阅读说明：本技术 一种新型高功率密度爪极永磁电机 (Novel high-power-density claw pole permanent magnet motor ) 是由 刘成成 王东阳 汪友华 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：本发明为一种新型高功率密度爪极永磁电机,由多个爪极电机模块组成,相邻两个爪极电机模块之间沿轴向侧偏移特定角度,每个爪极电机模块包括具有前后爪极的定子铁心、异型电枢绕组、永磁体、转子铁心；所述异型电枢绕组采用全局环型绕组结构,形状沿周向为S曲线形；所述定子铁心具有圆环状的定子轭,定子轭的环形圆周的前后端面上交错分布有多个轭壁,多个轭壁沿圆周方向在其所在定子轭端面上均匀分布；每个轭壁上均连接有一个爪极,相邻的前爪极和后爪极的爪部相对；多个爪极及定子轭围成容纳异型电枢绕组的定子空腔；所述转子铁心与爪极相邻的圆环侧面上,沿圆周方向均匀分布有多个永磁体。能在保证其可靠性的前提下减轻机体重量。(The invention relates to a novel high-power-density claw-pole permanent magnet motor which consists of a plurality of claw-pole motor modules, wherein two adjacent claw-pole motor modules are deviated by a specific angle along the axial side; the special-shaped armature winding adopts a global annular winding structure, and is S-shaped in the circumferential direction; the stator core is provided with an annular stator yoke, a plurality of yoke walls are distributed on the front end face and the rear end face of the annular circumference of the stator yoke in a staggered manner, and the plurality of yoke walls are uniformly distributed on the end face of the stator yoke where the plurality of yoke walls are located along the circumferential direction; each yoke wall is connected with a claw pole, and claw parts of adjacent front claw poles and rear claw poles are opposite; a stator cavity for accommodating the special-shaped armature winding is formed by the plurality of claw poles and the stator yoke in a surrounding manner; and a plurality of permanent magnets are uniformly distributed on the side surface of the ring of the rotor core adjacent to the claw pole along the circumferential direction. The weight of the machine body can be reduced on the premise of ensuring the reliability of the machine body.)

一种新型高功率密度爪极永磁电机

技术领域

本发明涉及横向磁通永磁电机技术领域,具体涉及一种新型高功率密度爪极永磁电机。

背景技术

横向磁通永磁电机是近几年新兴起的一种电机，相较轴向磁通电机和径向磁通电机，在轴向长度和径向长度都比较大的情况下，其具有更高的功率密度。爪极永磁电机是横向磁通电机的一种特例，被广泛应用于多种领域，譬如应用在汽车工业领域和航空宇航领域，相较传统电机，爪极电机更好地利用了空间三维磁场，故其性能更优。并且随着新型材料及制作工艺的发展，爪极电机的制造变得较为容易，制作成本不断降低，运行可靠性得到提升。

但传统的爪极电机结构并不完善，现有的爪极电机多采用直线形环型绕组结构，使得定子槽空腔利用率较低，从而使得爪极电机的空间并未充分利用，所以电机性能有进一步增强的空间。定子结构方面，传统爪极电机的定子铁心结构不够完善，作为部分领域(如对电机的重量与成本有要求的情况)使用时会产生重量大、成本高等问题，而且不完善的定子结构也会导致其铁耗较大，不易于提供更高的功率。

因此，如何在优化爪极电机性能的情况下解决其重量大、成本较高、效率较低的问题，便成为一个重要的课题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型高功率密度爪极永磁电机，以解决上述背景技术中存在的技术问题，提高磁爪电机的功率密度、效率，并且在保证其可靠性的前提下减轻机体重量。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种新型高功率密度爪极永磁电机，由多个爪极电机模块组成，相邻两个爪极电机模块之间沿轴向侧偏移特定角度，每个爪极电机模块均为单定子单转子结构，包括具有前后爪极的定子铁心、异型电枢绕组、永磁体、转子铁心；定子铁心与异型电枢绕组共同构成定子，其特征在于：

所述异型电枢绕组采用全局环型绕组结构，形状沿周向为S曲线形，整体呈圆环状；所述定子铁心具有圆环状的定子轭，定子轭的环形圆周的前后端面上交错分布有多个轭壁，多个轭壁沿圆周方向在其所在定子轭端面上均匀分布；每个轭壁上均连接有一个爪极，相邻的前爪极和后爪极的爪部相对；多个爪极及定子轭围成容纳异型电枢绕组的定子空腔；

