一种高转矩密度的差调制游标永磁电机的制作方法
1.本发明涉及永磁电机设计领域，特别是涉及高转矩密度的差调制游标永磁电机设计。
背景技术：
2.转矩密度是衡量永磁电机性能的重要指标，但常规差调制游标永磁电机的转矩密度受到设计的影响，转矩密度成为其先天的短板。如图1所示，游标永磁电机由开口槽定子、永磁转子和电枢绕组三部分组成，三者之间必须满足关系z1＝z2+p或z1＝z
2-p，其中z1、z2、p分别是定子齿数、转子极对数、绕组极对数。由于这种特殊关系，转子旋转一个齿距时，磁场便旋转一个极距，即较小的转子位移能产生较大的磁通变化，进而产生高转矩，这种现象称为磁齿轮效应。
[0003]“差调制”游标永磁电机满足如下关系
[0004]
z1＝z
2-p
ꢀꢀ
(1)
[0005]
谐波耦合理论解释了差调制游标永磁电机的转矩产生机理。当满足z1＝z
2-p时，电枢磁动势含有p对极谐波与z
2-p对极齿谐波，励磁磁密含有z2对极谐波与z
2-z1对极调制谐波。由于满足上述关系，因此电枢磁动势p对极与励磁磁密z
2-z1对极谐波的极对数相同，沿顺时针方向(逆时针方向)同步旋转，电枢磁动势z
1-p对极与励磁磁密z2对极谐波的极对数相同，沿逆时针方向同步旋转。两组谐波分别耦合，产生两个转矩分量，相互叠加(抵消)产生净转矩。
[0006]
永磁电机转矩密度对应的公式推导如下：
[0007]
以图2为例，电机的永磁磁动势表达式如下
[0008][0009]
式中，f
pm1
是f
pm
的基波分量幅值，θ1、θ2、θm分别是定子机械角度、转子机械角度、转子位置。各角度的定义如下图1所示，θ1＝0的位置在u相绕组轴线正方向，θ2＝0的位置在图示永磁体的中心线，该永磁体的磁化方向指向气隙，θm＝θ
1-θ2。
[0010]
沿轴向方向的单位面积气隙磁导，简称气隙磁导，其表达式如下
[0011][0012]
式中，pm是气隙磁导m次谐波的幅值，j是短距线圈的跨距与极距之差，j＝0代表整距线圈。
[0013]
永磁体产生的气隙磁密满足式(4)。
[0014]bpm
＝f
pm
·
p
ꢀꢀ
(4)
[0015]
将(2)和(3)式带入(4)式，永磁体产生的气隙磁密的表达式如下(仅考虑f
pm
和p的主要项，n＝1和m＝0,1,并忽略高于z2对极的高次磁密谐波分量)
[0016][0017]
电枢绕组的电流i
x
(x＝u,v,w)的表达式为
[0018][0019]
式中，i是i
x
的有效值，ω是电枢绕组电流的角频率，α是一个随机角度，对于u,v,w三相电流，a＝0,1,2。
[0020]
电枢产生的气隙磁动势的表达式如下
[0021][0022]
其中：
[0023][0024][0025]kpn
＝sin(nβπ/2)
ꢀꢀ
(10)
[0026]
β＝1-(j/3q) (11)
[0027]
式中，n是每相绕组串联匝数，k
dn
和k
pn
是n次谐波的分布系数和短距系数，fc1是相绕组磁动势幅值。
[0028]
在电枢产生的气隙磁动势的各次谐波中，能够提供平均转矩的是与b
pm
的各次谐波次数相同的那些谐波。具体地，电枢磁动势中n＝1时的p次谐波和n＝z1/p+1时的z1+p＝z2次谐波，与永磁气隙磁密中的p对极分量、z2对极分量能够产生平均转矩。因此，将电枢磁动势的表达式做简化如下。
[0029][0030]
一般情况下可做如下近似，认为磁场能量全部储存在气隙和永磁体(虚拟气隙)中，根据虚位移法可以计算平均转矩
[0031]
[0032][0033]
