一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构

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：

1、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。

2、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。

3、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(-id)来削弱气隙磁场，但是受电枢电流大小、逆变器容量等限制，调速范围十分受限，且弱磁升速区间的效率和功率因素较低。

技术实现思路

1、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。

2、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；

3、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；

4、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；

5、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。

6、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。

7、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：

8、

9、其中，fs表示电枢磁动势幅值，vs表示谐波阶次。

10、优选的，电枢齿为类t型凸齿，容错齿为矩形凸齿。

11、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。

12、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。

13、优选的，开口槽为一字型，第一永磁单元为长条形永磁体。

14、优选的，永磁体材料均为铁氧体材料。

15、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。

16、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。

17、有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：

18、(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；

19、(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；

20、(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。

技术特征：

1.一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构，其特征在于，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，并同轴连接于转轴(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；

2.根据权利要求1所述的一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构，其特征在于，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，电机的三相绕组在空间上也对称排列。

3.根据权利要求1所述的一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构，其特征在于，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，其关系表达为：

4.根据权利要求1所述的一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构，其特征在于，电枢齿(1-3)为类t型凸齿，容错齿(1-4)为矩形凸齿。

5.根据权利要求1所述的一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构，其特征在于，每块转子铁芯(2-1)的中部设置有一个闭口槽(2-3)，励磁线圈(2-2)设置在闭口槽(2-3)内。

6.根据权利要求1所述的一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构，其特征在于，内定子铁芯(3-1)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(3-2)，第一永磁单元(5)设置在开口槽(3-2)。

7.根据权利要求6所述的一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构，其特征在于，开口槽(3-2)为一字型，第一永磁单元(5)为一字型长条形永磁体(5-1)。

8.根据权利要求7所述的一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构，其特征在于，永磁体材料均为铁氧体材料。

9.根据权利要求1所述的一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构，其特征在于，所述每组第一永磁单元(5)均沿着内定子铁芯(3-1)径向充磁，且相邻两组第一永磁单元(5)充磁方向相反。

10.根据权利要求1所述的一种基于定子分区结构的不等齿混合励磁电机结构，其特征在于，当励磁线圈(2-2)通入的直流电流所产生的励磁磁通与第一永磁单元(5)产生的永磁磁通方向相同时，对电机增磁；当励磁线圈(2-2)通入的直流电流所产生的励磁磁通与第一永磁单元(5)产生的永磁磁通方向相反时，对电机弱磁。

技术总结
本发明公开了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，励磁线圈与电枢绕组一一对应；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。本发明通过不等大小的定子齿结构和星三角型绕组连接方式来抑制低阶次的径向电磁力，可以显著降低电机的电磁振动噪声，且混合励磁结构可以提高磁通调节能力和转矩输出能力，适应多种工况环境。

技术研发人员：赵泽卿,赖巧巧,莫丽红,秦通,朱希同
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15