CN104319918A - 一种定子永磁v形或u形永磁体磁通切换型双凸极电机 - Google Patents
一种定子永磁v形或u形永磁体磁通切换型双凸极电机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明一种定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机涉及永磁电机领域，特别涉及一种定子永磁型双凸极电机。包括定子、转子、永磁体和电枢绕组，其特征在于：所述定子和转子为凸极结构，定子齿数为偶数，转子齿数与定子齿数不等；所述定子和转子均由硅钢片叠加而成；转子上无绕组和永磁体；每个定子齿部靠近背轭处设有永磁槽，用以安装永磁体；每个定子齿上的永磁体充磁方向相同，相邻定子齿上的永磁体按N极和S极方向交替排列，从而实现一个闭合的磁势正向串联的磁通回路；每个电枢绕组线圈采用集中绕组的方式安装在定子齿上，每个定子齿上只安装一相电枢绕组线圈，每相电枢绕组线圈根据相位关系沿圆周方向均匀分装在定子各个齿上。
Description
技术领域
本发明一种定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机涉及永磁电机领域，特别涉及一种定子永磁型双凸极电机。
背景技术
永磁电机一直是电机领域非常重要也是值得深入研究的一种特种电机，针对永磁电机而言可以分为定子永磁型和转子永磁型两种类型。转子永磁型的典型代表就是永磁同步电机，然而由于永磁体安装在转子上从机械上来说增大永磁体加工安装的困难，特别在高速运行时需要对转子进行强度上的校核并采取措施，同时定子电流空间和时间上的高频谐波可能会给永磁体带来比较大的损耗和温升，从而引起永磁体的不可逆退磁。转子永磁型电机是近年来各国学者比较关注的一类新型电机，其结构源于开关磁阻电机。由于永磁体安装在定子上，从而解决了转子永磁型电机的一些弊端，特别是其转子只是硅钢片叠压而成，因此非常适合高速运行。
定子永磁型电机主要有永磁双凸极电机、永磁磁通反向电机和永磁磁通切换电机三大类。
磁通切换电机因其自身的优良特性而引起各国学者持续广泛关注，也有很多相关的研究成果。专利201010554978.4公开了一种一种磁通切换型发电机，定子上安装了电励磁绕组，因此在发电运行情况下可以很容易输出电压的调节；但是，定子冲片是分块化的，这给每个定子模块之间的安装带来了很大的困难，对电机的安装工艺提出了很高的要求。专利201120058125.1公开了一种模块化磁通切换永磁电机，其结构简单，易于制造，然而永磁体在定子上安装成切向结构，导致在永磁体段部容易形成较大漏磁，不利于提高电机的功率密度；另外，位从工艺角度上来看，采用模块化给永磁体和定子冲片安装定位也带来了很大的困难。
双凸极电机与磁通切换电机原理类似，但具有漏磁小，励磁效率高等特点。专利200610088441.7公开一种径向永磁体双凸极混合励磁电机，其永磁体安装在定子内部，实际上也导致定子冲片分立开来，同样给装配带来困难。专利200710025140.4公开的混合励磁双凸极无刷直流发电机采用的切向充磁的永磁体安装在定子轭上同样也有上述电机的问题。另外，这两种永磁体的安装方式都不利于电枢绕组电流的弱磁扩速功能的实现。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处提供一种定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机，该电机结构简单、励磁高效、气隙磁密高，具有制造加工简单，弱磁性能好、性能优良特点，在工业电力传动领域具有重要应用价值。
一种定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机是采取以下技术方案实现的：
定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机包括定子、转子、永磁体和电枢绕组；所述定子和转子为凸极结构，定子齿数为偶数，转子齿数与定子齿数不等；所述定子和转子均由硅钢片叠加而成；转子上无绕组和永磁体；每个定子齿部靠近背轭处设有永磁槽，用以安装永磁体；每个定子齿上的永磁体充磁方向相同，相邻定子齿上的永磁体按N极和S极方向交替排列，从而实现一个闭合的磁势正向串联的磁通回路；
每个电枢绕组线圈采用集中绕组的方式安装在定子齿上，每个定子齿上只安装一相电枢绕组线圈，每相电枢绕组线圈根据相位关系沿圆周方向均匀分装在定子各个齿上。
所述永磁槽为V形或U形槽。
在所述V形槽两边安装两块矩形永磁体，相邻两块永磁体之间的夹角为60°～120°。
在所述U形槽边上安装三块矩形永磁体，相邻两块永磁体之间的夹角为90°～120°。
所述定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机为三相电机或多相电机，定子齿数NS和转子齿数Nr 满足：
其中m为电机的相数，r为自然数，定子极数为偶数。
每个定子齿上也可以加装一套励磁绕组，励磁绕组通入直流电，通过调节电流大小和方向来调节气隙磁场强度，从而形成一种混合励磁结构拓扑。
