专利名称：一种用于低速大转矩的永磁游标电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电机，具体来说，涉及一种用于低速大转矩的永磁游标电机。
背景技术：
传统的直驱电机主要包括磁齿轮外转子、调磁环、磁齿轮内转子和电机定子，磁齿轮外转子和调磁环之间有一层气隙，调磁环与磁齿轮内转子之间有一层气隙，电机定子与磁齿轮内转子之间也有一层气隙，共有三层气隙。外转子永磁游标电机是最近提出的一种新型直驱式电机，主要包括外转子、外转子永磁体、磁通调制极和内定子。外转子永磁体采用普通径向充磁，磁通调制极安置在定子齿顶端。通过定子上磁通调制极的引入，省去了传统磁齿轮中的调磁环结构，省去了传统磁齿轮中的内转子以及独立的调磁环结构，使得装置结构更为简单，解决了机械齿轮传动系统噪声高、效率低、传输精度低、响应慢、机械磨损等问题。但是这种结构的永磁游标电机漏磁较大，铁芯损耗较大，功率因素较低，效率不高。
发明内容
技术问题本发明所要解决的技术问题是提供一种用于低速大转矩的永磁游标电机，该永磁游标电机可以有效提高磁场谐波成份和输出转矩，减少转子轭的磁通密度，降低铁芯损耗。技术方案为解决上述技术问题，本发明采用的用于低速大转矩的永磁游标电机， 该电机包括外转子、永磁体单元、定子本体、磁通调制极单元、定子槽、电机轴、定子齿、轴承、转子轭和绕组；其中，外转子位于定子本体的外侧，外转子通过轴承与电机轴可转动连接，电机轴固定在定子本体的内腔中；外转子的内表面沿周向设有转子轭，每个永磁体单元嵌置在一个转子轭中；每个永磁体单元包括沿外转子周向顺序排列的第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体，第二永磁体位于第一永磁体和第三永磁体之间，且第二永磁体的充磁方向为径向充磁，第一永磁体的充磁方向和第三永磁体的充磁方向以第二永磁体的充磁方向为轴，相互对称；沿定子本体周向设有径向延伸的具有相同长度的定子齿，定子齿表面缠绕绕组；每个定子齿一端与定子本体固定连接，每个定子齿另一端与一个磁通调制极单元固定连接；每个磁通调制极单元包括沿定子本体周向顺序排布的第一磁通调制极、第二磁通调制极和第三磁通调制极，每个磁通调制极单元中相邻的磁通调制极的间距相等，且该间距与相邻的磁通调制极单元之间的距离相等；相邻的定子齿之间形成定子槽；磁通调制极单元与外转子之间有间隙；永磁体单元极对数r^与绕组极对数 之和等于所有磁通调制极单元的磁通调制极的个数ns。有益效果与现有技术相比，本发明具有以下有益效果
1.有效提高磁场谐波成份和输出转矩，减少转子磁轭的磁通密度，降低铁芯损耗。本发明提供的每个永磁体单元包括第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体，且第二永磁体的充磁方向为径向充磁，第一永磁体的充磁方向和第三永磁体的充磁方向以第二永磁体的充磁方向为轴，相互对称。该永磁体单元采用Halbach永磁阵列，利用有限元优化调整永磁体宽度比以及充磁方向，可以降低转子轭的磁通密度，增大气隙磁通密度。因此该永磁游标电机能提供更大的有效磁场谐波成份和输出转矩，减小转子轭的大小，降低铁芯损耗，从而提高了电机的效率。同时，外转子永磁体之间通过铁芯隔离，阻断了各永磁体中涡流电流的相互流动，降低了外转子中永磁体中的涡流损耗。2.结构紧凑，工作可靠性强。本发明提供的永磁游标电机，省去了机械变速齿轮箱，不存在齿轮箱的机械磨损、维护和噪音问题，提高了电机工作的可靠性。同时，在定子齿的一端设置磁通调制极单元，每个磁通调制极单元包括第一磁通调制极、第二磁通调制极和第三磁通调制极共三个磁通调制极。用磁通调制极单元替代了传统磁齿轮结构中的调磁环以及磁齿轮的一个内转子，从而使得本发明的永磁游标电机结构紧凑，体积变小，制造成本降低。此外，本发明的电机中的转子采用高磁能积钕铁硼励磁，没有滑环和电刷，无需外加电源励磁，具有结构简单、功率密度高、效率高以及可靠性好等优点。3.该电机便于调节，适用于各种低速大转矩的运行环境。本专利提供的永磁游标电机中，绕组极对数np与永磁体单元极对数r^之比即为该电机可实现的速度变比。通过适当选择永磁体单元极对数r^和磁通调制极的个数ns，可应用于不同的需要低速直驱的场
