CN102403857A - 绕组磁路互补的定子表面贴装式双凸极永磁电机 - Google Patents

绕组磁路互补的定子表面贴装式双凸极永磁电机 Download PDF

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CN102403857A CN201110364701XA CN201110364701A CN102403857A CN 102403857 A CN102403857 A CN 102403857A CN 201110364701X A CN201110364701X A CN 201110364701XA CN 201110364701 A CN201110364701 A CN 201110364701A CN 102403857 A CN102403857 A CN 102403857A
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花为
张义莲
程明
王宝安
马炳荣
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Southeast University
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Abstract

本发明设计一种绕组磁路互补的定子表面贴装式双凸极永磁电机,其包括定子(1)和转子(4),转子(4)位于定子(1)的内部或外部,其特征在于:定子(1)为凸极结构,设有突出于轭部以外的定子齿(101),定子齿之间形成电枢绕组槽(102),定子齿(101)与电枢绕组槽(102)交替分布,在定子(1)上设置有集中电枢绕组(2)和永磁体(3);其中,永磁体(3)设置在定子齿(101)上,且位于定子(1)与转子(4)间的气隙处,集中电枢绕组(2)设置在定子(1)的定子齿(101)上。该电机结构简单、坚固,具有较强的转矩输出能力和较大的功率密度。

Description

绕组磁路互补的定子表面贴装式双凸极永磁电机
技术领域
[0001] 本发明是一种结构简单、坚固,具有较强转矩输出能力、较高功率密度与较大单位磁钢出力的电机,涉及电机制造的技术领域,且特别是一种有关于绕组及磁路结构互补对称的定子表面贴装式双凸极永磁电机。
背景技术
[0002] 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。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生一系列问题,比如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,通常需要辅助的永磁体固定装置,增加了工艺与材料成本;对永磁体埋入转子铁心内部的内嵌式结构,则会影响转子的机械强度,并且需要辅助磁桥,同样会增加材料与制作工艺成本。此外,永磁体置于转子,不利于散热冷却,限制了电机的功率密度等。
[0003] 基于上述原因,研究出能够克服上述缺点的新型结构永磁电机便成为电机工作者义不容辞的一个关键任务。目前,国际上已经出现了三种定子永磁型结构的电机,即单极性的双凸极永磁电机、双极性的磁通切换永磁电机和双极性的磁通反向永磁电机。其中,磁通反向电机的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,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。本发明的目的就是针对该类型磁通反向永磁电机的缺点,提出了一种新型结构的定子表面贴装式双凸极永磁电机,且绕组磁路结构互补对称,可以抵消一部分集中式线圈固有的高次谐波感应电势,提高了每相绕组感应电势的正弦性。
发明内容
[0004] 技术问题:本发明的目的是提供了一种绕组磁路互补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,具有高度正弦波的空载感应电势、较强的转矩输出能力和较大的功率密度,更为突出的是该类型电机的单位磁钢转矩出力较大,特别适合于作为交流调速系统的驱动元件。
