轴向分段定子交替极永磁同步电机

摘要

本发明涉及一种轴向分段定子交替极永磁同步电机，包括定子、N‑S型交替极转子，转子上均布有NS永磁极和铁心极，定子在轴向上分为三段，每段上绕有电枢绕组，电枢绕组采用分数槽集中绕组且在轴上三层定子上绕制位置依次错位一个电枢的距离，利用轴向上每相绕组匝链的磁链位置偏移即分布性来保证在N‑S型交替极电机上采用集中绕组时反电势波形的对称性，将多层绕组在轴向分段定子上绕制的方式维持了分数槽集中绕组的相间隔离，且易于电机的散热冷却，提高了该电机可靠性及容错能力。该方案采用N‑S型交替结构，较好地实现了N‑S型交替极电机与分数槽集中绕组的结合，既具有交替极永磁电机永磁体用量少、永磁极与铁心极设计灵活、节省成本、易于加工等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种同步电机，具体涉及一种轴向分段定子交替极永磁同步电机，属于永磁电机设计领域。

背景技术

当前永磁同步电机以其高功率密度、高转矩密度等优点在驱动及工业应用等领域受到广泛关注，但相对于传统异步电机，永磁电机特别是稀土永磁电机在成本上明显增加，且永磁材料易受环境等因素的影响而降低电机的可靠性。因而目前少稀土或无稀土电机成为国内外电机界专家学者的研究热点。对少稀土或无稀土电机的研制主要解决问题是能够实现与稀土永磁电机相当的输出能力，研究方法途径主要分为两类：一是采用铁氧体等其他不含稀土元素的永磁材料，通过合理的拓扑设计来达到替代稀土永磁电机的目的；二是充分利用磁阻转矩来弥补因不采用稀土永磁带来的永磁转矩的下降，如开关磁阻电机、同步磁阻电机等。综合分析以上两种方法，铁氧体等永磁材料在磁性能上难以与稀土永磁材料相抗衡导致电机性能的下降；其次磁阻转矩的提高将带来电机转矩脉动增大的问题，因此无稀土永磁电机目前还很难做到在性能上与稀土永磁电机相当。少稀土永磁电机避免了完全不采用稀土永磁材料带来的性能上的损失，又能够减少永磁体用量，降低成本。

其中，交替极电机采用铁心来代替部分永磁体构成磁极，能够明显减少永磁体的用量，而成为少稀土永磁电机的范畴。最早，交替极电机被应用于无轴承电机来改善悬浮力及转矩耦合的问题。近些年来，交替极电机被广泛地应用于多种电机拓扑结构中如游标电机、外转子直驱电机及混合励磁电机等。经国内外学者研究验证交替极永磁电机在减少永磁体用量的同时仍能保持相当的输出性能，节省成本，方便生产加工及提高电机可靠性。

交替极永磁电机主要原理在于利用铁心的高导磁性能够聚拢磁力线形成磁极，从而代替部分永磁极。根据永磁极的充磁方式可分N-N、S-S、N-S三种类型的交替极，前两种基本相同，称为单极性充磁。而对于N-S型交替极在多种拓扑结构上具有较好的应用如混合励磁等，相对于单极性充磁，N-S型能够使铁心极也处于交替极性。而这种结构在转子上构成两永磁极与一铁心极的不对称性，导致电枢绕组依次匝链铁心极与永磁极下磁通，而铁心极与永磁极下磁通不相等，进而使电枢绕组匝链磁链及反电势波形出现不对称，限制了其在集中绕组方面的应用。目前，集中绕组在永磁电机拓扑上应用较为广泛，因其较短的绕组端部，降低了铜耗，且能够实现相间的磁、热、物理隔离，提高电机的可靠性与容错能力。因此如何实现N-S型交替极与集中绕组的结合是本发明所要解决的问题，能够推动交替极电机的成熟化与实用化。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种轴向分段定子交替极永磁同步电机，该技术方案解决了在N-S型交替极电机上采用集中绕组带来的磁链及反电势波形不对称的问题，较好地实现了N-S型交替极电机与分数槽集中绕组的结合，既具有交替极永磁电机永磁体用量少、永磁极与铁心极设计灵活、节省成本、易于加工等特点，该技术方案保持集中绕组相间磁、热、物理隔离，具有较好的容错性。轴向定子分段更加有利于电机的散热冷却，使得交替极电机在减少永磁体用量的同时能够具有更加理想的整体性能，该技术方案具有分数槽集中绕组端部短、铜耗低、相间隔离、容错性与可靠性高的优势，从而使交替极电机能够更好地应用于可靠性及集成度要求较高的驱动场合。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种轴向分段定子交替极永磁同步电机，其特征在于，所述永磁同步电机包括定子、转子、永磁极、铁心极以及电枢绕组；所述定子、转子均呈圆柱形，定子沿轴向分为三段，转子位于定子的空腔中；电枢绕组采用分数槽集中绕组隔齿绕的方式分别绕于三段定子的电枢齿上，且每段采用相同的绕线方式，所述永磁极和铁心极沿转子的圆周均匀布置，电机转子上采用N-S型交替极结构，即每两NS极永磁极间隔有铁心极。该电机转子上采用N-S型交替极结构，即每对NS永磁极间隔有铁心极；定子采用分段定子结构，即定子沿轴向方向分为三层。每层上绕有集中绕组，且每层电枢绕组的绕制次序在轴向上依次错位一个电枢齿的距离，通过每相绕组在轴向上匝链磁通的偏移来获得理想的对称反电势波形。轴向上放置多层绕组能够保持集中绕组的相间隔离，提高电机的可靠性。