I=I O
图1为本发明的轴向剖视图。图2为本发明中的定子、外转子和电机轴的装配结构图。图3为本发明中的外转子部分永磁体单元充磁方向示意图，图中箭头所指方向为该永磁体的充磁方向。图中有外转子1、永磁体单元2、第一永磁体201、第二永磁体202、第三永磁体 203、定子本体3、磁通调制极单元4、第一磁通调制极401、第二磁通调制极402、第三磁通调制极403、定子槽5、电机轴6、定子齿7、轴承8、转子轭9、绕组10。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体阐述。如图1至图3所示，本发明的一种用于低速大转矩的永磁游标电机，包括外转子1、 永磁体单元2、定子本体3、磁通调制极单元4、定子槽5、电机轴6、定子齿7、轴承8、转子轭 9和绕组10。外转子1位于定子本体3的外侧。外转子1通过轴承8与电机轴6可转动连接。电机轴6固定在定子本体3的内腔中。外转子1的内表面沿周向设有转子轭9，每个永磁体单元2嵌置在一个转子轭9中。每个永磁体单元2包括沿外转子1周向顺序排列的第一永磁体201、第二永磁体202和第三永磁体203。第二永磁体202位于第一永磁体201和第三永磁体203之间，相邻的永磁体之间相对的侧壁相互贴合。第二永磁体202的充磁方向为径向充磁，第一永磁体201的充磁方向和第三永磁体203的充磁方向以第二永磁体202 的充磁方向为轴，相互对称。第一永磁体201的充磁方向与第二永磁体202的充磁方向的夹角优选大于0度，小于90度。例如，当第一永磁体201的充磁方向与第二永磁体202的充磁方向的夹角为45度时，第三永磁体203的充磁方向与第二永磁体202的充磁方向的夹角也为45度。每个永磁体的宽度和充磁方向均可调节，以达到所需的功率输出。沿定子本体3周向设有径向延伸的具有相同长度的定子齿7。定子齿7表面缠绕绕组10。每个定子齿7 —端与定子本体3固定连接，每个定子齿7另一端与一个磁通调制极单元4固定连接。 相邻的定子齿7的间距相等。每个磁通调制极单元4包括沿定子本体3周向顺序排布的第一磁通调制极401、第二磁通调制极402和第三磁通调制极403。每个磁通调制极单元4中相邻的磁通调制极的间距相等。也就是说第一磁通调制极401、第二磁通调制极402和第三磁通调制极403之间有间隙，且第一磁通调制极401和第二磁通调制极402的距离与第二磁通调制极402和第三磁通调制极403的距离相等。相邻的磁通调制极单元4之间的距离相等，且相邻的磁通调制极单元4之间的距离等于每个磁通调制极单元4中相邻的磁通调制极的距离。相邻的定子齿7之间形成定子槽5。磁通调制极单元4与外转子1之间有间隙。永磁体单元2极对数与绕组10极对数np之和等于所有磁通调制极单元4的磁通调制极的个数ns，即ns是磁通调制极单元4的个数的三倍。进一步，所述的永磁体单元2为钕铁硼材料制成。钕铁硼材料是目前磁性能最高的永磁材料，使用钕铁硼材料制成永磁体单元2，可以增加永磁体单元2的磁性。所述的外转子1、定子本体3、定子齿7和磁通调制极4均由硅钢片制成，电机轴6由不导磁材料制成。本发明的永磁游标电机的工作原理为磁齿轮调磁环的空间磁场调制原理，利用空间谐波传递能量，既可以运行在电动状态，也可以运行在发电状态。当该电机运行在电动状态时，对缠绕在定子本体3上的绕组10通以一定频率的交流电，绕组10中的电流产生的旋转磁场角速度为
。经过磁通调制极单元4的调制作用，在磁通调制极单元4和外转子1之间的气隙中产
生一个调制波磁场，其旋转角速度为-^。- %中的“_”表示调制波磁场与电枢绕组10 磁场的旋转方向相反。该调制波磁场与嵌至在转子轭9中的永磁体单元2相互作用，带动外转子1同步旋转。改变通入绕组10电流的频率，从而实现不同的角速度巧，进而得到不
