一种定子调制齿横向错位的游标永磁电机

1.本发明涉及一种永磁电机本体结构，尤其是涉及一种磁场调制式游标永磁电机。


背景技术：

2.随着全球能源危机和环境恶化问题的日趋严重，风力发电、电动汽车和舰船驱动等领域受到国内外学者们的广泛关注，而应用于这些领域的低速大转矩直驱式电机成为了目前的研究热点。
3.目前常见的低速大转矩实现方式包括：1)通过传统机械齿轮将高速转为低速，进而可相应地提高装置的转矩，但机械齿轮系统存在体积大、噪声大、机械磨损和可靠性低等问题；2)利用磁齿轮增加装置的转矩性能，与机械齿轮的原理相同，只是传动噪声更小且避免了机械磨损问题，但同样占据较大的空间且转矩密度比机械齿轮低；3)采用极对数高的永磁电机满足直驱需求，但该方式转矩密度低，对电机体积的要求很高；4)将永磁电机和磁齿轮结合构成磁齿轮电机，该结构具有很高的转矩密度，但结构比较复杂；5)磁场调制式游标永磁电机利用了磁齿轮传动效应，具有转矩密度高、结构简单等优点，是今后低速大转矩直驱电机领域发展的重要方向。
4.游标永磁电机是基于磁场调制原理进行工作的，其结构和传统永磁电机类似，但它的定转子极对数不同，且转子极对数一般是定子极对数的数倍，解决了传统永磁电机增大极对数使定子磁链同比例减少的问题，从而增加电机空载反电动势和转矩密度。横向磁通电机因其电负荷和磁负荷在空间上相互解耦，具有低速、大转矩、高功率密度等优点而适用于直驱系统，但现有的横向磁通电机存在空间利用率低的问题。本发明将结合游标永磁电机工作原理和横向磁通电机的结构特点，开发出一种具有更高转矩密度的直驱式新型电机结构。


技术实现要素：

5.本发明目的是提供一种定子调制齿横向错位的游标永磁电机，与传统游标永磁电机相比，它的定子绕组无端部，能够节省大量的轴向空间，减小了电机绕组铜耗，并利用横向磁通电机的结构特点实现电负荷与磁负荷在空间上的解耦，进一步提高电机的转矩密度和功率密度。
6.本发明所述一种定子调制齿横向错位的游标永磁电机，包括定子5和永磁转子6；定子5包括环形绕组5-1、定子铁心5-2和定子调制齿5-3，环形绕组5-1是一个m相定子绕组，当环形绕组5-1通有m相交流电流时，会产生ps极对数的轴向电枢磁场，m、ps为正整数；
7.定子调制齿5-3和永磁转子6沿电机圆周方向采用单元电机转子的形式，单元电机数为n，n为正整数；
8.永磁转子6的极对数为n
×
p
pm
，p
pm
为正整数；
9.定子调制齿5-3包括n
×
(pm+1)
×
p
pm
个导磁块5-3-1，pm为定子槽数，pm为正整数；定子调制齿5-3上n
×
(pm+1)
×
p
pm
个导磁块5-3-1沿轴向方向等间距设置(pm+1)圈、每圈n
×
p
pm
个导磁块5-3-1，(pm+1)圈导磁块周向依次错位2π/npm，此时最外侧两圈轴向对齐；
10.同时满足条件ps＝|ip
pm
±
kpm|，其中i、k是正整数。
11.优选地，定子调制齿5-3的n
×
(pm+1)
×
p
pm
个导磁块5-3-1分成p
pm
个调制组5-3-3，相邻两个调制组5-3-3周向间距为2π/np
pm
；每个调制组5-3-3包括n个调制单元，一个调制组中的两个相邻调制单元之间的周向间距为2π/n；沿着任意一个调制单元最外层两个轴向对齐的导磁块建立a-c直角坐标系，c、a分别表示圆周方向和轴向方向；该调制单元的(pm+1)个导磁块5-3-1的中心位置满足以下条件：
[0012][0013]
式中
[0014]
u——该调制单元中第u个导磁块，u为整数；
[0015]
l——电机轴向有效长度；
[0016]