所述定子和转子中的硅钢片厚度为0.1mm～0.35mm。
通过定子和转子极弧的合理设计，获得方波或正弦波反电势，从而采取无刷直流控制方式或矢量控制方式，即定子齿的齿宽弧度等于一个机械圆周角度（360度）等分成定子齿数的0.5倍，转子齿的齿宽弧度一般等于或大于定子齿的弧度，而转子齿弧度的大小改变可以影响电枢绕组感应电势波形；若获得方波反电势，可以采取无刷直流控制方式驱动；若获得正弦波反电势，可以采取矢量控制方式驱动。
发明优点：本发明电机定子上安装的永磁体采用了V形或U型结构，不但减小了定子上永磁体径向的漏磁，提高了永磁体的利用率，有利于电机气隙磁密的增大；而且永磁体安装在定子槽内，保证了定子冲片的完整性，从而不用采取多余的导磁桥连接定子模块，有利于电机的加工装配。由于V形槽和U形槽的尺寸和安装位置设计灵活度大，特别是V槽的设计更有利于提升电机的弱磁扩速能力。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机的 永磁槽为V形时的结构示意图。
图2是本发明定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机的 永磁槽为U形时的结构示意图。
图3是本发明定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机的定子槽两层绕组排线与绝缘示意图。
图4是本发明定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机的永磁槽为V形时的内部结构示意图。
图5是本发明的定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机的永磁槽为V形时的定子永磁体安装位置和尺寸示意图。
图中：1、定子，2、转子，3、永磁体，4、电枢绕组，4-1、第一绕组，4-2、第二绕组，5、绝缘纸板，6、绝缘纸，7、绝缘槽楔。
具体实施方式
参照图1～2，本发明定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机包括定子1、转子2、永磁体3和电枢绕组4；所述定子1和转子2为凸极结构，定子齿数为偶数，转子齿数与定子齿数不等；所述定子1和转子2均由硅钢片叠加而成；转子2上无绕组和永磁体；每个定子齿部靠近背轭处设有永磁槽，用以安装永磁体；每个定子齿上的永磁体充磁方向相同，相邻定子齿上的永磁体按N极和S极方向交替排列，从而实现一个闭合的磁势正向串联的磁通回路；
每个电枢绕组线圈采用集中绕组的方式安装在定子齿上，每个定子齿上只安装一相电枢绕组线圈，每相电枢绕组线圈根据相位关系沿圆周方向均匀分装在定子各个齿上。
所述永磁槽为V形或U形槽。
在所述V形槽两边安装两块矩形永磁体，相邻两块永磁体之间的夹角θ为60°～120°。
在所述U形槽边上安装三块矩形永磁体，相邻两块永磁体之间的夹角为90°～120°。
所述定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机为三相电机或多相电机，定子齿数NS和转子齿数Nr 满足：
其中m为电机的相数，r为自然数，定子极数为偶数。
每个定子齿上也可以加装一套励磁绕组，励磁绕组通入直流电，通过调节电流大小和方向来调节气隙磁场强度，从而形成一种混合励磁结构拓扑。
所述定子和转子中的硅钢片厚度为0.1mm～0.35mm。
通过定子和转子极弧的合理设计，获得方波或正弦波反电势，从而采取无刷直流控制方式或矢量控制方式，即定子齿的齿宽弧度等于一个机械圆周角度（360度）等分成定子齿数的0.5倍，转子齿的齿宽弧度一般等于或大于定子齿的弧度，而转子齿弧度的大小改变可以影响电枢绕组感应电势波形；若获得方波反电势，可以采取无刷直流控制方式驱动；若获得正弦波反电势，可以采取矢量控制方式驱动。
本发明的定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机相数不同或极数不同的定转子结构相似，下面仅以三相12/10结构定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机为例，详细阐述本发明的具体实施方式。
如图1所示，依据本发明方案提供的一种三相12/10结构定子永磁V形永磁体磁通切换型双凸极电机，主要包括定子1、转子2、电枢绕组4和永磁体3。所述转子2为凸结构，由0.1～0.35mm厚的硅钢片轴向叠加而成。定子1也是凸极结构，由0.1～0.35mm厚的硅钢片轴向叠加而成。定子1的12个齿与定子轭结合部有12个V形槽。
图3给出了三相绕组的连接分布示意图，12个齿分为4组，每组分为A、B、C三相绕组齿，A、B、C三相绕组齿在圆周方向平均分布，图3只给出了两组电枢绕组（A1、B1、C1，A2、B2、C2）的分布和连接图，其他两组以此类推；其中，A相和C相的绕组绕线和连接方式相同，B相绕组绕线和连接方式前者两相正好相反。
根据图4所示，每个定子槽里面的绕组分为两层，由绝缘纸板5隔开，同时每个槽周由绝缘纸6将绕组与定子硅钢片隔开，通过绝缘槽楔7将绕组固定在定子槽内。