同的外转子1旋转速度-巧，实现调速驱动。佴力速度变比，等于永磁体单元2极对数r^与绕组10极对数np之比。因此，该电机可应用在需要低速大转矩的场合，满足在低速时对大转矩输出的要求。当该电机运行在发电状态时，外转子1以角速度-^旋转，外转子1产生的旋转
磁场，经过磁通调制极单元4的调制作用，产生旋转角速度为巧的磁场。该磁场与缠绕在定
子本体3上的绕组10产生相对运动，切割绕组10导线产生电能。螂^为速度变比，等于永磁体单元2极对数与绕组10极对数np之比。通常情况下，永磁体单元2极对数大于绕组10极对数np，所以，这可实现电机在低速条件下发电运行，故该电机也可应用在风力发电的场合。该结构的永磁游标电机中，永磁体单元2采用特殊的Halbach阵列，利用有限元优化调整永磁体宽度比以及充磁方向，可以提供更大的有效磁场谐波成份和输出转矩，降低转子轭的磁通密度及铁芯损耗。
权利要求
1.一种用于低速大转矩的永磁游标电机，其特征在于，该电机包括外转子(1)、永磁体单元O)、定子本体(3)、磁通调制极单元(4)、定子槽(5)、电机轴(6)、定子齿(7)、轴承(8)、转子轭(9)和绕组(10);其中，外转子⑴位于定子本体(3)的外侧，外转子⑴通过轴承⑶与电机轴(6)可转动连接，电机轴(6)固定在定子本体(3)的内腔中；外转子(1)的内表面沿周向设有转子轭(9)，每个永磁体单元O)嵌置在一个转子轭(9)中；每个永磁体单元( 包括沿外转子 (1)周向顺序排列的第一永磁体(201)、第二永磁体(202)和第三永磁体(203)，第二永磁体 (202)位于第一永磁体(201)和第三永磁体(203)之间，且第二永磁体(202)的充磁方向为径向充磁，第一永磁体(201)的充磁方向和第三永磁体(203)的充磁方向以第二永磁体 (202)的充磁方向为轴，相互对称；沿定子本体C3)周向设有径向延伸的具有相同长度的定子齿(7)，定子齿(7)表面缠绕绕组(10);每个定子齿(7) —端与定子本体(3)固定连接，每个定子齿(7)另一端与一个磁通调制极单元(4)固定连接；每个磁通调制极单元(4)包括沿定子本体C3)周向顺序排布的第一磁通调制极(401)、第二磁通调制极(402)和第三磁通调制极(403)，每个磁通调制极单元(4)中相邻的磁通调制极的间距相等，且该间距与相邻的磁通调制极单元(4)之间的距离相等；相邻的定子齿(7)之间形成定子槽(5)；磁通调制极单元(4)与外转子(1)之间有间隙；永磁体单元(2)极对数与绕组(10)极对数np之和等于所有磁通调制极单元(4)的磁通调制极的个数ns。
2.根据权利要求1所述的用于低速大转矩的永磁游标电机，其特征在于，所述的永磁体单元(2)由钕铁硼材料制成。
3.根据权利要求1所述的用于低速大转矩的永磁游标电机，其特征在于，所述的外转子(1)、定子本体(3)、定子齿(7)和磁通调制极(4)均由硅钢片制成，电机轴(6)由不导磁材料制成。
4.根据权利要求1所述的用于低速大转矩的永磁游标电机，其特征在于，所述的永磁体单元(2)中，第一永磁体(201)的充磁方向与第二永磁体(202)的充磁方向的夹角大于0 度，小于90度。
全文摘要
本发明公开了一种用于低速大转矩的永磁游标电机，包括外转子、永磁体单元、定子本体、磁通调制极单元、定子槽、电机轴、定子齿、轴承、转子轭和绕组；每个永磁体单元包括第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体，且第二永磁体的充磁方向为径向充磁，第一永磁体的充磁方向和第三永磁体的充磁方向以第二永磁体的充磁方向为轴，相互对称；定子齿与磁通调制极单元固定连接；每个磁通调制极单元包括第一磁通调制极、第二磁通调制极和第三磁通调制极；永磁体单元极对数nr与绕组极对数np之和等于所有磁通调制极单元的磁通调制极的个数ns。该永磁游标电机可以有效提高磁场谐波成份和输出转矩，减少转子轭的磁通密度，降低铁芯损耗。
文档编号H02K21/22GK102570754SQ20121001383
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者张丽, 樊英, 金小香, 黄进 申请人:东南大学