一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构

技术领域

本发明涉及电机设计技术，具体涉及一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构。

背景技术

电机作为动力系统的执行部件在越来越多的场合得到了应用，而永磁同步电机具有高功率密度、高效率、结构简单、运行可靠等优势，受到了航空航天、电动汽车和船舶推进等领域的广泛关注。电机功率密度的不断提升是其重要发展趋势之一，一方面需要电机提升电磁负荷，另一方面需要电机结构的轻量化，这两者都会加剧电机的振动噪声水平。电机的振动不仅会向外辐射噪声，降低电机的使用寿命，并且当电机结构设计不合理时，气隙内的电磁力与电机结构发生共振，将会产生不可预料的结果。

初步表明，永磁电机电磁振动噪声的削弱一方面在于抑制低阶次的径向电磁力，另一方面在于对电机本体结构参数的设计和优化，避免电机电磁力与结构发生共振。最常用的方法为修改电机结构参数(即模态刚度和质量)，改变电机各阶次的模态频率达到抑制电磁共振的效果。但对于调速永磁同步电机而言，由于电磁力的频率随着转速而发生变化，在电机的整个调速范围内很难避免共振的发生。因此抑制低阶次的径向电磁力成为更有效的方式。

此外，根据永磁体的摆放位置不同，永磁电机可分为转子永磁型和定子永磁型。定子永磁型电机作为近些年的研究热点，它的永磁体和电枢绕组都位于定子上，故转子结构相对简单，运行可靠，易于散热，且还具有高功率密度、高效率、容错性能好和带载能力强等优点，因而具有良好的应用前景。然而，因为永磁磁场是恒定磁场，定子分区式的永磁电机也面临着永磁电机的一个固有问题，即调磁能力有限。这使得该类电机的恒功率运行范围受到限制。尽管可以采用矢量控制的方式，通过在电枢绕组中施加负的直轴电流分量(-I

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构。

技术方案：本发明的一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构，包括同轴设置的外定子、转子、内定子和转轴，转子设置于外定子和内定子之间，并同轴连接于转轴上，外定子与转子之间设有第一气隙，内定子与转子之间设有第二气隙；

所述外定子包括外定子铁芯以及电枢绕组，外定子铁芯沿内侧圆周交替设置有电枢齿与容错齿，电枢绕组设置在电枢齿与容错齿上；

转子包括多块转子铁芯和励磁线圈，且多块转子铁芯沿圆周阵列排布，与电枢齿和容错齿一一对应，每块转子铁芯上均设置一个励磁线圈；

内定子包括内定子铁芯以及多组沿圆周等间隔均匀分布的第一永磁单元，第一永磁单元与励磁线圈一一对应。

优选的，所述电枢绕组采用星三角方式的接线法，每一相绕组由一套星型绕组和一套三角形绕组组成，星型绕组和三角形绕组在空间上均为对称分布，电机的三相绕组在空间上也对称排列。

优选的，所述电枢齿与容错齿大小不同，构成不等齿结构，且电机的电枢磁动势幅值与电枢齿角度α相关，其关系表达为：

其中，F

优选的，电枢齿为类T型凸齿，容错齿为矩形凸齿。

优选的，每块转子铁芯的中部设置有一个闭口槽，励磁线圈设置在闭口槽内。

优选的，内定子铁芯上沿圆周等间隔均匀分布有多组开口朝径向外侧的开口槽，第一永磁单元设置在开口槽。

优选的，开口槽为一字型，第一永磁单元为长条形永磁体。

优选的，永磁体材料均为铁氧体材料。

优选的，所述每组第一永磁单元均沿着内定子铁芯径向充磁，且相邻两组第一永磁单元充磁方向相反。

优选的，当励磁线圈通入的直流电流所产生的励磁磁通与第一永磁单元产生的永磁磁通方向相同时，对电机增磁；当励磁线圈通入的直流电流所产生的励磁磁通与第一永磁单元产生的永磁磁通方向相反时，对电机弱磁。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：

(1)本发明采用定子分区的结构，电机内部空间得到充分利用；不同于传统的混合励磁电机，内、外定子与转子的三区结构使得励磁线圈、电枢绕组、永磁体有了更充分的放置空间，降低了三者之间用量的相互限制，大大提高了电机的空间利用率，使得更多拓扑结构组合成为可能；

(2)本发明利用不等齿的定子结构有效的削弱了电枢绕组低阶次谐波，从而削弱了其与基波磁密产生的径向电磁力幅值；且采用星三角绕组连接方式进一步消除低阶次电枢磁动势谐波成分，有效的降低了低阶次径向电磁力的幅值；

