一种聚磁型交替极容错永磁游标电机制造技术

本发明专利技术公开了一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，包括转子和定子。转子是由两个互差180°电角度，结构完全相同，但轴向长度可以不相等的子转子、以及一个非导磁转子环拼接而成。该转子环位于两个子转子的中间，且在其中一子转子轭部和轴承之间嵌入一个非导磁圆筒。定子是由两个结构、材料完全相同的子定子以及一个非导磁定子环构成，定子环和两个子定子的形状相同，并且位于两个子定子之间。两子转子上表嵌Halbach永磁体阵列，但主励磁方向相反。电枢齿和容错齿沿圆周方向交替均匀分布，但调制齿在空间圆周上不均匀分布。该发明专利技术削弱了交替极永磁电机边端的单极性漏磁，提升了转矩密度，同时具有良好的容错能力和高功率因数。

A Fault-Tolerant Permanent Magnet Vernier Motor with Concentrating Alternating Poles

The invention discloses a fault-tolerant permanent magnet vernier motor with magnetic concentrating alternating poles, which comprises a rotor and a stator. The rotor is composed of two sub-rotors with 180 degree electric angle difference and identical structure, but with different axial length, and a non-magnetic rotor ring. The rotor ring is located in the middle of two sub-rotors, and a non-magnetic cylinder is embedded between the yoke and the bearing of one of the sub-rotors. The stator consists of two stators with identical structure and material, and a non-magnetic stator ring. The shape of the stator ring and the two stators are the same, and they are located between the two stators. Halbach permanent magnet arrays are embedded on the two rotors, but the main excitation direction is opposite. The armature teeth and fault-tolerant teeth are uniformly distributed alternately along the circumference direction, but the modulation teeth are not uniformly distributed in the space circumference. The invention weakens the unipolar flux leakage at the edge of the alternating pole permanent magnet motor, improves the torque density, and has good fault tolerance and high power factor.

