一种具有开槽型转子的双定子切向励磁游标永磁电机

1.本发明属于永磁电机领域，更具体地，涉及一种具有开槽型转子的双定子切向励磁游标永磁电机。


背景技术：

2.为了提升材料和能源利用率，高转矩密度和高效率的永磁电机在交通运输、工业伺服、石油化工、新能源发电等各类国防民生领域发挥着重要作用。游标永磁电机转矩密度优势明显，已经成为电机领域极具特色的研究方向。由于聚磁效应，切向励磁结构相较于表贴式结构的励磁大幅增强，但是单定子结构存在磁位波动现象，而双定子结构可消除磁位波动，提升电机的转矩密度。另外双气隙结构的电感小、漏磁少，其功率因数也较高。得益于高转矩密度和高功率因数的优点，双定子切向励磁游标永磁电机有广阔的应用前景。
3.通过对电机的结构参数进行合理优化，能够有效提高电机的性能。目前专家学者们对于双定子切向励磁游标永磁电机的研究对该电机的理论研究已经比较完善，但由于双定子切向励磁游标永磁电机中，永磁体宽度和转子铁磁极的极弧系数会相互影响，这使得对电机的优化设计时，很难将电机的优势完全发挥出来，不利于双定子切向励磁游标永磁电机的推广应用。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种具有开槽型转子的双定子切向励磁游标永磁电机，其目的在于，有效解决电机优化设计中，由于参数之间相互影响，而无法使电机性能最优的技术问题。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双定子切向励磁游标永磁电机，沿径向由外向内依次包括：外定子、转子和内定子；
6.外定子和内定子均采用开口槽，槽内放入定子绕组；
7.转子包括转子铁心，以及沿周向均匀嵌入设置在转子铁心内的多个永磁体；永磁体为切向励磁结构，且相邻永磁体的励磁方向相反；转子铁心在各永磁体的内、外两侧设有开槽，相邻开槽之间的转子铁心部分形成转子铁磁极。
8.进一步地，转子铁磁极的极弧系数满足：
9.在极弧系数之外的其他结构参数不变的情况下，使双定子切向励磁游标永磁电机的空载反电势位于第一预设范围内；
10.在第一预设范围内，空载反电势与最大值的差值绝对值不大于第一阈值th1；th1≥0。
11.进一步地，转子铁磁极的极弧系数满足：
12.在极弧系数之外的其他结构参数不变的情况下，使双定子切向励磁游标永磁电机的空载反电势位于第二预设范围内，同时使双定子切向励磁游标永磁电机的齿槽转矩取得最小值；
13.在第二预设范围内，空载反电势与最大值的差值绝对值不大于第二预设阈值th2；th2≥0。
14.进一步地，永磁体的宽度位于第三预设范围内；
15.在第三预设范围内，永磁体的宽度与临界宽度之差不大于第三预设阈值th3；临界宽度为在永磁体宽度之外的其他结构参数不变的情况下，恰好不发生短路退磁的永磁体宽度，th3≥0。
16.进一步地，永磁体的长度位于第四预设范围内；
17.在第四预设范围内，永磁体的长度与临界长度的差值绝对值不超过第四阈值th4；临界长度为在永磁体长度之外的其他结构参数不变的情况下，反电势饱和点所对应的永磁体长度；th4≥0。
18.进一步地，开槽的深度满足：
19.在开槽的深度之外的其他结构参数不变的情况下，双定子切向励磁游标永磁电机的齿槽转矩关于开槽深度的导数位于第五预设范围内；
20.在第五预设范围内，齿槽转矩关于开槽深度的导数与导数最大值的差值绝对值不超过第五阈值th5；th5≥0。
21.在一些可选的实施例中，外定子和内定子的开口槽的槽数为zs＝30，转子的极对数为pr＝20，定子绕组的极对数为pa＝10。
22.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
23.(1)本发明通过在转子铁心上各永磁体的内、外两侧设置开槽，使得永磁体的宽度与转子铁磁极极弧系数不再相互影响，从而可以针对永磁体宽度和转子铁磁极极弧系数分别进行优化，避免了参数之间的相互影响，最终优化结果能够将电机的优势完全发挥出来，使电机的性能最优，为工程应用提供参考。
24.(2)本发明所提供的双定子切向励磁游标永磁电机，由于转子上设置有开槽，永磁体宽度和转子铁磁极极弧系数可以分开进行优化，因此，永磁体宽度可以最优，有效避免永磁用量过多，在大型电机上效果更加明显。
附图说明
25.图1为现有的双定子切向励磁游标永磁电机的结构示意图；
26.图2为现有的双定子切向励磁游标永磁电机的局部结构参数示意图；
27.图3为本发明实施例提供的具有开槽型转子的双定子切向励磁游标永磁电机的结构示意图；
28.图4为本发明实施例提供的具有开槽型转子的双定子切向励磁游标永磁电机的局部结构参数示意图；
