CN104283353B - 绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机，包括定子和转子，所述定子由定子铁心（1）、永磁体（4）组合而成，所述定子铁心（1）由一个容错齿（2）、两个导磁齿（3）构成，所述容错齿（2）位于两个所述导磁齿（3）之间构成“E”型铁心结构；相邻所述定子铁心（1）之间嵌入所述永磁体（4），所述永磁体（4）充磁方向为切向，且充磁方向相反；在所述容错齿（2）上设置有电枢线圈（5），电枢线圈（5）为集中绕组，采用半齿绕结构；本发明电机电枢线圈设置在容错齿上，定子永磁体上无电枢线圈，有效防止了电机工作过程中，由电枢线圈发热而引起的永磁体高温退磁，提高了电机运行的可靠性。

Description

绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机
技术领域
本发明涉及一种磁通切换电机，特别是涉及一种绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机，属于电机制造技术领域。
背景技术
传统定子永磁型磁通切换电机具有转矩密度与功率密度高的特点，定子与转子均为凸极结构，永磁体与电枢绕组均位于定子侧，转子侧既无电枢绕组也无永磁体，结构简单，机械强度高，适合高速运行，且能够运行于较恶劣的环境条件下。定子永磁型磁通切换电机每相永磁磁链为双极性，且由于绕组具有互补特性，每相永磁磁链与空载感应电势具有较好的正弦特性，适合作为交流调速系统的驱动元件。
传统定子永磁型磁通切换电机的定子磁极由永磁体及相邻的两个定子导磁齿构成，电枢绕组设置在定子磁极上。在电机工作过程中，电枢绕组内通入交流电，产生铜耗，使绕组发热；由于电枢绕组直接接触永磁体，绕组产生的热量将影响永磁体特性，甚至引起永磁体因发热退磁。此外，每相永磁磁链为双极性，永磁体相邻的两块定子导磁齿由于磁场交变而产生铁耗，产生的热量也会引起永磁体升温。
现有的技术手段为在定子铁心外设计并安装冷却系统，通过空气或冷却液进行冷却。但是，电枢绕组缠绕在定子磁极上，形成一个相对封闭的空间，减小了永磁体与冷却系统中空气或冷却液间的导热系数，不利于永磁体与冷却系统之间的热量传递。在电机工作过程中，由于定子磁极轴向中心温度最高，且散热困难，进而导致定子磁极中心部位的永磁体因温度过高而引起退磁，减小了输出转矩密度与功率密度。
发明内容
针对现有技术的不足，提出一种绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机，有效防止绕组发热引起永磁体温度过高而退磁，提高了电机运行的可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机，包括定子和转子，所述定子和转子均为凸极结构，且两者之间具有气隙；所述定子由若干个定子铁心、永磁体组合而成，所述定子铁心由一个容错齿、两个导磁齿构成，所述容错齿位于两个所述导磁齿之间构成“E”型铁心结构；其特征在于，相邻所述定子铁心之间嵌入所述永磁体，所述永磁体充磁方向为切向，且相邻所述永磁体的充磁方向相反；在所述容错齿上设置有电枢线圈，电枢线圈为集中绕组，采用半齿绕结构；每个电枢线圈与其圆心角分别相隔90°、180°和270°的三个电枢线圈构成一相电枢绕组；各相电枢绕组中的各个电枢线圈内的永磁磁链为单极性变化；各相电枢绕组中圆心角相隔180°的两个电枢线圈内的永磁磁链相位相同，且平均值相同，具有一致性，同时圆心角相隔90°的两个电枢线圈内的永磁磁链相位相差180o，且平均值相同，具有互补性；各相电枢绕组中圆心角分别为0°和90°的两个电枢线圈顺向串联组成第一线圈组，圆心角分别为180°和270°的两个电枢线圈顺向串联组成第二线圈组，所述第一线圈组和所述第二线圈组顺向串联或并联。
所述转子由转子铁心和轴构成，所述转子铁心设置在定子铁心内部构成内转子结构，或者设置在定子铁心外部构成外转子结构。
所述转子铁心为直槽或斜槽结构。
所述定子铁心、容错齿、导磁齿与转子铁心均为硅钢片导磁材料。