作为本发明的一种改进，所述定子沿轴向分为三段，每段定子轴向长度相同且绕有相同匝数的电枢绕组。轴向分段定子的结构保证在改善反电势波形的同时维持集中绕组的相间磁、热、电及物理隔离，提高电机的集成度及可靠性。轴向上将定子分段，且分别绕有电枢绕组，更有利于电机的散热冷却。

作为本发明的一种改进，每段定子上电枢绕组的绕线位置依次错位间隔一个电枢齿的距离，且每段之间同相绕组采用串联方式连接。利用每相绕组在轴向上位置的偏移使之匝链的磁链合成波形对称，解决了集中绕组用于N-S交替极电机反电势不对称的问题，改善了电机的输出质量，更好地应用于各种驱动领域及工业应用场合。

作为本发明的一种改进，所述转子的轴向长度等于三段定子的总轴向长度。

作为本发明的一种改进，所述定子在轴向上分为三段，三段轴向长度相同。

作为本发明的一种改进，每层上电枢绕组的绕制方式及每相匝数完全相同。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，1)该技术方案采用交替极结构，利用铁心极来代替部分永磁极，减少了永磁体的用量，节省成本，易于生产加工；2)利用每相绕组在轴向上位置的偏移使之匝链的磁链合成波形对称，解决了集中绕组用于N-S交替极电机反电势不对称的问题，改善了电机的输出质量，更好地应用于各种驱动领域及工业应用场合；3)轴向分段定子的结构保证在改善反电势波形的同时维持集中绕组的相间磁、热、电及物理隔离，提高电机的集成度及可靠；4)N-S型交替极转子结构，铁心极及永磁极设计灵活，相比于单极性充磁的交替极结构，N-S型能够使铁心极的极性也处于交替状态，便于实现多种电机拓扑结构如混合励磁电机等；5)轴向上将定子分段，且分别绕有电枢绕组，更有利于电机的散热冷却。

附图说明

图1为本发明轴向分段定子交替极永磁同步电机结构示意图；

图2为本发明电机截面图；

图3为本发明电机采用传统单定子集中绕组时反电势波形示意图；

图4为本发明电机电枢绕组在三段定子上绕制位置示意图；

图5为本发明电机采用轴向分段定子时反电势波形示意图；

其中：1为定子、2为转子、3为永磁极、4为铁心极、5为电枢绕组。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1、图2，一种轴向分段定子交替极永磁同步电机,所述永磁同步电机包括定子(1)、转子(2)、永磁极(3)、铁心极(4)以及电枢绕组(5)；所述定子(1)、转子(2)均呈圆柱形，定子(1)沿轴向分为三段，也可以设置为3的整数倍，根据需要进行设置，转子(2)位于定子(1)的空腔中；电枢绕组(5)采用分数槽集中绕组隔齿绕的方式分别绕于三段定子(1)的电枢齿上，且每段采用相同的绕线方式，所述永磁极(3)和铁心极(4)沿转子(2)的圆周均匀布置，电机转子上采用N-S型交替极结构，即每两NS极永磁极(3)间隔有铁心极(4)。该电机转子上采用N-S型交替极结构，即每对NS永磁极间隔有铁心极；定子采用分段定子结构，即定子沿轴向方向分为三层。每层上绕有集中绕组，且每层电枢绕组的绕制次序在轴向上依次错位一个电枢齿的距离，通过每相绕组在轴向上匝链磁通的偏移来获得理想的对称反电势波形。轴向上放置多层绕组能够保持集中绕组的相间隔离，提高电机的可靠性。

