CN103248148A - 一种混合励磁型定子表面贴装式双凸极电机 - Google Patents

Abstract

一种采用模块化转子的混合励磁型定子表面贴装式双凸极电机，一方面定子部分采用了集中式电枢绕组与集中式励磁绕组，定子齿分为两组，分别是贴有永磁体的定子齿和套有电枢绕组线圈的定子齿，且电枢齿和永磁齿交替分布。各径向交替充磁的永磁体分别贴装于一个定子永磁齿面向转子的表面。电枢绕组各线圈分别套在一个定子电枢齿上，集中式励磁绕组各线圈分别套在一个定子永磁齿上。本发明在结构上保留定子表面贴装式双凸极永磁电机结构紧凑、易于散热等优势，无需额外增加电机体积就可实现混合励磁功能，保证电机具有较强的转矩输出能力和较高的功率密度，特别适合要求体积小出力大的应用场合，能实现恒转矩区的大转矩和恒功率区的宽调速功能。

Description

一种混合励磁型定子表面贴装式双凸极电机

技术领域

本发明是一种电枢线圈匝链双极性永磁磁链，永磁体利用率高、采用模块化转子的双凸极无刷电机，尤其是一种具有混合励磁功能的电机，属于电机制造的技术领域。 

背景技术

随着能源危机的不断加剧，采用永磁励磁取代电励磁以节省能源消耗已成为全世界的共识，同时由于我国是世界上稀土资源最丰富的国家，开发研究和推广应用新型结构的稀土永磁电机，具有重要的理论意义和实用价值。特别是目前广泛研究的混合动力汽车，要求其中的电机驱动系统体积小、重量轻、效率高、可靠性强，免维护、转矩出力大、调速范围宽。然而，由于永磁电机自身存在气隙磁场无法调节的瓶颈，限制了其在混合动力汽车中的应用。绝大多数的永磁电机空载永磁磁链都大于直轴电感与额定电流的乘积，永磁电机在恒转矩区的最大转矩和恒功率区的最高运行转速之间是一对无法调和的矛盾：一方面，增大永磁磁链固然可以提高电机的最大转矩输出能力，同时会限制电机的高速运行（由于不断增大的空载反电动势）；另一方面，当逆变器的电流限额和电机的直轴电感固定时，减小永磁磁链有利于提高电机的恒功率运行范围但会限制转矩出力。因此，上述永磁电机的缺点成了限制其应用推广的瓶颈。而目前出现的以转子永磁型电机为原型的混合励磁电机大部分都将直流励磁绕组放置定子。为了给电励磁磁通提供一条不论是径向还是轴向与永磁磁通并行的路径，所提出的电机结构都非常复杂，不论从制造工艺还是成品化大规模生产而言，都面临巨大的挑战。混合励磁型的电机如果为了实现磁场的调节而从结构复杂度上需要做出重大牺牲，其竞争力将会大打折扣。

另一方面，上个世纪90年代国际上陆续出现了三种新型结构的定子永磁型电机，即磁通脉动永磁电机、磁通切换永磁电机和磁通反向永磁电机，其结构共性为将永磁体和电枢绕组都置于定子，转子仅由硅钢片等软磁材料组成。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。而传统的定子表贴式电机中，电枢磁链呈单极性变化，降低了永磁体的利用率，而本发明正是在定子表贴式永磁电机结构基础之上，提出了一种模块化转子的混合励磁型定子表面贴装式无刷电机，力图在保持纯永磁式电机基础之上不做重大修改即可实现混合励磁功能。 

发明内容

本发明的目的是提出一种模块化转子的混合励磁型定子表面贴装式双凸极无刷电机，该电机可合理安排电励磁绕组空间，在不额外增加原纯永磁型电机的体积条件下可进一步提高电机的功率密度，同时通过对电励磁电流和电枢电流的灵活调节全方面提高各项性能，包括最大转矩、恒功率最高运行转速和整个运行区范围内的高效率。

本发明采用的技术方案为：

一种模块化转子的混合励磁型定子表面贴装式双凸极电机，该电机包括：定子、集中电枢绕组、转子导磁铁心、永磁体、单相集中励磁绕组和隔磁机构；其特征在于：所述定子铁心和转子铁心均为凸极结构；定子齿分为两组，分别是贴有永磁体的永磁齿和套有电枢绕组线圈的电枢齿，且所述电枢齿和永磁齿交替分布；所述集中电枢绕组各线圈分别套在一个定子电枢齿上；所述永磁体分别贴装于一个定子永磁齿面向转子的表面，各永磁体均为径向充磁，且相邻两块永磁体的充磁方向相反；所述集中励磁绕组的各线圈分别套在一个定子励磁齿上，且各励磁线圈串联成为单相励磁绕组；所述转子由U型导磁转子铁心和隔磁机构组成，且各U型导磁转子铁心分别嵌于隔磁机构中；所述转子U形导磁铁心单元之间可以通过连接桥连接在一起，由于连接桥内部磁场高度饱和，磁阻较大，可以有效的防止漏磁。

