本發(fā)明屬于永磁電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種轉(zhuǎn)子、定子及多工作諧波永磁電機(jī)。

背景技術(shù)：

電機(jī)，作為一種實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量或信號變換的電磁裝置，大到單機(jī)容量1200兆瓦的水輪發(fā)電機(jī)，小至幾微瓦的微特電機(jī)，廣泛應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)的方方面面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國，超過60％的年發(fā)電量被各種各樣的電動機(jī)所消耗，轉(zhuǎn)換為機(jī)械動力。而從19世紀(jì)20年代人類第一臺電機(jī)誕生至今，電機(jī)已有了近兩百年發(fā)展歷史，電機(jī)工業(yè)已成為支撐人類現(xiàn)代社會不可或缺的工業(yè)門類。

20世紀(jì)80年代第三代高性能稀土永磁材料的研制成功，為電機(jī)行業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。永磁勵(lì)磁方式的引入，特別是高磁能積稀土永磁材料的應(yīng)用，省去了勵(lì)磁繞組和電刷、滑環(huán)，使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡單；而且，高磁能積稀土永磁材料相比于勵(lì)磁繞組具有更大的電機(jī)氣隙磁密，使同等功率下電機(jī)體積更小，功率質(zhì)量比更高；同時(shí)，沒有勵(lì)磁繞組，省去了勵(lì)磁損耗，電機(jī)效率得到進(jìn)一步提高。

另外，永磁電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣，近年來，也有許許多多不同結(jié)構(gòu)的新型永磁電機(jī)被不斷提出，比如，永磁開關(guān)磁鏈電機(jī)、磁通反向電機(jī)、游標(biāo)永磁電機(jī)、雙機(jī)械端口電機(jī)等，這些不同種類的電機(jī)無不是基于最基本的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理來工作的。

根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，定子和轉(zhuǎn)子的磁場相互作用產(chǎn)生穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩必須同時(shí)滿足三個(gè)條件：1.定子和轉(zhuǎn)子的磁場極對數(shù)相等；2.定子和轉(zhuǎn)子的磁場旋轉(zhuǎn)速度與方向均相同即相對靜止；3.定子和轉(zhuǎn)子的磁場間軸線不能共線。無論是傳統(tǒng)的異步電機(jī)和同步電機(jī)，以及后續(xù)提出的各種新型電機(jī)，勵(lì)磁磁場和電樞磁場無論是利用永磁體產(chǎn)生的還是利用電流產(chǎn)生的，無不是基于此而工作的。

在上述條件中，極對數(shù)是指磁場磁密波形呈正弦分布時(shí)，波峰或波谷的個(gè)數(shù)，它實(shí)際上是通過對電機(jī)氣隙中的磁場進(jìn)行傅里葉分解得到的，實(shí)際的波形存在各種諧波，每一個(gè)諧波都對應(yīng)一個(gè)極對數(shù)。通常永磁電機(jī)只有一個(gè)極對數(shù)的磁場諧波幅值較高，可以加以利用，所以把它稱作工作諧波，也叫基波或主波，而其它幅值較小的就稱作非工作諧波。非工作諧波的極對數(shù)與工作諧波的極對數(shù)之比稱作諧波次數(shù)，而工作諧波對應(yīng)的極對數(shù)稱作電機(jī)的極對數(shù)。

在輸出功率不變的情況下，電機(jī)的極對數(shù)越大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越低，但它的轉(zhuǎn)矩就越大。所以在選用或設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，都是先考慮負(fù)載需要多大的起動轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)轉(zhuǎn)矩確定轉(zhuǎn)速，最后由轉(zhuǎn)速確定極對數(shù)。

電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速與極對數(shù)的關(guān)系如下：

其中，f為電流頻率，單位為hz；

n為轉(zhuǎn)速，單位為r/min

p為極對數(shù)。

根據(jù)上式，已知電機(jī)工作的電流頻率f及需要達(dá)到的轉(zhuǎn)速n，則可以求解出極對數(shù)p，進(jìn)而確定應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)具有p對n極和s極的轉(zhuǎn)子(或定子)，再根據(jù)轉(zhuǎn)子(或定子)的磁極分布確定定子(或轉(zhuǎn)子)的繞組方式，從而完成電機(jī)設(shè)計(jì)。

