CN104505962B - 一种轴向励磁的磁通切换电机 - Google Patents

一种轴向励磁的磁通切换电机 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种轴向励磁的磁通切换电机，包括轴(1)、电机外壳(3)、N极爪极(4)、磁轭(5)、S极爪极(9)、电枢绕组、励磁元件(7)和转子铁心(8)，励磁元件可以为永磁体，也可以为电励磁绕组。电机总的定子极数为12n，转子极数为5n，n为自然数。电机定子上的两个N极与两个S极间隔排列，相邻的一对N极定子极和S极定子极上绕有一个电枢线圈，相邻的电枢线圈绕向相反。本发明的电机能够实现集中励磁，可以有效利用电机内部空间提供足够的励磁绕组的匝数或永磁体；具备外转子结构，十分适合作为汽车的轮毂式电机。

Description

一种轴向励磁的磁通切换电机
技术领域
本发明涉及一种轴向励磁的磁通切换电机，属于特种电机本体设计技术领域。
背景技术
磁通切换电机是一种新型无刷结构的定子永磁型双凸极电机，克服了传统转子永磁型电机的诸多缺点，具有较好的应用前景。近几年随着控制技术的发展，越来越多的学者开始对磁通切换电机进行比较系统的研究，其中研究比较多的有东南大学和浙江大学等。
相对于传统的转子型永磁电机来说，本发明提出的磁通切换电机励磁元件位于定子上，不会产生不可逆退磁。磁通切换电机的转子与开关磁阻电机转子相似，既无永磁体也无绕组，机械强度高，适合高速或者超高速运行，且对环境的要求较低，适合运行于较恶劣的环境。磁通切换电机的每相永磁磁链为双极性，且磁链和反电势波形都接近正弦分布，电机出力大，转矩密度和功率密度较高。
目前国内外已有部分磁通切换电机的研究，例如申请号为：201410019112.1的发明专利申请：一种同轴双永磁式磁通切换电机，提出了一种减小定位力矩的方法，即同轴安装两个永磁式磁通切换电机的两个定子和两个转子，并规定了其安装角度。公开的发明专利申请：定子聚磁式磁通切换横向磁通永磁风力发电机，申请号：201310580833.5，公开了一种可以提高电机永磁体的利用率的聚磁式磁通切换电机。
上述磁通切换电机的专利申请有效提高了这方面的研究水平，但却是使用永磁材料励磁的，这样的励磁方式使得该电机作为发电机运行时难以调节输出电压，作为电动机运行时又存在一定的弱磁扩速困难。而采用电励磁的磁通切换电机能较好的解决调节输出电压的问题。但是为了提高励磁效率，通常电励磁电机的励磁绕组匝数非常多，因此励磁绕组占据空间非常大。因此有限的槽部空间很难安装上足够的电励磁绕组。
为了解决这一问题，本发明提出了一种新型的磁通切换电机，该电机将励磁元件安装于两个爪极中间，因此励磁绕组的匝数将可以足够大，以提供足够的励磁磁场；将电机转子外置，以实现集中励磁；另外，爪极上的极采用每隔两个N极有两个S极的特殊技术以使该电机的反电势为正弦波；在绕组方面，将励磁元件安装于爪极中间，将电枢绕组绕一对N、S极安装于定子极上。这些技术经申请人检索，目前国内外尚未检索到本发明提出的铁心、励磁元件以及绕组配置方面的申请。
发明内容
为了发明一种高效励磁的磁通切换电机，本发明提出了一种轴向励磁的磁通切换电机。本发明采用如下技术方案：
一种轴向励磁的磁通切换电机，其特征在于：
包括轴(1)、电机外壳(3)、N极爪极(4)、磁轭(5)、S极爪极(9)、电枢绕组、励磁元件(7)和转子铁心(8)；
