一种混合交替极转子结构及游标永磁电机

1.本发明属于电机技术领域，尤其涉及一种混合交替极转子结构及游标永磁电机。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.随着高端应用场合对电机性能要求的提升，常规永磁电机的转矩密度提升逐渐放缓，接近理论极限。同时，为进一步提升转矩密度，导致永磁体材料的用量大幅增加，提升电机成本。不同于传统永磁电机，游标永磁电机基于“齿轮效应”，在外特性上等效于一台普通电机与电磁齿轮箱的融合，电磁上实现了定转子极数的解耦，解决了传统永磁电机增大极数会同比例减少定子磁链的矛盾，从而可以大幅甚至成倍地提高转矩密度。
4.然而，现有的游标永磁电机虽然转矩密度比传统永磁电机很高，但是永磁体用量较多，成本高，同时过载能力较差，从而限制了游标永磁电机的推广应用。研究发现，采用永磁体交替极的结构具有降低磁钢用量的效果。然而采用永磁体表贴式交替极的游标永磁电机由于空间限制了永磁体用量，导致转矩密度受限；而采用永磁体内置式交替极的游标永磁电机过载能力较弱。同时，由于单极性的永磁体，导致电机转轴空间区域具有充磁现象，影响电机使用安全和寿命。因此，目前现有结构难以达到既提高转矩密度，降低磁钢用量，又提升过载能力的效果。
5.普通游标永磁电机结构如图1所示。图1中(a)为定子部分，铁心为普通结构，绕组根据极数需要为集中绕组或者分布式绕组。图1中(b)为转子部分，磁极采用了内置v型结构，n极和s极磁钢交替内置于其转子的内部。转子磁极产生的磁场与定子绕组通以电流后产生的磁场相互作用产生转矩驱动转子旋转。
6.现有的内置式转子结构在应用于高转矩及高过载需求的电机领域时，在成本方面：由于电机尺寸较大，为了产生足够的驱动转矩必然需要高额的磁钢用量，而永磁材料的成本高昂，大量使用会造成电机成本的大幅上升，从而使得厂家需要提高投入的成本。性能方面：永磁游标电机相比较传统永磁电机具有更高的转矩密度，但是由于低次谐波的作用导致在高负载工况下铁心饱和严重，导致过载能力很低。因此，以上两点不足从某种程度上阻止了其推广。