在永磁電機(jī)中，一般都是直接以永磁體的數(shù)量m作為極數(shù)，相應(yīng)地，永磁體的充磁方向和布置情況決定了n極和s極的布置。n極和s極總數(shù)為m個(gè)，則極對數(shù)p＝m/2。

請參照圖1(a)，圖1(a)所示電機(jī)是目前常見的一種按照上述原理設(shè)計(jì)的永磁電機(jī)，其包括定子a、轉(zhuǎn)子鐵芯b以及沿轉(zhuǎn)子鐵芯b的圓周均勻分布的5對極性相反的永磁體c，其極對數(shù)與磁密幅值分布圖如圖1(b)所示。其由尺寸完全相同、僅充磁方向不同的10塊永磁體c構(gòu)成5對n極與s極，故極對數(shù)為5。永磁體c均勻分布在轉(zhuǎn)子鐵芯b表面，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生5對極磁場，與定子a上的繞組產(chǎn)生的5對極工作諧波相互作用，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。

由于上述方案所有永磁體尺寸一致，5對極處對應(yīng)的氣隙磁場磁密波形更接近方波，使得圖1(a)的永磁電機(jī)氣隙磁密非工作諧波數(shù)量較多，反電勢正弦度較差，造成轉(zhuǎn)矩波動較大，輸出不穩(wěn)定。理論上，最理想的狀態(tài)應(yīng)該是只有工作諧波，而沒有非工作諧波，但是實(shí)際上非工作諧波難以完全消除。

現(xiàn)有的一種解決上述問題的方案如圖2(a)，圖2(a)給出了一種改進(jìn)型的永磁電機(jī)，其與圖1(a)的永磁電機(jī)主要區(qū)別在于，將原本一個(gè)磁極的整體永磁體c分割為多個(gè)同極向的小塊永磁體c1～c5，而原磁極的寬度并沒有改變，通過調(diào)節(jié)小塊永磁體c1～c5的寬度來改善其極對數(shù)對應(yīng)的氣隙磁密分布的正弦度，改善后的c1～c5的寬度對應(yīng)的氣隙磁密分布如圖2(b)所示，其極對數(shù)對應(yīng)的工作諧波的整體波形更逼近正弦分布，從而有效抑制非工作諧波分量，降低轉(zhuǎn)矩波動。雖然該方案將原本整塊的永磁體分割為多個(gè)小塊，但仍然需要將分割后的多個(gè)小塊永磁體當(dāng)做一個(gè)整體看待，共同構(gòu)成一個(gè)磁極，因此磁極總數(shù)沒有變化，極對數(shù)也沒有變化，仍然符合上述關(guān)于極數(shù)、極對數(shù)的定義及公式。

但是，受上述傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路限制，上述兩種永磁電機(jī)均只能產(chǎn)生僅有一個(gè)工作諧波的磁場，因此轉(zhuǎn)矩密度及容錯(cuò)性有限。而隨著不同新興行業(yè)的發(fā)展，如電動汽車、工業(yè)機(jī)器人、多電飛機(jī)等，現(xiàn)有電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)已經(jīng)很難滿足要求，如何實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)矩密度、更好的容錯(cuò)性能也成為電機(jī)工程研究的重要方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明旨在提供一種轉(zhuǎn)矩密度更高、容錯(cuò)性能更好的定子、轉(zhuǎn)子及相應(yīng)的永磁電機(jī)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種轉(zhuǎn)子，包括：轉(zhuǎn)子鐵芯、多個(gè)n極、多個(gè)s極；n極和s極沿轉(zhuǎn)子鐵芯的周向交替分布；其中，任意n極包括至少一塊極性為n的永磁體，任意s極包括至少一塊極性為s的永磁體，并且，至少兩個(gè)相鄰的n極和s極的寬度不等。

進(jìn)一步地，至少一個(gè)n極和一個(gè)s極位置關(guān)于轉(zhuǎn)子鐵芯的軸線對稱，且寬度相等。

進(jìn)一步地，將全部n極的永磁體替換為轉(zhuǎn)子鐵芯自身材料，從而使s極與轉(zhuǎn)子鐵芯組成相間分布的交替極結(jié)構(gòu)；或者，將全部s極的永磁體替換為轉(zhuǎn)子鐵芯自身材料，從而使n極與轉(zhuǎn)子鐵芯組成相間分布的交替極結(jié)構(gòu)。