所述转子铁心与爪极相邻的圆环侧面上，沿圆周方向均匀分布有多个永磁体；所述永磁体沿电机周向进行充磁，且相邻永磁体充磁方向相反，永磁体的数量与定子铁心上爪极的数量相同，且二者位置相对。

在定子铁心上相邻两个轭壁之间的定子轭上均开设有凹槽，位于前端面的凹槽与位于后端面的爪极位置相对。凹槽的形状可以为半圆形、半椭圆形、多边形(矩形、梯形)但不限定为以上类型。

所述新型高功率密度爪极永磁电机为内转子电机或外转子电机，为内转子电机时，转子铁心的内径与电机轴固定，外径圆周侧面上均匀布置多个永磁体，定子铁心套在转子铁心外径上；为外转子电机时，转子铁心内径圆周侧面上均匀布置多个永磁体，套在定子铁心上，定子铁心的中心上设有通孔，用于多个爪极电机模块安装时的轴向定位，转子铁心外径与电机轴固定。

所述永磁体为圆弧梯形，永磁体的长度与转子铁心的轴向长度一致，且大于爪极的爪部面积。

所述定子铁心包括两个相同的环形定子轭构成，每个环形定子轭的外端面上均匀布置有多个轭壁，两个相同的环形定子轭没有轭壁的一端固定在一起，且固定后每个环形定子轭上的轭壁交错布置。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

a)由于电枢绕组采用S形异型结构，使其更契合爪极永磁电机的定子铁心的结构，能更好的提高定子铁心绕组槽的利用率，提高爪极永磁电机的槽满率，在相同的电流密度下获得更高的输入电流，从而提高爪极电机的转矩密度和效率。

b)由于本电机结构采用模块化设计，即电机由多个爪极电机模块错开特定角度，沿轴向放置构成，每个爪极电机模块结构相同，在加工制造时只需加工相同结构模块，大大降低生产难度，而且每个爪极电机模块之间相对独立，当某个模块故障时，可独立进行维修，容错能力强，降低了维护难度。

c)本发明中定子轭采用整体的环形结构，机械强度高，同时由于本电机在同端面的相邻两个爪极之间的定子轭上设置了凹槽，在不影响电机稳定性与性能的情况下有效地减小了电机整体重量，节省了制作材料，定子结构重量减轻达30％以上，使得电机的应用场合得到了扩展，并且有利于散热。

d)由于本发明属于横向磁通永磁电机，使其定子各相之间没有耦合，可独立进行分析并且提高了容错性能，从理论上消除了电机设计中电磁负荷由于几何结构的限制而相互牵制的弊端，从而有效的提高电机的转矩密度。

本发明的显著进步是：

本发明充分改进了一般爪极永磁电机的缺点，通过采用S形曲线电枢绕组、永磁***置设置、凹槽的设置使得爪极电机的优点能够更进一步体现，很大程度提高了爪极电机的转矩密度和效率，并且大大减少了爪极电机的重量，使其更能够更灵活地应用在汽车工业领域和航空宇航等领域。

本发明电机结构不限于应用于内转子电机，同时适用于外转子电机。

附图说明

图1为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的单个爪极电机模块的立体结构示意图。

图2为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的单个爪极电机模块的后视图。

图3为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的单个爪极电机模块的左视图。

图4为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的单个爪极电机模块的立体结构示意图。

图5为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的异型电枢绕组示意图。

图6为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的异型电枢绕组左视图。

图7为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的单个爪极电机模块的立体结构剖分图。

图8为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的单个爪极电机模块的定子铁心结构示意图。

图9为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的爪极定子铁心内部磁路示意图。

图10为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的单个爪极电机模块的定子铁心结构示意图。

图11为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的单个爪极电机模块的定子铁心组成部分示意图。

图12为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的爪极电机立体结构示意图。

图13为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的单个爪极电机模块的立体结构示意图。

图14为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的单个爪极电机模块的左视图。

图15为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的单个爪极电机模块的定子铁心组成部分示意图。

图16为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的单个爪极电机模块的立体结构示意图。

图17为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的单个爪极电机模块的立体结构后视图。

图18为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的永磁体立体结构示意图。

图19为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的功率因数曲线图。

图20为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的转矩曲线图。

图21为本发明新型高功率密度爪极永磁电机一种实施例的磁链曲线图。

其中1-定子铁心；2-异型电枢绕组；3-转子铁心；4-永磁体；5-定子轭；6-爪极；7-空腔。

具体实施方式

下面结合附图以实施例对本发明做进一步的解释说明，但并不以此构成对本发明保护范围的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“轴向”、“横向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的技术人员，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明一种新型高功率密度爪极永磁电机由多个单相爪极电机模块构成，相邻爪极电机模块沿轴向偏移特定角度，每个爪极电机模块为单定子单转子结构；包括转子铁心3、永磁体4、定子铁心1与异型电枢绕组2；定子铁心与异型电枢绕组共同构成定子，

