CN110649729B - 一种多励磁单极游标永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多励磁单极游标永磁电机，属于永磁电机领域，该电机包括：嵌套布置的定子和转子；转子包括沿同一轴心间隔分布的两段铁心；每段铁心均为空心圆柱结构，空心圆柱结构由多个开有通孔且具有突出齿的铁心单元组成，每个铁心单元的突出齿间分布海尔贝克磁钢阵列，相邻铁心单元由磁障隔开；多个连接导磁块穿插在两段铁心单元的通孔之间，两段铁心分布间隔之间的导磁块外侧分布轴向充磁的磁钢或通入周向电流的绕组。本发明通过单极结构保证轴向上励磁磁路，在径向平面内采用磁障阻断电枢磁场，提高了电机功率因数，减小了驱动器容量，降低了应用成本；同时增加海尔贝克磁钢阵列进一步提高励磁磁场来增大电机转矩密度，提高电机性能。

Description

一种多励磁单极游标永磁电机

技术领域

本发明属于永磁电机技术领域，更具体地，涉及一种多励磁单极游标永磁电机。

背景技术

工业机器人的控制系统和自动化产品主要涉及伺服电机、减速机、控制器和传感器等。伺服电机是工业机器人的动力系统，一般安装在机器人的“关节”处，是机器人运动的“心脏”。目前，机器人的关节驱动离不开伺服系统，关节越多，机器人的柔性和精准度越高，所要使用的伺服电机的数量就越多。机器人对伺服系统的要求较高，必须满足快速响应、高起动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽，要适应机器人的形体做到体积小、重量轻、加减速运行等条件，且需要高可靠性和稳定性；电力推进系统以其生命力强、噪声小、运行成本低、布置灵活等优点逐渐成为未来船舶的首选推进方式。推进电机的体积重量和它的输出转矩成正比，而船舶需要低转速、大转矩的推进系统，推进电机体积重量往往限制了电力推进的应用。

近年来，研究人员研发出一类定转子极数不等的电机，该类电机磁路结构特殊，定子齿槽除起到导磁功能外，还起到气隙磁场调制的功能。在定子齿槽作用下，低速多极励磁磁动势在定子上形成少极高速的励磁磁场，这种特殊的电磁现象使得这类电机在外特性相当于“高速永磁电机+磁齿轮箱”，具有超高转矩密度，学术界将这种特殊的电机电磁场工作原理，统称为磁场调制电机，如图1所示，游标永磁电机就是其中一种典型电机拓扑。与常规永磁同步电机相比，游标永磁电机具有高转矩密度、反电势正弦度好、转矩脉动小等特点，在供电、材料、尺寸与冷却条件相同的情况下，游标永磁电机的转矩密度在理论上可达到常规永磁电机的2～4倍，转矩密度优势非常显著，在工业机器人和电力推进系统中具有广泛的应用。

然而，现有的游标永磁电机的主要缺点是其功率因数低，导致给定输出功率的情况下，需增大驱动变流器容量，从而带来增加成本，降低系统运行可靠性等问题。因此，如何提高游标永磁电机的功率因数成为该电机大规模应用的一个关键问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多励磁单极游标永磁电机，旨在解决现有游标永磁电机由于功率因数低，造成系统运行可靠性低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多励磁单极游标永磁电机，包括：嵌套布置的定子和转子；

所述转子包括沿同一轴心间隔分布的第一铁心和第二铁心；所述第一铁心和第二铁心均为空心圆柱结构，所述空心圆柱结构由多个开有通孔且具有突出齿的铁心单元组成，每个铁心单元的突出齿间分布海尔贝克磁钢阵列，相邻铁心单元由磁障隔开；多个连接导磁块穿插在所述第一铁心的铁心单元通孔和所述第二铁心的铁心单元通孔之间。