技术实现要素：

7.为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种混合交替极转子结构，采用了混合交替极结构，有效减少永磁材料用量的同时，进一步提高转矩密度以及过载能力。
8.为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
9.第一方面，公开了一种混合交替极转子结构，包括：
10.v型的n极永磁体、表贴式的s极永磁体及转子铁心；
11.所述表贴式的s极永磁体交替放入v型的n极永磁体之间，所述v型的n极永磁体放
置转子铁心的内部，表贴式的s极永磁体放置在转子铁心的表面。
12.作为进一步的技术方案，所述v型的n极永磁体采用切向充磁磁钢形式或u型磁钢结构。
13.作为进一步的技术方案，所述表贴式的s极永磁体采用圆角矩形磁钢、梯形磁钢、面包型结构、瓦片型结构或halbach阵列结构。
14.作为进一步的技术方案，所述v型的n极永磁体的顶点朝向转轴，开口方向朝向转子铁心表面。
15.第二方面，公开了一种混合交替极转子结构的制作方法，包括：
16.将原转子中的内置v型s极的永磁体和槽去掉，形成单交替极的转子结构；其中，原转子的内部n极和s极磁钢交替内置；
17.然后将s极的表贴式永磁体交替放入v型n极永磁体之间，嵌入转子铁心表面。
18.第三方面，公开了一种游标永磁电机，包括：定子、混合交替极转子结构及转轴，所述定子包括定子铁芯，所述混合交替极转子结构包括转子铁心；所述转轴穿过转子铁心，所述定子铁芯套设于转子铁心的外部。
19.作为进一步的技术方案，定子齿数zs，定子绕组极对数pa，转子极对数pr满足关系：pa＝丨z
s-pr丨。
20.作为进一步的技术方案，表贴式的s极永磁体的个数为pr，充磁方向相同；v型的n极永磁体的块数为2pr，充磁方向相同，且与表贴式的s极永磁体充磁方向相反。
21.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
22.本发明技术方案提出了高转矩密度高过载能力的混合交替极永磁游标电机，采用了混合交替极结构，有效减少永磁材料用量的同时，进一步提高转矩密度以及过载能力，并大大降低转轴空间区域的充磁现象。表贴式永磁体和内置式永磁体磁性不同，因此大大降低转轴充磁，因此本发明结构能显著降低大型驱动电机的成本，提高电机的转矩密度和过载能力，提升电机的使用寿命及安全性能，从而可以推动永磁游标电机的应用，并给社会带来更多的经济效益。
23.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
24.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
25.图1为现有永磁游标电机定转子结构图，(a)定子结构示意图；(b)转子结构示意图；
26.图2为本发明游标永磁电机结构示意图；
27.图3为本发明转子铁心结构示意图；
28.图4混合型交替极永磁游标电机定转子结构图；(a)定子结构示意图；(b)转子结构示意图；
29.图5混合型交替极永磁游标电机转子结构改进过程图；(a)传统转子结构示意图；(b)传统单交替极转子结构示意图；(c)混合交替极转子结构示意图；
30.图6为本发明磁力线分布图；
31.图7为本发明适用的其他磁极结构举例，(a)表贴式永磁体结构示意图；(b)内置式永磁体结构示意图。
32.图8为仿真示意图；(a)实物图；(b)本发明技术方案与现有技术的平均转矩对比(永磁体用量相同)示意图；
33.图9本发明技术方案转轴基本无充磁示意图；
34.图中，1-定子铁心；2-转子铁心；3-转轴；4-表贴式永磁体；5-内置式永磁体。
具体实施方式
35.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
36.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
37.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.现有技术中cn109861413b公开了一种聚磁型交替极容错永磁游标电机)，该文件采用的为永磁体表贴式交替极的游标永磁电机结构，受永磁体空间限制，电机转矩密度不高，转子转轴空间区域有充磁。
39.现有技术中cn206948063u公开了低转矩波动内置式永磁电机转子的转子结构，该结构采用传统永磁体内置式结构，不具有提升过载能力，降低转轴充磁的作用。
40.现有技术中cn112769307a公开了一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，该结构将表贴永磁体放于内置永磁体中间，不能达到提升游标永磁电机过载能力的效果，同时永磁体底部的磁桥会隔离游标永磁电机最关键的低次谐波的磁路，因此该结构不能用于游标电机。
41.实施例一
42.本实施例公开了一种混合交替极转子结构，如图4所示。其中，定子结构不变，如图4中的(a)所示，转子结构为v型的n极永磁体放置转子铁心的内部，表贴式的s极永磁体放置在转子铁心的表面，同时n/s磁极交替放置，如图4中的(b)所示。
43.其改进过程图如图5所示。5中的(a)为传统转子，可以看作将原转子中的内置v型s极的永磁体和槽去掉，形成单交替极的转子结构，如图5中的(b)所示。然后将s极的表贴式永磁体交替放入v型n极永磁体之间，嵌入转子铁心表面，如图5中的(c)所示。从而形成混合式双重交替极转子结构。
