申请/专利权人：河北工业大学

申请日：2018-07-26

公开（公告）日：2024-06-28

公开（公告）号：CN108832791B

主分类号：H02K21/28

分类号：H02K21/28

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.28#授权;2018.12.11#实质审查的生效;2018.11.16#公开

摘要：本发明为一种高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机，该电机由多个磁爪电机模块构成，相邻两个磁爪电机模块沿轴向在定子侧或转子侧偏移特定角度，每个磁爪电机模块均为单定子单转子结构，包括一个转子磁芯、多个定子磁芯、多个异型永磁体、电枢绕组；多个定子磁芯、多个异型永磁体及电枢绕组构成定子；多个定子磁芯和多个异型永磁体交叉排列沿周向形成完整圆环状，在定子磁芯内设置电枢绕组，所述电枢绕组采用全局环形绕组结构，电枢绕组整体呈圆环状，定子磁芯、异型永磁体的数量相等；所述定子磁芯为爪极结构；所述异型永磁体沿电机周向进行充磁，且相邻异型永磁体充磁方向相反。该电机具有高功率密度、高效率及高可靠性。

主权项：1.一种高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机，其特征在于该电机由多个磁爪电机模块构成，相邻两个磁爪电机模块沿轴向在定子侧或转子侧偏移特定角度，每个磁爪电机模块均为单定子单转子结构，包括一个转子磁芯、多个定子磁芯、多个异型永磁体、电枢绕组；多个定子磁芯、多个异型永磁体及电枢绕组构成定子；多个定子磁芯和多个异型永磁体交叉排列沿周向形成完整圆环状，在定子磁芯内设置电枢绕组，所述电枢绕组采用全局环形绕组结构，电枢绕组整体呈圆环状，定子磁芯、异型永磁体的数量相等；所述定子磁芯为爪极结构；所述异型永磁体沿电机周向进行充磁，且相邻异型永磁体充磁方向相反；所述转子磁芯为凸极齿槽结构，转子磁芯为圆环形，圆环的侧面上设有多个转子齿，多个转子齿之间均设置有转子槽；所述定子磁芯采用SMC定子磁芯模块制成；所述电枢绕组与定子磁芯和异型永磁体间由环氧树脂封塑成型；所述定子磁芯的两个径向端面形状为凹字型，具有圆弧连接段和两个爪极结构，圆弧连接段位于定子外径侧，两个爪极结构沿轴向分两侧交错布置在圆弧连接段下，互不遮挡，圆弧连接段与两个爪极结构为一体化结构，由圆弧连接段和两个爪极结构围成能容纳电枢绕组的空腔，两个爪极结构下端的磁爪均朝向空腔，且两个磁爪在同一个圆弧面上形成定子内径侧；空腔的尺寸与圆环状电枢绕组的圆环尺寸一致。

