转子上采用分离型交替极永磁励磁，其中，将基于电机初始设计的径向充磁表贴永磁体沿其径向中心线和周向中心线分离为三块永磁体，一块整宽度的外永磁体和两块半宽度等高的内永磁体，两块内永磁体以表贴式永磁体周向外侧分离点为圆点向转子内表面旋转角度数值根据初始设计需要的最佳气隙磁场分布计算求得且小于90度，以保证聚磁和磁场调节能力，降低气隙磁场谐波畸变率；
通过定子侧永磁励磁磁场(定子永磁体)及转子侧永磁励磁磁场(外永磁体)分别由转子铁心极与定子齿顶调制，形成双边磁场调制，增加了工作谐波的数量及幅值，提高电机转矩输出能力。
所述转子两块内永磁体以表贴式永磁体周向外侧分离点为圆点向转子内表面旋转，该分离点在径向上距表贴式永磁体上下表面距离大于永磁体高度的1/4，在周向上距表贴式永磁体周向中心线距离大于永磁体宽度的1/8。
进一步地，两块内永磁体以永磁体周向外侧分离点为圆点向转子内表面旋转角度数值根据初始设计需要的最佳气隙磁场分布计算求得且小于90度，以保证聚磁和磁场调节能力，降低气隙磁场谐波畸变率。
进一步地，两块内永磁体宽度必须相等，两块内永磁体的最大宽度数值为外永磁体宽度，最小宽度为外永磁体宽度的1/8。
进一步地，分离点在表贴式永磁体周向外侧，内永磁体旋转角度小于90度，分离型永磁体为等腰梯形结构；
分离点在表贴式永磁体周向外侧，内永磁体旋转角度等于90度，分离型永磁体为矩形结构；
分离点不在永磁体周向外侧，内永磁体旋转角度小于90度，分离型永磁体为三角形-矩形结构。
所述定子永磁与定子齿顶构成定子交替极永磁结构，辅助励磁并调节电机内磁场分布；分离型永磁体与转子铁心极构成转子交替极永磁结构，作为主励磁源建立电机内主磁路；
转子上永磁励磁磁场(内永磁体)与定子上永磁励磁磁场(定子永磁体)分别被定子齿和转子铁心极调制后与电枢绕组耦合，在气隙磁场内基于双磁场调制效应进行机电能量转换；
由于具有上述两层调制效应，所以该电机具有比传统的单磁场调制电机更高的工作谐波幅值。
进一步地，根据磁场调制理论，当给电枢绕组注入三相正弦交变电流使之产生一个极对数为Pa的空间电枢磁场时，转子表贴式永磁体极对数为Pr，定子永磁体极对数为Ps，转子铁心极的数量Nr，定子铁心极的数量Ns，满足以下关系式：Pa＝|Pr-Ps|，Ps＝Ns，Pr＝Nr。
本发明的有益效果是：本发明的特点是：1、在单磁场调制电机的基础上，通过在定子槽口处施加永磁体，具有紧凑的电机拓扑结构，进一步提高了电机内部空间利用率；2、定子交替极永磁阵列与转子交替极永磁阵列的相对运动，通过双磁场调制效应增加了工作谐波幅值，提高了气隙磁场利用率，降低了漏磁通，从而进一步提升转矩密度；3、转子内置式永磁阵列组成主磁路，气隙磁密高，谐波畸变小，机电能量转换率高；4、定子电枢采用分数槽集中绕组的连接方式，电机具有损耗低、效率高，绕组端部短，齿槽转矩小等优点。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明中两块内永磁体与外永磁体构成等腰梯形、矩形以及三角形-矩形组合等结构的分离型永磁体结构的示意图；
图3是本发明永磁体与外永磁体构成等腰梯形结构的电机示意图；
图4是本发明永磁体与外永磁体构成矩形结构的电机结构示意图；
图5是本发明永磁体与外永磁体构成三角形-矩形结构的电机结构示意图；
图6是本发明中定子及其充磁方向的示意图；
图7是本发明中转子及其充磁方向示意图；
图8是本发明的二维截面图；
图9是本发明中转子混合永磁励磁结构图；
图10-11是本发明实施例中具有其它定子交替极结构的双磁场调制电机结构图；
图中：1是转子，101是转子铁心，102是分离型永磁体，102-1是外永磁体，102-2是内永磁体，103是转子铁心极；
2是定子，201是定子永磁体，202是定子齿顶，203是定子铁心，204是电枢绕组；
401是机壳，402是转轴，403是轴承，
