CN104201852A - 绕组互补型转子永磁磁通切换电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绕组互补型转子永磁磁通切换电机，包括定子铁心和转子模块；所述定子铁心与转子齿模块均为凸极结构；定子铁心上设置有电枢绕组和容错齿，所述电枢绕组为集中式绕组，采用半齿绕结构，相邻两个电枢绕组之间有容错齿；转子模块包括转子齿模块和轴，转子齿模块固定于轴上；转子齿模块包括表面永磁体、内置永磁体和若干组转子导磁齿。本发明的绕组采用互补型结构，有效抑制空载感应电势中高次谐波的产生，提高空载感应电势波形的正弦特性，在定子铁心中加入容错齿，改变主磁路结构，有效抑制定位力矩，减小输出转矩波动。

Description

绕组互补型转子永磁磁通切换电机

技术领域

本发明涉及电机领域，具体涉及绕组互补型转子永磁磁通切换电机。

背景技术

传统的转子永磁型同步电机转子磁路结构一般分为表面式与内置式两种，电枢绕组布置方式一般分为集中式绕组或分布式绕组。采用集中式绕组能够有效减小端部绕组长度，降低铜耗，提高效率，但空载感应电势波形谐波含量较大，不易采用正弦波控制；采用分布式绕组空载感应电势正弦特性较好，但绕组端部较长，铜耗较大。

近年来受到广泛关注的定子永磁型磁通切换电机，其结构特点是永磁体与电枢绕组均位于定子侧，转子上既无永磁体也无电枢绕组，结构简单，适合高转速运行，且具有转矩密度高，输出功率大，在采用直槽转子的条件下反电势正弦特性好等优点。

但是，定子永磁型磁通切换电机的缺点在于永磁体用量较大，在定子侧永磁体漏磁严重，降低了永磁体的利用率；永磁体与电枢绕组均置于定子侧，导致永磁体与电枢绕组必然构成空间竞争关系，减小了电枢绕组的槽面积，影响电机输出功率密度；电枢磁场与永磁磁场共同作用，使定子铁心内的磁密过饱和，在影响转矩密度的同时产生较大铁耗，温升过高，引起永磁体退磁；此外，转子侧即无永磁体也无电枢绕组，仅由硅钢片构成凸极结构，降低了转子侧的空间利用率，影响了转矩密度与功率密度。

文件CN103219849A中，提出一种转子永磁型双凸极电机，其结构特点在于将永磁体置于转子侧，电枢绕组置于定子侧，有效的提高了电机转子侧与定子侧的空间利用率，具有较高的转矩密度和功率密度，且与传统转子永磁电机相比，空载感应电势更接近正弦。

但是，文件CN103219849A所提出的转子永磁型双凸极电机也有一些明显的缺点：

(1)永磁磁链与空载感应电势正弦特性虽然优于传统转子永磁电机，但谐波含量依然较大，对输出转矩脉动以及交流调速系统产生影响；

(2)转子结构采用U型导磁单元，使得转子铁心轭部中形成与主磁路并联的磁路，削弱了主磁通大小，在一定程度上减小了转矩密度与功率密度。

(3)在转子运动过程中，转子齿与线圈201的相对位置与转子齿和线圈204的相对位置相同，引起气隙中的磁场能量对定转子相对位置的导数相同，因此产生较大定位力矩。

发明内容

发明目的：为了现有转子永磁型同步电机空载感应电势谐波含量较大，端部绕组较长的缺点，以及定子永磁型磁通切换电机定子侧与转子侧空间利用率较低的不足，本发明提供一种绕组互补型转子永磁磁通切换电机，解决了现有技术的不足。

技术方案：绕组互补型转子永磁磁通切换电机，其特征在于，包括定子铁心和转子模块；所述定子铁心与转子齿模块均为凸极结构；

定子铁心上设置有电枢绕组和容错齿，所述电枢绕组为集中式绕组，采用半齿绕结构，相邻两个电枢绕组之间有容错齿；

转子模块包括转子齿模块和轴，转子齿模块固定于轴上；转子齿模块包括表面永磁体、内置永磁体和若干组转子导磁齿；每组转子导磁齿包括两个转子导磁齿，所述内置永磁体嵌入两个转子导磁齿之间；内置永磁体均采用切向充磁，且充磁方向一致；每组两个转子导磁齿表面均贴装一块表面永磁体，该两块表面永磁体采用径向充磁，充磁方向相反；表面永磁体在磁路上与内置永磁体构成串联结构。