所述永磁体为钕铁硼、钐钴、铁氧体永磁材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1）本发明的绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机具有高转矩密度，高功率密度，低损耗的优点。
2）本发明的绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机电枢绕组采用集中绕组，有效减小了端部绕组长度；与传统定子永磁型磁通切换电机相比，电枢绕组设置在容错齿上，端部绕组跨度减小，降低了端部电阻大小，提高了电机效率。
3）本发明的绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机每相电枢绕组各线圈内永磁磁链单极性变化，且每相电枢绕组中空间位置相差90o的两个线圈所匝链的永磁磁链极性相反，且磁链变化具有互补特性，抵消了每相绕组中各线圈所匝链的永磁磁链的高次谐波尤其是偶次谐波以及永磁磁链中的直流分量，优化了永磁磁链的正弦特性，抑制了空载感应电动势的谐波含量。
4）本发明的绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机与传统定子永磁型磁通切换电机相比，定子铁心上设置有定子导磁齿与容错齿，电枢绕组设置在容错齿上，永磁体与电枢绕组分离，有效防止电机工作过程中，电枢绕组发热而引起定子磁极端部永磁体高温退磁。
5）本发明的绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机与传统定子永磁型磁通切换电机相比，在相同的冷却系统条件下，由于电枢绕组设置在容错齿上，永磁体散热面积增加且提高了永磁体表面的表面散热系数以及永磁体与冷却系统中空气或冷却液间的导热系数，有效抑制了永磁体的温升；电枢绕组产生的热量通过容错齿、定子轭部及导磁齿传递，由于冷却系统的作用，定子铁心与空气或冷却液发生热量传递，使得传递给永磁体的热量减小，抑制了永磁体温度上升，提高了电机运行的可靠性。
6）本发明的绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机定子铁心由定子导磁齿与容错齿构成“E”型结构，定子铁心两侧相邻的两块永磁体切向充磁，且充磁方向相反，即容错齿所在的磁极下的磁通由相邻两块永磁体并联提供，具有聚磁特性，有效提高了永磁体的利用率，增加了输出转矩密度与功率密度。
7）本发明的绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机，由于互补特性，互补的两个线圈所在磁路中的磁场能量与定转子相对位置的导数正负相反，相互抵消，有效减小了定位力矩的大小，抑制了输出转矩脉动。
8）本发明的绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机既可以做发电运行，又可以做电动运行。
附图说明
图1为本发明绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机结构示意图；
图2（a）为本发明绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机转子位置为0o工作原理示意图；
图2（b）为本发明绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机转子位置为16.36o工作原理示意图；
图2（c）为本发明绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机转子位置为32.73o工作原理示意图；
图2（d）为本发明绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机转子位置为49.09o工作原理示意图；
图3为本发明绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机三相永磁磁链示意图；
图4为本发明绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机线圈内永磁磁链示意图；
图5为本发明绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机定位力矩示意图。
