一种定子永磁型混合励磁游标电机的制作方法

一种定子永磁型混合励磁游标电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及到永磁游标电机，特别是定子永磁型混合励磁游标电机，适用于风力发电和电动汽车，属于新型电机制造的技术领域。
【背景技术】
[0002]永磁游标电机是基于基本的磁齿轮磁场调制效应工作的一种新型特种电机，可以将高转速的电枢绕组产生的电枢磁场经过调制与低转速的永磁体旋转磁场相匹配。因而，具有大转矩密度的特点，非常适合于需要大转矩的轨道交通、船舶推进和电动汽车应用场合。然而传统的永磁游标电机的永磁体是位于电机的转子上，不仅使得转子的结构变得较为复杂降低了机械强度，同时在电机运行时，旋转的永磁体的温度也难于管理和控制，增加了永磁体受热去磁的风险。
[0003]另一方面，与传统的永磁电机类似，永磁游标电机制成之后，其气隙磁场难以调节，进而使得电机的调速范围受到限制，针对这一问题，文献IEEE Transact1non Magnetics，47 (10):4238-4241，2011 (A novel flux-controllable vernierpermanent-magnet machine)提出了一种转子永磁型混合励磁游标电机。通过引入额外的励磁绕组，该电机的调速范围确实扩大了，但是值得注意的是，该电机的永磁体的位于转子上，永磁体的温升问题仍然没有得到有效解决，同时，更为重要的是由于采用的是表贴式的永磁体，有效磁通路径上的磁阻很大，需要加入很大的励磁电流才能达到满意的调节效果，这样不仅降低了励磁绕组对电机磁场调节的效率，而且会大大增加励磁绕组上的铜耗，降低了电机的效率。中国发明专利申请号201410257708.5公开了一种基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机，其永磁体被安放在定子上解决了转子永磁型游标电机的永磁体温升的问题。可是它的电枢齿上仍然采用的是表贴式的永磁体，致使励磁绕组的调磁效果和效率受到限制，除此以外，在该电机中针对每一块永磁体都需要加入一套励磁绕组，而在游标电机中永磁体的极数往往是比较高的，这无疑就需要增加定子的齿数和与之对应的励磁绕组的数目。这样一来不仅增加了励磁绕组的铜耗，同时加大了电机绕组下线的难度，进而降低了电机的槽满率和功率密度。

【发明内容】

[0004]本发明的目的是，针对现有混合励磁游标电机的不足，提出一种定子永磁型混合励磁游标电机，将永磁体放置在定子上，可以方便的对永磁体和绕组的温升进行管理。同时采用V型的永磁体阵列，降低了励磁绕组的产生的有效磁通路径上的磁阻，使得电机励磁绕组的调磁效率大大提升，进一步扩大了电机的调速范围。同时，利用V型的永磁体阵列产生的聚磁效应，增强了电机中的有效永磁磁通，相比于传统的表贴式的游标电机，该电机的功率密度又得到了一定程度上的提升。
[0005]具体地说，本发明是采取以下的技术方案来实现的:
[0006]一种定子永磁型混合励磁游标电机，包括转子和定子；所述定子上包括电枢齿、电枢绕组、励磁绕组、永磁体，每个定子的电枢齿上分别绕有一套集中式的励磁绕组，电枢绕组放置在定子槽中，每个定子的外周齿部设有至少一个V型的永磁体槽，所述永磁体安放在V型的永磁体槽内；所述转子为等齿宽的凸极结构，包含有若干转子凸极，转子与定子之间为气隙。
[0007]作为本发明的进一步改进，所述永磁体的极对数Ps，电枢绕组极对数Pw，转子凸极数Nr,三者满足关系:Pw = I Nr-Ps |。
[0008]作为本发明的进一步改进，所述电枢绕组选取集中式或者分布式的绕制方式。
[0009]作为本发明的进一步改进，所述转子采用直槽或者斜槽结构。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述定子和转子部分由具有高磁导率的硅钢片叠压制成。
[0011]作为本发明的进一步改进，所述永磁体选用铷铁硼或者铁氧体永磁材料。
[0012]由上述技术方案得到本发明具有以下有益效果:
[0013]I)本发明中的永磁体和绕组均位于定子上，方便了对本发明电机的温度进行管理，降低了永磁体受热发生不可逆退磁的风险，提高了电机的可靠性。
[0014]2)本发明采用V型的永磁体阵列，一方面由于其聚磁效应，使得本发明的有效永磁磁通大大增加，提升了电机的功率密度。另一方面采用V型的永磁体阵列，减小了有效磁通路径上的磁阻，使得励磁绕组的调节效果大大提高，提高了其对电机磁场进行调节的效率，扩大了电机的调速范围，减小了励磁绕组上的铜耗，提高了电机的效率。
[0015]3)本发明中的永磁体和绕组均为于定子上，而转子的结构简单且坚固，可以省去中间的传动环节，直接与运动部件相连，提高了系统的效率。
[0016]4)本发明可以方便地对励磁、电枢绕组匝数，电流大小进行协调控制，对电机进行效率优化，实现最优效率，适合于需要大范围变速运行的应用场合。
【附图说明】
[0017]图1为本发明实施例电机的结构示意图；
[0018]图2为本发明实施例电机的定子电枢齿齿部放大图；
[0019]图3为本发明实施例电机在永磁体单独作用时磁通分布图；
[0020]图4为本发明实施例电机在永磁体和励磁绕组共同作用时磁通分布图；
[0021]图5为本发明实施例电机在不同励磁工况下的A相电枢绕组磁链波形图；
[0022]图6为本发明实施例电机在不同励磁工况下的A相电枢绕组反电势波形图；
[0023]图7为本发明实施例电机与传统混合励磁游标电机的调节反电势幅值的对比图。
[0024]图中标号名称:1-转子；2-定子；3_电枢绕组；4_励磁绕组；5_电枢齿；6-永磁体；7_转子凸极；8_永磁体槽。
【具体实施方式】
[0025]下面以一个具体的三相电机，参照附图，对本发明电机的结构特点和有益效果进行详细描述。
[0026]如图1-2所示，本发明公开了定子永磁型混合励磁游标电机，包括转子I和定子2，定子上包含有电枢绕组3、励磁绕组4和永磁体6。转子I和定子2均由高磁导率的硅钢片叠压制成，其中转子I为等齿宽的凸极结构，包含有若干凸极7，转子I与定子2之间为气隙。定子2中包含电枢齿5，每个电枢齿上分别绕有一套集中式的励磁绕组4。电枢绕组3可以按照具体的要求采用集中或分布式的连接方 式放置在定子槽中，所述定子槽采用半闭口槽。V型的永磁体6安放在定子2齿部的V型永磁体槽8中。本发明的转子I除了采用传统的直槽，还可以采取斜槽转子来有效地抑制电机的定位力的波动和提升反电势的正弦度。定子2和转子I部分由高磁导率的硅钢片叠压制成，永磁体6可以根据实际的需要选用尚磁能积的锁]铁棚或者廉价的铁氧体永磁材料。
[0027]为了清楚阐述本发明的【具体实施方式】，下面将结合附图中的三相电机对本发明加以说明，可以看到，每个电枢齿放置有6个V型永磁体槽，其中永磁体6的充磁方向如图2所示，每一对V型永磁体充磁方向相反，即每个电枢齿上有3对极的永磁体6。又由于定子上共有6个电枢齿，S卩在本发明实施例中永磁体的极对数Ps为18。转子上凸极数Nr为20，绕组的极对数Pw为2。永磁体6极对数、转子I凸极数和电枢绕组3极对数三者满足关系:Pw= |Nr-Ps|。因为电枢绕组3的极对数为2，根据电机学的槽星型图的理论，本发明实施例的电枢绕组与励磁绕组一样均采用集中式绕组以获得最大的转矩输出。
[0028]图3中给出了本发明实施例电机在纯永磁体励磁下磁场分布图，由图可见，18对极的永磁磁场经过转子凸极的调制后，在电机中形成了 2对极的永磁磁场，恰好可以与2对极电枢磁场相互作用，验证了在本发明实施例中游标电机的调制效应是有效的。同时可以看出V型的永磁体阵列使得有效的永磁磁通在V型永磁体下方的定子齿部聚集，增加了有效的永磁磁通，提高了电机的功率密度。
[0029]图4给出了励磁绕组与永磁体共同作用下的磁场分布图，如图所示，相比于图3，图4中的定子齿中的磁通量大大的减小了，这就说明在本发明实施例中有效的磁通可以被励磁绕组产生的磁场大大削弱。当电机需要高速运行时就可以在励磁绕组中通入励磁电流来削弱电机中磁场，减小电机电枢绕组的端电压，保证电机的端电压不超过逆变器所能提供的最大端电压。