所述定子铁心和转子导磁铁心均为凸极结构，所述定子包括定子铁心、集中式电枢绕组、永磁体和集中式励磁绕组，所述转子包括U型转子导磁铁心和隔磁机构。

励磁绕组通入电流方向不同，电励磁磁通与永磁磁通方向相同或相反，其中，当通入增磁性质的励磁电流时，各励磁线圈产生的电励磁磁通与其所在定子永磁齿下贴装的永磁体所产生的永磁磁通方向相同，电励磁到增磁作用；当通入去磁性质的励磁电流时，各励磁线圈产生的电励磁磁通与其所在定子永磁齿下贴装的永磁体所产生的永磁磁通方向相反，电励磁到去磁作用。

组成一相的电枢绕组线圈之间具有绕组互补性，电枢感应电势是正弦波或方波。

根据特定的定转子齿槽配合，所述的集中式电枢绕组的各线圈可连接成单相或多相电枢绕组；所述集中式电枢绕组可采用分布绕组的形式。

所述各永磁铁均为径向充磁，且相邻两块永磁体的充磁方向相反；所述永磁体是铁氧体或者钕铁硼的永磁材料。

所述转子铁心可以通过连接桥连接成为一个整体。

转子铁心和隔磁机构位于定子的外部，变成外转子结构。

所述定子铁心、转子铁心和连接桥的材料均为硅钢片的导磁材料。

所述隔磁机构的材料是铜、铝的不导磁材料。

所述电机可作为发电机或电动机运行。

另一方面，由于该电机定转子呈现双凸极结构的特点，使得该混合励磁型定子表面贴装式无刷电机可较易获得非常接近于梯形波或正弦波的永磁磁链、空载感应电势等静态特性，此外，也可以通过转子斜槽一定角度，获得更为正弦的反电动势，使本发明适合于作为无刷交流驱动方式的交流调速系统元件。

此外，该电机结构上的特点导致其空载气隙磁通密度较大，电机具有较强的转矩输出能力，功率密度较高；同时，电枢绕组与励磁绕组都是集中绕组，端部短，电阻较小，效率较高。

本发明的技术方案所取得的有益效果；

1、由于本发明的电机中，集中式电枢绕组、集中式励磁绕组和永磁体均位于定子侧，有利于改善电机运行时的冷却条件，便于电机散热；

2、本发明电机保留了传统双凸极电机定转子均为凸极结构的特性，可通过不同的定转子齿槽配合，较容易得到接近方波或正弦波的每相绕组感应电势波形，控制方式较为灵活，适应不同的交流调速与伺服驱动场合；

3、本发明电机增加的一套电励磁绕组在无需增加电机体积的条件下即可安放；

4、在磁通反向双凸极永磁电机中，每个定子齿下贴有两块充磁方向相反的永磁体，永磁体间漏磁较为严重，而本发明电机中每个定子永磁齿上只贴有一块永磁，显著削弱了永磁体漏磁，提高了永磁体利用率；

5、相比较于传统的定子表面贴装式双凸极永磁电机，该发明电机中采用模块化转子，且只有一半数目的定子齿下贴有永磁体，电枢绕组各线圈匝链的永磁磁通为双极性，具有较高的永磁体利用率；

6、由于本发明电机的电枢和励磁绕组都采用集中式绕组，因此绕组端部较短，有利于提高电机效率和降低制造成本。 

附图说明

图1为本发明电机的横向剖视图。

图2为本发明电机添加连接桥的横向剖视图。

图3为本发明电机工作原理图；

图4为本发明电机在不同励磁工况下的A相电枢绕组单匝磁链波形图；

图5为本发明电机在不同励磁工况下的A相电枢绕组单匝感应电势波形图；

附图标记：1-定子铁心，2-集中式电枢绕组，3-转子铁心，4-永磁体，5-集中励磁绕组，6-隔磁机构，7-连接桥。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