所述轴(1)、N极爪极(4)、S极爪极(9)、电枢绕组和励磁元件(7)组成电机的定子，所述电机的单元电机的定子极数为12，即电机总的定子极数为12n，n为自然数，表示单元电机个数；N极爪极(4)和S极爪极(9)的极数皆为6n；N极爪极(4)上的第一个极与第二个极相差360°/12n，第三个极与第二个极相差360°/4n，第四个极与第三个极相差360°/12n，第五个极与第四个极相差360°/4n，第六个极与第五个极相差360°/12n；S极爪极(9)上的第一个极与第二个极相差360°/12n，第三个极与第二个极相差360°/4n，第四个极与第三个极相差360°/12n，第五个极与第四个极相差360°/4n，第六个极与第五个极相差360°/12n；以此类推；N极爪极(4)和S极爪极(9)在电机的圆周方向上每隔两个N极有两个S极，即两个N极与两个S极间隔排列；
所述N极爪极(4)和S极爪极(9)固定在轴(1)上，N极爪极(4)和S极爪极(9)中间有励磁元件(7)，励磁元件(7)可产生轴向磁场；
所述电枢绕组为三相电枢绕组，每相电枢绕组由同相位的电枢线圈组成；每个电枢线圈都围绕一个N极定子极和一个S极定子极绕制，即相邻的一对N极定子极和S极定子极上绕有一个电枢线圈，相邻的电枢线圈绕向相反；沿圆周方向上的线圈可按照相位依次分为A相绕组、B相绕组和C相绕组。
所述转子铁心(8)固定在电机外壳(3)上，可绕轴(1)旋转；转子极数为5n或7n，优选为5n。
如上所述的一种轴向励磁的磁通切换电机，其特征在于：所述励磁元件(7)为励磁绕组，励磁绕组形成的圆环内部有导磁的磁轭(5)和导磁的轴(1)。
如上所述的一种轴向励磁的磁通切换电机，其特征在于：所述励磁元件(7)为永磁体，永磁体形成的圆环内部为非导磁的磁轭(5)和非导磁的轴(1)。
如上所述的一种轴向励磁的磁通切换电机，其特征在于：所述N极爪极(4)和S极爪极(9)上的极采用斜极结构。
本发明的技术不仅具有传统的磁通切换电机的优点，即转子结构简单可靠，同时还具备以下有益效果如下：
⑴励磁元件只有一个，能够实现集中励磁，可以有效利用电机内部空间提供足够的励磁绕组的匝数或永磁体；
⑵励磁元件远离电枢绕组，部分电枢反应磁场可以经转子铁心自行闭合，经过因此大电流时电枢绕组的去磁影响小；
⑶传统的磁通切换电机各个极上的永磁体很难保证性能完全相同，这就会使电机的各相之间存在一定的不对称性。本发明的技术几乎不存在上述问题；
⑷具备外转子结构，十分适合作为汽车的轮毂式电机；
⑸可以方便的实现斜极，以取得更好的反电势正弦特性。
附图说明
图1是本发明一种轴向励磁的磁通切换电机电励磁实施例的纵向剖视图，其定转子极数分别24极和10极。其中：1、轴；2、轴承；3、电机外壳；4、N极爪极；5、磁轭；6、电枢线圈；7、励磁绕组；8、转子铁心；9、S极爪极；10、导线。
图2是本发明一种轴向励磁的磁通切换电机永磁励磁实施例的纵向剖视图，其定转子极数分别24极和10极。其中：1、轴；2、轴承；3、电机外壳；4、N极爪极；5、磁轭；6、电枢线圈；7、励磁绕组；8、转子铁心；9、S极爪极；10、导线。
图3是本发明一种轴向励磁的磁通切换电机N极爪极横向剖视图。1、轴；3、电机外壳；4、N极爪极；61、A相电枢线圈；62、B相电枢线圈；63、C相电枢线圈。
图4是本发明一种轴向励磁的磁通切换电机S极爪极横向剖视图。1、轴；3、电机外壳；9、S极爪极；61、A相电枢线圈；62、B相电枢线圈；63、C相电枢线圈。
图5是本发明一种轴向励磁的磁通切换电机电枢绕组示意图。其中：4、N极爪极；6、电枢线圈；9、S极爪极。A1、A2、A3和A4分别表示A相第一个线圈、A相第二个线圈、A相第三个线圈和A相第四个线圈，B1、B2、B3和B4分别表示B相第一个线圈、B相第二个线圈、B相第三个线圈和B相第四个线圈，C1、C2、C3和C4分别表示C相第一个线圈、C相第二个线圈、C相第三个线圈和C相第四个线圈。
图6是本发明一种轴向励磁的磁通切换电机的反电势波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