全文数据：一种高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机技术领域[0001]本发明涉及横向磁通永磁电机技术领域，具体涉及一种高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机。背景技术[0002]横向磁通永磁电机是近几年新兴起的一种电机，相较轴向磁通电机和径向磁通电机，在轴向长度和径向长度都比较大的情况下，其具有更高的功率密度。爪极电机是横向磁通电机的一种特例，相较传统磁通切换电机，其更好的利用了空间三维磁场，在选用合适磁材料情况下，爪极电机的性能更优。[0003]但目前爪极电机结构并不完善，还存在以下不足：如，文献CN200910135921为典型的爪极交流发电机，该电机的定子及电枢绕组采用传统三相交流电机的结构形式，转子为采用铸铁制造的爪极磁芯和全局环形绕组的励磁绕组的结构形式，该电机具有结构简单的特点。然而由于采用了电励磁绕组和铸铁制造的爪极磁芯，另外由于爪极结构较为复杂其不能够由硅钢片制成，故其效率较低。文献CN201410625300公开了一种降低铁损的特殊爪极电机转子结构，该转子结构包括至少一组爪极，爪极外表面固定一压粉铁心块，用于减少铁损，爪极的极齿外表面开凹槽，并在凹槽内嵌入压粉铁心块，可以通过铁粉材料来降低爪极电机的涡流损耗，通过采用永磁体产生励磁磁通，爪极电机的效率能够得以有效的提升，但其功率因数较低，会使逆变器容量增加。发明内容[0004]本发明的目的在于提供一种高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机，以解决上述背景技术中存在的技术问题，提高磁爪电机的功率密度、效率及可靠性。[0005]为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：[0006]一种高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机，其特征在于该电机由多个磁爪电机模块构成，相邻两个磁爪电机模块沿轴向在定子侧或转子侧偏移特定角度，每个磁爪电机模块均为单定子单转子结构，包括一个转子磁芯、多个定子磁芯、多个异型永磁体、电枢绕组;多个定子磁芯、多个异型永磁体及电枢绕组构成定子;多个定子磁芯和多个异型永磁体交叉排列沿周向形成完整圆环状，在定子磁芯内设置电枢绕组，所述电枢绕组采用全局环形绕组结构，电枢绕组整体呈圆环状，定子磁芯、异型永磁体的数量相等;所述定子磁芯为爪极结构;所述异型永磁体沿电机周向进行充磁，且相邻异型永磁体充磁方向相反；[0007]所述转子磁芯为凸极齿槽结构，转子磁芯为圆环形，圆环的侧面上设有多个转子齿，多个转子齿之间均设置有转子槽。[0008]本发明的有益效果：[0009]a由于永磁体位于该电机的定子上，且所采用的异型永磁体结构结合定子磁芯形成聚磁式结构，极大增加电机的气隙磁通密度，因此提高了电机功率密度；由于采用全局环形绕组结构，使转矩系数与电机的极对数成正比，极大提高了电机的转矩能力，提高了电机功率馆皮；由于转子仅由硅钢片磁芯制成，既提高了转子机械强度，使其不易损坏进而提高电机的可靠性，又能保证实现高转速运行，提高了电机功率密度。[0010]b由于定子磁芯由SMC制成，软磁复合材料SMC作为一种基于粉末冶金技术的新^软磁材料，相较传统软磁材料具有高频涡流损耗低、三维磁通各向同性的优点，使电机在高频运行下损耗较低，提高了电机效率;由于永磁体采用铁氧体，使电机在高频运行情况下永磁体涡流损耗极小，提高了电机效率。[0011]c由于采用模块化设计，即电机由多个磁爪电机模块错开特定角度，沿轴向放置构成^个磁爪电机模块结构相同，提高了电机的容错运行能力，因此提高了电机可靠性；由于定子磁芯与电枢绕组、异型永磁体由环氧树脂封塑成型，使电机定子结构非常稳定，提高了电机可靠性。[0012]d本发明充分结合了爪极电机、永磁电机、磁通切换永磁电机的优点，通过特殊的结构使得i：述电机能够强强联合，其转矩密度是现有爪极电机的3倍、是磁通切换永磁电机的2倍^由于转子仅由硅钢片制成其最高转速远高于传统永磁电机和爪极电机的最高转速。由于采用SMC制作定子磁芯，其磁芯损耗在300Hz以上的运行频率下远低于现在有电机的磁d员耗，故其在高速运行下效率较高。与现有技术相比其具有效率高，功率密度高，可靠性尚等优点D附图说明[0013]图1为本发明高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机一种实施例的立体结构示意图。[0014]图2为本发明高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机一种实施例的单个磁爪电机模块的立体结构示意图。[0015]图3为本发明高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机一种实施例的单个磁爪电机模块的主视结构示意图。[0016]图4为本发明高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机一种实施例的不等宽爪极结构定子磁芯的立体结构示意图。[0017]图5为本发明高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机一种实施例的等宽爪极结构定子磁芯的立体结构示意图。[0018]图6为本发明高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机一种实施例的不等宽异型永磁体立体结构示意图。[0019]图7为本发明高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机一种实施例的等宽异型永磁体立体结构示意图。[0020]图8为本发明高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机一种实施例的无斜极转子磁芯立体结构示意图。[0021]图9为本发明高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机一种实施例的多个有斜极转子磁芯的拼装结构示意图。[0022]图10为本发明高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机一种实施例的电枢绕组的结构示意图。[0023]图11为本发明高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机的工作原理图。[0024]图12为实施例1的电机磁链示意图；[0025]图13为实施例1的电机转矩示意图[0026]图14为实施例1的电机磁通密度分布图；[0027]其中：1-转子磁芯;2-定子磁芯;3-异型永磁体;4-电枢绕组；11转子齿、12转子槽；21爪极结构、22圆弧连接段、23空腔;31平面连接段、32凸起部。