29.图5为本发明实施例中铁磁极的极弧系数对反电势和齿槽转矩的影响示意图；其中，(a)为铁磁极的极弧系数对反电势的影响示意图，(b)为铁磁极的极弧系数对齿槽转矩的影响示意图；
30.图6为本发明实施例提供的开槽深度对反电势和齿槽转矩的影响示意图；其中，(a)为开槽深度对反电势基波幅值的影响示意图，(b)为开槽深度对齿槽转矩的影响示意图；
31.图7为本发明实施例提供的永磁体长度对反电势的影响示意图；其中，(a)为永磁体长度对反电势基波幅值的影响示意图，(b)为单位永磁体用量的反电势的影响示意图；
32.在所有附图中，相同的附图标记用于表示相同的结构或元件，其中：
33.1-外定子铁心；2-外定子绕组；3-内定子铁心；4-内定子绕组；5-转子铁心；6-永磁体；7-外磁桥；8-内磁桥；9-开槽。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
35.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
36.在详细解释本发明的技术方案之前，先对现有的双定子切向励磁游标永磁电机的基本结构进行如下简要介绍。
37.参阅图1和图2，传统的双定子切向励磁游标永磁电机沿径向由外向内依次包括：外定子、转子和内定子；定、转子均为圆筒形；外定子铁心1上设有开口槽，槽内放入外定子绕组2，内定子铁心3上同样采用开口槽，槽内放入内定子绕组4；转子包括转子铁心5，以及沿周向均匀嵌入设置在转子铁心5内的多个永磁体6，转子铁心5在永磁体6的内、外两侧分别形成内磁桥8和外磁桥7；永磁体6为切向励磁结构，且相邻永磁体6的励磁方向相反；相邻永磁体6之间的转子铁心5部分形成转子铁磁极，转子铁磁极的极弧系数α
p1
为铁磁极宽度wr与极距t
p
的比值。
38.双定子切向励磁游标永磁电机的空载反电势主要与永磁体6宽度和转子铁磁极的极弧系数相关。如图2所示，在永磁体6数量固定的情况下，由于永磁体6宽度与转子铁磁极的宽度之和为定值，因此永磁体6宽度和转子铁磁极的极弧系数会相互影响，因此，在针对电机性能进行优化的过程中，无法将二者独立优化，因此很难将电机的优势完全发挥出来，不利于该电机的推广应用。
39.为了解决传统的双定子切向励磁游标永磁电机中由于参数相互影响，而无法使电机性能得到充分的优化，不利于电机推广应用的技术问题，本发明提供了一种具有开槽型转子的双定子切向励磁游标永磁电机，其整体思路在于：通过对电机结构上的改进，使得电机中永磁体6宽度和转子铁磁极的极弧系数不再相互影响，从而可以针对这两个参数分别进行优化，有效提高电机输出的转矩密度，并降低电机的成本。在此基础上，进一步通过参数优化，在保证电机性能的情况下，降低电机输出的转矩脉动，提高电机输出的稳定性。
40.基于以上构思，在本发明的一个实施例中，提供了一种具有开槽型转子的双定子切向励磁游标永磁电机，如图3和图4所示，该电机沿径向由外向内依次包括：外定子、转子和内定子；外定子铁心1上设有开口槽，槽内放置外定子绕组2；内定子铁心3上设有开口槽，槽内放入内定子绕组4；
41.转子包括转子铁心5，以及沿周向均匀嵌入设置在转子铁心5内的多个永磁体6；永磁体6为切向励磁结构，且相邻永磁体6的励磁方向相反；转子铁心5在各永磁体6的内、外两
侧设有开槽9，相邻开槽9之间的转子铁心5部分形成转子铁磁极；同样地，转子铁心5在永磁体6的内、外两侧分别形成内磁桥8和外磁桥7；
42.可选地，本实施例中，定子槽数zs为30，转子极对数pr为20，其也等于励磁极对数pe，定子电枢绕组极对数pa为10，励磁极对数、定子槽数以电枢绕组极对数满足pa＝z
s-pe，电机极比pr等于pr/pa＝2。
43.本实施例中，双定子切向励磁游标电机主要结构参数如图4所示，其中，w
pm
表示永磁体宽度，l
pm
表示永磁体长度，wr表示转子铁磁极的宽度，t
p
表示极距。由于转子铁心5在各永磁体的内、外两侧设有开槽9，转子铁磁极不再由相邻永磁体间的转子铁心5部分形成，而是由转子铁心5上相邻开槽9之间的铁心部分形成，这使得在永磁体数量固定的情况下，永磁体宽度和转子铁磁极的宽度不再直接相关，因此，本实施例中，可以将铁磁极与永磁体分开，分别优化永磁体的宽度w
pm
和铁磁极的宽度wr，也即是说，本实施例可以在电机优化过程中，针对永磁体的宽度w
pm
和转子铁磁极的极弧系数α
p1
分别进行优化。
44.基于本实施例所提供的电机结构，本实施例可以在优化过程中对每个参数进行合理的优化。永磁体尺寸和转子铁磁极的极弧系数对电机的磁负荷