式中，λ是绕组极距，l是铁心有效长度，b，f分别是气隙中的磁密和磁动势。
[0034]
将fc和b
pm
的简化表达式带入上式中，可得转矩表达式
[0035][0036]
当电枢绕组电流设置合理时，可以获得最大稳定转矩
[0037]
ω＝-z2ωmꢀꢀ
(15)
[0038][0039][0040]
常规差调制游标永磁电机的转矩密度推导如下：
[0041]
如图2所示，常规差调制游标永磁电机包括外定子、内转子，其中外定子固定不动，其由三部分构成，从外到里依次是定子轭部1、定子齿和电枢绕组4，其中定子轭部1为金属圆筒，内部与定子齿相连；每个定子齿由界面为矩形的金属条组成，电枢绕组4分布在相邻定子齿之间；内转子从外到内依次为转子永磁体5、转子铁心6、转子转轴7，转子永磁体5和转子铁芯6为圆筒状，转子转轴7为圆柱状，三者依次紧密套连，可同步转动。转子永磁体5和定子齿间有气隙间距。
[0042]
图3为现有差调制游标永磁电机的角度定义示意图。定子齿根2包括第一齿根21、第二齿根22、第三齿根23等，定子齿顶3包括第一齿顶31、第二齿顶32、第三齿顶33等，绕组包含第一线圈边41、第二线圈边42等。以定子圆心作为原点，第一齿根21中心线作为θ1轴，建立极坐标系，θ1代表定子坐标系中的机械角度，范围从0～2π。齿根、齿顶、线圈边均位于定子上，它们中心线的位置可以用“θ1＝某值”来描述。为了区分三者，将齿根中心线的位置用符号θ
1bk
表示，b表示bottom根部，k表示第k个；将齿顶中心线的位置用符号θ
1tk
表示，t表示top顶部；将线圈边中心线的位置用符号θ
1ck
表示，c表示coil顶部。记第k齿根的中心线的位置为θ
1bk
,第k齿顶的中心线的位置为θ
1tk
，第k线圈边的中心线的位置为θ
1ck
。第一齿根21和第一齿顶31的中心线位于θ1＝0，即θ
1b1
＝θ
1t1
＝0。即第二齿根22和第二齿顶32的中心线位于θ1＝0+2π/z1，即θ
1b2
＝θ
1t2
＝0+2π/z1以此类推。第一线圈边41位于第一齿根21、第二齿根22、第一齿顶31、第二齿顶32所围的槽内，其中心线位于θ1＝π/z1，即θ
1c1
＝π/z1。第二线圈边42位于第二齿根22、第三齿根23、第二齿顶32、第三齿顶33所围的槽内，其中心线位于θ1＝π/z1+2π/z1，即θ
1c2
＝π/z1+2π/z1，以此类推。
[0043]
现有差调制游标永磁电机和本发明中的差调制游标永磁电机的电枢绕组位置相同，线圈边中心线均位于θ
1ck
＝π/z1+k
×
2π/z1，因此电枢磁动势表达式相同，均为式(12)。
[0044]
现有差调制游标永磁电机和本发明中的差调制游标永磁电机的转子结构相同，因此永磁磁动势表达式相同，均为上述式(2)。
[0045]
现有差调制游标永磁电机的齿顶中心线位于θ
1tk
＝0+k
×
2π/z1，因此其气隙磁导
波形如图4所示，表达式为式(18)，
[0046]
p(θ1)＝p0+(-1)jp1cos(z1θ1)
ꢀꢀ
(18)
[0047]
由电机转矩的一般性推导满足式b
pm
＝f
pm
·
p，
[0048]
现有差调制游标永磁电机的转矩公式可由(2)(12)(18)代入到(4)(13)中得到，其励磁磁密表达式为式(19)，转矩表达式为式(20)。
[0049]bpm
≈[f
pm1
cos{z2(θ
1-θm)}][p0+(-1)jp1cos(z1θ1)]
[0050]
≈(-1)
jbpm1
cos{(z
