CN101494395A - 定子内永磁电机 - Google Patents

Abstract

一种定子内永磁电机将永磁体和电枢绕组置于定子上，便于对电枢绕组、定子铁心和永磁体进行冷却设计，定子极靴使电机定、转子极正对时气隙处的磁感应强度大为减小，从而降低了永磁电机的定位力矩和转矩脉动，另一方面可适当提高电机气隙处的磁感应强度，增加电枢绕组匝链的磁链，从而增大电机的功率。永磁体(4)内嵌于电机的定子(1)，永磁体(4)外侧有附加气隙(9)，永磁体(4)内侧有铁心连接桥(8)，定子冲片通过铁心连接桥(8)成为一个整体；定子极(11)和气隙(10)交界面具有极靴(7)，使定子槽(5)和气隙(10)交界处形成很小的槽开口(6)，转子(2)为凸极结构，若干凸极在转子上均匀分布，电机转子无绕组、无永磁、无电刷和滑环。

Description

定子内永磁电机

技术领域

本发明是关于一种定子永磁无刷电机结构的设计技术，属于电机设计的技术领域。

背景技术

与电励磁电机相比，永磁电机尤其是稀土永磁电机，具有结构简单、运行可靠、功率密度高和效率高的优点，因而应用范围及其广泛，几乎遍及国防、航空航天、工农业生产和日常生活的各个领域。一般永磁电机把永磁体置于转子表面或者内部，由于电机的转子不易散热，转子上的过高温升可能会造成安装于转子上的永磁体产生不可逆退磁。近年来，出现了一类将永磁体置于定子上的永磁电机，主要包括双凸极永磁电机(Doubly salient permanentmagnet machine，DSPM machine)、磁通切换永磁电机(Flux switching permanent magnetmachine，FSPM machine)以及磁通反向电机(Flux reversal machine，FRM)，这类电机都采用了定、转子双凸极的结构，因此，电机一方面保留了开关磁阻电机的主要优点，同时又克服了开关磁阻电机功率密度、效率和功率因数较低的缺点。这类将永磁体和电枢绕组均置于定子侧的电机，是一种与传统转子永磁型电机不同结构的定子永磁型电机，这类电机既有和开关磁阻电机相同的简单凸极转子，又可根据需要设置冷却介质，用以对电枢绕组和永磁体同时进行冷却散热，从而提高了电机稳定运行的可靠性和降低成本。

和开关磁阻电机相类似，双凸极结构的定子永磁型电机运行中会产生较大的转矩脉动和振动，特别是为了提高电机的功率密度，定子永磁型电机的气隙处磁感应强度设计得比较高，从而在凸极定子和凸极转子之间产生比传统转子永磁型电机大得多的定位转矩和转矩脉动，运行中产生较大噪声和振动，限制了电机的推广使用；其次，为了与传统转子永磁型电机如永磁同步电机、无刷直流电机相竞争，还有必要进一步提高电机的功率密度。

发明内容

技术问题：本发明提出了永磁体内嵌于定子上，转子为凸极的永磁电机的结构。一方面电机采用的简单凸极转子具有结构简单、牢固、适合高速运行的优点，另一方面定子上内置永磁体，电枢绕组嵌放于定子槽内，气隙和定子槽的交界处适当留有用于嵌线的槽口，这个结构安排使得电机气隙面可以用于产生工作转矩的区域增大，提高电机的输出功率，同时可以适当降低气隙磁场的磁密，从而减小凸极效应，降低电机的转矩脉动。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：永磁体内嵌于电机的定子，永磁体外侧有附加气隙，永磁体内侧有铁心连接桥，定子冲片通过铁心连接桥成为一个整体；定子极和气隙交界面具有极靴，使定子槽和气隙交界处形成很小的槽开口，槽开口尺寸为满足电枢绕组嵌线之需，为2-3倍单股导线直径；转子为凸极结构，若干凸极在转子上均匀分布，电机转子无绕组、无永磁、无电刷和滑环。

电枢绕组为集中式绕组，每个定子极套有一个线圈，线圈的两边分别位于定子极两侧的定子槽内，每个定子槽内有两个线圈的边，线圈数量和定子极数相等；对三相电机，将面对面定子极上的两个线圈串联起来组成一相电枢绕组；对单相电机，所有线圈顺向串联起来组成单相电枢绕组。

单相电机的定子极数和转子极数相等，三相电机为定子6极和转子5极或为此整数倍。

在本发明中：所述的定子内永磁电机，永磁体具有接近于真空的低磁导率，因而具有很强的隔磁作用，当转子旋转时，转子的凸极将会引起定、转子之间气隙处的磁阻发生周期性的变化，从而引起气隙磁场分布的周期变化。定子内永磁电机巧妙利用了永磁体的隔磁作用来设计电机内部磁路，使气隙磁场的周期变化在电枢绕组匝链的磁链变化最大化，从而产生感应电势和电磁转矩。

在本发明中：所述的定子内永磁电机，定子槽开口尺寸的设计只需满足电枢绕组嵌线的要求，实际取2-3倍于单股导线直径。一个小的定子槽开口使得相同永磁磁通在气隙处形成较小的磁感应强度(定转子极正对时)，从而改善电机的定位力矩和由其引起的转矩脉动及振动；适当提高气隙的磁感应强度，可以增加电枢绕组匝链的磁链，增大电机的输出功率。