进一步的，每相电枢绕组均包括四个线圈，分别为1号线圈、2号线圈、3号线圈和4号线圈；各相电枢绕组中1号线圈与3号线圈径向相对；2号线圈与4号线圈径向相对；1号线圈与2号线圈空间位置相差90°；且各相电枢绕组之间空间位置相差60°。这样的结构使得三相空载感应电势相差120°。

进一步的，每相电枢绕组中1号线圈与2号线圈具有互补性，因此顺向串联，构成一个线圈组，两个线圈中匝链的永磁磁链相位相差180°且极性相反，能够抵消永磁磁链中的高次谐波，提高永磁磁链的正弦性，同理，3号线圈与4号线圈也顺向串联，构成第二个线圈组，两个线圈组依据工况顺向串联或并联，共同构成一相电枢绕组。

进一步的，容错齿位于相邻两个线圈之间；定子铁心包括定子铁心轭部和定子齿；定子铁心轭部、定子齿、容错齿、表面永磁体、内置永磁体与转子导磁齿共同构成主磁通闭合回路。定子铁心中设置有容错齿，为主磁通提供通路；由于容错齿的作用，互补的两个线圈所在的磁通回路中的磁场能量对定转子相对位置的导数正负相反，相互抵消，有效抑制了定位力矩，减小了运行过程中的转矩脉动。

进一步的，所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机，其特征在于所述定子铁心为直槽结构,加工方便，工序简单。

进一步的，所述表面永磁体和内置永磁体均为钕铁硼、铁氧体、钐钴等永磁材料。

进一步的，定子铁心、转子导磁齿均为硅钢片等导磁材料；所述轴为高强度非导磁材料。

有益效果：本发明的绕组采用互补型结构，有效抑制空载感应电势中高次谐波的产生，提高空载感应电势波形的正弦特性，在定子铁心中加入容错齿，改变主磁路结构，有效抑制定位力矩，减小输出转矩波动。具体的，具有以下优点：

(1)采用转子永磁型结构，将永磁体放置于转子侧，有效提高了定转子侧空间利用率，增大了电枢绕组槽面积，有效提高了转矩密度与功率密度。

(2)采用转子永磁型结构，将电枢绕组与永磁体分别放置于定转子侧，有效减小了定子与转子齿的磁饱和程度，降低了铁耗，提高了电机的运行效率和过载能力。

(3)本发明定子铁心与转子齿模块均为凸极结构，在电机工作过程中输出永磁转矩的同时，输出由于凸极效应产生的磁阻转矩，提高输出转矩密度。

(4)本发明定子电枢绕组采用集中式绕组半齿绕结构，与传统转子永磁同步电机采用分布式绕组结构相比，有效减小了端部绕组的长度，降低的端部电阻铜耗，提高了电机效率。

(5)本发明定子电枢绕组采用互补型结构，与文件CN103219849A中的电机结构相比，有效的抵消了单个线圈中偶次谐波对磁链的影响，优化了单相绕组内永磁磁链的正弦特性，进而减小了永磁磁链与空载感应电势谐波含量，抑制了输出转矩脉动。

(6)本发明定子铁心中设置有容错齿，为主磁通提供通路；由于容错齿的作用，互补的两个线圈所在的磁通回路中的磁场能量对定转子相对位置的导数正负相反，相互抵消，有效抑制了定位力矩，减小了运行过程中的转矩脉动。

(7)本发明转子导磁齿气隙侧表面永磁体径向充磁，可通过调节表面永磁体结构参数，优化转子极弧，改善永磁磁链正弦特性；内置永磁体与表面永磁体在磁路上构成串联结构，可通过优化内置永磁体与表面永磁体体积比，增加永磁磁链幅值，提高空载感应电势大小。