图中：1、定子铁心，2、容错齿，3、导磁齿，4、永磁体，5、电枢线圈，6、转子铁心，7、轴。
具体实施方式
本发明绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机，包括定子和转子，所述定子和转子均为凸极结构，且两者之间具有气隙；所述定子由若干个定子铁心、永磁体组合而成，所述定子铁心由一个容错齿、两个导磁齿构成，所述容错齿位于两个所述导磁齿之间构成“E”型铁心结构；其特征在于，相邻所述定子铁心之间嵌入所述永磁体，所述永磁体充磁方向为切向，且相邻所述永磁体的充磁方向相反；在所述容错齿上设置有电枢线圈，电枢线圈为集中绕组，采用半齿绕结构；每个电枢线圈与其圆心角分别相隔90°、180°和270°的三个电枢线圈共同构成一相电枢绕组；各相电枢绕组中的各个电枢线圈内的永磁磁链为单极性变化；各相电枢绕组中圆心角相隔180°的两个电枢线圈内的永磁磁链相位相同，且平均值相同，同时圆心角相隔90°的两个电枢线圈内的永磁磁链相位相差180o，且平均值相同；各相电枢绕组中圆心角分别为0°和90°的两个电枢线圈顺向串联组成第一线圈组，圆心角分别为180°和270°的两个电枢线圈顺向串联组成第二线圈组，所述第一线圈组和所述第二线圈组顺向串联或并联；转子包括转子铁心和轴。由于不同相数的绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机结构相似，下面以绕组互补型三相半齿绕磁通切换电机结构为例，详细阐述本发明的具体实施方式。
参见图1，本发明的绕组互补型三相半齿绕磁通切换电机，包括定子铁心1，容错齿2，导磁齿3，永磁体4，多相电枢绕组5，转子铁心6和轴7。定子铁心1与转子铁心6均为凸极结构，定子铁心1上设置有容错齿2和导磁齿3，容错齿2与两导磁齿3共同构成“E”型铁心结构，容错齿2上设置有三相电枢绕组5；相邻两个定子铁心1之间嵌入永磁体4，永磁体4切向充磁，且相邻两块永磁体4充磁方向相反；转子由转子铁心6和轴7构成，转子铁心上既无永磁体也无电枢绕组。
所述的容错齿2上设置有电枢绕组5，电枢绕组5为集中绕组，采用半齿绕结构，导磁齿3与永磁体4上无电枢绕组。
所述的绕组互补型三相半齿绕磁通切换电机，A相电枢绕组的511号线圈与513号线圈径向相对，空间位置圆心角相差180o，512号线圈与514号线圈径向相对，空间位置圆心角也相差180o，511号线圈与512号线圈在空间位置上圆心角相差90o，A相下的511号线圈与512号线圈中匝链的永磁磁链具有互补性，因此顺向串联组成一个线圈组，同理，513号线圈与514号线圈顺向串联组成另一个线圈组，两个线圈组可依据工况顺向串联或者并联，构成A相电枢绕组，抵消永磁磁链的直流分量；B相与C相下的各线圈空间位置的设置与A相相同，三相电枢绕组之间空间位置相差60o，使三相永磁磁链相位相差120o。
所述的永磁体4嵌入两块相邻的定子铁心1之间；永磁体4切向充磁，且相邻两块永磁体4充磁方向相反。所述的永磁体4两侧的定子导磁齿3可以通过厚度较小的导磁桥连接，永磁体4嵌入由定子导磁齿3和导磁桥构成的凹槽中，简化定子铁心加工工艺；由于导磁桥厚度很小，易磁饱和，可以有效抑制漏磁。
所述的转子铁心6设置在定子铁心1内部，构成内转子电机结构，转子铁心上既无电枢绕组也无永磁体结构简单，适合高速运行；所述的定子铁心1、容错齿2、导磁齿3与转子铁心6均为硅钢片等导磁材料；所述的永磁体4为钕铁硼、钐钴、铁氧体等永磁材料。
本发明磁通切换电机工作原理如图2（a）-2（d）和图3所示，当转子运动到图2(a)与2(c)位置时，511号线圈内匝链的永磁磁链为最大值，对应图3中的A点，当转子位置运动到图2(b)与2(d)位置时，511号线圈内匝链的永磁磁链为最小值，对应图3中的B点，转子运动过程中，循环依次经过图2中(a)、(b)、(c)、(d)四个特殊位置；随着转子与定子相对位置的不断变化，在511号线圈内匝链出单极性正弦变化的永磁磁链波形，由于511号线圈与513号线圈具有一致性，因此线圈内匝链的永磁磁链波形相同，同理，512号线圈与514号线圈中匝链的永磁磁链波形也相同；由于511号线圈与512号线圈具有互补特性，且永磁磁链极性相反，串联后能够抵消永磁磁链中的高次谐波特别是偶次谐波，因此，可得到正弦特性较好的A相永磁磁链，如图3所示。由于ABC三相空间位置相差60o，因此三相电枢绕组内匝链的永磁磁链相位相差120o，如图4所示。