[0005] 技术方案:为解决上述技术问题,本发明提供了一种绕组磁路互补的定子表面贴装式双凸极永磁电机,其包括定子和转子,转子位于定子的内部或外部,
定子为凸极结构,设有突出于轭部以外的定子齿,定子齿之间形成电枢绕组槽,定子齿与电枢绕组槽交替分布,
在定子上设置有集中电枢绕组和永磁体;其中,
永磁体设置在定子齿上,且位于定子与转子间的气隙处,集中电枢绕组设置在定子的定子齿上;组成集中电枢绕组的每个线圈的两个圈边分别位于定子的一个定子齿左边的电枢绕组槽和右边的电枢绕组槽中。[0006] 优选的,集中电枢绕组为三相集中绕组,分别为A相集中绕组、B相集中绕组和C相集中绕组,且该三相集中绕组依次相邻设置在定子上,该三相集中绕组结构相同;
A相集中绕组包括四个绕组线圈,且该四个A相绕组线圈分别设置在定子上,该四个绕组线圈之间空间上相差90度,且该四个A相绕组线圈串联、并联或串并混联组成A相集中绕组;
B相集中绕组包括四个绕组线圈,且该四个B相绕组线圈分别设置在定子上,该四个B 相绕组线圈空间上相差90度,且该四个绕组线圈串联、并联或串并混联组成B相集中绕组; B相集中绕组的四个B相绕组线圈分别与A相集中绕组的四个A相绕组线圈相邻且空间上相差30度;
C相集中绕组包括四个绕组线圈,且该四个C相绕组线圈分别设置在定子上,该四个绕组线圈空间上相差90度,且该四个C相绕组线圈串联、并联或串并混联组成C相集中绕组; C相集中绕组的四个C相绕组线圈分别与B相集中绕组的四个B相绕组线圈相邻且空间上相差30度。
[0007] 优选的,每相定子极数Λ;与转子齿数怂之间相差正负2,且每相定子电枢绕组最少由两个空间互相垂直的线圈串联组成,且每相电枢绕组由《个线圈组成,久=«,每相定子极数久,®为电机相数j为正整数。
[0008] 优选的,定子和转子都为双凸极结构。
[0009] 优选的,定子为导磁铁心压叠而成为一个整体,转子为凸极结构,由导磁铁心压叠而成为一个整体。
[0010] 优选的,永磁体贴装在定子齿面向定子齿与转子齿之间气隙的外表面,每个定子齿上贴装有一块径向充磁的永磁铁,且相邻定子齿上所贴永磁体充磁方向相反。
[0011 ] 优选的,转子为直槽或斜槽转子。
[0012] 优选的,永磁体是铁氧体、钐钴或钕铁硼等其它类型永磁磁钢。
[0013] 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感应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它直趋式大功率驱动调速应用场合。
[0014] 在本发明的一个实施例中,由于定子齿槽转子极数配合为12/10,绕组磁路结构互补,保证了本发明在采用集中绕组和转子不斜槽的条件下,就可获得单极性的正弦波永磁磁链、高度接近正弦波的每相感应电动势等静态特性,且特殊的齿槽配合导致其定位力矩较小,完全可以替代现在广泛应用的普通无刷交流电机,从而使本发明更加适合于作为交流调速系统的驱动元件。
[0015] 综上,该电机结构上的特点导致其具有气隙磁密较大、转矩输出能力较强、功率密度较高、单位磁钢转矩出力大、定位力矩较小、转矩脉动低、感应电势高度正弦,效率较高、 生产制作工艺简单、转子鲁棒性强等优点。
附图说明
[0016] 图1为采用本发明技术设计的定子12槽/转子10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,集中电枢绕组2,永磁体3,转子4, 定子齿101,电枢绕组槽102 ; A相集中绕组、B相集中绕组和C相集中绕组;
A相集中绕组的四个绕组线圈Al,A2,A3,A4 ;B相集中绕组包括四个绕组线圈Bi,B2, B3,B4 ;C相集中绕组包括四个绕组线圈Cl,C2,C3,C4 ;
图2为图1中以A相绕组为例,反映了组成A相线圈组的两个线圈Al,A2所匝链的永磁磁链之间的关系;
图3为图1中以A相绕组为例,反映了 A相的一个线圈组空载感应电势与组成该线圈组的两个单独线圈eraiA41、ecoi7,2之间的关系;
图4是对图3中三条感应电势曲线的谐波分量的幅值分析结果; 图5是对图3中三条感应电势曲线的谐波分量的相角分析结果; 图6是三相电枢绕组每匝空载感应电势的波形分布结果。
具体实施方式
[0017] 下面将参照附图对本发明进行说明。
[0018] 参见图1,本发明的绕组磁路互补的定子表面贴装式双凸极永磁电机,其包括定子 1和转子4,转子4位于定子1的内部或外部。