(8)本发明转子齿模块中，内置永磁体与表面永磁体产生的磁动势在磁路上构成串联结构，有效的提高了永磁体的抗去磁能力。

附图说明

图1为本发明绕组互补型转子永磁磁通切换电机剖面图；

图2为本发明电机空载三相永磁磁链波形图；

图3为本发明电机空载三相空载感应电势波形图；

图4为本发明电机定位力矩波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本发明公开了一种绕组互补型转子永磁磁通切换电机，其特征在于，包括定子铁心1和转子模块；所述定子铁心1与转子齿模块4均为凸极结构。

定子铁心1为直槽结构，定子铁心1上设置有电枢绕组2和容错齿3，所述电枢绕组2为集中式绕组，采用半齿绕结构，相邻两个电枢绕组2之间有容错齿3。

每相电枢绕组2均包括四个线圈，分别为1号线圈、2号线圈、3号线圈和4号线圈；图1中，三位数编号表示各相线圈，前两位21表示第一相，22表示第二相，23表示第三相。最后一位表示线圈号，1为1号线圈，2为2号线圈，以此类推。例如211号线圈表示第一相1号线圈，234线圈表示第三相4号线圈，以此类推。A相电枢绕组中211号线圈与213号线圈径向相对；212号线圈与214号线圈径向相对；211号线圈与212号线圈空间位置相差90°；且ABC三相电枢绕组2之间空间位置相差60°，保证各相永磁磁链相位相差120°。

各相下空间位置相差90°的两个线圈中匝链的永磁磁链具有互补性，因此顺向串联，构成一个线圈组，每相下的两个线圈组依据工况顺向串联或者并联，共同构成单相电枢绕组。以A相为例：211号线圈与212号线圈空间位置相差90°，匝链的永磁磁链具有互补性，因此顺向串联，共同构成一个线圈组，同理，213号线圈与214号线圈顺向串联，构成第二个线圈组，两个线圈组可以依据工况顺向串联或者并联，共同构成A相电枢绕组。由于绕组具有互补性，211号线圈中匝链的永磁磁链与212号线圈中匝链的永磁磁链相位相差180°，且极性相反，因此能够抵消永磁磁链中的高次谐波，特别是偶次谐波，提高永磁磁链与空载反电动势的正弦性，如图2和图3所示。转子模块采用模块化设计，包括转子齿模块4和轴8，每个转子齿模块4固定于轴8上；具体是通过轴8上的燕尾槽固定。每个转子齿模块4包括表面永磁体5、内置永磁体6和若干组转子导磁齿7。每组转子导磁齿7包括两个转子导磁齿7，所述内置永磁体6嵌入两个转子导磁齿7之间；内置永磁体6均采用切向充磁，且充磁方向一致；每组两个转子导磁齿7靠近气隙侧的表面均贴装一块表面永磁体5，该两块表面永磁体5采用径向充磁，充磁方向相反；表面永磁体5在磁路上与内置永磁体6构成串联结构。

所述的转子齿模块4中两个转子导磁齿7可通过厚度很小的导磁桥连接，内置永磁体6嵌入两个转子导磁齿7与导磁桥构成的U型凹槽中，简化了转子齿模块加工工艺；由于导磁桥厚度很小，内部磁场高度饱和，磁阻接近空气，抑制了内置永磁体导磁桥侧端部漏磁。

所述容错齿3位于相邻两个线圈之间；定子铁心1包括定子铁心轭部和定子齿，定子铁心轭部、定子齿、容错齿3、表面永磁体5、内置永磁体6与转子导磁齿7共同构成主磁通闭合回路。