具体实施方式[0028]下面结合附图及实施例对本发明做进一步的解释说明，且并不以此构成对本发明保护范围的限定。[0029]本发明一种高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机（简称电机，参见图卜丨^，由多个磁爪电机模块构成，相邻两个磁爪电机模块沿轴向在定子侧或转子侧偏移特定角度，每个磁爪电机模块均为单定子单转子结构，包括一个转子磁芯1每个磁爪电机模块的转子只由一个转子磁芯构成）、多个定子磁芯2、多个异型永磁体3及电枢绕组4;多个定子磁芯、多个异型永磁体及电枢绕组构成定子;多个定子磁芯和多个异型永磁体交叉排列沿周向形成完整圆环状，在定子磁芯内设置电枢绕组，所述电枢绕组采用全局环形绕组结构，电枢绕组整体呈圆环状，定子磁芯、异型永磁体的数量相等;所述定子磁芯为爪极结构；所述异型永磁体沿电机周向进行充磁，且相邻异型永磁体充磁方向相反；[0030]所述转子磁芯1参见图8为凸极齿槽结构，仅由硅钢片制成，转子结构简单，转子磁芯为圆环形，圆环的表面上设有多个转子齿11，多个转子齿之间均设置有转子槽12。[0031]本发明磁爪电机由多个磁爪电机模块沿轴向在定子侧或转子侧偏移特定角度形成。每个磁爪电机模块所偏移的角度根据不同的极对数和不同的相数而不一样，以能形成对称的运行状态为准。极对数指的是转子的极数，相数指的是轴向排列的磁爪电机模块的数量，如果转子不偏移则定子需偏移，总之定子与转子只需要偏移其一即可。偏移的角度为360oNPm,其中NP为极对数，m为相数。[0032]本发明中所述定子磁芯采用SMC定子磁芯模块制成，SMC定子磁芯模块可以向厂家定制也可以自己采用粉末冶金的制造工艺压制或者采用线切割的方法制造。[0033]本发明中所述电枢绕组与定子磁芯和异型永磁体间由环氧树脂封塑成型，加强结构强度。[0034]本发明中所述转子磁芯1可采用有斜极结构和无斜极结构；当采取有斜极结构时图9，一个转子磁芯由多个圆盘形硅钢片偏移一定角度压叠构成，相邻两个硅钢片的外表面的齿部相互交错，形状相对无斜极的转子磁芯没那么规则。单个磁爪电机模块只有一个转子磁芯1，多个磁爪电机模块的多个转子磁芯相互偏移一定角度。[0035]所述定子磁芯2的两个径向端面形状为凹字型，具有圆弧连接段22和两个爪极结构21，圆弧连接段位于定子外径侧，两个爪极结构沿轴向分两侧交错布置在圆弧连接段下，互不遮挡，圆弧连接段与两个爪极结构为一体化结构，由圆弧连接段和两个爪极结构围成能容纳电枢绕组的空腔23,两个爪极结构下端的磁爪均朝向空腔，能够形成一个三维磁路，并且绕组能够链过该磁路，且两个磁爪在同一个圆弧面上形成定子内径侧;空腔的尺寸与圆环状电枢绕组的圆环尺寸一致；[0036]定子磁芯可采用等宽爪极结构和不等宽爪极结构，这里的等宽和不等宽是指爪极结构中的磁爪的沿电机轴向宽度是否相等，当定子磁芯2采用不等宽爪极结构时，爪极结构的磁爪宽度沿电机轴向宽度不同，靠近远离定子磁芯空腔侧磁爪宽度较窄，以适应于不同的场合要求。[0037]所述异型永磁体3为凹字型，由平面连接段31和上下两个凸起部32构成，上下两个凸起部32布置在平面连接段31的两端，且上下两个凸起部的外侧均为圆弧状，凹字型的内腔与电枢绕组的尺寸相匹配，能够容纳电枢绕组，且异型永磁体的径向端面能与定子磁芯的径向端面相贴合。[0038]异型永磁体3可采用等宽结构（参见图7和不等宽结构（参见图6，是否等宽是指异型永磁体的平面连接段在定子外径侧和定子内径侧宽度是否相等。为提高电机的性能凹字型永磁体优选不等宽结构。[0039]异型永磁体采用铁氧体材料、稀土永磁体等制成。[0040]本发明高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机的工作原理是：[0041]图11中的（a所示永磁磁链从异型永磁体的下部凸起部表面出发，经过一个定子磁芯的爪极结构的磁爪、气隙、转子极转子齿）、转子轭部连接两个转子齿之间的部分）、相邻转子极、气隙、另一个定子磁芯的爪极结构的磁爪后回到该异型永磁体的下部凸起部表面。此过程中永磁磁链不经过定子磁芯的爪极结构的轭部（爪极结构中连接磁爪和圆弧连接段的部分），故永磁磁链为0。[0042]图11中的b所示永磁磁链从异型永磁体的上部凸起部表面出发，经过定子磁芯的圆弧连接段、定子磁芯的爪极结构、气隙、转子极、转子轭部、相邻转子极、气隙、另一个定子磁芯的爪极结构后回到异型永磁体的上部凸起部表面。永磁磁链逆时针经过电枢绕组，故永磁磁链为反向最大值。同理，当转子继续旋转，在图1丨中的c和图ii中的d所示位置分别使永磁磁链获得0与正向的最大值。图11中的e为永磁磁链随着转子位置变化的曲线，其中a，b，c，和d点分别对应图a，b，c和d的永磁磁链。由此可见，磁爪电机的磁链为正弦，故该电机满足交流永磁电机的运行原理。[0043]本发明磁爪电机为多模块结构，其模块间耦合情况和相数为可变量。[0044]实施例1[0045]本实施例高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机，由多个磁爪电机模块构成，相邻两个磁爪电机模块沿轴向在定子侧偏移特定角度，每个磁爪电机模块均为单定子单转子结构，包括包括转子磁芯1、定子磁芯2、内嵌式异型永磁体3、电枢绕组4。[0046]转子仅由转子磁芯1构成;所述转子磁芯1为凸极齿槽结构，采用硅钢片叠压而成；[0047]所述定子磁芯2为不等宽爪极结构，采用模压的制造工艺，所采用的材料为SMC;[0048]所述异型永磁体3采用铁氧体材料，沿磁爪电机周向进行充磁，且相邻异型永磁体充磁方向相反;所述电枢绕组4、定子磁芯2及异型永磁体间由环氧树脂封塑成型。所述定子由多个定子磁芯2和异型永磁体3沿周向排列形成完整圆环形成。[0049]本实施例中所采取的电机设计为有磁耦合的三相模块化设计，即有三个磁爪电机模块，每个模块为一相，每相所加电流不同。所述电枢绕组4采用全局环形绕组结构。异型永磁体为不等宽结构，定子磁芯为不等宽爪极结构，转子磁芯为有斜极结构。[0050]_图12为本实施例磁爪电机在不同转子位置处的磁链，图示中横坐标为转子位置，纵坐标为永磁磁链，由图可见该磁链随转子位置变化能够形成较好的正弦波，故可使用无刷交流驱动器进行驱动。[0051]图I3为磁爪电机的转矩波形图，图示横坐标为时间，纵坐标为转矩，其中图例1，2，3deg分别指的是在图9所示有斜极转子磁芯的斜极偏移角度。由图可见在随着偏移角产吣增加平均转矩将有所减小，但是其转矩波动也在减小，尤其是在斜极偏移角度为3斤^的转矩纹波最低。其[0052]图14为磁爪电机空载时的磁通密度分布图，由图可见该电机的空载磁通查高，故其电机性能较强。#'庚较[0053]本发明未述及之处适用于现有技术。