2-z1)θ
1-z2θm}+b
pmh
cos{z2(θ
1-θm)}
[0051]
＝(-1)
jbpm1
cos{pθ
1-z2θm}+b
pmh
cos{z2(θ
1-θm)}
ꢀꢀ
(19)
[0052][0053]
而对于现有“差调制”游标永磁电机而言，对应公式(3)、(4)中的系数为(-1)j，对应转矩公式(13)中的对应部分将变为两个分量相互抵消，转矩密度不足。
[0054]
因此研究人员在设计游标永磁电机时，为了发挥游标永磁电机高转矩密度的优势，往往不采用差调制游标永磁电机，这限制了游标永磁电机设计过程中的极槽配合选取范围，给设计工作带来困难。
[0055]
因此，改变差调制游标永磁电机中的谐波耦合效应，提高差调制游标永磁电机的转矩密度，对于扩充高性能游标永磁电机的极槽配合选取范围有重要意义。
技术实现要素：
[0056]
针对上述问题，本发明提供了一种新型差调制游标永磁电机的设计方案。为了解决差调制极槽配合永磁游标电机转矩密度低、永磁游标电机极槽配合选择范围小的技术问题，采取了调制单元空间位置偏移180电角度的技术方案。本技术方案的主要特点是，定子齿的齿根空间位置不变，电机绕组线圈的空间位置不变，通过“v”字型定子齿的设计，使得定子齿的齿顶空间位置偏移180电角度。
[0057]
具体而言，本发明提供了一种高转矩密度的差调制游标永磁电机，所述差调制游标永磁电机包括外定子和内转子两部分，外定子从外到里由定子轭部(1)、定子齿和电枢绕组(4)构成，定子轭部(1)为金属圆筒，内连“v”字形定子齿，相邻定子齿之间为电枢绕组(4)；定子齿和内转子的外表面间存在气隙间距，内转子从外到内依次为转子永磁体(5)、转子铁心(6)、转子转轴(7)，转子永磁体(5)和转子铁芯(6)为圆筒状，转子转轴(7)为圆柱状，三者紧密套连可同步转动。
[0058]
在一种优选实现方式中，所述定子齿上与定子轭部(1)连接处为定子齿根(2)，定子齿另一端接近转子永磁体(5)，为定子齿顶(3)，定子齿顶(3)与转子永磁体(5)间存在气隙间距。
[0059]
在另一种优选实现方式中，所述定子齿根(2)和其上的两个定子齿顶(3)构成“v”字型结构，同一定子齿根(2)上的两个定子齿顶(3)间的夹角范围在30度～170度之间，比如60-120度之间，50-130度之间等，根据定子齿的数目以及尺寸可以适应性调整。
[0060]
在另一种优选实现方式中，所述内转子中的转子永磁体(5)由若干永磁体块围成圆桶状，采用表贴式和径向充磁，相邻永磁体块磁性相反。
[0061]
在另一种优选实现方式中，所述定子齿根(2)数量为z1、转子永磁体(5)极对数为z2、电枢绕组(4)极对数为p，三者满足差调制游标永磁电机的要求，需满足z1＝z
2-p。
[0062]
在另一种优选实现方式中，所述永磁电机结构可以作为电动机或者发电机的电机使用。
[0063]
按照“调制单元空间位置偏移180电角度”的这种设置方法，本发明能够使气隙磁导基波相位偏移180电角度，从而使调制项磁场b
pm1
(θ1,t)反向180电角度，使调制项磁场b
pm1
(θ1,t)贡献的转矩分量t
pm1
符号反向。在永磁游标电机中，转矩由两个分量组成，分别是调制项磁场贡献的转矩分量t
pm1
与非调制项磁场贡献的转矩分量t
pmh
。对于调制单元不偏移的“差调制”电机，t
pm1
与t
pmh
符号相反，相互抵消，转矩密度较低。本方案中，调制单元(多个定子齿等构成的结构)空间位置偏移180电角度，t
pm1
符号反向，与t