另一方面，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種多工作諧波永磁電機(jī)，包括上述三段中任意一段所述的轉(zhuǎn)子。

進(jìn)一步地，包括定子和多個(gè)調(diào)制塊；多個(gè)調(diào)制塊均勻分布在定子和轉(zhuǎn)子之間，且調(diào)制塊可繞轉(zhuǎn)子軸心旋轉(zhuǎn)，與轉(zhuǎn)子共同構(gòu)成雙機(jī)械輸出端口。

進(jìn)一步地，調(diào)制塊、定子、轉(zhuǎn)子鐵芯的材料均為硅鋼。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種定子，將前述任意一段所述的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子鐵芯替換為定子鐵芯。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種多工作諧波永磁電機(jī)，包括上段所述的定子。

總體而言，本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

通過定子或轉(zhuǎn)子上布置的不等寬磁極，可以使得產(chǎn)生的磁場含有多個(gè)幅值較高的諧波磁場，能夠與永磁電機(jī)的電樞繞組產(chǎn)生的磁場相互作用實(shí)現(xiàn)多部分轉(zhuǎn)矩的疊加，從而提高轉(zhuǎn)矩密度，提升電機(jī)輸出能力，而且可以實(shí)現(xiàn)各諧波磁場在頻率上完全解耦，能顯著提高電機(jī)的容錯(cuò)性能。

附圖說明

圖1(a)為現(xiàn)有技術(shù)中的一種永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1(b)為圖1(a)的磁密幅值分布圖；

圖2(a)為現(xiàn)有技術(shù)中的另一種永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(b)為圖2(a)的磁密幅值調(diào)制示意圖；

圖3(a)為本發(fā)明第一實(shí)施例的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(b)為采用圖3(a)所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(c)為圖3(b)的磁密幅值分布圖；

圖3(d)為采用圖3(a)所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的雙機(jī)械輸出端口永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4(a)為本發(fā)明第二實(shí)施例的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4(b)為采用圖4(a)所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)的磁密幅值分布圖；

圖5(a)為本發(fā)明第三實(shí)施例的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5(b)為圖5(a)的第一種變化形式；

圖5(c)為圖5(b)的第二種變化形式；

圖6(a)為本發(fā)明的第四實(shí)施例的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6(b)為采用圖6(a)所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明第六實(shí)施例的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8(a)為本發(fā)明第五實(shí)施例的定子結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8(b)為采用圖8(a)所示定子結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

1-轉(zhuǎn)子鐵芯，2-n極，3-s極，4-中心軸孔，5-定子鐵芯，6-調(diào)制塊。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明涉及的一些基本原理如下：至少兩個(gè)相鄰的n極和s極的寬度不等，使得一個(gè)定子或轉(zhuǎn)子能產(chǎn)生至少兩個(gè)幅值較高的諧波磁場，都可以作為工作諧波，能夠與永磁電機(jī)的電樞繞組產(chǎn)生的磁場相互作用，實(shí)現(xiàn)多部分轉(zhuǎn)矩的疊加，相當(dāng)于把兩個(gè)不同極對數(shù)的電機(jī)疊加到同一個(gè)電機(jī)里面。因此，本發(fā)明能夠提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的進(jìn)一步提高，而且可以實(shí)現(xiàn)各諧波磁場在頻率上完全解耦，能顯著提高電機(jī)的容錯(cuò)性能。

具體地，如圖3(a)所示，為本發(fā)明的第一實(shí)施例，圖中略去了定子，本實(shí)施例的轉(zhuǎn)子是一種表貼式的內(nèi)轉(zhuǎn)子，包括轉(zhuǎn)子鐵芯1、11個(gè)n極永磁體2以及11個(gè)s極永磁體3。轉(zhuǎn)子鐵芯1內(nèi)部有中心軸孔4，11個(gè)n極永磁體2和11個(gè)s極永磁體3沿圓周交替分布在轉(zhuǎn)子鐵芯1外表面。