α1、α2——导磁块沿周向和轴向尺寸系数；
[0017]
该调制单元的(pm+1)个导磁块5-3-1的尺寸为：
[0018][0019]
优选地，环形绕组定子5的槽采取半闭口槽的方式沿轴向等齿宽排列，其中两个端部齿宽是中间齿宽的1/2，两侧调制齿宽是中间齿宽的1/2，定子铁心5-2的半闭口槽的槽口面向永磁转子6，环形绕组5-1嵌在所述半闭口槽中。
[0020]
优选地，永磁转子6包括永磁转子铁心6-2和永磁体6-1，其中永磁体极对数为n
×
p
pm
；n
×
2p
pm
个永磁体6-1沿圆周方向均匀分布排列，相邻两块永磁体6-1的充磁方向相反。
[0021]
优选地，n
×
2p
pm
个永磁体6-1固定在永磁转子铁心6-2的外圆表面上，永磁体6-1的充磁方向为径向充磁。
[0022]
优选地，n
×
2p
pm
个永磁体6-1嵌入到永磁转子铁心6-2内，永磁体6-1的横截面为矩形，n
×
2p
pm
个永磁体6-1以永磁转子输出轴1为中心在永磁转子铁心6-2的内部放射状分布，永磁体6-1的充磁方向为沿切向平行充磁。
[0023]
优选地，n
×
2p
pm
个永磁体6-1嵌入在永磁转子铁心6-2中，永磁体6-1的横截面为矩形，永磁体6-1的充磁方向为平行充磁，且经过中点的磁力线为径向。
[0024]
优选地，n
×
2p
pm
个永磁体6-1嵌入在永磁转子铁心6-2中，每个永磁体6-1由两块横截面为矩形的永磁体构成v字形结构，两块永磁体的平行充磁方向为分别垂直于v字形的两条边，且同时指向v字形的开口方向或同时背离v字形的开口方向，v字形的开口沿径向朝外
开口。
[0025]
优选地，永磁转子6包括n
×
p
pm
个永磁体6-1、n
×
p
pm
个铁心凸起单元6-3和永磁转子铁心6-2；n
×
p
pm
个永磁体6-1和n
×
p
pm
个铁心凸起单元6-3沿圆周方向均匀交错分布在永磁转子铁心6-2上；n
×
p
pm
个永磁体6-1的充磁方向相同；永磁体6-1的充磁方向为径向充磁；铁心凸起单元6-3和永磁转子铁心6-2为硅钢片或实心铁。
[0026]
优选地，还包括机壳4和永磁转子输出轴1；定子5固定在机壳4的内圆表面上，永磁转子6固定在永磁转子输出轴1上，永磁转子输出轴1与机壳4转动连接。
[0027]
本发明的有益效果：本发明的一种定子调制齿横向错位的游标永磁电机是在利用高转矩密度游标永磁电机的磁场调制原理的基础上，结合横向磁通电机的结构特点，进一步提高电机的转矩密度和功率密度，因此，本发明非常适用于风力发电、电动汽车和舰船驱动等低速大转矩直驱领域。
[0028]
本发明电机以三维磁场调制原理为基础进行工作，与传统游标永磁电机相比，本发明电机绕组结构无端部，能够节省大量的轴向空间，减小了电机绕组铜耗，且更适合采用极对数较少甚至为1的绕组排布方案，以增加磁场调制型电机的转矩密度，并利用横向磁通电机的结构特点实现电负荷与磁负荷在空间上的解耦；与横向磁通电机相比，本发明电机定子侧m相绕组之间无需隔板，又可节省m-1个隔板的空间，以获得更高的转矩密度。
附图说明
[0029]
图1是实施方式一所述一种定子调制齿横向错位的游标永磁电机的结构示意图；
[0030]
图2是图1的a-a剖视图；
[0031]
图3是实施方式二所述一种定子调制齿横向错位的游标永磁电机的结构示意图；
[0032]
图4是图3的b-b剖视图；
[0033]
图5是实施方式三所述一种定子调制齿横向错位的游标永磁电机的结构示意图；
[0034]
图6是图5的c-c剖视图；
[0035]
图7是实施方式四所述一种定子调制齿横向错位的游标永磁电机的结构示意图；