pmh
符号相同，相互叠加，因此提高了转矩密度，解决了技术问题。
[0064]
本发明所带来的有益效果如下：
[0065]
1、通过改变常规齿顶的设计，本发明创造性地为差调制游标永磁电机的转矩密度提升指明了方向；
[0066]
2、拓宽了游标永磁电机设计过程中的极槽配合选取范围，消除了设计工作的极槽数量关系限制。
附图说明
[0067]
图1为角度定义示意图
[0068]
图2为常规差调制游标永磁电机平面结构图
[0069]
图3为常规差调制游标永磁电机的角度定义示意图
[0070]
图4为常规差调制游标永磁电机的气隙磁导波形
[0071]
图5为本发明的差调制游标永磁电机示意图
[0072]
图6为本发明的差调制游标永磁电机平面结构图
[0073]
图7为本发明的差调制游标永磁电机的角度定义示意图
[0074]
图8为本发明的差调制游标永磁电机的气隙磁导波形
[0075]
图中各数字指示为：(1)定子轭部、(2)定子齿根、(3)定子齿顶、(4)电枢绕组、(5)转子永磁体、(6)转子铁心、(7)转子转轴。
具体实施方式
[0076]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅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。
[0077]
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0078]
实施例
[0079]
本方案的气隙结构与常规永磁游标电机的气隙结构不同，主要差异在于，如图5所示，本方案的调制单元(定子齿)的空间位置偏移了180电角度，常规永磁游标电机的调制单元则没有偏移。
[0080]
如图5和图6所示，本实施例的差调制游标永磁电机包括定转子铁心、电枢绕组和永磁体。
[0081]
其中定子铁心由硅钢片叠压而成，其包括定子轭部1和定子齿，定子轭部1位于定子最外侧；定子齿为“v”字形结构，“v”形底部为定子齿根2，其与定子轭部1相连，“v”形另一端接近转子外表面，为定子齿顶3；电枢绕组4分布在相邻定子齿之间。
[0082]
转子铁心6为圆环结构，同样由硅钢片叠压而成。转子永磁体5粘于其外表面，相邻永磁体块充磁方向相反；转子转轴7为圆柱状，套于转子铁心6内部。转子永磁体5、转子铁心6、转子转轴7三者紧密套连，可同步转动。
[0083]
定子齿根2包括第一齿根21、第二齿根22、第三齿根23等，定子齿顶3包括第一齿顶31、第二齿顶32、第三齿顶33等，绕组包含第一线圈边41、第二线圈边42等。
[0084]
所述定子齿根2数量为z1、转子永磁体5极对数为z2、电枢绕组4极对数为p，三者满足差调制游标永磁电机的要求，需满足z1＝z
2-p。
[0085]
所述同一电机中相邻定子齿根2间间距相同，齿定子根2数量可根据需要设定，不限于图中数量。
[0086]
所述定子齿根2和其上的两个定子齿顶3构成“v”字形结构，优选的同一定子齿根2上的两个定子齿顶3间的夹角范围在30度～170度之间。
[0087]
所述同一电机中相近邻定子齿顶3间气隙间距相同，优选间距范围为0.1～20mm，定子齿顶3与转子永磁体5间气隙间距相同，气隙的厚度和电机的功率等级、所选取的永磁材料以及内转子和外定子的加工和装配工艺有关，优选间距范围为0.1～20mm。
[0088]
所述电枢绕组4由多股绕组导线组成，股数大于2，每股绕组导线在对称的两齿根间隙中缠绕，并在工作时由导线两端对外输出电能。
