CN103248189A - 一种双极性定子表面贴装式永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极性定子表面贴装式永磁电机，由定子铁心、集中式电枢绕组、转子铁心和永磁体组成。定子铁心和转子铁心均为凸极结构；集中式电枢绕组和永磁体均位于定子侧；集中式电枢绕组均由N_s/m个线圈组成，其中N_s为定子极数，m为电机相数，N_s/m=2ⁿ，n为大于等于1的正整数，若N_s/m=2，则每个集中式电枢绕组的两个电枢线圈串联或并联连接且不具备互补性，若N_s/m=2ⁿ⁺¹，n为大于等于1的正整数，则每个集中式电枢绕组的2ⁿ⁺¹个绕组线圈中的2ⁿ个线圈具备绕组互补性，2ⁿ⁺¹个绕组线圈串联相接组成2ⁿ个线圈组，2ⁿ个线圈组串联或者并联连接。本发明控制方式灵活，适于不同的交流调速与伺服驱动场合。

Description

一种双极性定子表面贴装式永磁电机

 

技术领域

本发明是采用新型充磁方式的定子表面贴装式永磁电机，电枢线圈匝链的磁通呈双极性变化，具有较强转矩输出能力与较高功率密度的电机，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。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生一系列问题，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别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；

5、若期望利用定子电枢绕组对磁钢进行充磁或者去磁，对于转子永磁型的结构，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。

另一方面，在上个世纪90年代末，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。具体而言，传统的磁通反向永磁电机采用的充磁方式可以获得近似方波的每相空载感应电势，适合于无刷直流方式控制。为了适应交流调速与伺服驱动场合，本发明在传统磁通反向永磁电机结构基础之上，修改了永磁体的充磁方向，提出了一种新型充磁方式的双极性定子表面贴装式永磁电机。

 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种结构简单、坚固，电枢线圈匝链的永磁磁链呈双极性变化，具有高度近似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，适用于交流调速系统的驱动元件的双极性定子表面贴装式永磁电机。

技术方案：本发明的双极性定子表面贴装式永磁电机，包括定子铁心，转子铁心、设置在定子铁心上的集中式电枢绕组和永磁体，定子铁心和转子铁心都为凸极结构，集中式电枢绕组的线圈设置在定子铁心的定子齿槽中，每个定子齿面向转子铁心的一侧并排设置有两块径向充磁方向相反的永磁体。集中式电枢绕组均由N_s/m个线圈组成，其中N_s为定子极数，m为电机相数，N_s/m=2ⁿ，n为大于等于1的正整数，若N_s/m=2，则每个集中式电枢绕组的两个电枢线圈串联或并联连接且不具备互补性，若N_s/m=2ⁿ⁺¹，n为大于等于1的正整数，则每个集中式电枢绕组的2ⁿ⁺¹个绕组线圈中的2ⁿ个线圈具备绕组互补性，2ⁿ⁺¹个绕组线圈串联相接组成2ⁿ个线圈组，2ⁿ个线圈组串联或者并联连接。

本发明中，两块径向充磁的永磁体并排贴装于一个定子齿面向转子的表面，且相邻两块永磁体的充磁方向相反。若第一个定子齿下的两块永磁体充磁方向为N-S，与之相邻的定子齿下两块永磁体充磁极性亦为N-S，即相邻两个定子齿下的四块永磁体充磁方向为：N-S-N-S。永磁体可以是铁氧体、钐钴或者钕铁硼等其他类型永磁材料。转子上既无永磁体也无绕组。

本发明的一种实施方案中，定子环绕在转子外部，构成内转子结构。另一种方案中，转子环绕在定子外部，构成外转子结构。

本发明中，定子铁心和转子铁心均采用硅钢片或其他导磁材料。

本发明的电机既可用于发电运行亦可用于电动运行。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1．由于本发明的电机将电枢集中绕组和永磁体都位于定子上，结构简单、坚固，特别适用于高速运行，且有利于改善该电机的冷却条件，便于电机散热。

2．本发明电机保留了传统定子表面贴装式永磁电机定转子均为凸极结构的特性，在永磁体用量相同时，输出转矩要显著高于传统的定子表面贴装式双凸极永磁电机，提高了单位体积永磁体利用率。

3．本发明电机采用该新型充磁方式，在不增加成本和制造难度的条件下，可使每相电枢绕组中的空载感应电势波形为正弦波，控制方式较为灵活，适于不同的交流调速与伺服驱动场合。

4．定子集中式绕组线圈可以预先绕制好，易于提高槽满率，且很方便置于定子齿上，便于加工制造。

5．电枢绕组采用集中式线圈，端部较短，有利于提高电机效率和降低制造成本。

6．由于电机自身结构的特征，集中式电枢绕组均由N_s/m个线圈组成，其中N_s为定子极数，m为电机相数，N_s/m=2ⁿ，n为大于等于1的正整数，若N_s/m=2，则每个集中式电枢绕组的两个电枢线圈串联或并联连接且不具备互补性，若N_s/m=2ⁿ⁺¹，n为大于等于1的正整数，则每个集中式电枢绕组的2ⁿ⁺¹个绕组线圈中的2ⁿ个线圈具备绕组互补性，2ⁿ⁺¹个绕组线圈串联相接组成2ⁿ个线圈组，所述的2ⁿ个线圈组串联或者并联连接。可显著降低合成永磁磁链的谐波含量，保证了每相绕组感应电势为正弦波，提高了系统运行可靠性和降低转矩脉动，适于交流调速与伺服驱动场合。

 

