CN103312061B - 一种隐含凸极的开关磁链电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隐含凸极的开关磁链电机，包括凸极结构的定子和设置于定子内侧的转子，定子上设置有位于内侧的6n个定子齿，n为大于0的自然数，每个定子齿中设置有矩形永磁体，定子齿的齿槽中绕有集中电枢线圈，矩形永磁体切向充磁且两相邻矩形永磁体的充磁方向相反，同相集中电枢线圈串联或并联连接，形成三相电枢绕组。本发明电机的转子上既无永磁体也无绕组、结构简单而可靠。转子上开有U形隔磁槽形成非导磁路径，靠近轴心的U形隔磁槽上留有饱和磁桥。本发明提出的电机通过改变转子结构改善了电机的性能。

Description

一种隐含凸极的开关磁链电机

技术领域

本发明属于永磁电机领域，涉及一种隐含凸极的开关磁链电机。

背景技术

开关磁链电机自提出之后得到了越来越多的关注。其基本结构类似一台开关磁阻电机, 但是在每个定子齿内嵌有径向的永磁体。永磁体产生的磁通路径随着转子位置的改变而发生变化, 使得定子绕组匝链的磁通发生交变，这与定子轭部内嵌永磁体的开关磁阻电机在本质上是不同的。开关磁阻电机中磁通随转子位置仅发生幅值变化而无极性变化, 因此开关磁阻电机是单极性电机。 开关磁链电机中磁通随转子位置交变，即幅值和极性均发生变化，因此，开关磁链电机是双极性电机,其转矩和能量密度更高, 并具有良好的弱磁能力。

开关磁链电机是一种无刷结构的双凸极电机，转子上既无永磁体也无绕组,具有结构简单、坚固耐用, 适合宽转速范围运行等诸多优点。电机利用永磁材料代替励磁绕组, 减小了铜耗, 同时电机体积和重量大为减小。定子采用集中绕组，绕组端部较小，节省用铜量并减小铜耗。综上开关磁链电机具有较高的功率密度和效率，具有广泛的工业应用前景。如:（1）交流变频调速驱动, 如家用电器、电动汽车等；（2）在飞机、舰艇、车辆中, 作为独立的起动/发电系统使用；（3）中小型备用电源或独立供电电源, 也可以并网运行。

目前的开关磁链电机的转子采用凸极结构，研究表明凸极结构的转子磁耦合性能较差、磁场调制能力低、齿槽转矩大，影响电机的启动和运行性能。本发明中的电机采用隐含凸极的转子结构，从结构上突破了开关磁链电机传统的双凸极结构，通过改变转子的结构改善了开关磁链电机的启动和运行性能。

发明内容

技术问题：针对传统双凸极开关磁链电机存在弱磁调速性能差、齿槽转矩大的问题，为提高开关磁链电机的性能，本发明提供一种有较强的弱磁扩速性能，降低了齿槽转矩，改善了启动性能，并有效减小了运行过程中转矩脉动的隐含凸极的开关磁链电机。       

技术方案：本发明的隐含凸极的开关磁链电机，包括凸极结构的定子和设置于定子内侧的转子，定子上设置有位于内侧的6n个定子齿，n为大于0的自然数，每个定子齿中设置有矩形永磁体，定子齿的齿槽中绕有集中电枢线圈，矩形永磁体切向充磁且两相邻矩形永磁体的充磁方向相反，同相集中电枢线圈串联或并联连接，形成三相电枢绕组；转子由沿转轴方向排列的叠片叠压而成，叠片上设置有以转轴轴心为中心对称的5n组隔磁槽，所有叠片上的隔磁槽对应设置，形成磁障，每组隔磁槽包括至少一个开口朝向定子的U形隔磁槽，U形隔磁槽的两侧边的延长线在转轴轴心一侧相交，形成的夹角为360^o/5n，当每组隔磁槽包括多个U形隔磁槽时，每组隔磁槽中的多个U形隔磁槽沿径向排列。

本发明电机的每组隔磁槽中，一个或多个U形隔磁槽的底部或侧边留有一个或多个饱和磁桥。

本发明中，转子的叠片为厚度小于1mm的软磁材料。

本发明中，磁障中填充有用来限制磁通路径的隔磁材料。

本发明中，定子由6n块U形铁心、6n块矩形永磁体和6n个集中电枢线圈构成，U形定子铁心和矩形永磁体交替放置拼装，两相邻U形铁心的端部共同构成定子齿，矩形永磁体位于两相邻U形铁心之间，集中电枢线圈绕在定子齿上。