601是高磁能积永磁体，602是低磁能积永磁体。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图所述，本发明所述的一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机，包括定子2、转子1、电枢绕组204，定子永磁阵列(定子永磁体201、定子齿顶202，定子铁心203)、转子外层永磁阵列(外永磁体102-1)与转子内层永磁阵列(内永磁体102-2)，其中定子2与转子1之间留有一层气隙。
其中，定子电枢(电枢绕组204)采用分数槽集中绕组的连接方式，穿过相应的定子槽，给电枢绕组204通入三相正弦交变电流来产生旋转电枢磁场。
进一步，本发明通过采用定子永磁与定子齿顶构成的定子交替极永磁结构；转子1上采用分离型交替极永磁励磁(分离型永磁体102)，其中，将基于电机初始设计的径向充磁表贴永磁体沿其径向中心线和周向中心线分离为三块永磁体，一块整宽度的外永磁体102-1和两块半宽度等高的内永磁体102-2，两块内永磁体102-2以表贴式永磁体周向外侧分离点为圆点向转子1内表面旋转，可与外永磁体102-1构成等腰梯形、矩形以及三角形-矩形组合等结构的分离型永磁体结构；
两块内永磁体102-2排布形成优化的聚磁结构，该结构励磁方向与外永磁体102-1相同，提升励磁并优化气隙磁场分布；
该永磁励磁结构在同永磁用量下具有高励磁能力，并且调节电机内气隙磁场分布，降低谐波畸变率；
分离型永磁体102与转子铁心极103构成转子交替极永磁结构，作为主励磁源建立电机内主磁路。
由于定子2与转子1外层具有交替排布的分离型永磁体102，同时定子齿顶202与定子永磁体201组成交替极结构，分离型永磁体102中的外永磁体102-1与转子铁心极103组成交替极结构；
在电机工作时，通过转子1上永磁励磁磁场(外永磁体102-1)与定子上永磁励磁磁场(定子永磁体201)分别被定子齿(定子齿顶202)和转子铁心极103调制产生双磁场调制效应，即转子永磁励磁磁场(外永磁体102-1)由定子齿顶202调制，
定子永磁励磁磁场(定子永磁体201)由转子铁心极103调制产生双向调制作用，在气隙中形成某极对数和旋转速度的有效谐波分量，并利用该谐波分量与电枢绕组有效耦合，从而实现机电能量转换。
记定子齿顶202的数量为Ns，转子铁心极103的数量为Nr，定子永磁体201的极对数为Ps，转子表贴式永磁体(外永磁体102-1)的极对数为Pr，给定子d电枢绕组204通入三相正弦交变电流使之产生一个极对数为Pa的空间电枢磁场，各自满足以下关系式：Pa＝|Pr-Ps|，Ps＝Ns，Pr＝Nr。
本发明具有高输出转矩、高转矩密度、高空间利用率、高效率、高功率因数、低谐波畸变率、低齿槽转矩、低转矩脉动等优点，适用于电动汽车、多电飞机驱动等要求高输出转矩、高效率的场合具有良好的发展前景。
实施例1
如图1、图2所示，本发明公开了一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机，该电机包括定子2、转子1、电枢绕组204，定子永磁阵列(定子永磁体201、定子齿顶202，定子铁心203)、转子外层永磁阵列(外永磁体102-1)与转子内层永磁阵列(内永磁体102-2)，其中定子2与转子1之间留有一层气隙。所述定子铁心203内沿圆周均匀分布定子齿，相邻的两个定子齿顶202之间施加定子永磁体201；所述分离型永磁体102-1与铁心极103构成转子交替极永磁结构，定子永磁201与定子齿顶202构成定子交替极永磁结构，所述电枢绕组204嵌入径向同向的定子槽内；转子1外表面沿圆周均匀贴有径向充磁且交替排列的永磁体102-1，两块半宽度等高的内永磁体102-2，以表贴式永磁体周向外侧分离点为圆点向转子1内表面旋转构成转子内永磁阵列(内永磁体102-2)；
所述转轴402、转子1、转子永磁体102、转子铁心极103均为同轴套设。
具体的，如图1所示，本发明包括转子1、定子2，其中，转子1包括转轴402，轴承403，分离型永磁体102，转子铁心极103；