在本发明中：所述的定子内永磁电机，永磁体位于静止不动的定子内部，便于采用空气、水、油等不同介质进行冷却设计，可同时对位于定子槽内的电枢绕组、定子铁心和永磁体冷却，防止高温引起永磁体的不可逆退磁；电机设计时可根据不同的冷却条件来选取电机的热负荷参数，最大程度上拓展电机的功率输出。

有益效果：

1、永磁体位于定子内部，永磁体内侧的铁心连接桥使电机定子铁心保持为一个整体，方便电机制造和提高电机定子刚性度；永磁体、电枢绕组都位于静止不动的定子，便于采用空气、水、油等不同介质进行冷却设计，同时对位于定子槽内的电枢绕组、定子铁心和永磁体冷却，电机设计时可根据良好的冷却条件选取更高的热负荷，提高电机的单位体积功率输出。

2、电枢绕组为集中式绕组，端部端，铜耗低，制作嵌线方便。

3、定子极与气隙交界处具有极靴，使安放定子绕组的定子槽在气隙交界处收缩成为很小的槽开口，一方面可以减小电机的齿顶气隙的磁感应强度，降低永磁电机的定位力矩和转矩脉动，另一方面通过适当提高电机气隙的磁感应强度，增加电枢绕组匝链的磁链，从而增大电机的功率。

4、转子为极其简单的凸极结构，无绕组、无电刷、无永磁，转动惯量小，适用于高速、高动态响应、高可靠性的场合。

附图说明

图1是本发明三相定子内永磁电机的纵截面图，其中有：定子1，转子2，电枢绕组3，永磁体4，定子槽5，定子槽开口6，极靴7，铁心连接桥8，附加气隙9，气隙10，定子极11。

图2是本发明单相定子内永磁电机的纵截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为一台三相定子6极/转子5极定子内永磁电机的截面图。定子1上有6个均匀分布的定子极11，定子极11和气隙10交界处有极靴7，使定子槽5与气隙10交界处形成很小的槽开口6；永磁体4内嵌于定子1上，永磁体4外侧为附加气隙9，起着隔磁的作用，永磁体4内侧为铁心连接桥8，铁心连接桥8的存在使得定子冲片连接为一个整体；转子2上有5个均匀分布的凸极；用厚度为0.5mm的硅钢片按图1所示的形状冲成定子冲片和转子冲片，用足够的冲片叠压成定子铁心和转子铁心；在每个定子极11上套一个线圈，将面对面定子极11的2个线圈串联起来构成一相绕组，6个定子极11上的线圈共组成三相电枢绕组。

图2为单相定子6极/转子6极定子内永磁电机的截面图。定子1上有6个均匀分布的定子极11，定子极顶有极靴7，定子槽与气隙交界处为槽开口；永磁体4内嵌于定子上，永磁体4外侧为起隔磁作用的附加气隙9，永磁体4内侧为铁心连接桥8，铁心连接桥8使定子冲片成为一个整体；转子2上有6个均匀分布的凸极；在每个定子极11上套一个线圈，将定子极11上的6个线圈串联起来构成单相绕组。

本发明的特征是定子永磁体4内嵌于定子1，定子极11与气隙10交界处具有极靴7，使安放电枢绕组3的定子槽5在气隙交界处形成很小的槽开口，为满足绕组嵌线的需要，该槽开口的尺寸取为导线直径的2-3倍。电枢绕组3为集中式绕组，每一定子极11上安放一个集中绕组。转子2为简单的凸极结构，由硅钢片冲制迭压而成，无绕组、无永磁、无电刷。定子内永磁电机转子旋转可以产生气隙磁阻的周期性变化，从而使电枢绕组匝链的永磁磁链发生周期性变化，该周期性变化的永磁磁链可在电枢绕组中感应出空载反电势，空载气隙磁场是由定子内部的永磁体产生，电枢绕组通入电流之后只是改变了永磁磁链在不同定子极之间的分布，故该电机属于永磁电机范畴。定子内永磁电机的功率密度高、效率高，转子结构简单，转动惯量小，能适用于从低速到高速的宽广速度范围，调速动态响应快，永磁体和电枢绕组均位于定子，故电机的冷却设计较为方便简单，可靠性高，能适应各种恶劣的气候和工作环境。三相电机可以用于宽广变速范围的大输出转矩的驱动系统，如各种类型的电动机车、舰艇、机床等，单相电机适合用于发电机场合，如风力发电机、航空发电机。该电机技术的推广应用，将有力促进我国相关产业的发展。

Claims (3)

1、一种定子内永磁电机，其特征在于永磁体(4)内嵌于电机的定子(1)，永磁体(4)外侧有附加气隙(9)，永磁体(4)内侧有铁心连接桥(8)，定子冲片通过铁心连接桥(8)成为一个整体；定子极(11)和气隙(10)交界面具有极靴(7)，使定子槽(5)和气隙(10)交界处形成很小的槽开口(6)，转子(2)为凸极结构，若干凸极在转子上均匀分布，电机转子无绕组、无永磁、无电刷和滑环。

2、根据权利要求1所述的定子内永磁电机，其特征在于电枢绕组(3)为集中式绕组，每个定子极(11)套有一个线圈，线圈的两边分别位于定子极两侧的定子槽内，每个定子槽内有两个线圈的边，线圈数量和定子极数相等；对三相电机，将面对面定子极上的两个线圈串联起来组成一相电枢绕组；对单相电机，所有线圈顺向串联起来组成单相电枢绕组。

3、根据权利要求1所述的定子内永磁电机，其特征在于单相电机的定子极数和转子极数相等，三相电机为定子6极和转子5极或为此整数倍。

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