一个凸极定子和一个表面光滑的转子，为6/5极开关磁链电机。

定子由6块U形铁心、6块矩形永磁体和6个三相集中电枢线圈构成。定子U形铁心呈圆周放置，相邻的U形铁心之间插入一块矩形永磁体，电枢线圈绕在两个相邻的U形铁心的齿上。定子上相邻的矩形永磁体切向充磁且充磁方向相反。径向相对的两个电枢线圈属于同一相绕组，连接方式可以是串联或并联连接，如图1所示：电枢线圈A1、电枢线圈A2空间位置相对，将两个电枢线圈顺次串联或并联后构成A相电枢绕组。电枢线圈B1、电枢线圈B2空间位置相对，两个绕组顺次串联或并联后构成B相电枢绕组。电枢线圈C1、电枢线圈C2空间位置相对，两个绕组顺次串联或并联后构成C相电枢绕组。这样定子上便形成A相、B相、C相三相电枢绕组。

转子由径向圆形叠片、转子轴、紧固螺栓构成。导磁铁心为隐含凸极的径向叠片结构，表面光滑没有齿槽。径向圆形叠片上开有U形槽，每极开有两个相互平行的U形隔磁槽，两个U形隔磁槽间的导磁材料形成导磁路径。转子磁障中可以是空气或者填充非导磁材料。磁障的隔磁效果使沿磁障的对称轴方向形成转子的交轴。每两组磁障间的导磁材料的径向为转子直轴。转子结构分别沿直轴和交轴对称。内磁障上设置有一个饱和磁桥。转子上既无绕组也无永磁体。

该电机的定子包括6个U形铁心、6个矩形永磁体和6个三相集中线圈，转子为隐含凸极的转子，由转子磁障产生凸极效果构成基本电机。将基本电机的定子单元、转子极进行倍数扩充，可以得到定子12槽/转子10极、定子18槽/转子15极、……结构电机。

本发明在不改变开关磁链电机凸极定子结构的基础上，转子设计为径向叠片表面光滑的隐含凸极结构。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：      

1、转子隐含凸极的开关磁链电机是从双凸极电机的基础上发展和产生出来的。它的结构简单，转子由内部开槽的径向圆形叠片叠压而成，工艺制造简单，成本较低。

2、转子隐含凸极的开关磁链电机既保留了传统型开关磁链电机的优点，又通过隐含凸极的转子结构改善了开关磁链电机的性能。转子上磁障限定磁通路径，缩短了电机的主磁路，减小了电机运行时的涡流损耗，同时增大了直轴电感。与相同结构的凸极式转子电机相比由于磁障的隔磁作用，交轴电感很小，转子有非常强烈的凸极性，使电机有较强的弱磁扩速性能。与凸极式转子相比隐含凸极的表面光滑的转子结构气隙磁场变化较为连续有效的降低了齿槽转矩，改善了启动性能，并有效减小了运行过程中的转矩脉动。

附图说明

图1为6/5极隐含凸极的开关磁链电机示意图；

图2为6/5极转隐含凸极的开关磁链电机的径向圆形转子叠片示意图；

图3为U形隔磁槽的侧边留有饱和磁桥的6/5极隐含凸极的开关磁链电机示意图；

图4为12/10极隐含凸极的开关磁链电机示意图。

图中有：转子1、定子2、U形隔磁槽11、饱和磁桥12、矩形永磁体21、U形铁心22、集中电枢线圈23。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步具体说明。

图1、图2所示本发明的隐含凸极的开关磁链电机，包括1个凸极结构定子2和1个隐含凸极的表面光滑的转子1。定子2由6块U形铁心22、6块矩形永磁体21和6个集中电枢线圈23构成。矩形永磁体21嵌放在相邻U形铁心22中间，集中电枢线圈23绕在相邻的两个U形铁心22的齿上。定子2上相邻的矩形永磁体21沿着切向充磁且充磁方向相反。定子2上A、B、C三相绕组由6个集中电枢线圈23连接组成，同相的两个集中电枢线圈23串联或并联连接构成一相。转子1为隐含凸极的结构，转子1上既无永磁体也无绕组。

