一种多谐波励磁型弧线永磁同步电机

摘要

本公开公开一种多谐波励磁型弧线永磁同步电机，该弧线永磁同步电机包括转子和定子这两个部分；转子由转子轭、转子齿和转轴这三部分组成；定子部分由三个定子单元组成，其中每个定子单元均由定子轭、定子齿、电枢绕组、辅助齿、永磁体和调磁块组成；三个定子单元沿圆周均匀分布在转子部分的外面；每个定子单元和转子均组成一个弧线永磁单元电机。在每个定子单元的定子齿的顶部表贴有永磁体和调磁块所组成的阵列，该阵列呈“铁‑磁北极‑磁南极‑铁‑磁南极‑磁北极”分布。该种阵列所产生的磁场在转子齿的调制下，使得电机的气隙存在多种工作谐波，它们均参与转矩的贡献，从而该电机具有高转矩密度的优点。

权利要求

1.一种多谐波励磁型弧线永磁同步电机，包括转子(I)和定子(II)，其特征在于，所述定子(II)包括多个定子单元(III)，所述定子单元(III)包括定子轭(4)和定子齿(5)，定子轭(4)上设有多个定子齿(5)，定子单元(III)沿圆周均匀分布在转子部分(I)的上，定子齿(5)上贴有永磁体(8)和调磁块(9)所组成的阵列，每个所述定子单元(III)的定子齿的顶部表贴有永磁体(8)和调磁块(9)阵列，该永磁体和调磁块阵列呈“铁‑磁北极‑磁南极‑铁‑磁南极‑磁北极”分布，永磁体(8)和调磁块(9)阵列中，相邻最近永磁体(8)的充磁方向相反，两种永磁体(8)的数量及弧长均相等，各有6块；而阵列中的调磁块(9)有两种类型，其中中间调磁块(9)的弧长和永磁体(8)的弧长相等，此类型的调磁块(9)总共有5块；两侧调磁块(9)的弧长为中间调磁块(9)弧长的一半，此类型的调磁块(9)总共有2块。

2.根据权利要求1所述的多谐波励磁型弧线永磁同步电机，其特征在于，所述转子部分(I)包括转子轭(1)、转子齿(2)和转轴(3)这三部分组成，转轴(3)上设有转子轭(2)，转子轭(2)上设有均匀分布的多个转子齿(2)。

3.根据权利要求1所述的多谐波励磁型弧线永磁同步电机，其特征在于，所述的定子(II)由三个定子单元(III)组成，三个定子单元(III)沿圆周均匀分布在转子(I)外面。

4.根据权利要求1所述的多谐波励磁型弧线永磁同步电机，其特征在于，所述定子齿(5)上设有电枢绕组(6)，电枢绕组(6)以非重叠式集中绕组的形式缠绕在定子齿(5)上。

5.根据权利要求1所述的多谐波励磁型弧线永磁同步电机，其特征在于，所述定子轭(4)上设有6个定子齿(5)。

6.根据权利要求1所述的多谐波励磁型弧线永磁同步电机，其特征在于，所述定子单元(III)两侧的设有辅助齿(7)，所述定子单元(III)的各相电枢绕组以串联的形式连接，最终构成了一个完整的三相绕组。