本发明所提出的绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机具有高转矩密度、高功率密度、低损耗的优点。电枢绕组采用集中绕组，有效减小了端部绕组长度；与传统定子永磁型磁通切换电机相比，电枢绕组设置在容错齿上，端部绕组跨度减小，提高了电机运行效率；每相电枢绕组具有互补特性，抵消了每相电枢绕组中两套线圈组所匝链的永磁磁链的高次谐波，优化了永磁磁链的正弦特性，抑制了空载感应电动势的谐波含量。
绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机与传统定子永磁型磁通切换电机相比，电枢绕组设置在容错齿上，永磁体与电枢绕组分离，有效防止电机工作过程中，电枢绕组发热而引起定子磁极端部永磁体高温退磁。在相同的冷却系统条件下，由于电枢绕组设置在容错齿上，永磁体散热面积增加，且提高了永磁体的表面散热系数，以及永磁体与冷却系统中空气或冷却液间的导热系数，有效抑制了永磁体的温升；电枢绕组产生的热量通过容错齿、定子轭部及导磁齿传递，由于冷却系统的作用，定子铁心与空气或冷却液发生热量交换，使得传递给永磁体的热量减小，抑制了永磁体的温度变化。
定子铁心两侧相邻的两块永磁体切向充磁，且充磁方向相反，即一个磁极下的磁通由相邻两块永磁体并联提供，具有聚磁特性，有效提高了永磁体的利用率，增加了输出转矩密度与功率密度。容错齿上互补的两个线圈所在主磁路中的磁场能量与定转子相对位置的导数正负相反，相互抵消，有效减小了定位力矩的大小，抑制了输出转矩脉动，如图5所示。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机，包括定子和转子，所述定子和转子均为凸极结构，且两者之间具有气隙；所述定子由定子铁心(1)、永磁体(4)组合而成，所述定子铁心(1)由一个容错齿(2)、两个导磁齿(3)构成，所述容错齿(2)位于两个所述导磁齿(3)之间构成“E”型铁心结构；相邻所述定子铁心(1)之间嵌入所述永磁体(4)，所述永磁体(4)充磁方向为切向，且相邻所述永磁体(4)的充磁方向相反；其特征在于，电枢线圈(5)设置于所述容错齿(2)上，所述电枢线圈(5)采用半齿绕结构，且所述电枢线圈(5)为集中绕组；每个电枢线圈(5)与其圆心角分别相隔90°、180°和270°的三个电枢线圈(5)共同构成一相电枢绕组；各相电枢绕组中的各个电枢线圈(5)内的永磁磁链为单极性变化；各相电枢绕组中圆心角相隔180°的两个电枢线圈(5)内的永磁磁链相位相同，且平均值相同，磁链变化具有一致性，同时圆心角相隔90°的两个电枢线圈(5)内的永磁磁链相位相差180°，且平均值相同，磁链变化具有互补性；各相电枢绕组中圆心角分别为0°和90°的两个电枢线圈(5)顺向串联组成第一线圈组，圆心角分别为180°和270°的两个电枢线圈(5)顺向串联组成第二线圈组，所述第一线圈组和所述第二线圈组顺向串联或并联。
2.根据权利要求1所述的绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机，其特征在于，所述转子由转子铁心(6)和轴(7)构成，所述转子铁心(6)设置在定子铁心(1)内部构成内转子结构，或者设置在定子铁心(1)外部构成外转子结构。
3.根据权利要求2所述的绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机，其特征在于，所述转子铁心(6)为直槽或斜槽结构。
4.根据权利要求1所述的绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机，其特征在于所述定子铁心(1)、容错齿(2)、导磁齿(3)与转子铁心(6)均为硅钢片导磁材料。
5.根据权利要求1所述的绕组互补型多相半齿绕磁通切换电机，其特征在于所述永磁体(4)为钕铁硼、钐钴、铁氧体永磁材料。
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