进一步地，位于所述第一铁心和第二铁心分布间隔之间的导磁块外侧分布有轴向充磁的磁钢或通入周向电流的绕组。

进一步地，所述第一铁心和第二铁心轴向上错开180度电角度，且位于所述第一铁心外侧的海尔贝克磁钢阵列和位于第二铁心外侧的海尔贝克磁钢阵列充磁方向相同。

进一步地，所述第一铁心和第二铁心轴向位置对齐，且位于所述第一铁心外侧的海尔贝克磁钢阵列和位于第二铁心外侧的海尔贝克磁钢阵列充磁方向相反。

进一步地，所述铁心单元的通孔数量为一个或多个，突出齿的数量为一个或多个。

进一步地，所述定子包括定子齿和定子槽，且嵌放有电枢绕组。

进一步地，所述定子齿为单齿或分裂齿。

进一步地，所述游标永磁电机为旋转电机或直线电机。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提出的多励磁单极游标永磁电机，采用单极结构，将两段铁心间的磁钢作为一个励磁源，形成轴向的磁通回路；而在径向平面内，由于转子铁心由分隔开的铁心单元组成，电枢磁场的磁路被打断，从而在永磁磁路与电枢磁路被分解的基础上削弱了电枢磁场，减少了电枢绕组电感，进而增大了电机功率因数。

(2)本发明提出的多励磁单极游标永磁电机，两段铁心外侧布置海尔贝克(Halbach)磁钢阵列，由于海尔贝克磁钢阵列不需要铁心即可构成磁通回路，因此能在不影响电枢磁场的阻断效果的同时，进一步增大励磁磁场，提升电机转矩性能。

附图说明

图1是现有游标永磁电机结构示意图；

图2是本发明实施例的多励磁单极游标永磁电机结构示意图；

图3是本发明实施例的多励磁单极游标永磁电机第一种转子铁心结构示意图；

图4是本发明实施例的多励磁单极游标永磁电机导磁块示意图；

图5是本发明实施例的多励磁单极游标永磁电机转子两段铁心轴向上错开180度电角度的连接示意图；

图6是本发明实施例的多励磁单极游标永磁电机转子结构示意图；

图7是两段铁心轴向上错开180度电角度时，两段铁心外侧海尔贝克磁钢阵列充磁方向示意图；

图8是本发明实施例的多励磁单极游标永磁电机转子两段铁心轴向上位置对齐的连接示意图；

图9(a)、图9(b)分别是两段铁心轴向上位置对齐时，两段铁心外侧海尔贝克磁钢阵列充磁方向示意图；

图10是本发明实施例的多励磁单极游标永磁电机第二种转子铁心结构示意图；

图11是本发明实施例的第二种转子铁心连接示意图；

图12是忽略电枢绕组压降，在I_d＝0控制方式下的电机相量图；

图13是本发明实施例的一种定子结构示意图；

图14是本发明实施例的另一种定子结构示意图；

其中，1为定子，11为定子齿，12为电枢绕组，2为转子，21为第一铁心，22为第二铁心，23为海尔贝克磁钢阵列，24为两段转子铁心间磁钢，25为连接导磁块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图2，本发明实施例提供了一种多励磁单极游标永磁电机，包括：嵌套布置的定子1和转子2；转子2包括沿同一轴心间隔分布的第一铁心21和第二铁心22；如图3所示，第一铁心21和第二铁心22均为空心圆柱结构，该空心圆柱结构由多个开有通孔且具有突出齿的铁心单元组成，相邻铁心单元由磁障隔开；如图4所示的多个连接导磁块25穿插在第一铁心21的铁心单元通孔和第二铁心22的铁心单元通孔之间，形成结构如图5所示；每个铁心单元的突出齿间分布海尔贝克磁钢阵列23，同时位于第一铁心和第二铁心分布间隔之间的导磁块外侧分布有轴向充磁的磁钢24或通入周向电流的绕组，形成完整的转子2结构如图6所示。其中，第一铁心21和第二铁心22轴向上错开180度电角度(如图5所示)，同时两段铁心外侧海尔贝克磁钢阵列充磁方向相同(充磁方向如图7所示)，可以在轴向上形成完整的磁通回路；第一铁心21和第二铁心22也可轴向上位置对齐(如图8所示)，第一铁心21外侧海尔贝克磁钢阵列充磁方向如图9(a)所示，第二铁心22外侧海尔贝克磁钢阵列充磁方向如图9(b)所示，即两段铁心外侧磁钢充磁方向相反，同样能构成轴向的磁通回路。