[0036]
图8是图7的d-d剖视图；
[0037]
图9是实施方式五所述一种定子调制齿横向错位的游标永磁电机的结构示意图；
[0038]
图10是图9的e-e剖视图；
[0039]
图11是实施方式六所述一种定子调制齿横向错位的游标永磁电机的结构示意图；
[0040]
图12是图11的f-f剖视图；
[0041]
图13是单元电机数n＝1时定子的结构示意图，其中图13(a)为定子三维结构示意图，图13(b)为定子三维结构剖视图，图13(c)为定子三维结构展开图；
[0042]
图14是单元电机数n＝2时定子的结构示意图，其中图14(a)为定子三维结构示意图，图14(b)为定子三维结构剖视图，图14(c)为定子三维结构展开图。
具体实施方式
[0043]
具体实施方式一：下面结合图1、图2、图13和图14说明本实施方式，本实施方式所述一种定子调制齿横向错位的游标永磁电机，它包括机壳4、定子5、永磁转子6、永磁转子输出轴1；定子5固定在机壳4的内圆表面上，永磁转子6固定在永磁转子输出轴1上，并与机壳4
的侧端盖通过轴承2、轴承3转动连接。
[0044]
定子5的槽采取半闭口槽的方式沿轴向等齿宽排列，其中两个端部齿宽是中间齿宽的1/2，定子铁心5-2的半闭口槽的槽口面向永磁转子6，环形绕组5-1嵌在所述半闭口槽中；环形绕组5-1是一个m相定子绕组，当环形绕组5-1通有m相交流电流时，会产生ps极对数的轴向电枢磁场，m、ps为正整数；定子5与永磁转子6之间的气隙l1；
[0045]
定子调制齿5-3和永磁转子6沿电机圆周方向采用单元电机转子的形式，单元电机数为n，n为正整数；
[0046]
永磁转子6包括永磁转子铁心6-2和永磁体6-1，其中永磁体极对数为n
×
p
pm
，p
pm
为正整数；n
×
2p
pm
个永磁体6-1沿圆周方向均匀分布排列，n
×
2p
pm
个永磁体6-1固定在永磁转子铁心6-2的外圆表面上，永磁体6-1的充磁方向为径向充磁，且相邻两块永磁体6-1的充磁方向相反；
[0047]
定子调制齿5-3由n
×
(pm+1)
×
p
pm
个导磁块5-3-1；n
×
(pm+1)
×
p
pm
个导磁块5-3-1可分成p
pm
个调制组5-3-3，每个调制组5-3-3包括n个调制单元(图13中n＝1，此时一个调制组5-3-3仅包括1个调制单元5-3-2；图14中n＝2，此时一个调制组5-3-3包括2个调制单元5-3-2-1和5-3-2-2)，一个调制组中的两个相邻调制单元之间的间距为2π/n，pm为正整数；沿着任意一个调制单元最外层两个轴向对齐的导磁块建立a-c直角坐标系，c、a分别表示圆周方向和轴向方向；该调制单元的(pm+1)个导磁块5-3-1的中心位置满足以下条件：
[0048][0049]
式中
[0050]
u——该调制单元中第u个导磁块，u为整数；
[0051]
l——电机轴向有效长度；
[0052]
α1、α2——导磁块沿周向和轴向尺寸系数；
[0053]
该调制单元的(pm+1)个导磁块5-3-1的尺寸为：
[0054][0055]
一个调制组n
×
(pm+1)个导磁块5-3-1分别沿着圆周方向阵列，得到p
pm
个调制组5-3-3，图13中p
pm
个调制组5-3-3，每个调制组5-3-3中包括一个调制单元5-3-2，一个调制单元5-3-2中包括(pm+1)个导磁块5-3-1，相邻两个调制组之间的周向间距为2π/np
pm
；图14中p
pm