定子2由6块结构相同的U形铁心22和矩形永磁体21组成，相邻U形铁心22中嵌入矩形永磁体21。相邻的U形齿上绕有集中电枢线圈23，同相线圈之间串联或者并联连接构成一相电枢绕组。

隐含凸极的开关磁链电机转子1径向圆形叠片三维图如图2所示，转子叠片1厚度为h，转子叠片1上开有五对U形隔磁槽11，每对U形隔磁槽占72⁰机械角并且相互平行。每对U形隔磁槽11中靠近转轴的U形隔磁槽上留有一饱和磁桥12以提高转子的机械强度。槽宽为Ws，两槽相距Wi，较大的U形隔磁槽相距直轴宽度为W_h，距圆心距离为W_l，槽顶距离叠片边缘的距离为Wn。

转子隐含凸极的开关磁链电机的转子铁心由上述径向圆形叠片叠压而成，转子铁心表面光滑，没有齿槽。叠压而成的转子铁心为圆柱形，由轴向的紧固螺栓固定。转子铁心安装在转子轴上。叠压而成的转子铁心内部由U形隔磁槽形成的磁障可以是空气或者填充隔磁材料。

矩形永磁体选择铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢等永磁材料。

如图1所示隐含凸极的开关磁链电机由转子1和定子2构成。转子放置在定子内部，定转子同轴安装。

图3为U形隔磁槽的侧边留有饱和磁桥的隐含凸极的开关磁链电机，其它部分与图1所示的隐含凸极的开关磁链电机相同。

图3为U形隔磁槽底边留有饱和磁桥的12/10极隐含凸极的开关磁链电机，为图1所示电机基本电机的定子单元、转子极进行倍数扩充，得到的定子12槽/转子10极结构电机。

本发明提出的隐含凸极的开关磁链电机作为电动机运行，与传统开关磁链电机运行原理一致。本发明提出的改进结构，缩短了每极主磁通路径，减小了损耗，同时增加了直轴电感提高了弱磁扩速性能。转子的隐含凸极结构，有效降低了齿槽转矩改善了启动性能，同时减小了运行过程中的转矩脉动。

Claims (5)

1.一种隐含凸极的开关磁链电机，其特征在于，该电机包括凸极结构的定子（2）和设置于所述定子（2）内侧的转子（1），所述定子（2）上设置有位于内侧的6n个定子齿，n为大于0的自然数，每个所述定子齿中设置有矩形永磁体（21），定子齿的齿槽中绕有集中电枢线圈（23），所述矩形永磁体（21）切向充磁且两相邻矩形永磁体（21）的充磁方向相反，同相集中电枢线圈串联或并联连接，形成三相电枢绕组；

所述转子（1）由沿转轴方向排列的圆形叠片叠压而成，转子外周表面光滑没有齿槽，所述叠片上设置有以转轴轴心为中心对称的5n组隔磁槽，所有叠片上的隔磁槽对应设置，形成磁障，每组所述隔磁槽包括至少一个开口朝向定子（2）的U形隔磁槽（11），所述U形隔磁槽（11）的两侧边的延长线在转轴轴心一侧相交，形成的夹角为360^o/5n，当每组隔磁槽包括多个U形隔磁槽（11）时，每组隔磁槽中的多个U形隔磁槽（11）沿径向排列。

2.根据权利要求1所述的隐含凸极的开关磁链电机，其特征在于，所述每组隔磁槽中，一个或多个U形隔磁槽（11）的底部或侧边留有一个或多个饱和磁桥（12）。

3.根据权利要求1或2所述的隐含凸极的开关磁链电机，其特征在于，所述转子（1）的叠片为厚度小于1mm的软磁材料。

4.根据权利要求1或2所述的隐含凸极的开关磁链电机，其特征在于，所述磁障中填充有用来限制磁通路径的隔磁材料。

5.根据权利要求1或2所述的隐含凸极的开关磁链电机，其特征在于，所述定子（2）由6n块U形铁心（22）、6n块矩形永磁体（21）和6n个集中电枢线圈（23）构成，所述U形定子铁心（22）和矩形永磁体（21）交替放置拼装，两相邻U形铁心（22）的端部共同构成定子齿，矩形永磁体（21）位于两相邻U形铁心（22）之间，所述集中电枢线圈（23）绕在定子齿上。