(3)本发明提供的电机结构可满足电机大转矩工况转矩需求和高速工况的高效率需求。在电机有大转矩需求时，可以通过励磁电流的加持，永磁磁通与励磁磁通相叠加，从而提高电机的磁通密度和输出转矩；在高速工况时，励磁绕组输入相反电流，此时永磁磁通与励磁磁通方向相反，增强弱磁调速能力。

附图说明

图1为本发明提出的定子分区结构的不等齿混合励磁电机的结构主视图；

图2为内外定子铁芯与转子铁芯示意图；

图3为第一永磁单元和励磁线圈示意图；

图4为星三角绕组连接示意图；

图5为电枢绕组连接图；

图6为本发明中电机励磁绕组无电流通过状态下的磁路原理图；

图7为本发明中电机在大转矩工况下的磁路原理图；

图8为本发明中电机在高速工况下的磁路原理图；

图中：1外定子，1-1外定子铁芯，1-2电枢绕组，1-3电枢齿，1-4容错齿；2转子，2-1转子铁芯，2-2励磁线圈，2-3闭口槽；3内定子，3-1内定子铁芯，3-2开口槽，4转轴，5第一永磁单元，5-1长条形永磁体；α电枢齿角度，a永磁磁通，b励磁绕组，c励磁磁通。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围，本发明中的顿号均表示和的关系。

如图1和图2所示，一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构，包括：同轴设置的外定子1、转子2、内定子3和转轴4，转子2设置于外定子1和内定子3之间，同轴连接于转轴4上，内定子3套设在转轴4上，外定子1与转子2之间设有第一气隙，内定子3与转子2之间设有第二气隙；外定子1由外定子铁芯1-1以及电枢绕组1-2组成，外定子铁芯1-1沿内侧圆周交替设置有电枢齿1-3与容错齿1-4，电枢绕组1-2设置在电枢齿1-3与容错齿1-4上；转子2由12块分段式转子铁芯2-1和励磁线圈2-2组成，且转子铁芯2-1沿圆周阵列排布，与电枢齿1-3和容错齿1-4一一对应，每块转子铁芯2-1上均设置一个励磁线圈2-2，转子位于外定子铁芯1-1和内定子铁芯3-1之间；内定子3由内定子铁芯3-1以及12组沿圆周等间隔均匀分布的第一永磁单元5组成，第一永磁单元5为“1”型(或一字型)，其与励磁线圈2-2一一对应。

参见图1与图2，本实施例中，外定子铁芯1-1包含6个电枢齿和6个容错齿，电枢齿和容错齿交替设置，所述电枢齿1-3与容错齿1-4大小不同，构成不等齿结构，且电机的电枢磁动势幅值与电枢齿角度α相关，其关系可以表达为：

其中，F

参见图1、图2和图3，本实施例中，内定子铁芯3-1上沿圆周等间隔均匀分布有12组开口朝径向外侧呈“1”型布置的开口槽3-2。所述每块转子铁芯2-1的中部布置有一个方形闭口槽2-3。所述每组第一永磁单元5由1块呈“1”型排布的长条形永磁体5-1组成，并布置在沿圆周等间隔均匀分布的“1”型开口槽3-2中。所述每块长条形永磁体5-1均沿着该永磁体长度方向充磁(即沿内定子铁芯径向充磁)，且相邻两组长条形永磁体5-1充磁方向相反。所述永磁体材料均为铁氧体材料。所述第一永磁单元5数量与电枢绕组1-2数量一致。

参见图1、图2和图3，所述励磁线圈2-2布置在方形闭口槽2-3中，励磁线圈2-2数量与电枢绕组1-2数量相同；当通入的直流电流所产生的励磁磁路与第一永磁单元5产生的磁路方向相同时，对电机增磁；当通入的直流电流所产生的励磁磁路与第一型永磁单元5产生的磁路方向相反时，对电机弱磁。

参见图4和图5，所述电枢绕组1-2采用星三角方式的接线法，每一相绕组由一套星型绕组和一套三角形绕组组成，星型绕组和三角形绕组在空间上均为对称分布的，因此电机的三相绕组在空间上也是对称排列的。

参见图6，本发明电机结构在励磁绕组无电流输入时，磁路中仅有永磁磁路。

如图7所示，本发明电机有大转矩需求时，在励磁绕组b中通入的直流电流，其所产生的励磁磁通c与第一永磁单元产生的永磁磁通a方向相同，永磁磁通与励磁磁通相叠加，具有气隙磁密大的特点，从而提高电机输出转矩，满足电动汽车爬坡等大转矩工况需求。

如图8所示，本发明电机在高速工况时，在励磁绕组b中通入的直流电流，其所产生的励磁磁通c与第一永磁单元产生的永磁磁通a方向相反，产生弱磁效果。