所述转子1的分离型永磁体102是由一块表贴永磁分离成三块永磁体构成的等腰梯形永磁励磁结构，其中一块整宽度外永磁体102-1与转子铁心极103交替排布构成转子外永磁阵列；两块半宽度等高的内永磁体102-2，以表贴式永磁体周向外侧分离点为圆点向转子内表面旋转构成转子内永磁阵列；通过转子上永磁励磁磁场与定子上永磁励磁磁场分别被定子齿和转子铁心101调制后与电枢绕组204耦合，在气隙磁场内基于双磁场调制效应进行机电能量转换；仅涉及定子2和转子1之间的单层气隙，具有紧凑的电机拓扑结构。
如图6所示，所述定子永磁体201与定子齿顶202构成定子交替极永磁结构，辅助励磁并调节电机内磁场分布；
转子1上采用分离型交替极永磁励磁，永磁结构在同永磁用量下具有高励磁能力，并且调节电机内气隙磁场分布，降低谐波畸变率；
其中，定转子永磁体可以采用混合永磁励磁，转子永磁采用剩磁较高的永磁体替代，定子永磁采用剩磁较低的永磁体替代，构成混合永磁励磁结构，降低电机的制造成本并且避免转子在高速运行时产生磁饱和。
如图7所示，转子1上采用分离型交替极永磁励磁，其中，将基于电机初始设计的径向充磁表贴永磁体沿其径向中心线和周向中心线分离为三块永磁体，一块整宽度的外永磁体102-1和两块半宽度等高的内永磁体102-2，两块内永磁体102-2以永磁体周向外侧分离点为圆点向转子内表面旋转，与外永磁体102-1构成等腰梯形结构的分离型永磁体102结构，该永磁结构在同永磁用量下具有高励磁能力，并且优化电机内气隙磁场分布，降低谐波畸变率。
如图9所示，所述的转子1上采用分离型交替极永磁励磁，将基于电机初始设计的径向充磁表贴永磁体沿其径向中心线和周向中心线分离为三块永磁体，一块整宽度的外永磁体102-1和两块半宽度等高的内永磁体102-2，两块内永磁体102-2以永磁体周向外侧分离点为圆点向转子1内表面旋转，与外永磁体102-1构成等腰梯形结构的分离型永磁体结构，其中两块内永磁体102-2可采用较外永磁体102-1剩磁数值低的低磁能积永磁体进行替代，构成混合永磁励磁结构，降低气隙磁场谐波畸变率。
如图10、图11所示，本发明所公开的定子永磁体201与定子齿顶202构成交替极永磁结构还可以演变为其他两种结构：每个定子永磁体201及其相邻的定子齿顶202形成交替极结构，不但可以节省大量永磁体用量，而且定子齿顶202也可以作为调制极来调节气隙磁场；每个定子齿顶202上有几个子齿，定子永磁体201与相邻的定子齿顶202形成交替极结构。
最后，应当理解的是，本发明中所述实施例仅用以说明本发明实施例的原则；其他的变形也可能属于本发明的范围；因此，作为示例而非限制，本发明实施例的替代配置可视为与本发明的教导一致；相应地，本发明的实施例不限于本发明明确介绍和描述的实施例。
Claims (9)
1.一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机，其特征在于，
包括转子(1)及定子(2)；
所述转子(1)包括转子铁心(101)及安设在转子铁心(101)上的若干个分离型永磁体(102)；
所述定子(2)包括定子永磁体(201)、定子齿顶(202)、定子铁心(203)及电枢绕组(204)；
所述分离型永磁体(102)是将一块径向充磁的表贴式永磁体沿其径向中心线和周向中心线共分离为三块永磁体，即一块整宽度的外永磁体(102-1)和两块半宽度等高的内永磁体(102-2)；
其中，两块所述的内永磁体(102-2)以表贴式永磁体周向外侧分离点为圆点向转子(1)内表面旋转，旋转后的内永磁体(102-2)可与外永磁体(102-1)构成等腰梯形、矩形以及三角形-矩形组合等结构的分离型永磁体结构；
两块所述的内永磁体(102-2)通过排布形成优化的聚磁结构，该结构励磁方向与外永磁体(102-1)相同。
2.根据权利要求1所述的一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机，其特征在于，
两块所述内永磁体(102-2)以表贴式永磁体周向外侧分离点为圆点向转子(1)内表面旋转角度数值小于90度。