44.经过改进以后的磁极结构从整体来看，其磁场分布仍与普通表贴式相似，磁力线从n极出发，最后回到s极，如图6所示。表贴式永磁体位于内置式永磁体之间，没有阻碍低次谐波的磁路，同时有助于降低转子铁心饱和，有效减少了极间漏磁，使得永磁材料利用率增加，转矩密度提升，从而保证再减少永磁材料用量，降低成本的同时，提高了电机的转矩密度。
45.根据仿真及实验结果，相比传统内置式游标电机，本发明在相同永磁体用量的条件下，可产生平均转矩在各负载情况下，均能提升32％以上，如图8(a)为实物图，图8(b)为
效果对比图。另外，由于表贴式永磁体的使用，增加了电机的有效气隙长度，降低电枢反应，同时降低转子铁心饱和程度，从而提高了电机的过载能力。另外，表贴式永磁体和内置式永磁体磁性不同，因此大大降低转轴充磁，如图9所示。
46.本实施例子技术方案通过将传统内置式磁极改进为内置表贴混合交替极结构，减少永磁体的用量的同时，提高转矩密度，提升过载能力，降低转轴空间区域充磁。单极性的表贴式永磁体与另一极性的内置式永磁体交替放置，降低永磁体用量的同时，增加转矩密度，提高过载能力，降低转轴充磁。
47.永磁体用量减少，电机的生产成本大幅降低的同时，转矩密度增加，过载能力增强，从而满足高端装备制造领域及低速大扭矩应用场合的电机需求，既降低成本，同时提升转矩性能，并提高电机使用安全和寿命。同时，电机结构简单，加工工艺无需改进。
48.实施例二
49.参见附图2所示，本实施例的目的是提供游标永磁电机，包括：定子、混合交替极转子结构及转轴，所述定子包括定子铁芯1，所述混合交替极转子结构包括转子铁心2；所述转轴3穿过转子铁心，所述定子铁芯套设于转子铁心的外部。
50.基本工作原理与传统游标电机相同。定子齿数zs，定子绕组极对数pa，转子极对数pr满足关系：pa＝丨z
s-pr丨。
51.表贴式永磁体4的个数为pr，充磁方向相同；内置式永磁体5的块数为2pr，充磁方向相同，且与表贴式永磁体充磁方向相反。通过上述槽极配合游标电机输出最大转矩。
52.其中，表贴式永磁体4和内置式永磁体5的极性可以调换。
53.转子铁心结构如图3所示。
54.值得注意的是，图2所示的永磁体结构仅为一种简化模型，实际生产中可以有多种结构，如内置式磁钢采用切向充磁磁钢形式、u型磁钢结构等，表贴式磁钢采用圆角矩形磁钢、梯形磁钢、面包型结构、瓦片型结构和halbach阵列结构等，具体见图7，图7中的(a)为表贴式永磁体结构，图7中的(b)为内置式永磁体结构，并不仅仅局限图示形状。
55.本实施例子游标永磁电机采用双重交替极结构，有效减少永磁材料用量的同时，进一步提高转矩密度以及过载能力。进一步，表贴式永磁体和内置式永磁体磁性不同，因此大大降低转轴充磁。因此显著降低了大型驱动电机的成本，提高了电机的转矩密度和过载能力，提高电机使用安全和寿命，从而可以带来更多的经济效益。
56.通过采用新型的混合交替极结构的永磁游标电机，单极性的表贴式永磁体与另一极性的内置式永磁体交替放置，降低永磁体用量的同时，增加转矩密度，提高过载能力，降低转轴充磁。
57.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种混合交替极转子结构，其特征是，包括：v型的n极永磁体、表贴式的s极永磁体及转子铁心；所述表贴式的s极永磁体交替放入v型的n极永磁体之间，所述v型的n极永磁体放置转子铁心的内部，表贴式的s极永磁体放置在转子铁心的表面。2.如权利要求1所述的一种混合交替极转子结构，其特征是，所述v型的n极永磁体采用切向充磁磁钢形式或u型磁钢结构。3.如权利要求1所述的一种混合交替极转子结构，其特征是，所述表贴式的s极永磁体采用圆角矩形磁钢、梯形磁钢、面包型结构、瓦片型结构或halbach阵列结构。4.如权利要求1所述的一种混合交替极转子结构，其特征是，所述v型的n极永磁体的顶点朝向转轴，开口方向朝向转子铁心表面。5.如权利要求1所述的一种混合交替极转子结构，其特征是，v型的n极永磁体、表贴式的s极永磁体的极性可以调换。6.一种权利要求1-5任一所述的混合交替极转子结构的制作方法，其特征是，包括：将原转子中的内置v型s极的永磁体和槽去掉，形成单交替极的转子结构；然后将s极的表贴式永磁体交替放入v型n极永磁体之间，嵌入转子铁心表面。7.一种游标永磁电机，其特征是，包括：定子、权利要求1-5任一所述的混合交替极转子结构及转轴，所述定子包括定子铁芯，所述混合交替极转子结构包括转子铁心；所述转轴穿过转子铁心，所述定子铁芯套设于转子铁心的外部。8.如权利要求7所述的一种游标永磁电机，其特征是，定子齿数z
s
，定子绕组极对数p
a
，转子极对数p
r
满足关系：p
a
＝丨z
s-p
r
丨。9.如权利要求7所述的一种游标永磁电机，其特征是，表贴式的s极永磁体的个数为p
r
，充磁方向相同；v型的n极永磁体的块数为2p
r
，充磁方向相同，且与表贴式的s极永磁体充磁方向相反。

技术总结
本发明提出了一种混合交替极转子结构及游标永磁电机，混合交替极转子结构，包括：V型的N极永磁体、表贴式的S极永磁体及转子铁心；所述表贴式的S极永磁体交替放入V型的N极永磁体之间，所述V型的N极永磁体放置转子铁心的内部，表贴式的S极永磁体放置在转子铁心的表面。表贴式的S极永磁体放置在转子铁心的表面。表贴式的S极永磁体放置在转子铁心的表面。


技术研发人员：陈红 祝喆 张宗盛 王昊
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/7/13