图3所示的铁心单元开有一个通孔，具有两个突出齿；但本发明不限于此，本发明对铁心单元的通孔和突出齿数量不做限制，如图10所示，铁心单元开有两个通孔，具有一个突出齿，两段铁心的连接结构如图11所示。

图12所示为忽略电枢绕组压降并采用I_d＝0控制方式时的电机相量图，得到电机功率因数表达式为：

其中，PF表示电机的功率因数，E₀表示空载反电势，I表示电枢绕组电流，X_s表示同步阻抗，且正比于电枢绕组电感。

可见，电机的功率因数同空载反电势和同步阻抗(即电枢绕组电感)相关，通过增大空载反电势或减少同步阻抗，可以增大功率因数。实施例所示的多励磁单极游标永磁电机，通过采用单极结构，两段铁心间磁钢作为一个励磁源，可以形成轴向的磁通回路；而在径向平面内，由于转子铁心由分隔开的铁心单元组成，电枢磁场的磁路被打断，这样在永磁磁路与电枢磁路被分解的基础上削弱电枢磁场，减少电枢绕组电感，可以起到增大功率因数的作用。在此基础上，两段铁心外侧布置海尔贝克(Halbach)磁钢阵列，由于海尔贝克(Halbach)磁钢阵列不需要铁心即可构成磁通回路，这样就能在不影响电枢磁场的阻断效果的同时，进一步增大励磁磁场，提升电机转矩性能。

本发明中定子1为齿槽结构，且嵌放有电枢绕组12；其中，定子齿11为可为图13所示的分裂齿结构，也可为如图14所示的单齿结构。

本发明提出的游标永磁电机可为旋转电机或直线电机。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多励磁单极游标永磁电机，其特征在于，包括：嵌套布置的定子(1)和转子(2)；

所述转子(2)包括沿同一轴心间隔分布的第一铁心(21)和第二铁心(22)；所述第一铁心(21)和第二铁心(22)均为空心圆柱结构，所述空心圆柱结构由多个开有通孔且具有突出齿的铁心单元组成，每个铁心单元的突出齿间分布海尔贝克磁钢阵列(23)，相邻铁心单元由磁障隔开；多个连接导磁块(25)穿插在所述第一铁心(21)的铁心单元通孔和所述第二铁心(22)的铁心单元通孔之间；

位于所述第一铁心(21)和第二铁心(22)分布间隔之间的连接导磁块外侧分布有轴向充磁的磁钢(24)或通入周向电流的绕组。

2.根据权利要求1所述的一种多励磁单极游标永磁电机，其特征在于，所述第一铁心(21)和第二铁心(22)轴向上错开180度电角度，且位于所述第一铁心(21)外侧的海尔贝克磁钢阵列和位于第二铁心(22)外侧的海尔贝克磁钢阵列充磁方向相同。

3.根据权利要求1所述的一种多励磁单极游标永磁电机，其特征在于，所述第一铁心(21)和第二铁心(22)轴向位置对齐，且位于所述第一铁心(21)外侧的海尔贝克磁钢阵列和位于第二铁心(22)外侧的海尔贝克磁钢阵列充磁方向相反。

4.根据权利要求1所述的一种多励磁单极游标永磁电机，其特征在于，所述铁心单元的通孔数量为一个或多个，突出齿的数量为一个或多个。

5.根据权利要求1所述的一种多励磁单极游标永磁电机，其特征在于，所述定子(1)包括定子齿和定子槽，且嵌放有电枢绕组。

6.根据权利要求5所述的一种多励磁单极游标永磁电机，其特征在于，所述定子齿为单齿或分裂齿。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种多励磁单极游标永磁电机，其特征在于，所述多励磁单极游标永磁电机为旋转电机或直线电机。

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