混合型永磁电机

本发明属于电机，具体涉及混合型永磁电机。

背景技术：

1、目前，基于“磁齿轮效应”的游标永磁电机将转速较低的转子永磁磁场调制成转速较高的定子气隙磁场，从而提升了反电势，在高传动比(gear ratio)设计下，能够实现相比传统表贴式永磁电机更高的转矩密度，因此其在低速大转矩应用场景下具有很大吸引力。例如，游标永磁风力电机就受到了学者与工业界的广泛研究，然而其目前的应用还相当有限，其中一个重要原因在于功率因数明显低于传统表贴式永磁电机，而功率因数低下将直接导致需要更大容量的变流器，相应的变流器部分成本将会增加。

2、由此可见，提升功率因数是大型游标永磁电机所需要突破的一大关键技术。相关研究表明(“scaling effect on electromagnetic performance of surface-mountedpermanent-magnet vernier machine”,d.k.kana padinharu,g.j.li,z.q.zhu,m.p.foster,d.a.stone,a.griffo,r.clark,and a.thomas，《ieee transactions onmagnetics》，第1-15页，2020年)，一些在小型游标永磁电机上用于提高功率因数的电磁设计，在大尺寸、强电枢反应的联合作用下难以保持其有效性，另外，还有可能会显著复杂化电机结构以及增加电机成本。

3、因此，实现具有功率密度、功率因数综合较优的电机设计具有很强的工程价值，可进一步拓展产品的成本优势且提升综合竞争力。。

技术实现思路

1、本发明是为了克服现有技术中，现有的游标永磁电机存在功率因数低下，导致需要更大容量的变流器，进而复杂化电机结构以及增加电机成本的问题，提供了一种能够获得较大的转矩密度和适中的功率因数，且能有效提升电机的成本与综合竞争力的混合型永磁电机。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、包括定子和设于定子外部上的转子；所述定子与转子之间设有气隙；所述定子包括定子铁芯、设于定子铁芯上的定子绕组；所述转子包括转子铁芯、设于转子铁芯内壁上的永磁体；所述定子铁芯包括定子齿与定子轭，定子齿与定子轭形成定子槽，用于容纳定子绕组；所述定子安装于定子支架上；

4、所述定子分为定子第一轴向段与定子第二轴向段，所述转子分为转子第一轴向段与第二轴向段；所述定子第一轴向段和转子第一轴向段的轴向长度相同；所述定子第二轴向段和转子第二轴向段的轴向长度相同；位于定子第一轴向段上的定子铁芯和定子绕组与位于定子第二轴向段上的定子铁芯和定子绕组相互独立；所述转子第一轴向段与转子第二轴向段上的永磁体周向分布相同，且所有永磁体安装于同一转子铁芯上；

5、所述定子第一轴向段与转子第一轴向段构成第一电机；所述定子第二轴向段与转子第二轴向段构成第二电机。

6、作为优选，设定第一电机的定子极对数为ps1、定子槽数为z1、转子极对数为pr1，设定第二电机的定子极对数为ps2、定子槽数为z2、转子极对数为pr2，则满足ps1＝pr1＝pr2＝z2-ps2，用于使第一电机与第二电机的定子绕组具有相同的电频率。

7、作为优选，当永磁体以表贴式的形式安装在转子上时，所述转子第一轴向段的永磁体极弧系数小于转子第二轴向段的永磁体极弧系数，且转子第一轴向段的永磁体厚度大于转子第二轴向段的永磁体厚度。

8、作为优选，第一电机的定子槽数z1大于第二电机的定子槽数z2，且pr2/ps2＞1；同时满足pr1/z1+pr2/z2＝1，使第一电机与第二电机的相邻定子槽所对应的相位差相同，相序相反；

