CN101237167A - 单凸极永磁电机方案 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单凸极永磁电机方案，其特征是定子保留普通磁阻电机常用的凸极结构；转子铁芯沿气隙圆周方向依次镶嵌满永磁体。类似于把普通永磁电机的定子改成凸极式磁阻定子，构成一种新型电机。本发明接合主回路与齿槽偏磁式磁阻电机的偏磁原理，参考了普通永磁电机的永磁转子结构，具有技术先进与工艺性好的特点。由于本发明能把定子线槽和槽口都做得很大，一方面有利于采用绕线机绕线；另一方面，本发明可以采用偏磁电机的多跨距绕组，能成倍减少每槽匝数，铜线消耗量大幅下降。

Description

单凸极永磁电机方案

技术领域：

本发明属于机电领域，特别涉及一种偏磁式磁阻电机的改进，尤其是一种单凸极永磁电机方案。

背景技术：

磁阻电机与普通电机结构基本相同，也包括有定子、转子和支承壳体，而区别在于传统磁阻电机通常是没有永磁体的，利用安装在定子凸极上的激励绕组产生磁场，对凸极转子产生吸力，驱动转子转动。这种电机又称为双凸极电机。

偏磁式磁阻电机在激励磁场成份上下功夫，把产生磁动势的驱动电流直流成份从中剥离，单独采用永磁或励磁方法替代，称作横向偏磁，有效地降低了视在驱动功率，降低了驱动电路成本并使之与其它电机驱动电路相兼容，给磁阻电机的广泛应用创造了一个有利条件。偏磁电机原理的更大贡献，在于证明了在常规反应式磁阻电机基础上，使用永磁励磁的可能性。

齿槽偏磁式磁阻电机，在磁阻电机转子或定子齿槽中嵌入反向偏磁永磁体，称作纵向偏磁，能达到减轻或消除磁阻电机漏磁的目的，大大提高磁阻电机的各项性能指标及单位体积力矩。该种电机在比功率、比力矩方面与常规永磁电机相比已毫不逊色，但工艺性还是不够满意。

近几年获得大批应用的普通永磁电机，其永磁体的表面粘贴、镶嵌技术已相当成熟，其永磁材料的价格不断下降，性能大幅提高，永磁体既可粘在转子表面，也可以镶嵌在转子铁芯内。

发明内容：

本发明是结合偏磁电机、齿槽偏磁电机磁路设计优势，结合永磁电机较成熟的永磁体粘贴、镶嵌工艺技术，目的是发明一种单凸极永磁电机方案。

该发明由于磁钢粘贴或镶嵌在转子上，工艺与普通永磁电机相似；定子保留磁阻电机凸极结构，反电势比磁钢粘贴或镶嵌在定子上的方案大一倍。

本发明方案是这样实现的：

一种单凸极永磁电机方案，由定子、转子、磁钢、轴、轴承、支承壳体构成，其特征是：定子保留普通磁阻电机常用的凸极结构，采用偏磁电机的绕组型式；转子铁芯沿气隙圆周方向依次布满永磁体，永磁体充磁极性方向垂直于气隙表面，相邻永磁体充磁极性相反。

一般磁阻电机定子齿槽宽度高达齿距的50％以上，称为凸极结构，其转子通常也采用凸极，合起来叫双凸极电机结构。本发明用永磁体作为转子极齿，相当于在原来每个齿槽的位置上都加了一新齿，形成隐极转子；只有定子还保留凸极，电机因此称为单凸极结构。采用单凸极结构比通常的双凸极结构，能几倍提高电机的力矩密度，几倍降低力矩脉动，但可能使漏磁也数倍增加；本发明的永磁体在转子气隙面的这种布列方式，既能利用其正、反双向磁动势，产生有源正、负磁导变化，永磁体又几乎不导磁的特性，消除了漏磁，使其力矩不会被可能更大倍数增加的漏磁所削弱。

所述的单凸极永磁电机方案，其特征是：转子铁芯，不用整块金属制作，采用与电机定子相同的铁芯材料、叠片工艺制作。

所述的单凸极永磁电机方案，其特征是：转子铁芯，不用整块金属制作，采用混合型铁芯材料、成型工艺制作。

定子凸极结构使电机旋转时产生磁阻拉力，也使永磁通产生较大脉动，转子铁芯用整块钢磁轭会引发较大涡流，带来附加损耗。近年来电机制造业发展很快，很多材料如非晶态合金等制作的铁芯，以及导磁粉末加塑、加胶、烧结等成型工艺的铁芯制造工艺都被有应用，这些技术也都能为本发明所通用。

所述的单凸极永磁电机方案，其更进一步的技术特征是：转子永磁体用小块磁钢充磁后粘贴在转子铁芯气隙表面。

所述的单凸极永磁电机方案，其更进一步的技术特征是：转子永磁体用小块磁钢充磁后镶嵌在转子铁芯内。

永磁电机转子的各种永磁体安装方法都适用于本发明，就连异步启动、同步运行的永磁电机转子结构也能在此通用。

从以上描述可以看出：在定子齿数不变的条件下，本发明由于转子有效齿数的成倍增加，电机的低速力矩脉动也大幅减小。

本发明结构独特，设计的单凸极永磁电机方案设计合理，利用了常规永磁电机的永磁转子原理与制造技术，既具有永磁偏磁电机的效果，又相当于部分齿槽中镶嵌入永磁体，即齿槽偏磁的结构，达到消除磁阻电机漏磁的目的，还使偏磁电机制造的工艺更加完善。照此原理再进一步推导、发展下去，偏磁电机和永磁电机就合为一体，不分彼此了。