如图1所示，本发明公开了一种模块化转子的混合励磁型定子表面贴装式双凸极电机，包括定子铁心1、三相集中式电枢绕组2、转子铁心3、永磁体4、单相集中式励磁绕组5和隔磁机构6。本发明的采用模块化转子的混合励磁型定子表面贴装式双凸极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。所述定子铁心1和转子铁心3都为凸极结构，在定子1上设置有集中式电枢绕组2、永磁铁4和集中式励磁绕组5。所述定子齿分为两组，分别是贴有永磁体的定子齿（称为永磁齿）和套有电枢线圈的定子齿（称为电枢齿），且电枢齿和永磁齿交替分布。所述永磁体均为径向充磁，各永磁体分别贴装于一个定子永磁齿面向转子的表面，且相邻两块永磁体的充磁方向相反，即第一个定子永磁齿下永磁体极性分布若为N-S，则隔开一个电枢齿后与之相邻的定子永磁齿下的永磁体极性为S-N，依次交错分布于定子表面。所述永磁体的材料是铁氧体或钕铁硼等其他永磁材料。所述转子由U型转子铁心3和隔磁机构6组成，且各U型导磁铁心的下端分别嵌于隔磁机构中，转子部分既无永磁铁也无绕组。所述转子铁心3是硅钢片等导磁材料，所述隔磁机构可以是铜、铝等不导磁材料。

三相集中式电枢绕组2的各线圈分别套在一个定子电枢齿上，由线圈201和线圈204串联成为A相电枢绕组；由线圈202、线圈205串联成为B相电枢绕组；由线圈203和线圈206串联成为C相电枢绕组。随电机转子旋转，在电枢绕组的各线圈中会匝链双极性变化的磁链，进而产生交变的感应电动势。

集中式励磁绕组5一共有六个集中线圈，分别置于六个定子永磁齿上。其中第一励磁绕组线圈501、第二励磁绕组线圈502、第三励磁绕组线圈503、第四励磁绕组线圈504、第五励磁绕组线圈505、第六励磁绕组线圈506均为集中式线圈串联连接，组成单相励磁绕组。因此，每个定子槽中分布有电枢绕组2和励磁绕组5两个线圈各自一个圈边。需要说明的是，本发明电机中，每个定子永磁齿下只贴有一块永磁体，且电枢磁链呈双极性变化，使得永磁体利用率显著高于磁通反向双凸极永磁电机和传统的定子表面贴装式永磁电机。

由U型转子铁心3和隔磁机构6组成的转子可以是直槽转子，保证了本发明电机可获得非常接近于梯形波或正弦波分布的每相永磁磁链和空载感应电势等静态特性。此外，也可以对转子斜槽一定角度，获得更加正弦的电枢感应电势，使得本发明电机的控制方式较为灵活，适应不同的交流调速与伺服驱动场合。

如图2所示，所述的转子U形铁心3之间可以通过连接桥7连接在一起，使得电机转子铁心成为一个整体。所述连接桥7内部磁场高度饱和，使得连接桥的磁导率接近空气，可以显著削弱漏磁，令连接桥无导磁效果，只起到将转子U型导磁铁心单元连接为一体的作用。

图3A和图3B为本发明电机的工作原理图。由3A和图3B可见，在图中所示的转子位置，对励磁绕组通入的励磁电流后，各励磁线圈所产生的励磁磁链和其所在永磁齿下贴装的永磁体所产生的永磁磁链方向相同时，此时电励磁磁场起到增强永磁励磁磁场的作用，进而增大了电枢绕组中匝链的励磁磁链和感应电动势，即为增磁性质的电励磁磁链；而更改励磁绕组的电流方向后，各励磁线圈所产生的励磁磁链和其所在永磁齿下贴装的永磁体所产生的永磁磁链方向相反，电励磁磁场起到削弱永磁励磁磁场的作用，进而减小了电枢绕组中匝链的励磁磁链和感应电动势，即为去磁性质的电励磁磁链。通过更改通入励磁绕组的电流的方向和大小，可以起到调节励磁磁场的效果，此即为混合励磁原理。充磁方向4—1、永磁磁链8、增磁性质电励磁磁链9、去磁性质电励磁磁链10。图3A中电励磁绕组通入增磁性质的电流时，各集中式励磁线圈产生的电励磁磁通与所在定子永磁齿上贴装的永磁体所产生的永磁磁通方向相同，此时电励磁磁场增强永磁磁场，图3B中改变励磁电流方向，则各集中式励磁线圈产生的电励磁磁通与所在定子永磁齿上贴装的永磁体所产生的永磁磁通方向相反，此时电励磁磁场削弱永磁磁场。