9、第一电机的轴向长度与第二电机的轴向长度可根据实际需求灵活调整，用于获得由两个电机合成的期望的总电磁转矩和总功率因数。

10、作为优选，所述第一电机与第二电机具有相同外包络尺寸和气隙直径，且第一电机的定子槽数量大于第二电机的定子槽数量；所述第一电机的定子线圈为第一线圈、第二电机的定子线圈为第二线圈，所述第一线圈和第二线圈分别安装在定子第一轴向段和定子第二轴向段上，且两个轴向段之间设有定子轴向间隔，用于容纳线圈端部；所述定子轴向间隔在径向上分别与气隙、定子支架的内部空间连通，从而提供特别用于端部绕组冷却的气流通道。

11、作为优选，所述混合型永磁电机有四个端部以及延伸的端部绕组，其中两个端部绕组位于整个混合型永磁电机的两端，剩余两个端部绕组位于整个混合型永磁电机的轴向中部。

12、作为优选，所述第一线圈和第二线圈中的一线圈两端均设有连接端口，另一线圈仅有一端设有连接端口；若第一线圈两端均设有连接端口，则第二线圈的连接端口设置于轴向中部的一端；所述定子轴向间隔处还设有集电环，集电环安装在定子第一轴向段或定子第二轴向段任意一段的端板上；第一线圈、第二线圈位于轴向中部的连接端口与集电环相连，用于实现第一线圈与第二线圈的电连通，第一线圈的另一连接端口与外界相连；所述集电环在周向上进行分段设置，用于实现期望的第一线圈、第二线圈自身以及相互的串并联型式。

13、作为优选，所述第一线圈和第二线圈均只有一端设有连接端口，且位于整个混合型永磁电机的两端，其中一端的连接端口连接至位于电机端部的集电环后直接引出至外界，另一端的连接端口同样连接至另一端部的集电环，并反向穿过电机的定子支架内部引出；两个引出位置位于电机的同侧。

14、作为优选，定子支架的两个端板间沿周向方向设有多个引线通道，所述引线通道均与定子支架内部隔离；引线通道个数为定子第一轴向段定子槽数与定子第二轴向段定子槽数的公约数。

15、作为优选，所述转子第一轴向段的永磁体与转子第二轴向段的永磁体在轴向上设有转子轴向间隔；所述转子轴向间隔与定子轴向间隔的轴向长度相同；

16、所述转子轴向间隔内填充有导磁材料，所述导磁材料设置为周向分隔的独立导磁块，独立导磁块的周向宽度尺寸小于转子第一轴向段的极弧系数与转子第二轴向段的极弧系数的较小值。

17、本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明利用传统永磁同步电机功率因数高、游标永磁电机转矩密度高的特点，将两者合理紧凑地进行结合，同时获得较大的转矩密度和适中的功率因数，可有效提升电机的成本与综合竞争力，且通过选取合适的极槽配合，能够获得较好的电磁性能；(2)在本发明提出的混合型永磁电机基础上，给出电机结构与局部冷却方式，以获得更好的电磁材料利用率、提升局部冷却效果，并提出两种绕组接线方式，以合理实现与外界电连通。

技术特征：

1.混合型永磁电机，其特征在于，包括定子和设于定子外部上的转子；所述定子与转子之间设有气隙；所述定子包括定子铁芯、设于定子铁芯上的定子绕组；所述转子包括转子铁芯、设于转子铁芯内壁上的永磁体；所述定子铁芯包括定子齿与定子轭，定子齿与定子轭形成定子槽，用于容纳定子绕组；所述定子安装于定子支架上；

2.根据权利要求1所述的混合型永磁电机，其特征在于，设定第一电机的定子极对数为ps1、定子槽数为z1、转子极对数为pr1，设定第二电机的定子极对数为ps2、定子槽数为z2、转子极对数为pr2，则满足ps1＝pr1＝pr2＝z2-ps2，用于使第一电机与第二电机的定子绕组具有相同的电频率。

3.根据权利要求2所述的混合型永磁电机，其特征在于，当永磁体以表贴式的形式安装在转子上时，所述转子第一轴向段的永磁体极弧系数小于转子第二轴向段的永磁体极弧系数，且转子第一轴向段的永磁体厚度大于转子第二轴向段的永磁体厚度。