根据图3～4所示，每个槽上面安装一套电枢绕组，每个槽里面分左右安装两层绕组,即第一绕组4-1和第二绕组4-2 (如图4所示)，两层绕组分别对应该槽相邻两个定子齿上的各自嵌绕的电枢绕组线圈的一边。
如图5所示，给出了定子上永磁槽和永磁体安装的尺寸结构，下面介绍定子上永磁槽的设计方法。
首先可以先确定导磁桥宽度Hw，一般可以设计在0.8mm到2mm之间，从而保证定子轭和定子齿可以连接成一个整体，从而有利于整个定子冲片的叠压以及永磁体的装配。Hw的大小需要考虑永磁体的在这部分的漏磁，不能太大也不能太小，太大将导致永磁体在导磁桥上形成闭合回路增大永磁体的漏磁，减小了永磁体的利用率。然而Hw太小不仅给定子冲片的加工和叠压带来困难，同时由于在电机弱磁扩速阶段，电枢直轴电流产生的磁场需要借助导磁桥通过，从而提高弱磁效果，太小难以发挥其弱磁功能的可靠实现。综合来看，需要从电磁仿真和结构工艺上综合确定导磁桥的宽度Hw。永磁体的高度Hw和宽度Wm更具电机功率和尺寸考虑，其基本原则是尽可能提高空载下的气隙磁场强度，同时保证在额定负载下永磁体能发挥最大磁能积能力。永磁槽的端部的半圆可以根据永磁体的高度Hm确定。而每个定子齿上两块永磁体之间的夹角可以在90度到120度之间调整，结合永磁体的尺寸也决定了Hm的高度。
根据以上论述，本发明的另一方案为U形永磁体磁通切换型双凸极电机，其基本机构示意图如图2所示。从原理上完全与本发明上一方案基本一致，结构上只是将原有定子上的V形永磁体改变为U形永磁体结构。U形永磁体结构可以进一步提高电机的气隙磁场强度。
本发明所述双凸极电机，其定子和转子为凸极结构，转子上没有永磁体或绕组，仅由冲片叠压而成；而定子也是用冲片叠压而成，且既要安装永磁体也要安装电枢绕组:电枢绕组安装嵌绕在定子的每个齿上，每个齿上对应有V形或U型的永磁体安装槽用于放置每块永磁体，从而为定子上每个齿对应的气隙磁场提供永磁磁动势。每个定子齿上也可安装励磁绕组，从而形成混合励磁电机。定子相邻两齿对应的永磁体充磁方向相反，从而实现一个闭合的磁势正向串联的磁通回路。由于上采用V/U形永磁体放置，不但减小定子上永磁体的漏磁从而提高气隙磁场强度，而且可以增强电枢绕组直轴电流的弱磁效果。合理的定转子极数配合和极弧的设置可以提高电机感应电势的正弦度，减小齿槽转矩。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机，包括定子、转子、永磁体和电枢绕组，其特征在于：所述定子和转子为凸极结构，定子齿数为偶数，转子齿数与定子齿数不等；所述定子和转子均由硅钢片叠加而成；转子上无绕组和永磁体；每个定子齿部靠近背轭处设有永磁槽，用以安装永磁体；每个定子齿上的永磁体充磁方向相同，相邻定子齿上的永磁体按N极和S极方向交替排列，从而实现一个闭合的磁势正向串联的磁通回路；
每个电枢绕组线圈采用集中绕组的方式安装在定子齿上，每个定子齿上只安装一相电枢绕组线圈，每相电枢绕组线圈根据相位关系沿圆周方向均匀分装在定子各个齿上。
2.根据权利要求1所述的定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机，其特征在于：所述永磁槽为V形或U形槽。
3.根据权利要求2所述的定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机，其特征在于：在所述V形槽两边安装两块矩形永磁体，相邻两块永磁体之间的夹角为60°～120°。
4.根据权利要求2所述的定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机，其特征在于：在所述U形槽边上安装三块矩形永磁体，相邻两块永磁体之间的夹角为60°～120°。
5.根据权利要求1所述的定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机，其特征在于：所述双凸极电机为三相电机或多相电机，定子齿数NS和转子齿数Nr 满足：
其中m为电机的相数，r为自然数，定子极数为偶数。
6.根据权利要求1或2所述的定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机，其特征在于：每个定子齿上加装一套励磁绕组，励磁绕组通入直流电，通过调节电流大小和方向来调节气隙磁场强度，从而形成一种混合励磁结构拓扑。
7.根据权利要求1或2所述的定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机，其特征在于：所述定子和转子中的硅钢片厚度为0.1mm～0.35mm。
8.权利要求1或2所述的定子永磁V形或U形永磁体磁通切换型双凸极电机，其特征在于：所述定子齿的齿宽弧度等于一个机械圆周角度360度等分成定子齿数的0.5倍，转子齿的齿宽弧度等于或大于定子齿的弧度，通过转子齿弧度的大小改变影响电枢绕组感应电势波形；若获得方波反电势，采取无刷直流控制方式驱动；若获得正弦波反电势，采取矢量控制方式驱动。
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