CN101651371B - 带辅助凸极的定子表面贴装式双凸极永磁电机 - Google Patents

Abstract

带辅助凸极的表面贴装式双凸极永磁电机是一种结构简单、坚固，具有恒功率宽调速运行范围和较高功率密度的电机，包括定子(1)和转子(5)，转子(5)位于定子(1)的内部或外部，定子(1)和转子(5)都为双凸极结构，在定子(1)上设置有集中绕组(3)、永磁体(2)和辅助凸极(4)；其中，集中绕组(3)的任何一相的每个集中绕组线圈均位于定子(1)铁心槽中，且每相绕组线圈可串联或并联连接；永磁体(2)位于定子(1)的凸极上，每个定子齿面向气隙的外表面贴装两块永磁体(2)，且同一个齿下面的两块磁钢极性相同，相邻定子齿下面的磁钢磁性相反。

Description

带辅助凸极的定子表面贴装式双凸极永磁电机

技术领域

本发明是一种结构简单、坚固，具有恒功率宽调速运行范围和较高功率密度的电机，涉及电机制造的技术领域。

背景技术

我国作为世界上稀土材料储藏量最大的国家，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种新型永磁电机，具有重要的理论意义和应用价值。无论作发电还是电动运行，具有高效率、大转矩(功率)密度和低损耗等特点的新型永磁电机正呈现出加速发展的趋势。过去十多年来研究热点一直集中于以表面贴装式、插入式和内嵌式为代表的转子永磁型电机。然而，将永磁体放置于转子的电机类型在设计和运行过程中都会产成一系列问题，集中体现为以下五点：1.对永磁体粘贴在转子表面或插入转子凸极之间的结构，为了克服高速运行所产生的离心力影响，通常需要制作辅助的永磁体固定装置，增加了工艺；并且永磁体处于定子和转子之间，加大了有效气隙长度，既增加了电机体积，又减弱了气隙磁密，限制出力；2.对永磁体埋入转子铁心内部的内嵌式结构，会影响转子的机械强度，并且需要辅助磁桥，同样会增加制作工艺和成本；3.永磁体置于转子，不利于该类型电机的冷却，为了散热往往需要进行特殊的风路或其它冷却方式设计；4.目前广泛采用的磁钢都是居里温度较低的钕铁硼，受温升影响导致永磁电机存在一定的退磁甚至完全失磁风险。对于转子永磁型结构，若利用定子电枢绕组对转子磁钢进行在线充磁，定子电枢绕组磁势需要经过气隙磁阻，导致充磁成本增加甚至不可行；5.作为调速用电机，往往要求能够实现宽调速恒功率运行，特别是在汽车等领域中作为驱动元件使用。而目前的转子永磁型电机，在超过额定转速后的恒功率运行范围内，通常是采用在电枢电流中增大无功电流分量以削弱永磁磁场的弱磁控制算法。然而，在实际设计电机时，很难满足理论上的无限高速恒功率运行条件(即直轴电感L_d较小，无法保证额定电流I_r与直轴电感L_d的乘积等于甚至大于直轴永磁磁链ψ_md)，甚至实现5倍以上的调速都有较大的困难。

另一方面，国际上出现了一种新型的双极性磁通反向永磁电机，其结构原理是在每个凸极定子齿上并排安装两块极性相反的永磁体，其目的是为了获得双极性的永磁磁链，且通过将永磁体和电枢绕组都置于定子，就可以完全克服上述的转子永磁型电机的主要缺点。但该结构直接导致两块磁钢和定子齿形成短路，漏磁严重，降低了单位磁钢的利用率。本发明目的就是在双极性磁通反向永磁电机结构基础之上，改变磁钢极性和定子齿形，提出了一种新型结构的带辅助凸极的定子表面贴装式双凸极永磁电机，通过增加的辅助凸极以增大直轴电感，实现恒功率宽调速范围弱磁运行。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供了一种带辅助凸极的定子表面贴装式双凸极永磁电机，使得该电机结构简单、坚固，具有高度近似方波(直槽转子)或者正弦波(斜槽转子)的空载反电动势、较强的转矩输出能力和较大的功率密度，同时具备较强的抗去磁能力，特别适合于作为恒功率调速系统的驱动元件。

技术方案：本发明带辅助凸极的表面贴装式双凸极永磁电机，包括定子和转子，转子位于定子的内部或外部，定子和转子都为双凸极结构，在定子上设置有集中绕组、永磁体和辅助凸极；其中，集中绕组的任何一相的每个集中绕组线圈均位于定子铁心槽中，且每相绕组线圈可串联或并联连接；永磁体位于定子，每个定子齿面向气隙的外表面贴装两块永磁体，且同一个齿下面的两块磁钢极性相同，相邻定子齿下面的磁钢磁性相反。

辅助凸极位于定子齿中部，以增加直轴电感。转子为直槽或斜槽转子。永磁体是铁氧体、钐钴或者钕铁硼等其他类型永磁磁钢。

集中绕组的A相第一绕组线圈和第二A相绕组线圈径向相对，B相第一绕组线圈和B相第二绕组线圈径向相对，C相第一绕组线圈和C相第二绕组线圈径向相对。

有益效果：由于本发明的电机将电枢集中绕组和永磁体都设于定子上，转子仅为导磁铁心，所以本发明结构非常简单而坚固，特别适合于高速运行，而且有利于改善该电机的冷却条件；

由于在定子齿部突出了一个辅助凸极，可以明显增加直轴电感，使得该类型电机在同样的额定电流和永磁磁链的条件下，提高了弱磁能力，拓宽了恒功率调速运行范围；同时保证了了电机的结构紧凑，功率密度较大，效率较高；