偏磁电机转子采用永磁体粘贴、镶嵌工艺比其他方案，能降低形状加工难度、尺寸精度、相互位置精度等相关技术要求，可以直接粘贴、镶嵌充磁后的永磁体，完全解决整体充磁的各种难题，这种结构还能增加反电动势、减小绕组电感，使之更有利于驱动控制。

与单凸极永磁贴片偏磁式磁阻电机相比，本发明只是把定、转子上的磁钢、凸极的位置互换了，这样掉换后，力矩密度提高了一倍，但由于永磁体改到转子上去了，其安全许可的最高转速就要下降不少。本发明与单凸极永磁贴片偏磁式磁阻电机分别适用于不同场合，本发明更适合工作在中、低速，大力矩场合。

与普通永磁电机相比，凸极结构相当于定子每相邻磁极都被砍掉一个，磁极数少了一倍，永磁转矩下降了，但增加了磁阻转矩，二者相消后，在转子体积不变的条件下转矩密度略有下降；但在采用内转子结构，同样电机外径时，由于凸极形成的线槽大，定子的磁极可以做得矮些，本发明的转子直径可以做得更大，因此力矩密度并不会降低。由于本发明能把定子线槽和槽口都做得很大，一方面有利于采用绕线机绕线；另一方面，本发明可以采用偏磁电机的多跨距绕组，能成倍减少每槽匝数，铜线消耗量下降。

附图说明：

下面结合具体图例对本发明做进一步说明：

图1单凸极三相四极外转子永磁电机示意图

图2单凸极三相二极内转子永磁电机示意图

其中

1-外壳        2-定子铁芯    3-永磁体

4-转子铁芯    5-轴          6-定子支承

具体实施方式：

以下通过具体实例描述单凸极永磁电机的设计方案。

实施例一：单凸极三相四极外转子永磁电机

参照图1，图中内定子铁芯(2)套在定子支承(6)上，定子支承(6)中间有固定轴(5)；转子铁芯(4)装在可转动的外壳(1)上，铁芯内侧粘贴有永磁体(3)。图1电机定子有十二个磁极，分三相，每相四个磁极；转子二十片永磁体，每相邻两片永磁体极性相反排列，充磁方向垂直于气隙表面。

所示电机与常规永磁电机相比，该电机仅是定子磁极少了一半，如果按常规电机原理，该电机应称为二十极电机，但这是磁阻电机，是三相四极电机。从磁阻电机的角度来分析永磁转子，转子永磁体的充磁极性与定子磁极激磁方向相同的，其磁动势相加，等效于负磁阻，这是双凸极磁阻电机的转子凸极做不到的；转子永磁体的充磁极性与定子磁极激磁方向相反的，其磁动势相减，如果永磁磁动势大于定子激磁，不但没有漏磁，还能产生反磁通流过定子，产生附加的永磁反电势，这也是双凸极电机转子的凹槽做不到的效果。因此该电机的各项性能指标都相当高。只要把转子永磁极对数当作双凸极电机的凸极数，用常规双凸极电机定、转子极数的设计规则就能设计定、转子的磁极数。该例等效于定子三相，每相四极；转子十凸极的双凸机电机分布。电机绕组也可按双凸极偏磁式磁阻电机的规则设计，只是每槽匝数比双凸极电机可以少几倍。

为减小矩形永磁体的背磁隙和增加胶粘强度，该电机转子铁芯还开了永磁体定位槽。铁芯加工可采用传统的冲片法，也可用更省材料的卷绕法，还可用特种材料混合成型法。该电机采用三跨距绕组取代单跨集中式绕组时，每槽匝数可降低到一半，很容易用绕线机自动绕线，生产效率很高。

实施例二：单凸极三相二极内转子永磁电机

参照图2，图示为单凸极三相二极内转子永磁电机的示意图，图中引出标记与实施例一相同。图中外定子铁芯(2)装在外壳(1)内，转子铁芯(4)装在转轴(5)上，转子铁芯内镶嵌有永磁体(3)。图2电机定子有六个磁极，分三相，每相两个磁极；转子十片永磁体，每相邻两片永磁体极性相反排列，充磁方向垂直于气隙表面。

该例与例一相比，仅是内、外转子的区别和永磁体在铁芯上的固定方式不同。内转子电机转速快，胶的粘接力就抵抗不了离心力，这种镶嵌结构机械强度相对要好得多。

该电机定子齿槽大，有足够的容线空间，磁极高度可做得较矮，采用三跨距绕组时，每槽匝数比同机座号的普通永磁电机少，转子外径相对较大，虽然平均气隙磁密较小，但功率密度毫不逊色。

Claims (5)

1. 一种单凸极永磁电机方案，由定子、转子、磁钢、轴、轴承、支承壳体构成，其特征是：定子保留普通磁阻电机常用的凸极结构，采用偏磁电机的绕组型式；转子铁芯沿气隙圆周方向依次布满永磁体，永磁体充磁极性方向垂直于气隙表面，相邻永磁体充磁极性相反。

2. 根据权利要求1所述的单凸极永磁电机方案，其特征是：定、转子铁芯不用整块金属制作，采用常规铁芯材料、叠片工艺制作。

3. 根据权利要求1所述的单凸极永磁电机方案，其特征是：定、转子铁芯，不用整块金属制作，采用混合型铁芯材料、成型工艺制作。

4. 根据权利要求1所述的单凸极永磁电机方案，其特征是：转子永磁体用小块磁钢充磁后粘贴在转子铁芯气隙表面。

5. 根据权利要求1所述的单凸极永磁电机方案，其特征是：转子永磁体用小块磁钢充磁后镶嵌在转子铁芯内。

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