一种新型菱形调制极游标永磁电机

技术领域

本发明涉及低速直驱大转矩电机技术领域，具体涉及一种新型菱形调制极游标永磁电机。

背景技术

随着社会高质量发展和现代化工业进程推进，永磁电机越来越多的应用于航空航天、军事装备、电动汽车、风力发电、油田开采等领域。其中，在低速大转矩应用场合，采用电直驱系统可去除齿轮箱，消除由齿轮传动引起的噪声和故障，有助于提高系统效率和可靠性。若传统永磁同步电机直驱化，则必然导致其体积增加，转矩密度降低。近年来，一种基于“磁齿轮效应”具有高转矩密度特性的游标永磁(vernierpermanentmagnet，VPM)电机引起广大学者的关注。基于磁场调制效应，利用调制极将旋转速度较低的定子气隙磁场调制成高转速定子气隙磁场，从而实现所谓的“自增速”效果，实现低速大转矩直驱系统本质要求。将分数槽集中绕组引入VPM电机，通过优化配置电枢齿和容错齿齿宽，可在电机提供较大转矩密度的同时，最大化绕组相间独立性，实现VPM电机高容错性能的主旨目标。然而，传统矩形调制极VPM电机磁场调制效果有限，难以最大化其转矩密度，功率因数也很难得到有效的提升。

目前，增强型磁场调制电机大多以双定子或双转子结构为主体，多层气隙结构无疑增加了电机的复杂程度，机械强度与整机可靠性都难以保证，有些甚至会牺牲集中绕组高相间独立性的优势。因此，在不增加电机复杂程度且保留高容错性能的前提下，提升VPM电机的转矩密度和功率因数，对整个直驱系统高性能运行具有重要的现实意义。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种新型菱形调制极游标永磁电机，能够显著增加游标永磁电机的气隙磁密，从而提升其转矩密度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种新型菱形调制极游标永磁电机，包括定子和转子，所述定子和转子之间具有气隙；

所述定子包括定子铁心和电枢绕组；

所述定子铁心包括电枢齿、容错齿、调制极和定子轭；所述电枢齿和容错齿呈圆周方向交替均匀分布，所述电枢齿和容错齿顶端均设有调制极，所述调制极呈菱形状，所述调制极两两相对设置并沿圆周表面均匀间隔分布；

所述转子包括转子铁心和永磁体；

所述永磁体采用径向充磁方式，所述永磁体面贴于转子铁心的内表面。

优选地，所述定子铁心由硅钢片叠压而成，所述定子铁心的内半径为r

优选地，所述定子铁心的内半径和外半径比r

优选地，所述调制极的槽口与相邻两调制极底端对应的圆心角为θ

优选地，所述调制极所对应圆心角θ

优选地，所述电枢绕组集中绕制在电枢齿上，且电枢绕组的跨距为1。

优选地，所述永磁体采用钕铁硼材料加工而成，所述永磁体的极弧系数为1。

优选地，所述调制极的极数为N

通过采用上述技术方案：定子调制极采用菱形结构，绕组采用单层集中绕组，转子采用径向充磁方式的表贴式永磁转子结构，电机可以是内转子结构，也可以是外转子结构。相较于传统矩形调制极游标永磁电机，本发明新型菱形调制极结构能够显著增加游标永磁电机的气隙磁密，从而提升其转矩密度。与此同时，本发明新型菱形调制极结构亦能增加其功率因数。

本发明有益效果：

本发明仅改变了调制极形状，可在不增加VPM电机结构复杂度以及保留高容错性能前提下，有效改善VPM电机磁场调制效果，进而提升其转矩密度与功率因数。

附图说明

图1为本发明新型菱形调制极VPM电机截面图；

图2为本发明新型菱形调制极结构示意图；

图3为传统矩形调制极定子结构示意图及尺寸标注图；

图4为本发明新型菱形调制极定子结构示意图及尺寸标注图；

图5为传统矩形调制极VPM电机与本发明新型菱形调制极VPM电机空载反电势波形图；

图6为传统矩形调制极VPM电机与本发明新型菱形调制极VPM电机转矩波形图。

具体实施方式

下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，一种新型菱形调制极游标永磁电机，包括定子1和转子2，所述定子1和转子2之间具有气隙，且气隙厚度为0.5mm。

其中，所述定子1包括定子铁心11和电枢绕组12。

所述定子铁心11包括电枢齿11-I、容错齿11-II、调制极11-III和定子轭11-IV；所述电枢齿11-I和容错齿11-II呈圆周方向交替均匀分布，所述电枢齿11-I和容错齿11-II顶端均设有调制极11-III，所述调制极11-III呈菱形状，所述调制极11-III两两相对设置并沿圆周表面均匀间隔分布。

所述转子2包括转子铁心21和永磁体22；

所述永磁体22采用径向充磁方式，所述永磁体22面贴于转子铁心21的内表面。

具体的，所述定子铁心11由硅钢片叠压而成，所述定子铁心11的内半径为r

其中，所述定子铁心11的内半径和外半径比r

具体的，所述调制极11-III的槽口与相邻两调制极底端对应的圆心角为θ

具体的，所述调制极11-III所对应圆心角θ

具体的，所述电枢绕组12集中绕制在电枢齿11-I上，且电枢绕组12的跨距为1。

具体的，所述永磁体22采用钕铁硼材料加工而成，所述永磁体22的极弧系数为1。

具体的，所述调制极11-III的极数为N

本实施例中，定子调制极采用菱形结构，绕组采用单层集中绕组，转子采用径向充磁方式的表贴式永磁转子结构，电机可以是内转子结构，也可以是外转子结构。相较于传统矩形调制极游标永磁电机，本发明新型菱形调制极结构能够显著增加游标永磁电机的气隙磁密，从而提升其转矩密度。与此同时，本发明新型菱形调制极结构亦能增加其功率因数。

参照图2，为本发明新型菱形调制极结构示意图，调制极11-III数目N

参照图3，为传统矩形调制极定子结构示意图及尺寸标注图，调制极11-III呈矩形，调制极数N

参照图4，为本发明新型菱形调制极定子结构示意图及尺寸标注图，其中调制极11-III呈菱形，调制极数N

参照图5，为传统矩形调制极VPM电机与本发明新型菱形调制极VPM电机空载反电势波形图。如图所示，本发明新型菱形调制极VPM电机能够大幅提升电机的空载反电势，其空载反电势中3次谐波有所增加。

参照图6，为传统矩形调制极VPM电机与本发明新型菱形调制极VPM电机转矩波形图。相较而言，本发明新型菱形调制极VPM电机转矩提升约34.6％，转矩脉动几乎没变。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。