4.根据权利要求2所述的混合型永磁电机，其特征在于，第一电机的定子槽数z1大于第二电机的定子槽数z2，且pr2/ps2＞1；同时满足pr1/z1+pr2/z2＝1，使第一电机与第二电机的相邻定子槽所对应的相位差相同，相序相反；

5.根据权利要求1所述的混合型永磁电机，其特征在于，所述第一电机与第二电机具有相同外包络尺寸和气隙直径，且第一电机的定子槽数量大于第二电机的定子槽数量；所述第一电机的定子线圈为第一线圈、第二电机的定子线圈为第二线圈，所述第一线圈和第二线圈分别安装在定子第一轴向段和定子第二轴向段上，且两个轴向段之间设有定子轴向间隔，用于容纳线圈端部；所述定子轴向间隔在径向上分别与气隙、定子支架的内部空间连通，从而提供特别用于端部绕组冷却的气流通道。

6.根据权利要求1所述的混合型永磁电机，其特征在于，所述混合型永磁电机有四个端部以及延伸的端部绕组，其中两个端部绕组位于整个混合型永磁电机的两端，剩余两个端部绕组位于整个混合型永磁电机的轴向中部。

7.根据权利要求6所述的混合型永磁电机，其特征在于，所述第一线圈和第二线圈中的一线圈两端均设有连接端口，另一线圈仅有一端设有连接端口；若第一线圈两端均设有连接端口，则第二线圈的连接端口设置于轴向中部的一端；所述定子轴向间隔处还设有集电环，集电环安装在定子第一轴向段或定子第二轴向段任意一段的端板上；第一线圈、第二线圈位于轴向中部的连接端口与集电环相连，用于实现第一线圈与第二线圈的电连通，第一线圈的另一连接端口与外界相连；所述集电环在周向上进行分段设置，用于实现期望的第一线圈、第二线圈自身以及相互的串并联型式。

8.根据权利要求6所述的混合型永磁电机，其特征在于，所述第一线圈和第二线圈均只有一端设有连接端口，且位于整个混合型永磁电机的两端，其中一端的连接端口连接至位于电机端部的集电环后直接引出至外界，另一端的连接端口同样连接至另一端部的集电环，并反向穿过电机的定子支架内部引出；两个引出位置位于电机的同侧。

9.根据权利要求8所述的混合型永磁电机，其特征在于，定子支架的两个端板间沿周向方向设有多个引线通道，所述引线通道均与定子支架内部隔离；引线通道个数为定子第一轴向段定子槽数与定子第二轴向段定子槽数的公约数。

10.根据权利要求5所述的混合型永磁电机，其特征在于，所述转子第一轴向段的永磁体与转子第二轴向段的永磁体在轴向上设有转子轴向间隔；所述转子轴向间隔与定子轴向间隔的轴向长度相同；

技术总结本发明属于电机技术领域，具体涉及混合型永磁电机。混合型永磁电机包括定子和转子；定子与转子之间设有气隙；定子包括定子铁芯、定子绕组；转子包括转子铁芯、永磁体；定子铁芯包括定子齿与定子轭，定子齿与定子轭形成定子槽；定子安装于定子支架上；定子分为定子第一轴向段与定子第二轴向段，转子分为转子第一轴向段与第二轴向段；转子第一轴向段与转子第二轴向段上的永磁体周向分布相同，且所有永磁体安装于同一转子铁芯上；定子第一轴向段与转子第一轴向段构成第一电机；定子第二轴向段与转子第二轴向段构成第二电机。本发明能够获得较大的转矩密度和适中的功率因数，且能有效提升电机的成本与综合竞争力。技术研发人员：闻汇,陈虹羽,王宇飞,杨淏,李敏龙,郑语婷,蔡炯炯受保护的技术使用者：浙江科技学院技术研发日：技术公布日：2024/8/1