本實(shí)施例的永磁體材料可以是鐵氧體、鋁鎳鈷、鋁鐵硼等磁性材料，各磁極均只有一塊永磁體。圖中箭頭分別表示各永磁體的充磁方向，箭頭朝向圓心的永磁體為n極永磁體，箭頭背離圓心的永磁體為s極永磁體。為了便于圖示表達(dá)，本實(shí)施例中各永磁體與其所在磁極的寬度相等。各磁極的寬度(即本實(shí)施例的永磁體寬度)大小從圖3(a)中標(biāo)號3所指的位置開始，沿逆時(shí)針方向依次為15°、15°、21°、9°、27°、3°、30°、3°、27°、9°、21°、15°、15°、21°、9°、27°、3°、30°、3°、27°、9°、21°。

如圖3(b)所示，是應(yīng)用了圖3(a)中轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，其包括轉(zhuǎn)子和定子鐵芯5。轉(zhuǎn)子鐵芯1和定子鐵芯5均由硅鋼片材料疊壓而成，圖3(b)略去了定子鐵芯5上的繞組。其相應(yīng)的氣隙磁密分布如圖3(c)所示。由圖3(c)可知，對于圖3(b)所示的永磁電機(jī)，氣隙中分布著幅值較高且幅值高度相當(dāng)?shù)膬煞N諧波工作磁場，且極對數(shù)分別為1和11，定子上放置相應(yīng)的繞組即可產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩。該實(shí)施例相當(dāng)于將一個(gè)極對數(shù)為1的電機(jī)和一個(gè)極對數(shù)為11的電機(jī)疊加在一起，即一個(gè)電機(jī)同時(shí)具有兩個(gè)極對數(shù)，不能再像圖1(a)、圖2(a)方式那樣將直接將永磁體的對數(shù)作為電機(jī)的極對數(shù)。

并且，從圖3(c)可知，本發(fā)明并沒有像本領(lǐng)域的傳統(tǒng)思維那樣希望將非工作諧波盡可能的抑制或消除，反而將原本領(lǐng)域希望抑制或消除的非工作諧波放大，使其中一個(gè)非工作諧波也成為工作諧波，最終得到了一種同時(shí)具備兩種工作諧波、兩個(gè)極對數(shù)的電機(jī)，為永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)不同于傳統(tǒng)思路的全新方向。

如圖3(d)所示，是另一種應(yīng)用了圖3(a)中轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，其與圖3(b)所示電機(jī)的區(qū)別在于，在定子和轉(zhuǎn)子之間設(shè)有調(diào)制塊6。轉(zhuǎn)子鐵芯1、定子鐵芯5、調(diào)制塊6均由硅鋼材料構(gòu)成，且轉(zhuǎn)子與調(diào)制塊均旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成雙機(jī)械輸出端口，可作為變速傳動裝置用于風(fēng)力發(fā)電、電動汽車等行業(yè)。

如圖4所示，為本發(fā)明的第二實(shí)施例，其與第一實(shí)施例的區(qū)別在于包括7個(gè)s極和7個(gè)n極，寬度的設(shè)計(jì)也與第一實(shí)施例不同。本實(shí)施例的轉(zhuǎn)子也具有兩個(gè)工作諧波，對應(yīng)的極對數(shù)分別為5和7，相當(dāng)于將一個(gè)極對數(shù)為5的電機(jī)和一個(gè)極對數(shù)為7的電機(jī)疊加在一起。在本實(shí)施例中，為了便于說明，各永磁體與其所在磁極的寬度相等。各磁極的寬度(即本實(shí)施例的永磁體寬度)大小從圖3(a)中標(biāo)號3所指的位置開始，沿逆時(shí)針方向依次為30°、30°、32°、13°、13°、32°、30°、30°、30°、32°、13°、13°、32°、30°。

如圖5(a)所示，為本發(fā)明的第三實(shí)施例，其與第一實(shí)施例的區(qū)別在于，包括3個(gè)s極和3個(gè)n極。其中，3個(gè)s極與2個(gè)n極等寬，另外一個(gè)n極與其它5個(gè)磁極的寬度都不相等。本實(shí)施例同樣具有兩個(gè)工作諧波，對應(yīng)的極對數(shù)分別為2和3，相當(dāng)于將一個(gè)極對數(shù)為2的電機(jī)和一個(gè)極對數(shù)為3的電機(jī)疊加在一起。