所述的转子齿模块4中，表面永磁体5与内置永磁体6均采用钕铁硼、铁氧体等永磁磁钢。

所述的定子铁心1、转子导磁齿7均采用硅钢片等导磁材料；轴8采用高强度非导磁材料，如不锈钢。

本发明所提出的绕组互补型转子永磁磁通切换电机，其特点在于电枢绕组放置于定子侧，永磁体放置于转子侧，有效提高了定子侧与转子侧的空间利用率，增大了槽面积，提高了电机的转矩密度与功率密度；电枢绕组采用集中式绕组，减小了端部绕组长度，降低了端部电阻大小，提高了电机效率；每相电枢绕组中1号线圈与2号线圈具有互补特性，有效抑制了永磁磁链与空载感应电势中的谐波含量，使永磁磁链与空载感应电势具有高度正弦特性，使得电机特别适合于做交流调速系统的驱动元件。

转子侧永磁体采用表面内置混合结构，表面永磁体贴装在转子导磁齿表面，可通过调节表面永磁体结构参数调节转子极弧，优化永磁磁链与空载感应电势正弦特性；表面永磁体产生的磁动势与内置永磁体产生的磁动势在磁路上构成串联，可通过改变表面永磁体与内置永磁体结构参数，优化表面永磁体与内置永磁体体积配比，提高永磁磁链与空载感应电势幅值。

表面永磁体与内置永磁体在磁路上构成串联，有效提高了电机的抗去磁能力。

容错齿与定子轭部、定子铁心齿、表面永磁体、转子导磁齿以及内置永磁体共同构成主磁通回路；由附图1中绕组互补型转子永磁磁通切换电机机械结构可知，在转子运行过程中，由于容错齿的作用，互补的两个线圈所在的磁通回路中的磁场能量对定转子相对位置的导数正负相反，相互抵消，有效抑制了定位力矩的产生，减小了运行过程中的转矩脉动，定位力矩波形如附图4所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.绕组互补型转子永磁磁通切换电机，其特征在于，包括定子铁心(1)和转子模块；所述定子铁心(1)与转子齿模块(4)均为凸极结构；

定子铁心(1)上设置有电枢绕组(2)和容错齿(3)，所述电枢绕组(2)为集中式绕组，采用半齿绕结构，相邻两个电枢绕组(2)之间有容错齿(3)；

转子模块包括转子齿模块(4)和轴(8)，转子齿模块(4)固定于轴(8)上；转子齿模块(4)包括表面永磁体(5)、内置永磁体(6)和若干组转子导磁齿(7)；每组转子导磁齿(7)包括两个转子导磁齿(7)，所述内置永磁体(6)嵌入两个转子导磁齿(7)之间；内置永磁体(6)均采用切向充磁，且充磁方向一致；每组两个转子导磁齿(7)表面均贴装一块表面永磁体(5)，该两块表面永磁体(5)采用径向充磁，充磁方向相反；表面永磁体(5)在磁路上与内置永磁体(6)构成串联结构。

2.如权利要求1所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机，其特征在于，每相电枢绕组(2)均包括四个线圈，分别为1号线圈、2号线圈、3号线圈和4号线圈；各相电枢绕组(2)中1号线圈与3号线圈径向相对；2号线圈与4号线圈径向相对；1号线圈与2号线圈空间位置相差90°；且各相电枢绕组(2)之间空间位置相差60°。

3.如权利要求1所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机，其特征在于，每相电枢绕组(2)中空间位置相差90°的两个线圈如1号线圈与2号线圈内匝链的永磁磁链具有互补特性，因此顺向串联，构成1个线圈组，每相下的两个线圈组可依据工况顺向串联或者并联，共同构成一相电枢绕组(2)。

4.如权利要求1所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机，其特征在于，容错齿(3)位于相邻两个线圈之间；定子铁心(1)包括定子铁心轭部和定子齿，定子铁心轭部、定子齿、容错齿(3)、表面永磁体(5)、内置永磁体(6)与转子导磁齿(7)共同构成主磁通闭合回路。

5.如权利要求1所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机，其特征在于，如权利要求1所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机，其特征在于所述定子铁心(1)为直槽结构。

6.如权利要求1所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机，其特征在于，所述表面永磁体(5)和内置永磁体(6)均为永磁材料如钕铁硼、铁氧体、钐钴。

7.如权利要求1所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机，其特征在于，定子铁心(1)、转子导磁齿(7)均为硅钢片等导磁材料；所述轴(8)为高强度非导磁材料。