【技术实现步骤摘要】
一种聚磁型交替极容错永磁游标电机
本专利技术属于电机设计领域，尤其是涉及一种容错型交替极永磁游标旋转电机。
技术介绍
永磁游标电机具有机械结构简单，转矩密度高，转矩脉动低的特点，在直驱设备，比如风力发电机、船舶推进器、机器人操纵器等领域得到了广泛的关注。由于对系统可靠性的要求越来越高，这使得电机本身需要具有一定的容错能力，即当电机的某一相或者几相发生故障(短路或者开路)时，电机依然可以持续正常运行一段时间。另外，随着国内外对稀土永磁材料的使用量与日俱增，稀土永磁材料的储量有限且价格昂贵，所以在电机设计过程中如何在减少稀土永磁用量的同时，还能保证电机的转矩等电磁性能具有重要的意义。近年来，经国内外研究发现使用交替极结构不仅可以大幅度的减少永磁体的使用量，还可以获得与常规永磁型结构相似甚至更优的电磁性能。所谓交替极结构就是转子槽内安置同一励磁方向的永磁体，永磁体之间的转子凸极铁心全部被磁化为另外一种励磁方向，从而使得永磁体的磁性与转子凸极铁心的极性依次交替排列。然而交替极永磁游标电机虽然具有上述的相关优点，但是电机漏磁非常严重。另外，文献IEEETransactionsonIndustryApplications,52(6):4789-4797.Nov./Dec.2016,“ASpoke-TypeIPMMachineWithNovelAlternateAirspaceBarriersandReductionofUnipolarLeakageFluxbyStep-StaggeredRotor”指出由于电机磁路不平衡，电机边端会存在较为严重的单极性漏磁，从而使得电机外部轴承更容易被磁化，降低了轴承的使用寿命，甚至影响整个电机系统运行的可靠性。综上所述，在电机设计过程中，如何减少永磁游标电机的漏磁，保证电机的电磁性能具有重要的意义。
技术实现思路
针对上述缺陷，本专利技术提出了一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，不但提高了永磁体利用率，而且削弱了电机的径向漏磁以及电机边端的单极性漏磁。本专利技术的技术方案为：一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，包括转子与定子。转子是由两个互差180°电角度、结构完全相同、但轴向长度可以不相等的子转子、以及一个非导磁材料做成的转子环前后串联拼接而成。该转子环位于两个子转子的中间，且转子环上没有永磁材料。在其中一子转子轭部和轴承之间嵌入一个非导磁圆筒(环)以隔磁，比如铝圆筒、环氧树脂圆筒、或者部分非导磁固体和空气构成的圆筒。其余所用材料和另一子转子相同。转子槽内镶嵌着主励磁永磁体，主励磁永磁体全部都沿径向充磁，但两个子转子的主励磁永磁体的充磁方向沿径向相反。在主励磁永磁体的两边放置辅助励磁永磁体以构成Halbach阵列，其磁化方向为切向充磁。两个子转子的辅助励磁永磁体的磁化方向相反：磁化方向为径向向外的主励磁永磁体两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向指向主励磁永磁体，而磁化方向为径向向内的主励磁永磁体两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向背离主励磁永磁体。定子是由两个结构、材料完全相同的子定子以及一个非导磁材料做成的定子环构成，该定子环位于两个子定子中间，且形状和两个子定子完全相同。定子各部分的轴向长度与转子相应各部分的轴向长度相等。定子与转子之间具有间隙。定子上的电枢齿和容错齿沿着定子圆周方向交替均匀分布，每个电枢齿上只绕有一套单层集中绕组，每个容错齿上不绕有绕组。在电枢齿和容错齿的端部设有调制齿。保证各电枢齿上的调制齿数相等，各容错齿上的调制齿数也相等，但电枢齿上的调制齿数与容错齿上的调制齿数可以不相等。所有调制齿的宽度相等，电枢齿上所开槽口的高度相同(即，所有电枢齿上两调制齿之间的距离相等)，调制齿在空间圆周上分布不均匀。进一步，所述调制齿在空间圆周上分布不均匀，令电枢齿上的调制齿之间的弧度为θ，电枢齿上的调制齿与相邻容错齿上的调制齿之间的弧度为α，定义k＝θ/α，k的取值在1.0到1.5之间，k与θ满足如下关系其中，Pf为总的调制极数。进一步，根据游标电机原理，所述总的调制极数Pf与绕组极对数Ps，永磁体极对数Pr，满足关系pf＝|ps±pr|根据游标电机调制机理分析，永磁体在经过调制后产生的谐波极对数为iPr，Pr±iPf，iZa和Pr±iZa，(i＝1,2,3…)，Za为电枢齿数。通过对调制极数，转子极对数以及电枢齿数的特殊配合设计，可以实现游标电机磁场谐波的高利用率。进一步，电机采用分数槽集中绕组结构，且极槽关系满足：Ns＝2Ps±2，或者Ns＝2Ps±1，Ns为定子槽数，Ps为绕组极对数。进一步，对于Halbach型阵列永磁体结构，两边辅助励磁永磁体的宽度相等，其宽度之和与主励磁永磁体宽度相等。进一步，所述短轴转子与长轴转子的轴向长度比值在0.2到1之间，优选为0.28。进一步，所述等宽调制齿对应到圆心的角度为6.2°，电枢齿和容错齿对应到圆心的角度分别为7.3°和6.2°。进一步，定子与转子之间有气隙。进一步，所述永磁材料为钕铁硼永磁材料，剩余的定子和转子由硅钢片组成。本专利技术的有益效果是：1、相对于传统交替极结构而言，两个主励磁永磁体磁化方向相反的子转子配合非导磁圆筒和非导磁定子环、非导磁转子环，实现了电机磁路平衡，有效削弱了电机端部的单极性漏磁。2、永磁体采用Halbach型阵列，但两个子转子上的Halbach型阵列的主励磁永磁体的充磁方向沿径向相反。两个子转子的辅助励磁永磁体的磁化方向相反：磁化方向为径向向外的主励磁永磁体两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向指向主励磁永磁体，而磁化方向为径向向内的主励磁永磁体两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向背离主励磁永磁体。该方法引导磁路从两边的永磁体经过，与气隙以及主励磁永磁体构成回路，有效削弱了永磁体在转子轭侧的磁通密度，永磁磁场呈现明显的单边性，使得永磁体产生的磁密聚集在气隙侧，增强了气隙磁密。3、容错齿和电枢齿在圆周上交替均匀排列，且容错齿和电枢齿上的调制齿在空间圆周上非均匀分布。根据游标电机的调制机理，通过对永磁体极数，调制齿数以及电枢齿数的特殊配合设计，可以使永磁体调制后产生的绝大多数的磁密谐波的次数与电枢绕组产生的谐波次数相等。相比传统永磁游标电机，该设计方法充分利用了磁场空间谐波，实现高谐波利用率，降低电机转矩脉动，输出转矩更为平稳，并且有效提高了电机输出转矩。4、Halbach阵列永磁体配合圆周上不均匀分布调制齿，削弱了永磁体在转子轭侧的磁通密度，使得磁密聚集在气隙侧，提高了电机功率因数。5、在本专利技术中，转子主励磁永磁体采用交替极型转子，永磁体之间的凸极铁心全部被磁化为另外一种极性，用铁心替代了另外一种极性的永磁体，因此减少了永磁体的使用量。6、电机定子上的电枢绕组采用集中绕组，绕线方便而且端部绕组较短，可以减少电机的铜耗。每个电枢齿只绕一套绕组，容错齿上不绕绕组，通过相与相之间的物理隔离实现电机相与相之间的热和磁路隔离，从而达到很好的容错性能，使得其在对可靠性要求较高的系统中具有很好的应用前景。7、转子交替极结构、在定子和转子中插入非导磁材料做成的定子和转子环将电机分成两个子电机、在某一子转子轭部和轴承之间嵌入非导磁圆筒、相比较于仅仅在定子或转子中插入非导磁环，可以更有效的隔断电机的轴向漏磁。调制齿在圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，其特征在于，包括定子和转子；所述定子由两个结构、材料完全相同，但轴向长度不等的子定子组成，两个子定子之间用一个非导磁材料做成的定子环隔开；所述定子环的形状和两个子定子的形状相同，定子上的电枢齿1‑3和容错齿沿着定子圆周方向交替均匀分布，在电枢齿和容错齿的端部设有调制齿，所有电枢齿上的调制齿之间的距离相等，调制齿宽度相等但在空间圆周上分布不均匀；所述转子是由两个互差180°电角度，结构完全相同，但轴向长度不等的子转子前后串联拼接而成；两个子转子中间有一个非导磁材料做成的转子环；转子槽内安放着Halbach阵列永磁体；两个子转子中Halbach阵列的主励磁永磁体沿径向充磁但方向相反；两个子转子上Halbach阵列中的辅助励磁永磁体的磁化方向相反：若主励磁永磁体磁化方向为径向向外，则两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向指向主励磁永磁体；若主励磁永磁体磁化方向为径向向内，则两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向背离主励磁永磁体；在其中一个子转子的转子轭和轴承之间嵌入一个非导磁圆筒。