图1是本发明一种轴向励磁的磁通切换电机电励磁实施例的纵向剖视图，该电机包括轴(1)、电机外壳(3)、N极爪极(4)、磁轭(5)、S极爪极(9)、电枢绕组、励磁绕组(7)和转子铁心(8)。所述轴(1)、N极爪极(4)、S极爪极(9)、电枢绕组和励磁绕组(7)组成电机的定子，所述电机的定转子极数分别24极和10极，由于单元电机的定子极数为12，因此该电机由两个单元电机组成，n＝2。
所述N极爪极(4)和S极爪极(9)固定在轴(1)上，N极爪极(4)和S极爪极(9)中间有励磁元件(7)，励磁绕组(7)可产生轴向磁场；
所述转子铁心(8)固定在电机外壳(3)上，可绕轴(1)旋转；转子极数为10或14，优选为10。
励磁绕组形成的圆环内部有导磁的磁轭(5)和导磁的轴(1)。
图2是本发明一种轴向励磁的磁通切换电机永磁励磁实施例的纵向剖视图，该电机包括轴(1)、电机外壳(3)、N极爪极(4)、磁轭(5)、S极爪极(9)、电枢绕组、永磁体(7)和转子铁心(8)。所述轴(1)、N极爪极(4)、S极爪极(9)、电枢绕组和永磁体(7)组成电机的定子，所述电机的定转子极数分别24极和10极，由于单元电机的定子极数为12，因此该电机由两个单元电机组成，n＝2。
所述N极爪极(4)和S极爪极(9)固定在轴(1)上，N极爪极(4)和S极爪极(9)中间有永磁体(7)，永磁体(7)可产生轴向磁场；永磁体形成的圆环内部为非导磁的磁轭(5)和非导磁的轴(1)。
所述转子铁心(8)固定在电机外壳(3)上，可绕轴(1)旋转；所述励磁元件(7)为励磁绕组，励磁绕组形成的圆环内部有导磁的磁轭(5)和导磁的轴(1)。
图3是本发明一种轴向励磁的磁通切换电机N极爪极横向剖视图。
N极爪极(4)的极数为6n；N极爪极(4)上的第一个极与第二个极相差360°/12n，第三个极与第二个极相差360°/4n，第四个极与第三个极相差360°/12n，第五个极与第四个极相差360°/4n，第六个极与第五个极相差360°/12n；
所述电机的转子极数可取为10或14，本实施例中优选为5n＝10。
图4是本发明一种轴向励磁的磁通切换电机S极爪极横向剖视图。S极爪极(9)的极数为6n；S极爪极(9)上的第一个极与第二个极相差360°/12n，第三个极与第二个极相差360°/4n，第四个极与第三个极相差360°/12n，第五个极与第四个极相差360°/4n，第六个极与第五个极相差360°/12n；以此类推。
所述电机的转子极数可取为10或14，本实施例中优选为5n＝10。
在电机的圆周方向上，每隔两个N极有两个S极，两个N极与两个S极间隔排列；
每个电枢线圈都围绕一个N极定子极和一个S极定子极绕制，即相邻的一对N极定子极和S极定子极上绕有一个电枢线圈，相邻的电枢线圈绕向相反；沿圆周方向上的线圈可按照相位依次分为A相绕组、B相绕组和C相绕组。
图5是本发明一种轴向励磁的磁通切换电机电枢绕组示意图。所述电枢绕组为三相电枢绕组，每相电枢绕组由同相位的电枢线圈组成；每个电枢线圈都围绕一个N极定子极和一个S极定子极绕制，即相邻的一对N极定子极和S极定子极上绕有一个电枢线圈，邻的电枢线圈绕向相反；沿圆周方向上的线圈可按照相位依次分为A相绕组、B相绕组和C相绕组。
如上所述的一种轴向励磁的磁通切换电机，其特征在于：所N极爪极(4)和S极爪极(9)上的极采用斜极结构。
图6是本发明一种轴向励磁的磁通切换电机的反电势波形图。可以看出其反电势为正弦波，因此作为电动机运行时，该电机可以使用电励磁或永磁同步电机的控制方法进行控制；作为发电机运行时，可以作为电励磁或永磁同步发电机进行控制。
下面对本发明提出的起动发电机进行工作原理的说明。
本发明的磁通切换电机工作在发电状态时，由于励磁绕组或永磁体可提供轴向磁场，因此电枢绕组有磁链通过。当外转子旋转时，磁路的磁阻发生变化，因此电枢绕组的磁链就会发生变化，从而产生感应电动势。