附图说明

图1为本发明电机内转子结构的横向剖视图；

图2为本发明电机外转子结构的横向剖视图；

图3为本发明电机中磁通穿出定子齿进入与之相对齐的转子极的磁通反向原理图； 

图4为本发明电机中磁通穿出转子极进入与之相对齐的定子齿的磁通反向原理图；

图5为本发明电机三相电枢绕组间的磁链关系；

图6为本发明电机三相电枢绕组间的感应电势关系。

图中有：定子铁心1、电枢绕组线圈2、转子铁心3、永磁体4。

 

具体实施方式

下面将结合说明书附图和实施例对本发明进行进一步说明。

本发明的双极性定子表面贴装式永磁电机，包括定子铁心1、转子铁心3，电枢绕组线圈2和永磁体4，如图1所示。本发明的双极性定子表面贴装式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，定子铁心1和转子铁心3都为凸极结构，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、三相或多相；在定子铁心1上设置有集中式电枢绕组2和永磁体4，集中式电枢绕组2的各线圈分别套在一个定子电枢齿上；其中，集中式电枢绕组均由N_s/m个线圈组成，N_s为定子极数，m为电机相数，N_s/m=2ⁿ，n为大于等于1的正整数，若N_s/m=2，则每个集中式电枢绕组的两个电枢线圈串联或并联连接且不具备互补性，若N_s/m=2ⁿ⁺¹，n为大于等于1的正整数，则每个集中式电枢绕组的2ⁿ⁺¹个绕组线圈中的2ⁿ个线圈具备绕组互补性，2ⁿ⁺¹个绕组线圈串联相接组成2ⁿ个线圈组，2ⁿ个线圈组串联或者并联连接。永磁体4均为径向充磁，每个定子齿面向转子铁心3的一侧并排设置有两块径向充磁方向相反的永磁体4。若第一个定子齿下的两块永磁体充磁方向为N-S，与之相邻的定子齿下两块永磁体充磁极性亦为N-S，即相邻两个定子齿下的四块永磁体充磁方向为：N-S-N-S；永磁体4的材料可以是铁氧体或钕铁硼等其他永磁材料。转子铁心2结构非常简单，既无永磁铁也无绕组，为简单的导磁铁心冲片压叠而成。

图1所示，以一台三相定子6槽/转子8极电机为例，本发明双极性定子表面贴装式无刷电机转子铁心3位于定子铁心1的内部，定子铁心1和转子铁心3都为凸极结构，在定子铁心1上设置有三相集中绕组2和12块永磁铁4。

集中电枢绕组2的A相第一绕组线圈201和第二绕组线圈204径向相对，每个绕组线圈套于定子铁心1中每个定子齿的两侧槽中，且上述两个集中绕组线圈串联组成A相；

集中电枢绕组2的B相第一绕组线圈202和第二绕组线圈205径向相对，每个绕组线圈套于定子铁心1中每个定子齿的两侧槽中，且上述两个集中绕组线圈串联组成B相；

集中电枢绕组2的C相第一绕组线圈203和第二绕组线圈206径向相对，每个绕组线圈套于定子铁心1中每个定子齿的两侧槽中，且上述两个集中绕组线圈串联组成C相；

图2为本发明电机外转子结构的横向剖视图，转子铁心3位于定子铁心1的外部，集中电枢绕组的连接方式和图1相同。

图3为本发明电机的工作原理图，由图2见，随着转子位置的不同，电枢线圈中会匝链交变的双极性磁链，因此随着转子位置不同，电枢线圈中将产生交变的感应电动势。

图4和图5所示分别是电枢绕组三相永磁磁链和空载感应电势波形（如图1中所示，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）。

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 (6)

1.一种双极性的定子表面贴装式永磁电机，其特征在于，该电机包括定子铁心（1）、转子铁心（3）、设置在所述定子铁心（1）上的集中式电枢绕组（2）和永磁体（4），所述定子铁心（1）和转子铁心（3）均为凸极结构，所述集中式电枢绕组（2）的线圈设置在定子铁心（1）的定子齿槽中，每个定子齿面向转子铁心（3）的一侧并排设置有两块径向充磁方向相反的永磁体（4）；

所述集中式电枢绕组（2）均由N_s/m个线圈组成，其中N_s为定子极数，m为电机相数，N_s/m=2ⁿ，n为大于等于1的正整数，若N_s/m=2，则每个集中式电枢绕组（2）的两个电枢线圈串联或并联连接且不具备互补性，若N_s/m=2ⁿ⁺¹，n为大于等于1的正整数，则每个集中式电枢绕组（2）的2ⁿ⁺¹个绕组线圈中的2ⁿ个线圈具备绕组互补性，2ⁿ⁺¹个绕组线圈串联相接组成2ⁿ个线圈组，所述的2ⁿ个线圈组串联或者并联连接。

2.根据权利要求1所述的双极性定子表面贴装式永磁电机，其特征在于，所述定子（1）环绕在转子（3）外部，构成内转子结构。

3.根据权利要求1所述的双极性定子表面贴装式永磁电机，其特征在于，所述转子（3）环绕在定子（1）外部，构成外转子结构。

4.根据权利要求1所述的双极性定子表面贴装式永磁电机，其特征在于，所述集中式电枢绕组（2）采用分布式绕组。

5.根据权利要求1所述的双极性定子表面贴装式永磁电机，其特征在于，所述永磁铁（4）采用铁氧体或者钕铁硼类型的永磁材料。

6.根据权利要求1所述的双极性定子表面贴装式永磁电机，其特征在于，所述定子铁心（1）和转子铁心（3）均采用硅钢片或其他导磁材料。

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