CN101262151B

CN101262151B - 低速大转矩永磁无刷电机的分数槽绕组

Info

Publication number: CN101262151B
Application number: CN2008100895124A
Authority: CN
Inventors: 王玉国; 贾敬东
Original assignee: Beijing Zhong Ke San Huan High Tech Co Ltd
Current assignee: Beijing Zhong Ke San Huan High Tech Co Ltd
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: CN101262151A

Abstract

本发明涉及永磁无刷电机中的分数槽绕组，包括定子铁芯的结构为无槽结构，该绕组的线圈设置在定子铁芯的端面上，与转子上N、S极交替排布的磁极相对应，所述绕组的节距为1槽距，双层叠绕；其特征在于，磁极数P与铁芯槽数Z及相数M和分布数Q满足如下条件：1)当分布数Q为奇数时，铁芯槽数Z＝Q×M×K，磁极数P＝Z±K；其中K为自然数；2)当分布数Q为偶数时，铁芯槽数Z＝Q×M×K，磁极数P＝Z±2K；其中K为自然数。本发明适用各种尺寸和功率等级的低速大转矩永磁无刷电机，由于线圈节距为1槽距，电机绕组的端部长度显著缩短，既节省绕组材料又节能；同时本发明绕组的制作工艺简单，适宜大批量工业化生产，还可以降低永磁体的加工成本。

Description

低速大转矩永磁无刷电机的分数槽绕组

技术领域

本发明属于永磁无刷电机技术领域，具体的说，本发明涉及永磁无刷电机中多相多极的绕组节距为1槽距的分数槽绕组。

背景技术

无刷电机是二十世纪五十年代随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电机，应用范围越来越广，不仅局限在微型高速驱动电机领域，在中小型低速大转矩直接驱动系统中也显露其优良特性。无刷电机的绕组通常采用三相星型绕组，最少的磁极数是2极，对应的槽数最少为6槽，若为4极，则为12槽等等，即槽数通常是磁极的3(相数)倍(叶金虎等：《无刷直流电动机》，科学出版社(第一版)1982.1，pp 17-20)；在低速无刷电机系统中，多数采用多极结构或多相多极结构，实现低速平稳的大转矩输出。但是，随着磁极和相数的增加，一定尺寸的电机槽数就增加几倍，受机械工艺的限制，磁极和相数也不能过多，所以，低速大转矩的特性受到一定的限制。由于传统的分数槽绕组的工艺复杂性，且槽数远大与磁极数，所以分数槽绕组多数在大型水轮发电机中和特殊用途的交流电机中采用，多数电机都不采用。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于无刷电机中的绕组节距为1槽距的分数槽绕组，该分数槽绕组可实现槽数与磁极数相近，可应用于低速大转矩永磁无刷电机中。

为实现上述发明目的，本发明提供的低速大转矩永磁无刷电机的分数槽绕组，所述分数槽绕组的节距为1槽距，双层叠绕，在一个相带内分布Q个串联绕组构成一相绕组，其他相绕组按电机相序依次循环排布；其特征在于，定子铁芯的结构为无槽结构，在所述定子铁芯的端面上均匀分布虚槽，该定子铁芯的无槽端面上粘结分数槽绕组；并且，转子磁极数P、铁芯槽数Z、相数M和在一个相带内分布的串联绕组的个数Q之间满足如下条件：

1)当Q为奇数时，铁芯槽数Z＝Q×M×K，磁极数P＝Z±K；其中Q＝1、3、5、7、9、……，相数M＝2、3、4、5、6、7、8、9、10、……，K为自然数1、2、3、4、5、……；

2)当Q为偶数时，铁芯槽数Z＝Q×M×K，磁极数P＝Z±2K；其中Q＝2、4、6、8、10、……，相数M＝2、3、4、5、6、7、8、9、10、……，K为自然数1、2、3、4、5、……；

其中所述的铁芯槽数为虚槽数。

上述技术方案中，所述的低速大转矩永磁无刷电机的分数槽绕组，所述定子铁芯的无槽端面为圆盘型端面，所述定子铁芯由导磁材料制作。

上述技术方案中，所述的低速大转矩永磁无刷电机的分数槽绕组，可安装在永磁无刷电动机或永磁无刷发电机中。

本发明可以适用各种尺寸和功率等级的低速大转矩永磁无刷电机。由于线圈节距为1槽距，电机绕组的端部长度可以显著缩短，即可以节省绕组材料(同时由于电机轴向长度缩短等又可以节省结构材料)又节能(减少电机铜损耗及附加损耗)；同时绕组的制作工艺简单，可以直接手工嵌绕或自动嵌线机嵌线，适宜大批量工业化生产。对于一定尺寸的永磁无刷电机而言，随着永磁磁极的增多，可使导磁轭磁密降低，减少了用铁量，使电机重量减轻；同时对瓦型(内转子、外转子磁体)永磁体的曲率半径加大，可用长方体代替，降低了永磁体的加工成本。