实施例2：参见图1、图2，作为本发明的一种改进，所述定子(1)沿轴向分为三段，三段轴向长度相同，每段定子轴向长度相同且绕有相同匝数的电枢绕组(5)。轴向分段定子的结构保证在改善反电势波形的同时维持集中绕组的相间磁、热、电及物理隔离，提高电机的集成度及可靠性。轴向上将定子分段，且分别绕有电枢绕组，更有利于电机的散热冷却。

实施例3：参见图1、图2，作为本发明的一种改进，每段定子上电枢绕组(5)的绕线位置依次错位间隔一个电枢齿的距离，且每段之间同相绕组采用串联方式连接。利用每相绕组在轴向上位置的偏移使之匝链的磁链合成波形对称，解决了集中绕组用于N-S交替极电机反电势不对称的问题，改善了电机的输出质量，更好地应用于各种驱动领域及工业应用场合。

实施例4：参见图1、图2，作为本发明的一种改进，所述转子的轴向长度等于三段定子的总轴向长度，每层上电枢绕组的绕制方式及每相匝数完全相同。

工作原理：参见图1-图5，一种轴向分段定子交替极永磁同步电机，本发明的设计原理如下：本发明所述的轴向分段定子交替极永磁同步电机转子上采用N-S型交替极结构，即两极性相反的永磁极为一对且间隔有铁心极，如图2所示，其中A1-E2表示的是五相电枢绕组的绕线方式，利用铁心高导磁率能够汇聚永磁体产生的磁力线构成磁极，因而能够代替部分永磁极。定子极对数p_s、永磁极极对数p_pm、铁心极极对数p_f的关系如下：p_s＝p_pm+p_f。图2所示为五相20槽18极交替极V型永磁同步电机，但本发明所述的结构同样适用于其他相-槽-极配合，以及不仅限于V型永磁体。

交替极转子配合分数槽集中绕组将极大地提高电机的可靠性及集成度，但对于N-S型交替极结构，每相绕组将依次匝链NS永磁极与铁心极下磁通，而永磁极与铁心极下磁通不相等导致每相绕组匝链的磁链及反电势波形出现不对称，极大地影响电机的输出性能，如图3所示。集中绕组的每相绕组线圈分别绕于电枢齿上，跨距为定子齿距，每个线圈有两个线圈边。随着转子的旋转，线圈边依次切割两永磁极与一铁心极产生的磁场，并分别感应出反电动势e₁，e₂，两侧线圈边感应反电势叠加后的线圈反电势e_p＝e₁-e₂，因而导致不对称，。

为解决上述问题，本发明采用定子轴向分段的方法来改善反电势波形，如图4所示。将定子在轴向上等分为三段，每段分别绕有相同匝数的电枢绕组，但每段定子上的电枢绕组的绕制位置依次错位间隔一个电枢齿的距离，即同一相绕组之间在轴向上偏移一个电枢齿的距离，再将每段定子上同相绕组串联。因此，每段定子上同一相绕组将感应出相同幅值的反电势，差别只是在于每段上同相绕组的感应电动势波形的偏移，如图5所示。串联连接后得到电机相反电势e_p为：其中为三段定子上同一相绕组6个线圈边感应的反电势，由此可知尽管在每段定子上相绕组感应的反电势波形不对称，但在集中绕组的设计中一般尽量使得定子齿距接近于转子极距，因而通过三段定子上电枢绕组的反电势叠加合成后的电机相反电势保持一定的对称性。通过此方法改善了电机的输出性能，同时由于在轴向上实现错位叠加不会影响集中绕组的相间隔离能力，维持了电机的可靠性与容错性，且轴向分段手段也更加有利于电机的散热冷却，进一步提高电机的总体性能。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。