7.根据权利要求1所述的多谐波励磁型弧线永磁同步电机，其特征在于，所述的永磁体(8)的充磁方向有两个，分别为径向向外充磁(N极)和径向向内充磁(S极)。

8.根据权利要求1所述的多谐波励磁型弧线永磁同步电机，其特征在于，所述定子单元(III)之间的位置可以自由移动。

说明书

一种多谐波励磁型弧线永磁同步电机

技术领域

[0001] 本公开属于永磁同步电机领域，具体涉及一种多谐波励磁型弧线永磁同步电机。

背景技术

[0002] 大口径天文望远镜的机架庞大，重量达数百至数千吨，采用蜗轮蜗杆传动、齿轮传动等传统传动方式将存在反向间隙、动态性能不好、机械结构复杂、控制精度不高等缺点。
随着科学技术的进步，采用拼接式弧线电机的直驱方式已经被认为是一种具有良好前景的
解决方案。如欧洲南方天文台的甚大望远镜(8.2m)、西班牙的加那利大型望远镜(10.4m)等
已成功运用拼接式弧线电机的这种直驱方式。国内的中科院天文光学研究所、中科院光电
技术研究所等科研单位也对这种传动方式进行了深入研究。中国专利(专利号：
CN2015102840353.7)公布了一种天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机及控制方
法，该电机结构的转子上分布哈尔巴赫永磁型永磁体，同时定子采用类似“C”型的结构，最
终形成三维气隙，有效提高了转矩密度，同时哈尔巴赫结构可以抑制转矩脉动。中国专利
(申请号：CN201810159260.1)公开了一种非对称双三相弧线永磁同步电机，该电机的定子
采用两种不同的定子模块，形成非对称的弧线结构；转子采用内置式“V”型永磁体排布，聚
磁效应强，能够有效提升主磁通，使得该非对称双三相弧线永磁同步电机具有较高的转矩
密度，较低的转矩脉动，以及良好的运行平稳性、可靠性。但是上述弧线电机均属于转子永
磁型弧线电机，大量的永磁体均位于转子侧，在弧线电机运动的过程中，只有部分的有效永
磁体参与转矩的产生；大部分的永磁体均暴露在空气中，不参与转矩的产生。因此，这类转
子永磁型弧线永磁电机具有较低的永磁体利用率；而且，由于大量的永磁体位于转子侧，使
其具有制造成本高的缺点，在大口径弧线电机上尤为明显。因此，大口径天文望远镜用弧线
电机还存在诸多科学问题亟待解决，如电机转矩密度、永磁体利用率进一步提高，制造成本
进一步减小等。

发明内容

[0003] 针对现有技术的不足，本公开的目的在于提供一种多谐波励磁型弧线永磁同步电机，解决了现有技术中在电机运动的过程中，只有部分的有效永磁体参与转矩的产生。

[0004] 本公开的目的可以通过以下技术方案实现：

[0005] 一种多谐波励磁型弧线永磁同步电机，包括转子和定子两个部分；所述转子由转子轭、转子齿和转轴这三部分组成；定子部分由三个定子单元组成，其中每个定子单元均由
定子轭、定子齿、电枢绕组、辅助齿、永磁体和调磁块组成；三个定子单元沿圆周均匀分布在
转子部分的外面；每个定子单元和转子均组成一个弧线永磁单元电机。在每个定子单元的
定子齿的顶部表贴有永磁体和调磁块所组成的阵列，该阵列呈“铁‑磁北极‑磁南极‑铁‑磁
南极‑磁北极”分布。

[0006] 作为进一步的优选方案，所述转子轭和转子齿均由导磁性能好的硅钢片压制而成，整个转子上均匀分布55个转子齿，从而形成55对极。

[0007] 作为进一步的优选方案，所述定子部分由三个定子单元组成，三个定子单元沿圆周均匀分布在转子外面。

[0008] 作为进一步的优选方案，所述定子单元上的6个电枢绕组以非重叠式集中绕组的形式缠绕在6个定子齿上；定子单元两侧的2个辅助齿上无电枢绕组；三个单元的各相电枢
绕组以串联的形式连接，最终构成了一个完整的三相绕组。

[0009] 作为进一步的优选方案，所述定子部分的定子轭、定子齿、辅助齿和调磁块均由导磁性能好的硅钢片压制而成。

[0010] 作为进一步的优选方案，所述永磁体的充磁方向有两个，分别为径向向外充磁(N极)和径向向内充磁(S极)；两种永磁体的材料均为磁能积高的钕铁硼。

[0011] 作为进一步的优选方案，所述定子单元的定子齿的顶部表贴有永磁体和调磁块所组成的阵列，该永磁体和调磁块所组成的阵列呈“铁‑磁北极‑磁南极‑铁‑磁南极‑磁北极”
分布。

[0012] 作为进一步的优选方案，所述永磁体和调磁块所组成阵列中，相邻最近永磁体的充磁方向相反，两种永磁体的数量及弧长均相等，各有6块；而阵列中的调磁块有两种类型，
其中中间调磁块的弧长和永磁体的弧长相等，此类型的调磁块总共有5块；两侧调磁块的弧
长为中间调磁块弧长的一半，此类型的调磁块总共有2块。

[0013] 作为进一步的优选方案，所述定子单元(III)之间的位置可以自由移动。

[0014] 本公开的有益效果：

[0015] 提高了电机永磁体的利用率。

附图说明

[0016] 为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来
讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0017] 图1为本发明的电机的整体结构示意图；

[0018] 图2为本发明的电机的转子示意图；

[0019] 图3为本发明的电机的一个定子单元(III)示意图；；

[0020] 图4为永磁体和调磁块所组成的阵列结构线性示意图；

[0021] 图5为“铁‑磁北极‑磁南极‑铁‑磁南极‑磁北极”阵列所产生的气隙磁密波形及其谐波分析；

[0022] 图6为“铁‑磁北极‑磁南极‑铁‑磁南极‑磁北极”阵列所产生的气隙磁密经过转子齿调制后的波形及其谐波分析。

具体实施方式

[0023] 下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它
实施例，都属于本公开保护的范围。

[0024] 如图1‑6所示，一种多谐波励磁型弧线永磁同步电机，包括转子部分I和定子部分II；所述转子I由转子轭1、转子齿2和转轴3这三部分组成；转子轭1和转子齿2均由导磁性能
好的硅钢片压制而成，转轴3由不导磁的不锈钢材料组成，整个转子上均匀分布55个转子
齿，从而形成55对极，通过如此设计，转子I仅有转子铁心构成，将转子永磁体移到了定子
侧，这样简单的转子铁心结构仅起到磁路导通以及磁场调制的作用，该转子结构简单、鲁棒
性好、动态性能快，而且有利于永磁体的散热，适用于大口径天文望远镜的驱动控制。