个调制组5-3-3，每个调制组5-3-3中包括2个调制单元5-3-2-1和5-3-2-2，调制单元5-3-2-1中包括(pm+1)个导磁块5-3-1，另一个调制单元5-3-2-2中也包括(pm+1)个导磁块5-3-1，两
个调制单元的周向间距为2π/n＝180度。
[0056]
同时满足条件ps＝|ip
pm
±
kpm|，其中i、k是正整数。
[0057]
为了说明本发明的工作原理，将一个调制组中n个调制单元的导磁块和参与该组调制的永磁磁场同时投影到圆周方向和轴向方向，此时圆周方向和轴向方向可分别看作1个磁场调制型旋转电机和n个磁场调制型直线电机，其中磁场调制型旋转电机又由n个单元电机组成，圆周方向永磁体极对数是轴向方向永磁体极对数的n倍，下面将分析计算这两个方向的磁场调制效果。
[0058]
设电机永磁转子极对数为n
×
p
pm
，则圆周方向永磁极对数为n
×
p
pm
，轴向方向永磁极对数为p
pm
。当永磁转子与定子调制齿发生相对转动时，参与该组调制的永磁磁场既沿圆周方向转动，也沿轴向方向运动。设永磁转子圆周方向初始相位角为θ
pm
，轴向方向初始位置为x
pm
，则永磁转子在圆周方向和轴向方向所形成的永磁磁动势f
cpm
(θ,t)和f
apm
(x,t)可表示为：
[0059][0060]
式中下标c、a分别表示圆周方向和轴向方向；
[0061]fci
、f
ai
——圆周方向、轴向方向各次谐波磁动势幅值；
[0062]
ω
pm
、v
pm
——永磁转子周向旋转角速度和轴向等效运动速度；
[0063]
i——永磁磁动势谐波次数；
[0064]
θ——圆周方向机械角；
[0065]
x——轴向方向位移；
[0066]
t——时间。
[0067]
设定子调制齿一个调制组的导磁块数为n
×
(pm+1)，圆周方向初始相位角为θm、轴向方向初始位置为xm，则在定子调制齿一个调制组的作用下，圆周方向和轴向方向的空间比磁导λc(θ)和λa(x)可表示为
[0068][0069]
式中λ
c0
、λ
a0
——零次谐波比磁导幅值；
[0070]
λ
ck
、λ
ak
——各次谐波比磁导幅值；
[0071]
k——谐波比磁导次数，k＝1,2,3
…
。
[0072]
永磁体磁动势在定子调制齿一个调制组导磁块的作用下产生的永磁磁场也可分别投影到圆周方向和轴向方向，且圆周方向永磁磁场b
cpm
(θ,t)和轴向方向永磁磁场b
apm
(x,t)可分别表示为：
[0073][0074]
式中b
ci
、b
ai
——自然谐波磁场幅值，且b
ci
＝f
ci
λ
c0
、b
ai
＝f
ai
λ
a0
；
[0075]bc(i,k)
、b
a(i,k)
——调制谐波磁场幅值，且
[0076]
由式(7)可知，永磁转子和定子调制齿一个调制组的共同作用下将会产生两类磁场。第一类为自然谐波磁场，该类磁场的特点是它的磁场极对数与永磁转子磁动势的极对数相同，且它的圆周方向磁场转速、轴向方向磁场速度与永磁转子磁动势的圆周方向转速、轴向方向速度分别相同，该类磁场的幅值分别为b
ci
、b
ai
。第二类为调制谐波磁场，该类磁场的特点是它的磁场极对数与永磁转子极对数和定子调制齿一个调制组中导磁块数相关，它的圆周方向磁场转速与圆周方向永磁转子的转速相关，它的轴向方向磁场速度与轴向方向永磁转子磁动势的运动速度相关，该类磁场的幅值分别为b
c(i,k)
、b
a(i,k)
，具体关系如下：
[0077]
p
i,k
＝|ip
pm
+jpm|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0078][0079][0080]
j＝0,
±
1,
±
2,...
