[发明专利]一种基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机

说明书

本发明公开了一种基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机，该永磁电机中，S永磁极(7)，N永磁极(8)和铁芯极(9)均以异极性交替极的排列方式分别内置于第一转子(2)、第二转子(3)、第三转子(4)中；三转子结构嵌套在定子(1)内部，且与定子(1)同轴；定子(1)中有电枢齿(5)和容错齿(6)，沿定子(1)的圆周依次交替排列；电枢齿(5)上有电枢绕组(10)，以单层分数槽集中绕组的方式进行绕线。相比于多段定子和分布式绕组等结构，交替极转子互补结构简单可靠，成本低，无磁路耦合，铜损小，效率高。由于定子上只有一套单层分数槽集中绕组，电机端部损耗小，转矩和功率密度高。

技术领域

本发明属于电机结构设计，具体涉及一种基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机。

背景技术

永磁电机由于其单位转矩和功率密度高，得到了广泛关注与应用。由于我国稀土资源储量巨大，占到世界稀土总储量的80％，因而我国永磁电机行业在上世纪得到了大力发展。根据电磁转矩T_em＝p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]可知，永磁电机输出转矩可以分为两个部分，即第一项永磁转矩T_f和第二项由转子磁路不对称所形成的磁阻转矩T_r。由此可知，电机输出主要来自于永磁转矩和磁阻转矩，但由于磁阻转矩会会带来振动大、噪音高、转矩脉动较大等问题，因而如何降低永磁电机成本并最大程度保留其优势成为时下国内外研究的热点。

本发明提出的结构主要利用电机中的铁芯极来替代永磁极，从而达到减少永磁材料用量的目的。交替极结构主要分为两类，同极性和异极性。同极性，即铁芯极为单极性，在电机定、转子中作为单一极性对永磁极进行替换；异极性，即铁芯极为双极性，在电机中既可作为N极，也能作为S极，极性交替变化。相比于同极性交替极，异极性交替极的应用更为广泛，在满足降低永磁体用量且保持永磁电机的原有性能优势的前提下，还能够与磁场调制等前沿技术相结合。但对于异极性而言，由于其磁路不对称，会带来反电动势正负幅值不等，转矩脉动大等问题，从而严重制约了此类电机结构与容错技术的结合与发展。因此，现阶段需要尽快找出一种能够简单、可靠、高效地解决异极性交替极电机结构缺陷的办法。

发明内容

技术问题：针对上述存在的问题及现有技术，本发明提出一种基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机，解决了传统永磁电机转矩脉动过大，异极性交替极磁路不对称，电机结构复杂的问题。其中，永磁体内置于转子内以减小转矩脉动，使反电动势更接近于正弦波。通过采用单层分数槽集中绕组的布线方式减小电机绕组的端部空间，通过容错齿的设计提高电机的物理隔离能力，从而有效地提升电机效率。除此之外，与传统分布式绕组、多定子交替极电机结构相比，转子互补结构能够有效地减少定、转子和绕组所占空间，从而减小电机体积，提供更大的转矩密度和功率密度。

技术方案：为实现上述发明，所需要采取的技术方案为：

设计了一种基于转子互补结构的内置式交替极永磁电机，含有定子，互补结构式转子，永磁极，铁芯极，分数槽集中绕组，电枢齿，容错齿，隔磁片。其中，永磁极内嵌在转子中，以“N极-S极→铁芯极→S极-N极→铁芯极”的分布方式交替排列。从轴向看，每层转子构造一致；但从切向看，各转子存在初始相位角差。三层互补式结构转子轴心相同，转速一致。和单层结构相比，能有效地改善电机原有的气隙磁密。三层互补结构式转子轴向长度保持一致，每层间加入隔磁材料(环氧树脂)以减少因各层磁场耦合所造成的效率损耗，且电机互补结构式转子及隔磁材料的轴向长度之和为定子的轴向长度。转子内每对磁极间隔一个铁芯极，根据异极性交替极结构特性知相邻铁芯极的极性相反。转子互补结构式共三层转子，每层相位角相差360°电角度。由于单层转子的磁路不对称会造成反电动势正负幅值不等，因而需通过余下转子对总气隙磁密进行修正，从而得到对称的合成反电动势。定子上置有五相单层分数槽集中绕组，每两相相邻绕组之间隔有一个容错齿，以“绕组齿→容错齿”的方式交替排布，提高电机自感，降低互感，从而增强电机的可靠性和容错能力。