所述异型电枢绕组采用全局环型绕组结构，形状沿周向为S曲线形，整体呈圆环状；所述定子铁心具有圆环状的定子轭，定子轭的环形圆周的前后端面上交错分布有多个轭壁，多个轭壁沿圆周方向在其所在定子轭端面上均匀分布；每个轭壁上均连接有一个爪极，相邻的前爪极和后爪极的爪部相对；多个爪极及定子轭围成容纳异型电枢绕组的定子空腔；

所述转子铁心与爪极相邻的圆环侧面上，沿圆周方向均匀分布有多个永磁体；所述永磁体沿电机周向进行充磁，且相邻永磁体充磁方向相反，永磁体的数量与定子铁心上爪极的数量相同，且二者位置相对。

本发明在定子铁心上相邻两个轭壁之间的定子轭上均开设有凹槽，位于前端面的凹槽与位于后端面的爪极位置相对。凹槽的形状可以为半圆形、半椭圆形、多边形(矩形、梯形)但不限定为以上类型。定子部分上定子轭上的凹槽设计，在不影响电机性能与稳定性的前提下，大大降低了电机的重量，节省了材料。

本发明一种新型高功率密度爪极永磁电机在定子铁心结构和异型电枢绕组两个方面优化改进后，相较于改进前，在功率因数方面体现出明显的进步(参见图19)同时在平均转矩方面相较于改进前设计也体现出明显进步(参见图20)。

所述转子铁心由硅钢片或软磁复合材料制成，转子结构简单，转子铁心为圆环形(参见图1)。

本发明新型高功率密度爪极永磁电机可以由数个单相爪极电机模块沿轴向多层嵌套并偏移特定角度形成(参见图12)。各个爪极电机模块所偏移的角度根据不同的极对数和不同的相数而不一样，以能形成对称的运行状态为准(单相爪极电机模块的转矩不平稳，所以需要多个单相爪极电机模块形成对称运行使得转矩平稳)。极对数指的是转子的极数，相数指的是轴向排列的模块数量，偏移的角度为360°/N_Pm,其中N_p为极对数，m为相数。

本发明中所述永磁体采用铁氧体材料或者钕铁硼材料或其他永磁材料制成。

本发明爪极永磁电机的工作原理及过程是：电机运转时，定子静止，转子沿轴向旋转。磁力线沿永磁体N极出发，穿过气隙与爪极，进入相邻定子轭圆弧连接段，再穿过相邻爪极，之后穿过气隙，进入永磁体S极(参见图9)，由于该磁路通过通以变化电流的环形绕组，故电机把电能转换为机械能做功。

本发明中所述定子铁心采用SMC定子铁心模块制成，SMC定子铁心模块可以向厂家定制也可以自己采用粉末冶金的制造工艺压制或者采用线切割的方法制造。

本发明中所述定子铁心(参见图10)包括两个相同的环形定子轭，两个相同的环形定子轭没有轭壁的一端固定在一起，且固定后每个环形定子轭上的轭壁交错布置。两个相同的环形定子轭(参见图11)通过一定方式固连在一起，固定方式主要包括胶粘，或者锚、夹的方式。在制作的时候定子铁心是单面有爪极的，然后单相爪极电机模块的定子铁心是由两个这样的定子铁心相对如图装在一起的。本发明中S曲线异型电枢绕组嵌入时主要考虑到空间位置的利用以及优化设计的结果，以提高槽满率、转矩密度和效率。

实施例1

本实施例新型高功率密度爪极永磁电机，为内转子电机，由多个爪极电机模块组成，相邻两个爪极电机模块之间沿轴向侧偏移特定角度，每个爪极电机模块均为单定子单转子结构，包括转子铁心、定子铁心、永磁体、异型电枢绕组(参见图4)。

定子包括定子铁心(参见图8)与异型电枢绕组(参见图5)两部分，异型电枢绕组呈S曲线形设置于定子铁心的空腔内，所述定子铁心具有圆环状的定子轭，定子轭的环形圆周的前后端面上交错分布有多个轭壁，多个轭壁沿圆周方向在其所在定子轭端面上均匀分布；每个轭壁上均连接有一个爪极，相邻的前爪极和后爪极的爪部相对；多个爪极及定子轭围成容纳异型电枢绕组的定子空腔7；