附图说明

图1是分布数Q＝1时的三相绕组展开图

图中绕组的排布规律是：槽数Z＝Q×M×K(M表示相数即M＝3，K为自然数1、2、3、4、5、6、……)为3、6、9、12、15、18……时，则磁极数P＝Z±K取值为2、4、6、8、10、12……(当取“-”时，为短距)，或取值为4、8、12、16、20、24……(当取“+”时，为长距)

图2是分布数Q＝2时的三相绕组展开图

图中绕组的排布规律是：槽数Z＝Q×M×K(M表示相数即M＝3，K为自然数1、2、3、4、5、6、……)为6、12、18、24、30、36……时，则磁极数P＝Z±2K取值为4、8、12、16、20、24……(当取“-”时，为短距)，或取值为8、16、24、32、40、48……(当取“+”时，为长距)

图3是分布数Q＝3时的三相绕组展开图

图中绕组的排布规律是：槽数Z＝Q×M×K(M表示相数即M＝3，K为自然数1、2、3、4、5、6、……)为9、18、27、36、45、54……时，则磁极数P＝Z±K取值为8、16、24、32、40、48……(当取“-”时，为短距)，或取值为10、20、30、40、50、60……(当取“+”时，为长距)

图4是分布数Q＝4时的三相绕组展开图

图中绕组的排布规律是：槽数Z＝Q×M×K(M表示相数即M＝3，K为自然数1、2、3、4、5……)为12、24、36、48、60……时，则磁极数P＝Z±2K取值为10、20、30、40、50……(当取“-”时，为短距)，或取值为14、28、42、56、70……(当取“+”时，为长距)

图5是电动汽车轮毂电动机局部结构图

图6是永磁风力发电机的局部结构图

图7小功率永磁无槽端面(平面)转子无刷电机绕组表面示意图

具体实施方式

下面以最常见的三相(即M＝3)无刷电机为例说明本发明的永磁磁极数(P)与铁芯槽数(Z)及相数(M)和分布数(Q)的规律(多相电机依次类推)：

当分布数Q为奇数1、3、5、7、9、……时，电机的铁芯槽数Z＝M×Q×K，磁极数P＝Z±K，其中K为自然数1、2、3、4、5、……，磁极数P＝Z+K时为长距绕组，P＝Z-K时为短距绕组。

当M、Q取值确定后，槽数与极数按照一定的规律分布，下面以表格的形式给出几个例子。表1中是M＝3，Q＝1时的槽数与极数的关系，表2中是M＝3，Q＝3时的槽数与极数的关系，表3中是M＝3，Q＝5时的槽数与极数的关系。

表1

表2

表3

同理，当M＝3，Q＝7、9……时，以上述的3个例子类推可以得到相应的槽数与极数的关系。

当分布数Q为偶数2、4、6、8、10、……时，电机的铁芯槽数Z＝M×Q×K，磁极数P＝Z±2K，磁极数P＝Z+2K时为长距绕组，P＝Z-2K时为短距绕组。

当M、Q取值确定后，槽数与极数按照一定的规律分布，下面同样以表格的形式给出几个例子。表4中是M＝3，Q＝2时的槽数与极数的关系，表5中是M＝3，Q＝4时的槽数与极数的关系。

表4

表5

同理，当M＝3，Q＝6、8……时，以上述2个例子类推可以得到相应的槽数与极数的关系。

图1、2、3、4为三相(M＝3时)绕组的不同参数下的展开图，同理可以得出两相(M＝2)、四相(M＝4)、五相(M＝5)等等一系列的绕组展开图，根据电机的设计要求，采用不同的槽数与极数的配合，达到最佳的设计效果。对于无槽结构的无刷电机而言，文中的槽数为虚槽数。