[0030]图5和图6分别是A相电枢绕组在纯永磁(即纯永磁体励磁)和去磁(即通入去磁性质直流电励磁和永磁体励磁共同作用)这两种工况下的空载磁链波形和反电势波形图。可以看到通入了励磁电流后，电机的电枢绕组中的磁链和反电势确实大大减小了，证明了本发明实施例电机具有调磁能力，可以满足电机高速运行的需要。图7比较了本发明实施例电机与传统的混合励磁游标电机的调磁能力，可以看出当励磁绕组中没有通入电流时，即只有永磁体单独作用时，此时本发明实施例电机的反电势大约为传统混合励磁游标电机的1.5倍，这就说明相比于传统电机，本发明实施例电机具有更高的转矩密度，这主要是受益于本发明中V型永磁体的聚磁效应。同时可以看出，本发明实施例电机具有更加优异的磁场调节能力，即当通入相同的励磁电流，其反电势削弱的更多。这主要是由于相比于传统的混合励磁游标电机，本发明中V型永磁体阵列方式可以大大降低有效磁通路径中的磁阻，这样就提升了励磁绕组的调磁能力，使得本发明电机具有更为宽阔的调速范围。
[0031]综上，本发明的游标电机的永磁体6和绕组都位于定子上，使得对该电机的绕组和永磁体6的温升管理变得简单许多，降低了永磁体受热导致不可逆退磁的风险，提高了电机的可靠性。同时，V型阵列的永磁体6使得本发明电机的有效永磁磁通大大增加，提升了电机的功率密度。另一方面采用V型的永磁体6阵列，减小了有效磁通路径上的磁阻，提升了励磁绕组对电机磁场进行调节的效率，即只需要通入相对较小的励磁电流便可以很大程度上削弱电机的磁场，不仅进一步扩大了电机的调速范围，同时又减小了励磁绕组上的铜耗，提高了电机的效率。
[0032]以上对本发明所提供的一种定子永磁型混合励磁游标电机，并对此进行了详细介绍，本文应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，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。
【主权项】
1.一种定子永磁型混合励磁游标电机，其特征在于，包括转子(I)和定子(2)，所述定子(2)上包括电枢齿(5)、电枢绕组(3)、励磁绕组(4)、永磁体￠)，每个定子(2)的电枢齿(5)上分别绕有一套集中式的励磁绕组(4)，电枢绕组(3)放置在定子槽中，每个定子(2)的外周齿部设有至少一个V型的永磁体槽，所述永磁体(6)安放在V型的永磁体槽(8)内；所述转子(I)为等齿宽的凸极结构，包含有若干转子凸极(7)，转子(I)与定子(2)之间为气隙。2.根据权利要求1所述的定子永磁型混合励磁游标电机，其特征在于:所述永磁体(6)的极对数Ps，电枢绕组(3)极对数Pw，转子(I)凸极数Nr，三者满足关系:Pw= | Nr-Ps |。3.根据权利要求1所述的定子永磁型混合励磁游标电机，其特征在于:所述电枢绕组(3)选取集中式或者分布式的绕制方式。4.根据权利要求1所述的定子永磁型混合励磁游标电机，其特征在于:所述转子(I)采用直槽或者斜槽结构。5.根据权利要求1所述的定子永磁型混合励磁游标电机，其特征在于:所述定子(2)和转子(I)部分由具有高磁导率的硅钢片叠压制成。6.根据权利要求1所述的定子永磁型混合励磁游标电机，其特征在于:所述永磁体(6)选用铷铁硼或者铁氧体永磁材料。
【专利摘要】本发明公开了一种定子永磁型混合励磁游标电机，包括转子和定子；所述定子上包括电枢齿、电枢绕组、励磁绕组、永磁体，每个定子的电枢齿上分别绕有一套集中式的励磁绕组，电枢绕组放置在定子槽中，每个定子的外周齿部设有至少一个V型的永磁体槽，所述永磁体安放在V型的永磁体槽内；所述转子为等齿宽的凸极结构，包含有若干凸极，转子与定子之间为气隙。本发明解决了传统混合励磁游标电机中励磁绕组对磁场调节的效率低的问题，进一步扩大了电机的调速范围，利用V型永磁体阵列的聚磁效应又能够提升电机的有效磁通密度及其功率密度。此外，本发明转子的结构简单且坚固，可以省去中间的传动环节，直接与运动部件相连，提高了系统的效率。
【IPC分类】H02K21/38, H02K21/02
【公开号】CN104883019
【申请号】CN201510268915
【发明人】刘国海, 徐亮, 赵文祥, 吉敬华, 朱剑
【申请人】江苏大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月22日...