[0019] 定子1为凸极结构,设有突出于轭部以外的定子齿101,定子齿之间形成电枢绕组槽102,定子齿101与电枢绕组槽102交替分布,
在定子1上设置有集中电枢绕组2和永磁体3 ;其中,
永磁体3设置在定子齿101上,且位于定子1与转子4间的气隙处,集中电枢绕组2设置在定子1的定子齿101上;组成集中电枢绕组2的每个线圈的两个圈边分别位于定子1 的一个定子齿101左边的电枢绕组槽和右边的电枢绕组槽中。
[0020] 集中电枢绕组2为三相集中绕组,分别为A相集中绕组、B相集中绕组和C相集中绕组,且该三相集中绕组依次相邻设置在定子1上,该三相集中绕组结构相同;
A相集中绕组包括四个绕组线圈Al,A2,A3,A4,且该四个绕组线圈Al,A2,A3,A4分别设置在定子1上,该四个绕组线圈Al,A2,A3,A4之间空间上相差90度,且该四个绕组线圈 Al,A2,A3,A4可串联、并联或串并混联组成A相集中绕组;
B相集中绕组包括四个绕组线圈Bi,B2,B3,B4,且该四个绕组线圈Bi,B2,B3,B4分别设置在定子1上,该四个绕组线圈Bi,B2, B3, B4空间上相差90度,且该四个绕组线圈Bi, B2,B3, B4可串联、并联或串并混联组成B相集中绕组;B相集中绕组的四个绕组线圈Bi, B2,B3,B4分别与A相集中绕组的四个绕组线圈Al,A2,A3,A4相邻且空间上相差30度; C相集中绕组包括四个绕组线圈Cl,C2,C3,C4,且该四个绕组线圈Cl,C2,C3,C4分别设置在定子1上,该四个绕组线圈Cl,C2,C3,C4空间上相差90度,且该四个绕组线圈Cl, C2,C3,C4可串联、并联或串并混联组成C相集中绕组;C相集中绕组的四个绕组线圈Cl, C2,C3,C4分别与B相集中绕组的四个绕组线圈Bi,B2, B3, B4相邻且空间上相差30度。
[0021] 每相定子1极数Λ;与转子4齿数A之间相差正负2,且每相定子电枢绕组最少由两个空间互相垂直的线圈串联组成,且每相电枢绕组由《个线圈组成,久=«,每相定子 1极数Λς,®为电机相数,i为正整数。
[0022] 定子1和转子4都为双凸极结构。
[0023] 定子1为导磁铁心压叠而成为一个整体,转子4为凸极结构,由导磁铁心压叠而成为一个整体。
[0024] 永磁体3贴装在定子齿面向定子齿与转子齿之间气隙的外表面,每个定子齿上贴装有一块径向充磁的永磁铁,且相邻定子齿上所贴永磁体充磁方向相反。
[0025] 转子4为直槽或斜槽转子。
[0026] 永磁体3是铁氧体、钐钴或钕铁硼等其它类型永磁磁钢。
[0027] 本发明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,定子槽数Λς和转子凸极极数A有多种配合,电机相数®可以为单相、两相、三相及多相;在定子上设置有永磁体与集中式电枢线圈;其中,任何一相的电枢绕组由(Λς/®)个线圈组成,®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;属于同相的处(.NJm=Ak,k为正整数)个线圈可以根据需要串联/并联/串并联连接;每个定子齿面向气隙的外表面贴有一块永磁体,永磁体材料可以是铁氧体、钐钴或者钕铁硼,永磁体充磁方向均为径向充磁,Λς个定子齿下的^块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,因此将其定名为“定子表面贴装式”;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,转子极数怂与定子齿数Λς相差2。考虑到磁场频率对转子铁耗的影响,一般可取4=久-2。本发明的定子表面贴装式双凸极永磁电机以一台相数®=3、定子槽数久二12、转子凸极极数4二10、每相绕组由Λς/®=12/3=4个集中线圈组成的样机为例。
[0028] 该类型电机既可作电动运行,又可作发电运行。
[0029] 如图1所示,本发明的定子12槽/转子10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4,转子4位于定子1的内部或外部,定子1和转子4都为双凸极结构,在定子1上设置有三相集中绕组2和12块永磁体3。