如圖5(b)所示，為圖5(a)的一種變化形式，其與圖5(a)的區(qū)別在于，永磁體沿周向內(nèi)嵌于轉(zhuǎn)子鐵芯1中。另外，本實(shí)施例的永磁體并沒有互相鄰接，即永磁體的寬度與磁極的寬度并不相等，但磁極的寬度相比于圖5(a)的方案并沒有改變。

如圖5(c)所示，為圖5(b)的一種變化形式，其與圖5(b)的區(qū)別在于，寬度相等的5個(gè)磁極內(nèi)的永磁體均被分割為3小塊，其分割的原理與背景技術(shù)中圖2(a)的原理相同，因此，也可以根據(jù)具體情況分割為其它數(shù)量的小塊。

如圖6(a)所示，為本發(fā)明的第四實(shí)施例，其與第一實(shí)施例的區(qū)別在于，本實(shí)施是一種表貼式外轉(zhuǎn)子，n極和s極沿轉(zhuǎn)子鐵芯1的周向交替分布于轉(zhuǎn)子鐵芯1的內(nèi)表面。

如圖6(b)所示，為應(yīng)用了圖6(a)中轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，其包括轉(zhuǎn)子1和定子鐵芯5。定子鐵芯5布置于轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，定子鐵芯5內(nèi)部設(shè)有中心軸孔4，11個(gè)n極永磁體2和11個(gè)s極永磁體3沿圓周交替分布在轉(zhuǎn)子鐵芯1內(nèi)表面。

如圖7所示，為本發(fā)明的第五實(shí)施例，其與圖3(a)所示的第一實(shí)施例的區(qū)別在于，將圖3(a)中每間隔一塊永磁體換成由轉(zhuǎn)子鐵芯1自身的材料填充，即其中一種相同極性的永磁體全部用轉(zhuǎn)子鐵芯1自身的材料填充。本實(shí)施例被鐵芯自身材料填充替換的是所有n極永磁體。由于轉(zhuǎn)子鐵芯與永磁體材料不同，鐵芯不具有磁性，只是作為磁場的通路。在替換n極永磁體后，s極永磁體與轉(zhuǎn)子鐵芯1組成交替極結(jié)構(gòu)，在s極永磁體的磁場作用下，n極并沒有消失，仍然存在于原位置。本實(shí)施例相比于圖3(a)的結(jié)構(gòu)，能夠省去一半數(shù)量的永磁體，且使用該轉(zhuǎn)子的電機(jī)仍能得到如圖3(b)所示的工作諧波分布圖，即仍能使一個(gè)電機(jī)具有多個(gè)工作諧波。

如圖8(a)所示，為本發(fā)明的第六實(shí)施例，是一種表貼式外定子，其與圖6(a)所示的第一實(shí)施例的區(qū)別在于，將圖6(a)的外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子鐵芯1替換為外定子的定子鐵芯5，n極永磁體和s極永磁體的布置方式不變。

如圖8(b)所示，為應(yīng)用了圖8(a)所示定子的永磁電機(jī)，其轉(zhuǎn)子鐵芯1只由硅鋼片疊壓而成，且為凸極結(jié)構(gòu)，內(nèi)部開有中心軸孔4，n極永磁體和s極永磁體沿圓周分布在定子鐵芯5的內(nèi)表面。

在其他實(shí)施例中(未圖示)，電機(jī)定子繞組可以采用疊繞組、分?jǐn)?shù)槽集中繞組或雙波起動繞組。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)在于至少有兩個(gè)相鄰的n極和s極不等寬，通過磁極以及各磁極的永磁體的具體參數(shù)的設(shè)置，可以在一個(gè)電機(jī)上產(chǎn)生兩個(gè)甚至更多的工作諧波。而永磁體構(gòu)成的磁極具體設(shè)置在定子上還是轉(zhuǎn)子上并不影響發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)。因此，在保證上述磁極布置方式的前提下，上述所有實(shí)施例中的轉(zhuǎn)子與定子均可以互換。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。