本发明的磁通切换电机工作在电动状态时，也由励磁绕组或永磁体提供磁场。由于一相电枢绕组的磁链会随着转子的变化而变化，若给磁链增加的一相绕组通以正向电流，给磁链减小的一相绕组通以正向电流，则电机会产生正的转矩，驱动电机正转。这种工作原理与永磁同步电机相似。
本发明提出的磁通切换电机磁链路径比较复杂，其中励磁元件离电枢绕组的距离较远，电枢绕组产生的电枢反应磁场大部分经过定子极和转子极闭合，因此电枢反应对该电机的磁链和反电势影响较小，电机的反电势畸变和抗去磁能力强。
本发明提出的磁通切换电机集中励磁，其励磁磁势完全相等，因此解决了传统的分布励磁时各永磁体材料均一性不佳的问题。
本发明提出的特殊结构十分适合作为汽车的轮毂式电机，而且所提出的结构使得爪极加工成所需要的斜极时工艺比较简单。而传统的硅钢片叠加成的斜极在固定工艺上较为复杂。
需要指出的是，本发明的磁通切换电机的极数并非是个有限组合内的选择问题，而是只有在这种极数的匹配下才能取得所述性能的特殊结构。当转子极啮入某定子极，该定子极上绕组的磁阻逐渐减小；当转子极滑出某定子极，该定子极上绕组的磁阻逐渐增加。从图3和图4可以看出，假设电机顺时针旋转，此时A相电枢绕组的磁阻由最大值正开始减小、B相电枢绕组的磁阻即将达到最大值、而C相电枢绕组的磁阻正在由最小值逐渐增加。因此只有在这种极数匹配下才能使三相电枢绕组的磁阻周期性变化且电位角相差120°电角度。
需要指出的是，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种轴向励磁的磁通切换电机，其特征在于：
包括轴(1)、电机外壳(3)、N极爪极(4)、磁轭(5)、S极爪极(9)、电枢绕组、励磁元件(7)和转子铁心(8)；
所述轴(1)、N极爪极(4)、S极爪极(9)、电枢绕组和励磁元件(7)组成电机的定子，所述电机的单元电机的定子极数为12，即电机总的定子极数为12n，n为自然数，表示单元电机个数；N极爪极(4)和S极爪极(9)的极数皆为6n；N极爪极(4)上的第一个极与第二个极相差360°/12n，第三个极与第二个极相差360°/4n，第四个极与第三个极相差360°/12n，第五个极与第四个极相差360°/4n，第六个极与第五个极相差360°/12n；S极爪极(9)上的第一个极与第二个极相差360°/12n，第三个极与第二个极相差360°/4n，第四个极与第三个极相差360°/12n，第五个极与第四个极相差360°/4n，第六个极与第五个极相差360°/12n；以此类推；N极爪极(4)和S极爪极(9)在电机的圆周方向上每隔两个N极有两个S极，即两个N极与两个S极间隔排列；
所述N极爪极(4)和S极爪极(9)固定在轴(1)上，N极爪极(4)和S极爪极(9)中间有励磁元件(7)，励磁元件(7)可产生轴向磁场；
所述电枢绕组为三相电枢绕组，每相电枢绕组由同相位的电枢线圈组成；每个电枢线圈都围绕一个N极定子极和一个S极定子极绕制，即相邻的一对N极定子极和S极定子极上绕有一个电枢线圈，相邻的电枢线圈绕向相反；沿圆周方向上的线圈可按照相位依次分为A相绕组、B相绕组和C相绕组；
所述转子铁心(8)固定在电机外壳(3)上，可绕轴(1)旋转；转子极数为5n或7n。
2.如权利要求1所述的一种轴向励磁的磁通切换电机，其特征在于：所述励磁元件(7)为励磁绕组，励磁绕组形成的圆环内部有导磁的磁轭(5)和导磁的轴(1)。
3.如权利要求1所述的一种轴向励磁的磁通切换电机，其特征在于：所述励磁元件(7)为永磁体，永磁体形成的圆环内部为非导磁的磁轭(5)和非导磁的轴(1)。
4.如权利要求1所述的一种轴向励磁的磁通切换电机，其特征在于：所述N极爪极(4)和S极爪极(9)上的极采用斜极结构。
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