一种双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机
阅读说明：本技术 一种双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机 (Permanent magnet reluctance motor with double-stator non-uniform tooth structure ) 是由 孙剑波 杨洋 魏黄丽 甘醇 曲荣海 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机,属于电机领域,所述永磁磁阻电机包括：转轴、内定子、转子、外定子和多个永磁体；内定子设有多个交替均匀分布的第一齿和第二齿；第一齿上均缠绕有线圈通电时产生第一磁场；外定子设有多个交替均匀分布的第三齿和第四齿；第三齿上均缠绕有线圈通电时产生第三磁场；第三磁场与第一磁场方向相反；内定子中,永磁体用于产生第二磁场,第二磁场的方向与第一磁场的方向相同建立内气隙磁场；外定子中,永磁体用于产生第四磁场,第四磁场的方向与第三磁场的方向相同建立外气隙磁场。本发明利用电机内部的空间来产生转矩,且线圈绕在定子的大齿上,线圈端部很短且各相之间无交叠,绕组利用率高。(The invention discloses a permanent magnet reluctance motor with a double-stator non-uniform tooth structure, belonging to the field of motors, and the permanent magnet reluctance motor comprises: the permanent magnet motor comprises a rotating shaft, an inner stator, a rotor, an outer stator and a plurality of permanent magnets; the inner stator is provided with a plurality of first teeth and second teeth which are alternately and uniformly distributed; the first teeth are wound with coils which generate a first magnetic field when being electrified; the outer stator is provided with a plurality of third teeth and fourth teeth which are alternately and uniformly distributed; the third teeth are wound with coils which generate a third magnetic field when being electrified; the third magnetic field is opposite to the first magnetic field; in the inner stator, the permanent magnet is used for generating a second magnetic field, and the direction of the second magnetic field is the same as that of the first magnetic field to establish an inner air gap magnetic field; in the outer stator, the permanent magnet is used for generating a fourth magnetic field, and the direction of the fourth magnetic field is the same as that of the third magnetic field to establish an outer air gap magnetic field. The invention utilizes the space in the motor to generate torque, and the coil is wound on the big teeth of the stator, the end part of the coil is very short, the phases are not overlapped, and the utilization rate of the winding is high.)
技术领域
本发明属于电机领域，更具体地，涉及一种双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机。
背景技术
开关磁阻电机定、转子为双凸极结构，转子无绕组，具有结构简单、成本低、可靠性高、容错能力强、恒功率调速范围宽等优点。但开关磁阻电机的功率密度不如常规永磁电机。为了改善电机的性能，获得更高的转矩性能和功率密度，人们提出了分块转子结构或者加入永磁体辅助构成混合励磁磁阻电机。
目前国际上研究的整距绕组分块转子开关磁阻电机，由于采用全槽分布的定子绕组和圆柱形的分块转子结构，相对于传统的双凸极开关磁阻电机而言，高速运行时风阻大为减小，特有的短磁路结构也使得铁心损耗明显降低，电机性能得到提升。但整距绕组分块转子开关磁阻电机定子各绕组跨越多个定子齿，各相绕组的端部交叠，绕组端部长，降低了绕组的利用率，同时还增加了电机的轴向长度。