[0025] 所述定子单元III均由定子轭4、定子齿5、电枢绕组6、辅助齿7、永磁体8和调磁块9组成；三个定子单元III沿圆周分布在转子部分I的外面；三个定子单元III的各相电枢绕组
以串联的形式连接，最终构成了一个完整的三相绕组；三个定子单元III之间的位置可以自
由移动，可依据整个电机的三相感应电动势的对称性和平衡性以及空载齿槽转矩的峰峰值
最小来最终确定三个定子单元III之间的最优位置。

[0026] 进一步地，所述三个定子单元III沿圆周均匀分布，三个定子单元III的绕组通过交叉连接方式,通过如此设计，可以很好解决电机因边端效应所引起的转矩脉动，同时定子
单元III两侧的辅助齿7起到引导磁路流通的作用，有效降低了边端效应引起的磁场突变，
从而进一步降低转矩脉动。

[0027] 在一些公开中，所述定子单元III有6个定子齿5和2个辅助齿7；在6个定子齿5上缠绕6个非重叠式集中电枢绕组6，集中式电枢绕组6相比于分布式绕组具有较短的端部长度，
可有效降低绕组的铜损耗，最终提升整个电机的输出效率。位于定子单元III两侧辅助齿7
起到引导磁场沿磁阻小的路径流通的作用，从而有效抑制了因铁心开断所引起的磁场突变
效应，有效抑制了转矩脉动。在本发明提出的电机中，每个定子单元III和转子均组成一个6
定子槽、11转子极的极槽配合的弧线永磁单元电机，进一步地，该集中绕组还便于加工及缠
绕，实现了整机的模块化研制。

[0028] 在一些公开中，所述永磁体8和调磁块9所组成的阵列结构，在该阵列中，永磁体8、永磁体8和调磁块9交替排列，最终形成“铁‑磁北极‑磁南极‑铁‑磁南极‑磁北极”分布的阵
列；

[0029] 在一些公开中，所述永磁体8安装在定子单元III上，相比于现有的转子永磁型弧线永磁同步电机，其不仅具有较高的永磁体利用率，而且大大节省了整机的永磁体用量，降
低了整机的制造成本，特别是在大口径弧线永磁电机结构上尤为明显。

[0030] 在一些公开中，所述永磁体8和调磁块9所组成的“铁‑磁北极‑磁南极‑铁‑磁南极‑磁北极”分布的阵列，相邻最近永磁体的充磁方向相反，两种永磁体的数量及弧长均相等，
各有6块；而阵列中的调磁块有两种类型，其中中间调磁块的弧长和永磁体的弧长相等，此
类型的调磁块总共有5块；两侧调磁块的弧长为中间调磁块弧长的一半，此类型的调磁块总
共有2块。该阵列使得弧线电机所激励的气隙磁场具有多次谐波，主要为3次、9次和15次谐
波；

[0031] 随着转子的转动，在转子齿的调制下，除了原有的谐波磁密3次、9次和15次谐波外，还调制出了新的气隙磁密谐波2次、8次和14次谐波，如图6所示；这些气隙磁密谐波均为
工作谐波，它们与电枢绕组产生的电枢磁场相互作用，参与机电能量转换，进而产生较大的
输出转矩。此外，弧线电机的永磁体材料采用磁能积高的钕铁硼，能产生更大的磁通量，可
以进一步实现高转矩输出。

[0032] 进一步地本公开的技术方案同样适用于外转子内定子多谐波励磁型弧线永磁同步电机，以上所述仅是本公开的优选实施方式。

[0033] 工作原理

[0034] 通过将永磁体放置在了定子侧，有效提高了永磁体的利用率，大大节省了永磁体的用量，从而降低了制造成本，使本公开的多谐波励磁型弧线永磁同步电机具有较高的转
矩密度，较低的转矩脉动，可应用于大口径天文望远镜等低速大转矩直驱场合。

[0035] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施
例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合
适的方式结合。

[0036] 以上显示和描述了本公开的基本原理、主要特征和本公开的优点。本行业的技术人员应该了解，本公开不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本
公开的原理，在不脱离本公开精神和范围的前提下，本公开还会有各种变化和改进，这些变
化和改进都落入要求保护的本公开范围内。