图4和图5分别是A相电枢绕组在纯永磁（即纯永磁励磁）、增磁（即增磁性质电励磁和永磁励磁共同作用）和去磁（即去磁性质电励磁和永磁励磁共同作用）三种励磁工况下的空载单匝磁链波形和感应电势波形。随着励磁绕组通入电流方向不同，电励磁磁通与永磁励磁磁通方向相同或相反，分别起到增强励磁磁场（即增磁）或削弱励磁磁场（即去磁）作用。

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 (11)

1.一种模块化转子的混合励磁型定子表面贴装式双凸极电机，该电机包括：定子（1）、集中电枢绕组（2）、转子导磁铁心（3）、永磁体（4）、单相集中励磁绕组（5）和隔磁机构（6）；其特征在于：所述定子铁心（1）和转子铁心（3）均为凸极结构；定子齿分为两组，分别是贴有永磁体的永磁齿和套有电枢绕组线圈的电枢齿，且所述电枢齿和永磁齿交替分布；所述集中电枢绕组（2）各线圈分别套在一个定子电枢齿上；所述永磁体（4）分别贴装于一个定子永磁齿面向转子的表面，各永磁体均为径向充磁，且相邻两块永磁体的充磁方向相反；所述集中励磁绕组（5）的各线圈分别套在一个定子励磁齿上，且各励磁线圈串联成为单相励磁绕组；所述转子由U型导磁转子铁心（3）和隔磁机构（6）组成，且各U型导磁转子铁心（3）分别嵌于隔磁机构（6）中；所述转子U形导磁铁心单元之间可以通过连接桥（7）连接在一起，由于连接桥（7）内部磁场高度饱和，磁阻较大，可以有效的防止漏磁。

2.根据权利要求1所述的混合励磁型定子表面贴装式双凸极永磁电机，其特征在于，所述定子铁心（1）和转子导磁铁心（3）均为凸极结构，所述定子包括定子铁心（1）、集中式电枢绕组（2）、永磁体（4）和集中式励磁绕组（5），所述转子包括U型转子导磁铁心（3）和隔磁机构（6）。

3.根据权利要求1所述的混合励磁型定子表面贴装式双凸极电机，其特征在于，励磁绕组通入电流方向不同，电励磁磁通与永磁磁通方向相同或相反，其中，当通入增磁性质的励磁电流时，各励磁线圈产生的电励磁磁通与其所在定子永磁齿下贴装的永磁体所产生的永磁磁通方向相同，电励磁到增磁作用；当通入去磁性质的励磁电流时，各励磁线圈产生的电励磁磁通与其所在定子永磁齿下贴装的永磁体所产生的永磁磁通方向相反，电励磁到去磁作用。

4.根据权利要求1所述的混合励磁型定子表面贴装式双凸极电机，其特征在于，组成一相的电枢绕组线圈之间具有绕组互补性，电枢感应电势是正弦波或方波。

5.根据权利要求1所述的混合励磁型定子表面贴装式双凸极永磁电机，其特征在于，根据特定的定转子齿槽配合，所述的集中式电枢绕组（2）的各线圈可连接成单相或多相电枢绕组；所述集中式电枢绕组（2）可采用分布绕组的形式。

6.根据权利要求1所述的混合励磁型定子表面贴装式双凸极电机，其特征在于，所述各永磁铁（4）均为径向充磁，且相邻两块永磁体的充磁方向相反；所述永磁体（4）是铁氧体或者钕铁硼的永磁材料。

7.根据权利要求1所述的混合励磁型定子表面贴装式双凸极永磁电机，其特征在于，所述转子铁心（3）可以通过连接桥（7）连接成为一个整体。

8.根据权利要求1所述的混合励磁型定子表面贴装式双凸极永磁电机，其特征在于，转子铁心（3）和隔磁机构（6）位于定子（1）的外部，变成外转子结构。

9.根据权利要求1－8任一项所述的混合励磁型定子表面贴装式双凸极永磁电机，其特征在于，所述定子铁心（1）、转子铁心（3）和连接桥（7）的材料均为硅钢片的导磁材料。

10.根据权利要求1－8任一项所述的混合励磁型定子表面贴装式双凸极永磁电机，其特征在于，所述隔磁机构（6）的材料是铜、铝的不导磁材料。

11.根据权利要求1－8任一项所述的混合励磁型定子表面贴装式双凸极永磁电机，其特征在于，所述电机可作为发电机或电动机运行。

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