权利要求：1.一种局功率密度高效率高可靠性的磁爪电机，其特征在于该电机由多个磁爪电机模块构成，相邻两个磁爪电机模块沿轴向在定子侧或转子侧偏移特定角度，每个磁爪电机模块均为单定子单转子结构，包括一个转子磁芯、多个定子磁芯、多个异型永磁体、电枢绕组；多个定子磁芯、多个异型永磁体及电枢绕组构成定子;多个定子磁芯和多个异型永磁体交叉排列沿周向形成完整圆环状，在定子磁芯内设置电枢绕组，所述电枢绕组采用全局环形绕组结构，电枢绕组整体呈圆环状，定子磁芯、异型永磁体的数量相等;所述定子磁芯为爪极结构;所述异型永磁体沿电机周向进行充磁，且相邻异型永磁体充磁方向相反；所述转子磁芯为凸极齿槽结构，转子磁芯为圆环形，圆环的侧面上设有多个转子齿，多个转子齿之间均设置有转子槽。2.根据权利要求1所述的高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机，其特征在于每个磁爪电机模块所偏移的角度为360°NPm，其中NP为极对数，m为相数。3.根据权利要求1所述的高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机，其特征在于所述定子磁芯采用SMC定子磁芯模块制成;所述电枢绕组与定子磁芯和异型永磁体间由环氧树脂封塑成型。4.根据权利要求1所述的高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机，其特征在于所述定子磁芯的两个径向端面形状为凹字型，具有圆弧连接段和两个爪极结构，圆弧连接段位于定子外径侧，两个爪极结构沿轴向分两侧交错布置在圆弧连接段下，互不遮挡，圆弧连接段与两个爪极结构为一体化结构，由圆弧连接段和两个爪极结构围成能容纳电枢绕组的空腔，两个爪极结构下端的磁爪均朝向空腔，且两个磁爪在同一个圆弧面上形成定子内径侧；空腔的尺寸与圆环状电枢绕组的圆环尺寸一致。5.根据权利要求1所述的高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机，其特征在于所述异型永磁体为凹字型，由平面连接段和上下两个凸起部构成，上下两个凸起部布置在平面连接段的两端，且上下两个凸起部的外侧均为圆弧状，凹字型的内腔与电枢绕组的尺寸相匹配，能够容纳电枢绕组，且异型永磁体的径向端面能与定子磁芯的径向端面相贴合。6.根据权利要求1所述的高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机，其特征在于所述转子磁芯为有斜极结构或无斜极结构；定子磁芯为等宽爪极结构或不等宽爪极结构;异型永磁体为等宽结构或不等宽结构。

百度查询： 河北工业大学 一种高功率密度高效率高可靠性的磁爪电机

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