实施例1

电动车用轮毂电机的分数槽绕组

图5为电动汽车轮毂电机局部结构示意图，其中分数槽绕组形式及连接参照图3和表2，该绕组的线圈嵌放在定子铁芯槽中，与转子上N、S极交替排布的磁极相对应，所述绕组的绕组节距为1槽距，双层叠绕，在一个相带内分布3个(即分布数Q＝3)串联绕组构成一相绕组，其他相绕组按电机相序依次循环排布。

本实施例中的磁极数P与铁芯槽数Z及相数M和分布数Q满足条件1)当分布数Q为奇数时，铁芯槽数Z＝Q×M×K，磁极数P＝Z±K；其中Q＝1、3、5、7、9、……，相数M＝2、3、4、5、6、7、8、9、10、……，K为自然数1、2、3、4、5、……。

参考图5，本实施例中内定子铁芯3采用电机用硅钢片叠制而成，在其圆周面上均匀分布有72个槽。永磁磁极2采用钕铁硼长方体磁钢，N、S磁极交替均布，磁极总数为64。外转子机壳1采用导磁材料制作。本实施例中的电机为外转子有槽结构的永磁无刷直流电动机，三相多极的分数槽绕组，低速大转矩直接驱动车轮，最大功率可达20kW，电压：400V，转速800rpm，过载能力3-5倍。

实施例2

风力发电机的分数槽绕组

图6为永磁风力发电机的局部结构示意图，分数槽绕组形式及连接参照图4及表5，该绕组的线圈嵌放在定子铁芯槽中，与转子上N、S极交替排布的磁极相对应，所述绕组的绕组节距为1槽距，双层叠绕，在一个相带内分布4个(即分布数Q＝4)串联绕组构成一相绕组，其他相绕组按电机相序依次循环排布。

本实施例中的磁极数P与铁芯槽数Z及相数M和分布数Q满足条件2)当分布数Q为偶数时，铁芯槽数Z＝Q×M×K，磁极数P＝Z±2K；其中Q＝2、4、6、8、10、……，相数M＝2、3、4、5、6、7、8、9、10、……，K为自然数1、2、3、4、5、……。

如图6所示，本实施例中的内定子铁芯3采用电机用硅钢片叠制而成，在其圆周面上均匀分布有108个槽。永磁磁极2采用钕铁硼长方体磁钢，N、S磁极交替均布，磁极总数为90。外转子机壳1采用导磁材料制作。本实施例中的发电机为有槽结构的外转子永磁无刷风力发电机，三相多极的分数槽绕组，低速直接驱动扇叶，功率1-500kW，转速100rpm。

实施例1和实施例2中的两类外转子电机(电动机、发电机)也很容易实现常规的内转子结构或无槽结构，这是本专业领域的技术人员容易理解的。

实施例3

小功率永磁无槽端面(平面)转子无刷电机

图7小功率永磁无槽端面(平面)转子无刷电机绕组表面示意图，分数槽绕组形式及连接参照图3及表2，内定子铁芯3采用导磁材料制作(圆盘型)，无槽端面上粘接电机绕组，在其圆盘端面上均匀分布36等份，即36个虚槽4，每等份有双层分布的绕组。永磁磁极2采用钕铁硼扇型磁钢，N、S磁极交替均布，磁极总数为32，与磁钢扇面粘接的导磁材料构成电机的转子部件。该电机功率500W，无槽平面结构，虚槽数Z＝36，极数P＝32，三相低速大转距直流无刷电机。

Claims

1.一种低速大转矩永磁无刷电机的分数槽绕组，所述分数槽绕组的绕组节距为1槽距，双层叠绕，在一个相带内分布Q个串联绕组构成一相绕组，其他相绕组按电机相序依次循环排布；其特征在于，定子铁芯的结构为无槽结构，在所述定子铁芯的端面上均匀分布虚槽，该定子铁芯的无槽端面上粘结分数槽绕组；并且转子磁极数P、铁芯槽数Z、相数M和在一个相带内分布的串联绕组的个数Q之间满足如下条件：

其中所述的铁芯槽数为虚槽数。

2.按权利要求1所述的低速大转矩永磁无刷电机的分数槽绕组，其特征在于，所述的定子铁芯的无槽端面为圆盘型端面。

3.按权利要求1所述的低速大转矩永磁无刷电机的分数槽绕组，其特征在于，所述的定子铁芯由导磁材料制作。

4.按权利要求1所述的低速大转矩永磁无刷电机的分数槽绕组，其特征在于，所述分数槽绕组安装在永磁无刷电动机或永磁无刷发电机中。