[0030] 集中绕组2的A相第一套线圈绕组Al和Α2空间垂直分布,第二套线圈绕组A3和 Α4空间垂直分布;A相第一套绕组线圈Al、Α2分别和第二套绕组线圈A3、Α4径向相对;每个绕组线圈套于定子1中的凸极槽中,且上述两套线圈组可串联、并联或串并混联组成A相绕组。
[0031] 集中绕组2的B相第一套线圈绕组Bl和Β2空间垂直分布,第二套线圈绕组Β3和 Β4空间垂直分布;B相第一套绕组线圈Bi、Β2分别和第二套绕组线圈Β3、Β4径向相对;每个绕组线圈套于定子1中的凸极槽中,且上述两套线圈组可串联、并联或串并混联组成B相绕组。
[0032] 集中绕组2的C相第一套线圈绕组Cl和C2空间垂直分布,第二套线圈绕组C3和C4空间垂直分布;C相第一套绕组线圈Cl、C2分别和第二套绕组线圈C3、C4径向相对;每个绕组线圈套于定子1中的凸极槽中,且上述两套线圈组可串联、并联或串并混联组成C相绕组。
[0033] 若将线圈Al和A2称之为第一套线圈组A12,线圈A3和A4称为第二套线圈组A34。 以线圈Al所在定子极中心线为参考标准,定义转子位置角为^,则当转子齿前沿与定子极中心线重合时,转子位置角为0°,如图1中所示位置。在转子旋转一个电周期(360°//。在本例中为36°)过程中,转子相对属于同一线圈组互相垂直分布的两个线圈的磁路存在互补特性,其解释如下:
对线圈Al而言,图1所示位置为〜=0。(所对应的定子极中心线恰好与转子齿前沿对齐);而对线圈A2而言,图1所示位置为^=18° (所对应的定子极中心线恰好与转子齿后沿对齐)。因此,当转子按照图1所示位置开始逆时针旋转1个完整的电周期(360°/ 4=360710=36°)时,定子线圈Al所匝链的永磁磁链数值与极性关系为:正向中一正向最大 —正向中一正向最小一正向中,而定子线圈A2所匝链的永磁磁链数值与极性关系为:负向中一负向最小一负向中一负向最大一负向中,如下图2所示。在此运动过程中,线圈A1、A2 匝链的永磁磁通(磁链)极性相反,但平均值大小与峰峰值(最大值与最小值之差)相等,且两个线圈的永磁磁通波形变化趋势一致,意味着每个线圈产生的空载感应电势的波形变化趋势一致,且过零点重合。然而,若不考虑永磁磁链的极性,转子旋转一个电周期的过程中, 转子位置对线圈A1、A2的变化规律存在一半电周期(180°,对应机械周期18°)的相位差。正是这种转子位置相对不同定子齿运动过程中存在的差异,导致了转子旋转一个电周期内与属于同相的两个定子齿形成的磁路不同,直接影响了同一个线圈组中两个独立线圈所匝链的永磁磁链及所产生的感应电势存在一定的相位互补特性,从而可以抵消部分高次谐波分量,保证了在采用集中式电枢线圈及直槽转子的条件下仍然具备较高正弦度的每相空载永磁磁链与空载感应电势波形。
[0034] 图3以A相绕组为例,反映了 A相每个线圈组空载感应电势emnM2与组成该线圈组的两个单独线圈ecoJJM、ecoJJA2之间的关系。若采用两个线圈组串联组成一相的方式,则每相空载感应电势%hase与两个线圈组感应电势e coilA\2^coilAZ\ 之间 ί两足:Qphase~Q coilAZ 4=2 (ecollA1+ecollA2)。若采用两个线圈组并联组成一相的方式,则每相空载感应电势ephase与两个线圈组感应电势eram12、eraiM4之间满足-e^^e^mfe^mfi^.M+eMM。图4是对上述 ^coilA^coilA^ ecoilA2三条空载感应电势波形所做的谐波分量分析。
[0035] 由图;T图5可见,对于单独的每个线圈,感应电势波形中分别含有较大的谐波分量。但由于电机具有绕组互补性特点,线圈Al、A2中产生的感应电势波形在相位上相差半个周期且方向相反,导致每个线圈电势曲线中的高次谐波分量幅值几乎相等,但相位角相反,从而合成的线圈组感应电势波形(线圈A1+A2)中反而削弱或消除了大部分谐波分量,只剩下基波分量和幅值较小的高次分量,保证了波形的正弦度很高。图4、图5是对图3中三条曲线的谐波分析结果,由图3可见线圈组A12的两个线圈Al、A2的空载感应电势都是二次谐波分量最大,与基波的比例达到6. 6%左右,且幅值几乎相等。而比较图5中两者的相位角可见,二次、三次、四次、五次、六次、七次和八次谐波的相位角大致相反。因此两个线圈的感应电势相加合成的结果导致谐波分量得到了极大抑制,使得合成的线圈组感应电势总谐波畸变率(THD)从7. 15%降低到2. 69%,对于改善波形的正弦度起到了非常明显的效果。图6给出了三相永磁空载感应电势仿真波形(1500转/分),可见相位之间依次严格偏移机械角12°(电角度120°,转子极数ft~=10),且每相正负单峰值几乎都相等,证明其具有良好的对称性与正弦性。