【技术特征摘要】
1.一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，其特征在于，包括定子和转子；所述定子由两个结构、材料完全相同，但轴向长度不等的子定子组成，两个子定子之间用一个非导磁材料做成的定子环隔开；所述定子环的形状和两个子定子的形状相同，定子上的电枢齿1-3和容错齿沿着定子圆周方向交替均匀分布，在电枢齿和容错齿的端部设有调制齿，所有电枢齿上的调制齿之间的距离相等，调制齿宽度相等但在空间圆周上分布不均匀；所述转子是由两个互差180°电角度，结构完全相同，但轴向长度不等的子转子前后串联拼接而成；两个子转子中间有一个非导磁材料做成的转子环；转子槽内安放着Halbach阵列永磁体；两个子转子中Halbach阵列的主励磁永磁体沿径向充磁但方向相反；两个子转子上Halbach阵列中的辅助励磁永磁体的磁化方向相反：若主励磁永磁体磁化方向为径向向外，则两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向指向主励磁永磁体；若主励磁永磁体磁化方向为径向向内，则两边的辅助励磁永磁体的磁化方向为沿切向背离主励磁永磁体；在其中一个子转子的转子轭和轴承之间嵌入一个非导磁圆筒。2.根据权利要求1所述的一种聚磁型交替极容错永磁游标电机，其特征在于，前后两个子转子同轴安装但在空间上互差180°电角度，对应的机械角度差为θm＝π/Pr，其中Pr为电机的转子极对数。3.根据权利要求1所述的一种聚磁型交替极容错永...

【专利技术属性】
技术研发人员：周华伟，陶炜国，周城，张多，张俊杰，刘国海，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32