[0089]
所述转子铁心和定子轭部1、定子齿根2、定子齿顶3均采用硅钢片叠压而成。
[0090]
优选的，所述永磁体5采用表贴式和径向充磁，且相邻永磁体充磁方向相反，可采用钕铁硼、钐钴等永磁材料。
[0091]
所述转子转轴7为内转子的几何中心，作为转子的转轴，内嵌在转子铁芯6中，转子转轴7为轴承钢材料。
[0092]
上述永磁电机结构可以作用电动机或者发电机的电机使用。
[0093]
本发明设计的差调制游标永磁电机的转矩密度推导如下：
[0094]
图7为本发明的差调制游标永磁电机的角度定义示意图，以定子圆心作为原点，第一齿根21和第二齿根22的中心线作为θ1轴，建立极坐标系，θ1代表定子坐标系中的机械角度。记第k齿根的中心线的位置为θ
1bk
,第k齿顶的中心线的位置为θ
1tk
，第k线圈边的中心线的位置为θ
1ck
。第一齿根21和第二齿根22的中心线位于θ1＝0，即θ
1b1
＝θ
1b2
＝0。第三齿根23和第四齿根24的中心线位于θ1＝0+2π/z1，即θ
1b3
＝θ
1b4
＝0+2π/z1，以此类推。第一齿顶31和第二齿顶32的中心线位于θ1＝π/z1，即θ
1t1
＝θ
1t2
＝π/z1。第三齿顶33和第四齿顶34的中心线位于θ1＝π/z1+2π/z1，即θ
1t3
＝θ
1t4
＝π/z1+2π/z1。以此类推。第一线圈边41放置在由第二齿顶22、第三齿顶23、第二齿根32、第三齿根33所围的槽内，其中心线位于θ1＝π/z1，即θ
1c1
＝π/
z1。第二线圈边42放置在由第四齿顶24、第五齿顶25、第四齿根34、第五齿根35所围的槽内，其中心线位于θ1＝π/z1+2π/z1，即θ
1c2
＝π/z1+2π/z1，以此类推。
[0095]
本发明中的差调制游标永磁电机的齿顶中心线位于θ
1tk
＝π/z1+k
×
2π/z1，因此气隙磁导波形如图8所示，表达式为式(21)。
[0096]
p(θ1)＝p0+(-1)
j+1
p1cos(z1θ1)
ꢀꢀ
(21)
[0097]
本发明中的差调制游标永磁电机的转矩公式可由(2)(12)(21)代入到(4)(13)中得到，其励磁磁密表达式为式(5)，转矩表达式为式(14)。
[0098]bpm
≈[f
pm1
cos{z2(θ
1-θm)}][p0+(-1)
j+1
p1cos(z1θ1)]
[0099]
≈(-1)
j+1bpm1
cos{(z
2-z1)θ
1-z2θm}+b
pmh
cos{z2(θ
1-θm)}
[0100]
＝(-1)
j+1bpm1
cos{pθ
1-z2θm}+b
pmh
cos{z2(θ
1-θm)}
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0101][0102]
从转矩推导过程中可以看出，相比于常规差调制游标永磁电机，本发明中的差调制游标永磁电机特殊设计的定子齿顶位置改变了气隙磁导和励磁磁密的相位，影响了谐波耦合过程，使两组谐波产生的转矩由相互抵消变为相互叠加，进而实现了差调制游标永磁电机转矩密度的提升。通过实验对比，在其他条件相同的情况下，本发明的永磁电机低负荷下，相比常规永磁电机转矩密度提升50％以上。
[0103]
方案中，调制单元的空间位置偏移180电角度，大幅提高了“差调制”电机的转矩密度，设计人员在设计游标永磁电机时，若采取本方案的气隙结构，就可以采用差调制极槽配合，并获得高转矩密度。因此本方案拓宽了游标永磁电机极槽配合的选择范围。