[0036] 以上所述仅为本发明的较佳实施方式,本发明的保护范围并不以上述实施方式为限,但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化,皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (8)

1. 一种绕组磁路互补的定子表面贴装式双凸极永磁电机,其包括定子(1)和转子(4), 转子(4)位于定子(1)的内部或外部,其特征在于:定子(1)为凸极结构,设有突出于轭部以外的定子齿(101),定子齿之间形成电枢绕组槽(102),定子齿(101)与电枢绕组槽(102)交替分布,在定子(1)上设置有集中电枢绕组(2 )和永磁体(3 );其中,永磁体(3)设置在定子齿(101)上,且位于定子(1)与转子(4)间的气隙处,集中电枢绕组(2)设置在定子(1)的定子齿(101)上;组成集中电枢绕组(2)的每个线圈的两个圈边分别位于定子(1)的一个定子齿(101)左边的电枢绕组槽和右边的电枢绕组槽中。
2.根据权利要求1所述的绕组磁路互补的定子表面贴装式双凸极永磁电机,其特征在于,集中电枢绕组(2)为三相集中绕组,分别为A相集中绕组、B相集中绕组和C相集中绕组,且该三相集中绕组依次相邻设置在定子(1)上,该三相集中绕组结构相同;A相集中绕组包括四个A相绕组线圈(Al,A2,A3,A4),且该四个绕组线圈(Al,A2,A3, A4)分别设置在定子(1)上,该四个A相绕组线圈(Al,A2,A3,A4)之间空间上相差90度, 且该四个A相绕组线圈(Al,A2,A3,A4)串联、并联或串并混联组成A相集中绕组;B相集中绕组包括四个B相绕组线圈(Bi,B2, B3, B4),且该四个绕组线圈(Bi,B2, B3, B4)分别设置在定子(1)上,该四个B相绕组线圈(B1,B2,B3,B4)空间上相差90度,且该四个B相绕组线圈(B1,B2,B3,B4)串联、并联或串并混联组成B相集中绕组;B相集中绕组的四个B相绕组线圈(Bi,B2,B3,B4)分别与A相集中绕组的四个A相绕组线圈(Al,A2,A3, A4)相邻且空间上相差30度;C相集中绕组包括四个C相绕组线圈(Cl,C2,C3,C4),且该四个C相绕组线圈(Cl,C2, C3,C4)分别设置在定子(1)上,该四个C相绕组线圈(Cl,C2,C3,C4)空间上相差90度,且该四个C相绕组线圈(Cl,C2,C3,C4)可串联、并联或串并混联组成C相集中绕组;C相集中绕组的四个C相绕组线圈(Cl,C2,C3,C4)分别与B相集中绕组的四个B相绕组线圈(Bi, B2,B3, B4)相邻且空间上相差30度。
3.根据权利要求1所述的绕组磁路互补的定子表面贴装式双凸极永磁电机,其特征在于,每相定子(1)极数Λς与转子(4)齿数A之间相差正负2,且每相定子电枢绕组最少由两个空间互相垂直的线圈串联组成,且每相电枢绕组由4Μ个线圈组成,Λς=«,每相定子(1) 极数久,®为电机相数,i为正整数。
4.根据权利要求1所述的绕组磁路互补的定子表面贴装式双凸极永磁电机,其特征在于,定子(1)和转子(4)都为双凸极结构。
5.根据权利要求1所述的绕组磁路互补的定子表面贴装式双凸极永磁电机,其特征在于,定子(1)为导磁铁心压叠而成为一个整体,转子(4)为凸极结构,由导磁铁心压叠而成为一个整体。
6.根据权利要求1所述的绕组磁路互补的定子表面贴装式双凸极永磁电机,其特征在于,永磁体(3)贴装在定子齿面向定子齿与转子齿之间气隙的外表面,每个定子齿上贴装有一块径向充磁的永磁铁,且相邻定子齿上所贴永磁体充磁方向相反。
7.根据权利要求1所述的绕组磁路互补的定子表面贴装式双凸极永磁电机,其特征在于,转子(4 )为直槽或斜槽转子。
8.根据权利要求1所述的绕组磁路互补的定子表面贴装式双凸极永磁电机,其特征在于,永磁体(3)是铁氧体、钐钴或钕铁硼等其它类型永磁磁钢。
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