由于采用了集中绕组方式，可以减小端部长度，尽可能地减小电阻和铜耗，也保证了电机的结构紧凑，功率密度较大，效率较高；

由于定子电枢绕组和永磁体都置于定子，电枢绕组磁势对永磁体充磁或者去磁都很容易实行；

由于转子结构非常简单坚固，可以根据需要方便地采用斜槽或者转子齿表面开虚拟槽的方式来改善电势波形和减小齿槽转矩(定位力矩)，使得该类型电机的转矩脉动较小，特别适合于精密伺服控制领域及其他直驱式应用场合。

在本发明的一个优选实施例中，由于转子为直槽转子，所以，保证了本发明在采用集中绕组和转子不斜槽的条件下，就可获得梯形波磁链、高度接近方波的反电动势等静态特性，完全可以替代现在广泛应用的普通无刷直流电机，从而使本发明更加适合于作为交流调速系统的驱动元件。

综上，该电机结构上的特点导致其具有弱磁能力强、恒功率运行范围宽、气隙磁密大、转矩输出能力强、功率密度高、定位力矩小、转矩脉动低、电阻小，效率高、生产制作工艺简单、转子鲁棒性强等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1为一台采用本发明技术设计的定子6槽/转子4极的定子表面贴装式双凸极永磁电机组成图；其中有：定子1，永磁体2，集中绕组3，定子辅助凸极4，转子5；A相第一绕组线圈311，A相第二绕组线圈312；B相第一绕组线圈321、B相第二绕组线圈322；C相第一绕组线圈331、C相第二绕组线圈332。

具体实施方式

本发明的带辅助凸极的定子表面贴装式双凸极永磁电机包括定子和转子两个部分，根据不同的应用场合可以采取内转子或外转子两种形式，定子和转子都为双凸极结构，定子的齿部面向气隙方向突出一块，称之为辅助凸极。定子槽数N_s和转子凸极极数P_r有多种配合，电机相数m可以为单相、两相、三相及多相；在定子上设置有集中绕组和永磁体；其中，任何一相的集中绕组由(N_s/m)个线圈组成，m相线圈依次相邻套在定子齿上。每个定子槽中为双层绕组，即放置有分属于不同两相的线圈圈边；属于同相的(N_s/m)个绕组线圈可以根据需要串联/并联/串并联连接；在每个定子齿面凸出部分的两侧贴有两块极性相同的永磁体，永磁体材料可以是铁氧体或者钕铁硼，永磁体充磁方向均为径向充磁，N_s个定子齿下有2N_s块永磁体，相邻定子齿下的永磁体磁性交替相反。由于该结构类似于转子表面贴装式电机，且又有一凸出辅助磁极，因此将其定名为“带辅助凸极的定子表面贴装式双凸极永磁电机”；转子部分结构非常简单，既无永磁体也无绕组，为简单的导磁铁心冲片压叠而成。可根据电势需要，制为直槽转子(方波电势)或斜槽转子(正弦波电势)。

如图1所示，本发明的定子6槽/转子4极的定子表面贴装式双凸极永磁电机包括定子铁心1和转子铁心5，转子5位于定子1的内部或外部，定子1和转子5都为双凸极结构，在定子1上设置有三相集中绕组3、辅助凸极4和6块永磁体2。

集中绕组3的A相第一绕组线圈311和第二绕组线圈312径向相对，每个绕组线圈套于定子1中定子凸极槽中，且上述两个绕组线圈串联(或并联)连接。

集中绕组3的B相第一绕组线圈321和第二绕组线圈322径向相对，每个绕组线圈套于定子1中定子凸极槽中，且上述两个绕组线圈串联(或并联)连接。

集中绕组3的C相第一绕组线圈331和第二绕组线圈332径向相对，每个绕组线圈套于定子1中定子凸极槽中，且上述两个绕组线圈串联(或并联)连接。

永磁体2是铁氧体、钕铁硼等其他类型的永磁磁钢，定子1和凸极转子5都可以采用硅钢片冲片压叠制成。

Claims (4)

1.一种带辅助凸极的表面贴装式双凸极永磁电机，包括定子(1)和转子(5)，转子(5)位于定子(1)的内部或外部，其特征在于定子(1)和转子(5)都为双凸极结构，在定子(1)上设置有集中绕组(3)、永磁体(2)和辅助凸极(4)；其中，集中绕组(3)的任何一相的每个集中绕组线圈均位于定子(1)铁心槽中，且每相绕组线圈可串联或并联连接；永磁体(2)位于定子(1)的凸极上，每个定子齿面向气隙的外表面贴装两块永磁体(2)，且同一个齿下面的两块磁钢极性相同，相邻定子齿下面的磁钢磁性相反，辅助凸极(4)位于定子(1)的凸极上，以增加直轴电感。

2.如权利要求1所述的带辅助凸极的表面贴装式双凸极永磁电机，其特征在于，转子(5)为直槽或斜槽转子。

3.如权利要求1所述的带辅助凸极的表面贴装式双凸极永磁电机，其特征在于，永磁体(2)是铁氧体、钐钴或者钕铁硼。

4.如权利要求1所述的带辅助凸极的表面贴装式双凸极永磁电机，其特征在于，集中绕组(3)的A相第一绕组线圈(311)和A相第二绕组线圈(312)径向相对，B相第一绕组线圈(321)和B相第二绕组线圈(322)径向相对，C相第一绕组线圈(331)和C相第二绕组线圈(332)径向相对。

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