3.根据权利要求1所述的一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机，其特征在于，
所述的分离点在径向上距表贴式永磁体上下表面距离大于表贴式永磁体高度的1/4，在周向上距表贴式永磁体周向中心线距离大于表贴式永磁体宽度的1/8；
当分离点在表贴式永磁体周向外侧，内永磁体(102-2)旋转角度小于90度，则分离型永磁体(102)为等腰梯形结构；
当分离点在表贴式永磁体周向外侧，内永磁体(102-2)旋转角度等于90度，则分离型永磁体(102)为矩形结构；
当分离点不在表贴式永磁体周向外侧，内永磁体(102-2)旋转角度小于90度，则分离型永磁体(102)为三角形-矩形结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机，其特征在于，
两块所述的内永磁体(102-2)的宽度相等，且其最大宽度数值为外永磁体(102-1)的宽度，其最小宽度数值为外永磁体(102-1)宽度的1/8。
5.根据权利要求1所述的一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机，其特征在于，
在相邻的两个分离型永磁体(102)中的外永磁体(102-1)之间、所述内永磁体(102-2)与间隔的另外一个内永磁体(102-2)之间连接有转子铁心极(103)。
6.根据权利要求1所述的一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机，其特征在于，
所述内永磁体(102-2)采用较外永磁体(102-1)剩磁数值低的低磁能积永磁体(602)替代，从而构成混合永磁励磁结构；
所述外永磁体(102-1)采用较内永磁体(102-2)剩磁数值高的高磁能积永磁体(601)替代，从而构成混合永磁励磁结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机，其特征在于，
在相邻两个定子齿顶(202)之间安置有定子永磁体(201)，通过定子齿顶(202)与定子永磁体(201)交替排布组成交替极结构；
所述定子永磁体(201)的另一侧均安设有电枢绕组(204)。
8.根据权利要求1所述的一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机，其特征在于，
在所述定子(2)的外部安设有机壳(401)，在所述机壳(401)上开设有转轴孔，在所述转轴孔中安设有转轴(402)，所述转轴(402)穿过转轴孔后安设在转子(1)上。
9.根据权利要求8所述的一种基于双磁场调制效应的分离型交替极永磁电机，其特征在于，
在所述转轴孔中、所述转轴(402)的外部安设有轴承(403)。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115891500A (zh) * | 2023-03-09 | 2023-04-04 | 西南交通大学 | 一种磁悬浮汽车的磁轮结构 |
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2022
- 2022-11-17 CN CN202211472919.1A patent/CN115714485A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115891500A (zh) * | 2023-03-09 | 2023-04-04 | 西南交通大学 | 一种磁悬浮汽车的磁轮结构 |
| CN115891500B (zh) * | 2023-03-09 | 2023-05-12 | 西南交通大学 | 一种磁悬浮汽车的磁轮结构 |
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