混合励磁磁阻电机一般在定子上增加永磁体，在不影响电机可靠性和高速运行性能的前提下，增加平均转矩，降低了铜耗，提升了电机效率。现有技术中电机定子分段结构使得定子空间利用率下降，增加了电机的尺寸，从而降低了电机功率密度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机，其目的在于，在有效提升电机效率和功率密度的同时，避免绕组端部长、定子空间利用率低等问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机，包括：
转轴；
内定子，设置于所述转轴的外侧，设有多个交替均匀分布的第一齿和第二齿，所述第一齿的尺寸大于所述第二齿的尺寸；各个所述第一齿上均缠绕有线圈，各个所述线圈通电时产生的第一磁场的磁场极性相同；
转子，设置于所述内定子的外侧，包括非导磁支架和多个转子铁心分块；多个所述转子铁心分块均匀分布嵌于所述非导磁支架的卡槽内；所述各个转子铁心分块截面为两互相交叠的扇形；
外定子，设置于所述转子的外侧，设有多个交替均匀分布的第三齿和第四齿，所述第三齿的尺寸大于所述第四齿的尺寸；各个所述第三齿上均缠绕有线圈，各个所述线圈通电时产生的第三磁场的磁场极性相同；各个所述第三齿上的绕组产生的第三磁场与各个所述第一齿上的绕组产生的第一磁场方向相反；第三齿与第一齿在圆周上的位置相对应，第四齿与第二齿在圆周上的位置相对应；
多个永磁体，设置于所述内定子和外定子靠近所述转子一侧上的多个卡槽内；内定子中，所述永磁体用于产生第二磁场，相邻永磁体相对面的极性相同，所述第二磁场的磁场方向与所述第一磁场的磁场方向在转子中相同，共同建立内气隙磁场；外定子中，所述永磁体用于产生第四磁场，相邻永磁体相对面的极性相同，所述第四磁场的磁场方向与所述第三磁场的磁场方向在转子中相同，共同建立外气隙磁场。
在其中一个实施例中，当所述永磁磁阻电机为三相电机或四相电机时，所述转子铁心分块的数目为5n，n为正整数。
在其中一个实施例中，当所述永磁磁阻电机为三相电机时，所述内定子的定子齿包括：3n个所述第一齿和3n个所述第二齿；所述外定子的定子齿包括：3n个所述第三齿和3n个所述第四齿；每间隔360°/n的所述线圈属于同一相，同一相的线圈之间可以串联或者并联形成对称三相绕组。
在其中一个实施例中，当所述内定子第一齿的轴线与其正对的转子铁心分块的轴线对齐时，所述定子齿上相应的绕组的电感最小；当所述内定子第一齿的轴线与相邻两转子铁心分块中间不导磁部分的轴线对齐时，所述定子齿上相应的绕组的电感最大。
在其中一个实施例中，当所述永磁磁阻电机为四相电机时，所述定子的定子齿包括：4n个所述第一齿和4n个所述第二齿；每间隔360°/n的所述线圈属于同一相，同一相的线圈之间可以串联或者并联形成对称四相绕组。
在其中一个实施例中，当所述永磁磁阻电机为五相电机时，所述转子铁心分块的数目为6n或8n，n为正整数。
在其中一个实施例中，当所述永磁磁阻电机为五相电机时，所述内定子的定子齿包括：5n个所述第一齿和5n个所述第二齿；所述外定子的定子齿包括：5n个所述第三齿和5n个所述第四齿；每间隔360°/n的所述线圈属于同一相，同一相的线圈之间可以串联或者并联形成对称五相绕组。
在其中一个实施例中，所述永磁体的数目为所述第一齿的数目、所述第二齿的数目、所述第三齿的数目、所述第四齿的数目之和。
在其中一个实施例中，所述转子分块与所述非导磁支架配合在靠近所述内定子以及外定子的一侧形成光滑圆柱面。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明采用双定子结构，相较于传统单定子结构电机，能够充分利用电机内部的空间来产生转矩，电机的转矩密度与功率密度得到提高；在转子中外定子绕组与内定子绕组产生的磁场方向相反，减小了电机的最小电感，电机的转矩得到进一步提高；线圈直接绕在定子的大齿上，绕组端部很短且各相之间无交叠，绕组利用率得到提高；各相之间的磁场耦合度很小，减小了互感对转矩的影响，可靠性和容错性高；在定子槽口嵌入永磁体，提高了电机的平均转矩，提升了电机效率和功率密度，而且不产生齿槽转矩；此外，本电机在空载运行时无铁耗，转子风阻小，在航空航天、飞轮储能、高速风机、高速离心机等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明一实施例中三相24/10极双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机截面图；
图2是本发明一实施例中三相24/10极双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机A相绕组自感最小时的磁力线分布图；
图3是本发明一实施例中三相24/10极双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机A相绕组自感最大时的磁力线分布图；
图4是本发明一实施例中三相24/10极双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机空载时的磁力线分布图。
图5是本发明一实施例中三相24/10极双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机与无永磁体磁阻电机在不同安匝数下的静态转矩对比图。
具体实施方式
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。
本发明提供了一种双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机，包括：