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0081]
式中p
i,k
、ω
i,k
、v
i,k
——调制谐波磁场的极对数、圆周方向旋转角速度、轴向方向运动速度。
[0082]
根据机电能量转换原理可知，只有当两个磁场的极对数、转速或速度相同情况下，才能产生恒定的转矩，从而实现机电能量转换。因此，将定子环形绕组通过绕组排布设计成可产生与调制谐波磁场相同极对数、相同轴向方向速度的电枢磁场。综合分析可得，本发明电机是在定子调制齿的作用下，将沿圆周分布的永磁体磁场调制成沿轴向分布的定子绕组磁场。所以由式(9)和式(10)可以进一步推导出定子电枢磁场频率的表达式如下：
[0083][0084]
定子环形绕组产生的电枢磁场的速度与调制谐波磁场的轴向方向速度相等，因此可参考式(12)进行调速。为了增加永磁体的利用率，提高电机的功率密度，根据所设计的永
磁体的极对数n
×
p
pm
，将一个调制组的导磁块沿圆周方向阵列为p
pm
个调制组。
[0085]
图1、图2和图13中单元电机数n＝1，永磁转子的极对数n
×
p
pm
是7，定子调制齿导磁块数n
×
(pm+1)
×
p
pm
是49，且1个调制组包括1个调制单元，1个调制单元的导磁块数pm是6。由式(7)可知，气隙中会产生一系列的调制谐波磁场，其中轴向方向调制谐波磁场起主要作用。这些轴向方向调制谐波磁场当中，通常是i＝1，j＝-1时对应的调制谐波磁场幅值最大，也就是说轴向调制谐波磁场中1对极磁场幅值最大。因此，将定子环形绕组通过绕组排布设计产生1对极轴向电枢磁场，并通过控制定子环形绕组的通电频率使得电枢磁场的运动速度与1对极轴向调制谐波磁场的运动速度相同，从而使本发明电机实现机电能量转换。
[0086]
图12中单元电机数n＝2，永磁转子的极对数n
×
p
pm
是14，调制环转子中导磁块数n
×
(pm+1)
×
p
pm
是98，且1个调制组包括2个调制单元，每个调制单元的导磁块数pm是6。同样由式(7)可知，气隙中会产生一系列的调制谐波磁场，其中轴向方向调制谐波磁场起主要作用。这些轴向调制谐波磁场当中，通常是i＝1，j＝-1时对应的调制谐波磁场幅值最大，也就是说轴向调制谐波磁场中1对极磁场幅值最大。因此，将定子环形绕组通过绕组排布设计产生1对极轴向电枢磁场，并通过控制定子环形绕组的通电频率使得电枢磁场的运动速度与1对极轴向调制谐波磁场的运动速度相同，从而使本发明电机实现机电能量转换。
[0087]
具体实施方式二：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一的不同之处在于，n
×
2p
pm
个永磁体6-1嵌入到永磁转子铁心6-2内，永磁体6-1的横截面为矩形，n
×
2p
pm
个永磁体6-1以永磁转子输出轴1为中心在永磁转子铁心6-2的内部放射状分布，永磁体6-1的充磁方向为沿切向平行充磁。
[0088]
本实施方式中永磁转子属于聚磁结构，在永磁转子相邻永磁体的并联作用下，对提高气隙磁密具有突出作用，进而提高电机的空载反电动势和电磁转矩。
[0089]
具体实施方式三：下面结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一的不同之处在于，n
×
2p
pm
个永磁体6-1嵌入在永磁转子铁心6-2中，永磁体6-1的横截面为矩形，永磁体6-1的充磁方向为平行充磁，且经过中点的磁力线为径向。
[0090]
具体实施方式四：下面结合图7和图8说明本实施方式，本实施方式对实施方式一的不同之处在于，n
×
2p
pm
个永磁体6-1嵌入在永磁转子铁心6-2中，每个永磁体6-1由两块横截面为矩形的永磁体构成v字形结构，两块永磁体的平行充磁方向为分别垂直于v字形的两条边，且同时指向v字形的开口方向或同时背离v字形的开口方向，v字形的开口沿径向朝外开口。
[0091]
本实施方式中永磁转子属于聚磁结构，在构成v字形相邻永磁体的并联作用下，同样对提高气隙磁密具有突出作用，进而提高电机的空载反电动势和电磁转矩。
[0092]
具体实施方式五：下面结合图9和图10说明本实施方式，本实施方式对实施方式一的不同之处在于，永磁转子7包括n
×
p
pm
个永磁体6-1、n
×
p
pm
个铁心凸起单元6-3和永磁转子铁心6-2；n
×
p
pm
个永磁体6-1和n
×
p
pm
个铁心凸起单元6-3沿圆周方向均匀交错分布在永磁转子铁心6-2上；n
×
p
pm
个永磁体6-1的充磁方向相同；
[0093]
永磁体6-1的充磁方向为径向充磁；铁心凸起单元6-3和永磁转子铁心6-2为硅钢片或实心铁。
[0094]
本实施方式的优点是在同样极对数的永磁磁场下，节省了一半的永磁体用量。
[0095]
具体实施方式六：下面结合图11和图12说明本实施方式，本实施方式对实施方式
一的不同之处在于，所述一种定子调制齿横向错位的游标永磁电机采用外转子结构，其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、三、四或五相同。