永磁体在转子铁心上沿周向交替排列，永磁体的数量与定子铁心上爪极的数量相同，且永磁体在转子铁心上位置的设置也与定子铁心上爪极所在位置对应。

所述定子铁心上，相邻两个轭壁之间的定子轭圆弧段上开设有梯形凹槽，位置沿轴向与相对面的爪极相对。

永磁体沿电机周向进行充磁，且相邻永磁体充磁方向相反。

所述永磁体采用铁氧体或者钕铁硼材料制成，所述转子铁心由硅钢片制成，为圆环形。

新型高功率密度爪极永磁电机结构基本参数

为了突显本申请的优点，对本实施例电机进行相应的性能试验测试，根据电机的设计要求，采用电机常用的设计方法场路结合法确定电机电磁方案，使用电机磁路法设计模块RMxprt对电机进行建模和分析，完成了电机磁路的优化设计。使用电磁场有限元模块Maxwell2D对电机的静态场和瞬态场分别进行有限元仿真分析，图19中的prototype曲线代表的是按照本实施例的电机结构及相关参数，将S曲线形绕组变成普通的环形绕组后的功率因数曲线。图19中的curvetype曲线代表的是本实施例电机的功率因数曲线，从图19中可以看出本申请在功率因数方面体现出明显的进步。同时考察两种电机的平均转矩变化，图20中为两个电机在平均转矩方面变化的对比图，从图20中可以看出本实施例电机的平均转矩由于普通环形绕组电机形式。

图21中的curvetype曲线代表的是本实施例电机(即具有梯形凹槽、S曲线形绕组)的电机本体性能与稳定性的磁链曲线，图21中prototype曲线代表的是按照本实施例电机结构进行设置但无梯形凹槽的S曲线形绕组的电机本体性能与稳定性的磁链曲线，从图21中可以看出这种凹槽设计对电机本体性能与稳定性的影响很小，可以通过设置凹槽来实现保证电机性能的前提下电机重量的减轻。

实施例2

本实施例新型高功率密度爪极永磁电机各部分结构同实施例1，不同之处在于，本实施例电机中弧形槽的形状为圆弧形(参见图15)。

实施例3

本实施例新型高功率密度爪极永磁电机为外转子电机(参见图16-17)，整体结构同实施例1，不同之处在于转子内径大于定子铁心的外径，定子铁心中心设有轴孔，用于多个爪极电机模块安装固定。定子铁心具有定子轭，定子轭为环形，径向厚度较厚，定子轭前后端面上均布置多个轭壁，前端面上的轭壁与后端面上的轭壁交错布置，轭壁呈放射状远离定子轭环形中心，每个轭壁上固定爪极，前后端面上相邻的两个爪极的爪部相对设置，即均朝向定子空腔，呈S形曲线异型电枢绕组设置于定子铁心的定子空腔内。转子的径向厚度较薄，转子的内径壁面内沿圆周方向均匀布置多个永磁体，永磁体的面积大于爪极的爪部面积，前后端面上爪极的总数量与转子铁心上永磁体的数量保持一致。转子铁心的外径圆侧面安装电机轴。

所述转子铁心采用软磁复合材料制成。

所述永磁体采用钕铁硼材料制成，沿电机周向进行充磁，且相邻永磁体充磁方向相反。

虽然本发明已经结合其具体实施方式进行了描述，但是应该理解，本发明能够进行进一步变型。本申请意图覆盖总体上根据本发明的任何变型、用途或对本发明作出的改变，包括诸如落入本发明所属技术领域内的已知或惯常实践中的那些与这里公开内容不同的方案以及诸如可以应用于前面提出的基本特征的那些方案。

因为本发明可以以若干形式实施而不脱离本发明基本特征的精神，所以应该明白，除非具体声明，上面描述的实施方式不是用来限制本发明，而是应该在所附权利要求书中限定的本发明精神和范围内广义理解。所描述的实施方式应该在所有方面都被认为只是解释性的，而不是限制性的。

各种变型和等同布置意图被包括在本发明和所附权利要求书的精神和范围内。因此，具体实施方式应被理解为可以实践本发明原理的多种方式的示意性解释。在后面的权利要求书中，装置加功能条款意图覆盖执行所限定功能的结构，以及不仅是结构上等同物还有等同结构。

本发明未述及之处适用于现有技术。