转轴；
内定子，设置于转轴的外侧，设有多个交替均匀分布的第一齿和第二齿，第一齿的尺寸大于第二齿的尺寸；各个第一齿上均缠绕有线圈，各个线圈通电时产生的第一磁场的磁场极性相同；
转子，设置于内定子的外侧，包括非导磁支架和多个转子铁心分块；多个转子铁心分块均匀分布嵌于非导磁支架的卡槽内；各个转子铁心分块截面为两互相交叠的扇形；
外定子，设置于转子的外侧，设有多个交替均匀分布的第三齿和第四齿，第三齿的尺寸大于第四齿的尺寸；各个第三齿上均缠绕有线圈，各个线圈通电时产生的第三磁场的磁场极性相同；各个第三齿上的绕组产生的第三磁场与各个第一齿上的绕组产生的第一磁场方向相反；第三齿与第一齿在圆周上的位置相对应，第四齿与第二齿在圆周上的位置相对应；
多个永磁体，设置于内定子和外定子靠近转子一侧上的多个卡槽内；内定子中，永磁体用于产生第二磁场，相邻永磁体相对面的极性相同，第二磁场的磁场方向与第一磁场的磁场方向在转子中相同，共同建立内气隙磁场；外定子中，永磁体用于产生第四磁场，相邻永磁体相对面的极性相同，第四磁场的磁场方向与第三磁场的磁场方向在转子中相同，共同建立外气隙磁场。
在其中一个实施例中，当永磁磁阻电机为三相电机或四相电机时，转子铁心分块的数目为5n，n为正整数。
在其中一个实施例中，当永磁磁阻电机为三相电机时，内定子的定子齿包括：3n个第一齿和3n个第二齿；外定子的定子齿包括：3n个第三齿和3n个第四齿；每间隔360°/n的线圈属于同一相，同一相的线圈之间可以串联或者并联形成对称三相绕组。
在其中一个实施例中，当内定子第一齿的轴线与其正对的转子铁心分块的轴线对齐时，定子齿上相应的绕组的电感最小；当内定子第一齿的轴线与相邻两转子铁心分块中间不导磁部分的轴线对齐时，定子齿上相应的绕组的电感最大。
在其中一个实施例中，当永磁磁阻电机为四相电机时，定子的定子齿包括：4n个第一齿和4n个第二齿；每间隔360°/n的线圈属于同一相，同一相的线圈之间可以串联或者并联形成对称四相绕组。
在其中一个实施例中，当永磁磁阻电机为五相电机时，转子铁心分块的数目为6n或8n，n为正整数。
在其中一个实施例中，当永磁磁阻电机为五相电机时，内定子的定子齿包括：5n个第一齿和5n个第二齿；外定子的定子齿包括：5n个第三齿和5n个第四齿；每间隔360°/n的线圈属于同一相，同一相的线圈之间可以串联或者并联形成对称五相绕组。
图1是本发明实施例的三相24/10极双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机二维结构示意图，以三相24/10极电机为例进行描述，其中，1是外定子铁心，2是内定子铁心，3是分块转子，4是非导磁的转子支架，5是定子绕组，6是永磁体，7是转轴。电机转子由10个转子铁心分块组成，并嵌入非导磁的转子支架中，转子铁心分块截面为两互相交叠的扇形。电机为双定子结构，内定子与外定子齿数均为12，均包括6个大齿和6个小齿，大齿与小齿相间均匀分布，线圈(定子绕组)仅缠绕在大齿上，小齿的作用是充当磁通的返回路径。在每个内定子槽口与外定子槽口均嵌入一个永磁体，永磁体的N、S极方向已在图1中标示。当相绕组中通入电流时，在内定子铁心中(或外定子铁心中)永磁体与定子大齿上绕组产生的磁链方向相反，共同建立气隙磁场，相当于在绕组产生的励磁基础上并联一个永磁体磁源。定子绕组只跨过1个大齿和小齿，每个定子槽内的所有导体只属于一相绕组，绕组A1、A2、A3、A4与B1、B2、B3、B4与C1、C2、C3、C4分别串联或并联连接为一相，组成三相绕组。
当内定子第一齿的轴线(也即外定子第三齿的轴线)与其正对的转子铁心分块的轴线对齐时，定子齿上相应的定子绕组的自感最小，本发明的三相24/10极双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机定子齿上A相绕组(图1中A1、A2、A3、A4对应处的绕组)自感最小时的磁力线分布图如图2所示；当内定子第一齿的轴线(也即外定子第三齿的轴线)与相邻两转子铁心分块中间不导磁部分的轴线对齐时，定子齿上相应的定子绕组的自感最大，本发明的三相24/10极双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机定子齿上A相绕组(图1中A1、A2、A3、A4对应处的绕组)自感最大时的磁力线分布图如图3。在转子中外定子绕组与内定子绕组产生的磁场方向相反，减小了电机的最小电感，电机的转矩得到进一步提高。各相绕组通过外电路连接并在各相绕组的自感上升期通以电流，磁通经过相邻两个定子齿和其间的定子轭，穿过定、转子间气隙，进入转子组件，形成闭合回路，电机磁动势为永磁体磁动势和电励磁产生的磁动势之和，内定子绕组与外定子绕组均对电机转矩有贡献，从而增加了电机的输出转矩。本发明的三相24/10极双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机空载时的磁力线分布图如图4。本发明的三相24/10极双定子非均匀齿结构的永磁磁阻电机与无永磁体磁阻电机在不同安匝数下的静态转矩对比图如图5，可以看出，绕组中通入的电流越大，永磁体对电机转矩的提升越显著。当电机空载时，电机磁动势由永磁体产生，磁通经过定子和永磁体形成闭合回路，没有经过转子，因此电机在空载时不产生齿槽转矩和铁耗。
在其中一个实施例中，永磁体的数目为第一齿的数目、第二齿的数目、第三齿的数目、第四齿的数目之和。
在其中一个实施例中，转子分块与非导磁支架配合在靠近内定子以及外定子的一侧形成光滑圆柱面。
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。
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