CN102035270B - 轴向励磁的双凸极电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了两种轴向励磁的双凸极电机，属于双凸极结构电机领域。所述两种电机均包括至少两个按轴向排列的双凸极单体结构，每个单体结构均是由凸极定子铁心、绕制于定子铁心齿上的电枢绕组以及凸极转子铁心组成，各单体结构的定子铁心通过定子轴向导磁背铁形成磁路，在采用环形励磁绕组或环形永磁磁钢的电机结构中，转子铁心通过转子轴向导磁背铁形成磁路；在取消转子轴向导磁背铁的电机结构中，定子铁心、定子轴向导磁背铁及永磁磁钢为2n（n为自然数）个等分的圆弧状结构，各单体结构的转子安装在转轴上。本发明电机励磁绕组空间利用率高，不存在附加气隙，励磁效率高，轴向截面积利用率高，可作为电动机或发电机。

Description

轴向励磁的双凸极电机
技术领域
本发明涉及两种轴向励磁的双凸极电机，属于双凸极结构电机领域。
背景技术
美国威斯康星-麦迪逊大学的Lipo教授等在开关磁阻电机的基础上增加了永磁励磁，提出了永磁双凸极电机。该电机属于一种变磁阻电机，其定子、转子均为凸极结构，结构简单，转子上没有绕组，功率密度高，但由于其励磁磁场不易调节，故不能作为发电机使用。
电励磁双凸极电机(如“双凸极无刷直流发电机”，授权公告号CN1099155C)以电励磁绕组取代永磁体，使得电机的励磁磁场可以调节。作为发电机工作时，不需要转子位置传感器，且励磁绕组仅需要单管变换器进行供电，调节励磁绕组电流即可调节输出电压，故障时可灭磁，具有可靠性高的特点。作为电动机时，可以实现宽的调速性能。
上述电机由于定子上除了要绕制电枢绕组外，还要设置切向或径向永磁体或励磁绕组，与开关磁阻电机相比势必会增加定子的外径。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，而提出两种具有轴向磁路、无附加气隙且径向空间利用率高的轴向励磁双凸极电机。
第一种轴向励磁的双凸极电机的结构包括：定子铁心、电枢绕组、转子铁心、定子轴向导磁背铁、转轴、转子轴向导磁背铁，还包括励磁绕组或永磁磁钢；
由定子铁心、电枢绕组和转子铁心组成至少两个按轴向排列的双凸极单体结构，定子轴向导磁背铁为定子铁心提供轴向磁路，转子轴向导磁背铁为转子铁心提供轴向磁路，电枢绕组绕制于定子铁心的齿上；
所述双凸极单体结构的定子铁心为整体定子结构，所述励磁绕组或永磁磁钢均为环形；
当采用励磁绕组时，励磁绕组设置于相邻的双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁内；
当采用永磁磁钢时，永磁磁钢嵌于相邻的双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁处。
第二种轴向励磁的双凸极电机的结构包括：定子铁心、电枢绕组、转子铁心、定子轴向导磁背铁、转轴，还包括励磁绕组或永磁磁钢；
由定子铁心、电枢绕组和转子铁心组成至少两个按轴向排列的双凸极单体结构，定子轴向导磁背铁为定子铁心提供轴向磁路，电枢绕组绕制于定子铁心的齿上；
所述双凸极单体结构的定子铁心由2n个等分的圆弧状定子结构组成，相应地，定子轴向导磁背铁及永磁磁钢也为2n个等分的圆弧状结构，n为自然数；
当采用励磁绕组时，励磁绕组绕制于相邻的双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁上；
当采用永磁磁钢时，永磁磁钢嵌于相邻的双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁处。
本发明具有如下技术效果：
(1)由于在双凸极单体结构上不需要安装永磁磁钢或励磁绕组，轴向截面积利用率高。
(2)励磁绕组的空间利用率高，不存在附加气隙，励磁效率高；对于电机定子、转子位置互换形成的外转子电机结构，励磁绕组的用铜量可进一步减小。
(3)通过各双凸极单体的转子斜槽结构或错开角度可以达到较小的转矩脉动和良好的三相绕组对称性。
(4)尤其适用于风力电机等双凸极单体轴向长度不大的场合。
附图说明
图1(a)为本发明采用环形励磁绕组的轴向励磁双凸极电机的结构示意图；图1(b)为图1(a)所示电机的A-A截面结构示意图；图1(c)为图1(a)所示电机的B-B截面磁路示意图。
图2(a)为本发明采用环形永磁磁钢的轴向励磁双凸极电机的结构示意图；图2(b)为图2(a)所示电机的A-A截面结构示意图；图2(c)为图2(a)所示电机的C-C截面磁路示意图。
图3(a)为本发明采用励磁绕组的无转子轴向磁路的轴向励磁双凸极电机的结构示意图；图3(b)为图3(a)所示电机的D-D截面结构示意图；图3(c)为图3(a)所示电机的E-E截面磁路示意图。
图4(a)为本发明采用永磁磁钢的无转子轴向磁路的轴向励磁双凸极电机的结构示意图；图4(b)为图4(a)所示电机的D-D截面结构示意图；图4(c)为图4(a)所示电机的F-F截面磁路示意图。
图1～图4中的标号名称：1、定子铁心；2、电枢绕组；3、转子铁心；4、定子轴向导磁背铁；5、转轴；6、励磁绕组；7、转子轴向导磁背铁；8、永磁磁钢。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的第一种轴向励磁的双凸极电机，包括定子铁心1、电枢绕组2、转子铁心3、定子轴向导磁背铁4、转轴5和转子轴向导磁背铁7，还包括励磁绕组6或永磁磁钢8，其中：由定子铁心1、电枢绕组2和转子铁心3组成至少两个按轴向排列的双凸极单体结构，定子轴向导磁背铁4为定子铁心1提供轴向磁路，转子轴向导磁背铁7为转子铁心3提供轴向磁路，电枢绕组2绕制于定子铁心1的齿上，转子铁心3通过转子轴向导磁背铁7安装在转轴5上；当采用励磁绕组6时，励磁绕组6设置于相邻的双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁4内，当采用永磁磁钢8时，永磁磁钢8嵌于相邻的双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁4处。
在上述第一种轴向励磁的双凸极电机中，双凸极单体结构的定子铁心1为整体定子结构，所以定子轴向导磁背铁4也为一个整体设于定子铁心1的外侧，励磁绕组6或永磁磁钢8均为环形。
如图1(a)～(c)所示为本发明第一种电机采用环形励磁绕组时的电机结构；如图2(a)～(c)所示为本发明第一种电机采用环形永磁磁钢时的电机结构。
本发明第二种轴向励磁的双凸极电机，包括定子铁心1、电枢绕组2、转子铁心3、定子轴向导磁背铁4和转轴5，还包括励磁绕组6或永磁磁钢8，其中：由定子铁心1、电枢绕组2和转子铁心3组成至少两个按轴向排列的双凸极单体结构，定子轴向导磁背铁4为定子铁心1提供轴向磁路，电枢绕组2绕制于定子铁心1的齿上，转子铁心3安装在转轴5上；当采用励磁绕组6时，励磁绕组6绕制于相邻的双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁4上，当采用永磁磁钢8时，永磁磁钢8嵌于相邻的双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁4处。
在上述第二种轴向励磁的双凸极电机中取消了转子轴向导磁背铁7，即电机无转子轴向磁路，该电机中双凸极单体结构的定子铁心1由2n个等分的圆弧状定子结构组成，所以相应地，定子轴向导磁背铁4及永磁磁钢8也为2n个等分的圆弧状结构，n为自然数；励磁绕组6或永磁磁钢8的设置需使得相邻的励磁绕组6的磁势方向相反，或相邻的永磁磁钢8的磁化方向相反。
如图3(a)～(c)所示为本发明第二种电机采用励磁绕组时的电机结构；如图4(a)～(c)所示为本发明第二种电机采用永磁磁钢时的电机结构。图3和图4均为n取1时的电机结构示意图。
对于第二种无转子轴向磁路的轴向励磁双凸极电机，其各个双凸极单体的结构均相同；对于第一种采用环形励磁绕组或环形永磁磁钢的轴向励磁双凸极电机，其各个双凸极单体的结构(定、转子齿数)可以不同。在本发明电机中，各双凸极单体结构的转子铁心3可以相互错开角度或采用斜槽结构，以降低齿槽转矩或得到优化的电势波形。
下面分析本发明两种电机的励磁工作原理：
图1、图2所示电机的励磁磁路为：从励磁绕组或永磁磁钢产生的磁势N极出发，经过定子轴向导磁背铁，进入定子铁心，再进入主气隙，经过转子铁心、转子轴向导磁背铁，进入相邻的双凸极单体结构的转子铁心，再进入主气隙，经过定子铁心、定子轴向导磁背铁回到励磁绕组或永磁磁钢产生的磁势S极。
图3、图4所示电机的励磁磁路为：从某励磁绕组或永磁磁钢产生的磁势N极出发，经过定子轴向导磁背铁，进入双凸极单体结构的定子铁心，再进入主气隙，经过转子铁心，沿转子铁心的切向磁路进入另一个主气隙，经过同一双凸极单体结构的相邻定子铁心进入其定子轴向导磁背铁，进入相邻的励磁绕组或永磁磁钢产生的磁势S极，再经过上述磁路对称的路径回到原始励磁绕组或永磁磁钢产生的磁势S极。在此类结构中，相邻的磁势源在主磁路中形成串联关系。
本发明电机可作为电动机，亦可作为发电机，或与整流器、变换器等配合作为发电机用。