45.(气隙磁密)有很大的影响，因此，在空载条件下对永磁体尺寸和转子铁磁极的极弧系数进行分别优化，得到较优的空载性能。
46.对于转子结构，气隙磁密与永磁体的长度l
pm
和宽度w
pm
、铁磁极的极弧系数α
p1
、转子极距t
p
和气隙长度go有关。永磁体采用切向励磁结构，电机气隙磁场会随永磁体的宽度和长度的增加而增强。
47.在固定其他电机结构参数的情况下，本实施例中，转子铁磁极的极弧系数对空载反电势基波幅值的影响如图5中的(a)所示，极弧系数在0.56-0.64时，电机的空载反电势取得最大值，且在此区间内极弧系数对反电势影响不大。考虑到转子铁磁极的极狐系数同时会对齿槽转矩产生较大的影响，故本实施例中，进一步获得转子铁磁极的极弧系数对齿槽转矩的影响如图5中的(b)所示，为了在保证电机有较高的输出转矩密度，即较大的空载反电势的同时，尽量减小电机的齿槽转矩，以降低电机输出的转矩脉动，本实施例中，在电机的空载反电势较大的范围内，选择使齿槽转矩最小的极弧系数，即0.64。应当说明的是，此处关于转子铁磁极的极弧系数的设计，仅为本发明一种优选的实施例，不应理解为对本发明的唯一限定，在本发明其他的一些实施例中，在电机输出转矩脉动可满足应用需求的情况下，也可以直接选取使电机空载反电势最大的极弧系数。在确定转子铁磁极的极弧系数之后，即可相应确定转子铁磁极的宽度。
48.本发明通过在转子上开槽，使永磁体宽度和转子铁磁极的极弧系数分开的同时，引入了开槽深度参数，开槽深度同样会对电机的空载反电势和齿槽转矩产生影响，本实施例中，转子永磁体处开槽深度对反电势和齿槽转矩的影响分别如图6中的(a)和(b)所示。根据图6中的(a)所示的结果可知，电机的空载反电势随开槽深度的增加而减小，并且变化率基本恒定；根据图6中的(b)所示的结果可知，电机的齿槽转矩随开槽深度的增加而降低，但在某个临界点之后，变化率会突降；为了使空载反电势和齿槽转矩的综合效益最大，作为一种优选的实施方式，本实施例中，选取齿槽转矩关于开槽深度的导数最大值，即齿槽转矩随开槽深度的变化率的突变点，作为电机中的开槽深度，具体地，折中考虑后，选择开槽深度le为5mm；应当说明的是，在本发明其他的一些实施例中，也可以在该突变点周围划定一个
开槽深度区间，在该区间中选取开槽深度即可。
49.永磁体尺寸对电机的磁负荷有很大的影响，因此在空载条件下对永磁体的尺寸进行优化，得到较优的磁负荷。
50.通常情况下，永磁体的宽度越小，空载反电势越大，但是，永磁体宽度过小则会存在短路退磁的风险，因此，本实施例中，永磁体的宽度的是基于短路退磁考虑，具体地，获取恰好不发生短路退磁的永磁体宽度作为临界宽度，之后在确保不发生短路退磁的情况下，选取尽量小的宽度；可选地，本实施例中，所选取的永磁体宽度为气隙长度的5倍；通常情况下，大型风力发电机的内外气隙长度均为5mm，故本实施例中，初步选取永磁体宽度w
pm
为50mm，结合短路退磁对其进行优化设计。
51.永磁体长度对反电势和单位永磁体用量的反电势的影响分别如图7中的(a)和(b)所示，根据图7中的(a)所示，在一定范围内，反电势基波幅值会随着永磁体长度的增加而增加，但当反电势基波幅值增长到一定值之后，会发生饱和；为了使永磁体更充分的应用，本实施例选择接近反电势饱和点的永磁体长度；本实施例中，为了使得齿部磁密不超过1.5t，因此在气隙半径为1000mm时，选取永磁体长度l
pm
为110mm。
52.需要说明的是，本实施例中，转子铁心上的开槽结构会牺牲一定的空载反电势，但由于转子铁心上的开槽使得永磁体宽度和转子铁磁极的极弧系数可以分开优化，可以有效提高电机的空载反电势，并且通过对各参数进行分别优化所带来的空载反电势提升远大于转子铁心开槽所导致的空载反电势下降，最终电机整体的性能得到了有效的提高。
53.对于大型风力发电机而言，如果转子采用不开槽结构，由于永磁体宽度和转子铁磁极的极弧系数相互影响，通常所设计永磁体厚度会很大，永磁体用量过多，由于磁钢成本比硅钢片和铜都要高，无法达到成本最优值，转矩成本比为4.17knm/万元。而本实施例采用开槽结构可以避免这一现象，使得永磁体用量减少，成本可降低，转矩成本比为5.37knm/万元。在相同电负荷和电流密度的条件下，转矩成本比可提升29％。
54.总的来说，本实施例通过特殊的结构设计，使得双定子切向励磁游标永磁电机中永磁体的宽度和转子铁磁极的极弧系数可以分开优化，能够充分发挥双定子切向励磁游标永磁电机的优势，并尽可能降低电机的成本，有利于双定子切向励磁游标永磁电机在工业上的推广应用。
55.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。