Claims (3)

1.一种轴向励磁的双凸极电机，包括定子铁心（1）、电枢绕组（2）、转子铁心（3）、定子轴向导磁背铁（4）和转轴（5），
其特征在于：还包括励磁绕组（6）或永磁磁钢（8）；
由定子铁心（1）、电枢绕组（2）和转子铁心（3）组成至少两个按轴向排列的双凸极单体结构，定子轴向导磁背铁（4）为定子铁心（1）提供轴向磁路，电枢绕组（2）绕制于定子铁心（1）的齿上；
当采用励磁绕组（6）时，励磁绕组（6）绕制于相邻的双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁（4）上；
当采用永磁磁钢（8）时，永磁磁钢（8）嵌于相邻的双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁（4）处；
所述双凸极单体结构的定子铁心（1）由2n个等分的圆弧状定子结构组成，相应地，定子轴向导磁背铁（4）及永磁磁钢（8）也为2n个等分的圆弧状结构，n为自然数。
2.根据权利要求1所述的轴向励磁的双凸极电机，其特征在于：所述电枢绕组（2）串联绕制或单独绕制。
3.根据权利要求1所述的轴向励磁的双凸极电机，其特征在于：所述双凸极单体结构中的转子铁心（3）相互错开角度或采用斜槽结构。
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