CN105207436B - 一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机 - Google Patents

一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机,电动机的定子槽包括电枢槽和励磁槽,所述电枢槽和励磁槽沿圆周交替间隔排列,所述电枢槽内设置有一套电枢绕组,所述电枢绕组通交流电,两个相邻的励磁槽内环绕有一套励磁绕组,所述励磁绕组通方向不变的直流电流;定子齿和转子齿之间设有主气隙,所述励磁绕组所在槽内上方的定子槽轭部沿径向断开,设有附加气隙;通过电枢电流磁场、励磁电流磁场和永磁体产生的磁场相互作用使得定子齿上的磁通改变,利用定子和转子间磁阻变化产生转矩。本发明有效地减少功率开关器件个数,降低了电机控制电路中功率开关器件发生故障的可能性,可靠性提高。

Description

一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机
技术领域
本发明涉及一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机。
背景技术
近年来,随着永磁材料耐高温性能的提高和价格的降低,永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面得到更为广泛的应用,正向大功率化、高性能化和微型化方向发展。目前永磁电机的功率从几毫瓦到几千千瓦,应用范围从玩具电机、工业应用到舰船牵引用的大型永磁电机,在国民经济、日常生活、军事工业、航空航天的各个方面得到了广泛应用。
常规交流永磁电机通常分为以下几类:异步起动永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机、调速永磁同步电动机。
无刷直流电机和调速永磁同步电机结构上基本相同,定子上为多相绕组,转子上有永磁体,它们的主要区别在于无刷直流电机根据转子位置信息实现自同步。它们的优点在于:(1)取消了电刷换向器,可靠性提高;(2)损耗主要由定子产生,散热条件好;(3)体积小、重量轻。
异步起动永磁同步电动机与调速永磁同步电动机结构上的区别是:前者转子上有起动绕组或具有起动作用的整体铁心,能实现自起动,无需控制系统即可并网运行。
除此之外,还有单相永磁电机,单相永磁电机需要配套电容起动和运行,体积笨重,成本高,而且整体运行的效率和功率因数都较低。
现有永磁电机由于永磁体磁动势固定,电机主磁通不可调,导致恒功率运行范围窄,调速范围不够宽泛,而且电机绕组一般为3相,定子槽数目多,绕组下线工艺复杂;现有大多数永磁电机永磁体位于转子上,运行时随转子一起转动,永磁体需采用特殊工序固定,制造成本高,尤其电机转速较高时,永磁体固定更加困难,由于永磁体位于转子上,运行时散热困难,温升和由于转子转动而引起的振动会导致永磁体机械结构损坏和发生不可逆退磁;现有永磁电机一般为三相,要求电机的功率逆变电路至少需要6个功率开关器件,如IGBT或者MOSFET等,以及与之相应的驱动该功率开关器件的驱动电路和保护电路,使得电机功率逆变电路成本相当高,甚至达到电机本体成本的两到三倍,功率开关器件数量增多增加了控制电路复杂程度,器件发生故障的可能性增加,运行时系统的可靠性降低。
针对现有永磁电机励磁磁势不可调的缺点,相关学者提出了一些混合励磁结构电机,这类混合励磁结构电机从励磁方式上可以分为两类,一类是永磁体磁势与励磁绕组磁势串联式结构,这类结构由于励磁磁通需要穿过永磁体,励磁电流大,励磁损耗高,而且会对永磁体产生不可逆退磁的风险,应用不广泛;另一类是永磁体磁势和励磁绕组磁势并联的结构,这类结构一般采用定子永磁式,永磁体位于定子上,通过调节励磁绕组电流调节磁场,这类电机调磁性能好,但增加励磁绕组后,电机绕组套数更多,使得电机结构复杂,有时会出现一个槽内有多套绕组的情况或者既有相绕组又有励磁绕组的情况,槽内需增加相间绝缘,绕组下线工艺复杂,槽利用率低,而且,需要加开励磁槽,电机机械结构零散化严重,组装固定困难,加工工艺复杂,电机成本高。更为重要的是,增加励磁绕组后,需要至少再增加一个功率开关器件控制励磁绕组的电流,这更进一步增加了功率电路的成本,而且,励磁绕组产生的磁通和主磁通共用主磁路和主气隙,励磁效果受到电机其他设计参数的限制,一旦电机制成,只能通过调节励磁电流控制励磁效果,无法通过单独设计励磁磁路来控制励磁磁通,因此,寻求一种本体结构简单,成本低,调磁功能灵活但功率开关器件个数少,控制器和功率电路成本低的混合励磁永磁电机至关重要,因此,寻求一种本体结构简单,成本低,有调磁功能但功率开关器件个数少,控制器和功率电路成本低的混合励磁永磁电机至关重要。
除此之外,现有永磁电机多采用分布绕组或者横跨多个极距的集中绕组,普遍存在绕组端部长,用铜量大,制造成本高,电机运行时铜耗大,效率低等缺点,尤其是对于外径较大,轴向长度较小,也就是径长比值较大的电机,这种缺点尤为突出,需要采用特殊的绕组线圈连接方式来减小绕组端部,减小用铜,提高电机运行效率。
发明内容
本发明为了解决上述问题,提出了一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机,本永磁电动机的定子上有一套定子电枢绕组和一套励磁绕组,而且电机每个槽内只安放有一套绕组,槽内不需要相间绝缘,槽满率高,且电机绕组下线工序简单,整个成本低于现有的各类三相感应电机和永磁电机;本发明电机电枢槽内安放有电枢绕组,电枢绕组从一个电枢槽穿入,然后向外径方向经过定子背轭穿出,形成一个线圈,电枢绕组围绕定子槽轭、永磁体和定子背轭缠绕;本发明电枢绕组通交流电流,另一组励磁绕组通直流电流,因此电机的控制电路只需两个电力电子功率开关器件,改变了现有的各类感应电动机以及永磁电机定子上均有三相及以上的电枢绕组,需要至少6个电力电子功率开关器件的现状,有效地减少功率开关器件个数,降低了电机控制电路中功率开关器件发生故障的可能性,可靠性提高。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机,包括定子、转子、附加气隙和主气隙,定子呈环形,转子设置于定子的内部,其中:
所述定子上圆周均匀设置有偶数个定子齿,相邻两个定子齿中设有定子槽,定子槽轭和定子背轭之间设有永磁体,所述永磁体不随转子转动,同一个定子槽轭上的永磁体的充磁方向相同,相邻两个定子槽轭上的永磁体的充磁方向相反;
所述定子槽包括电枢槽和励磁槽,所述电枢槽和励磁槽沿圆周交替间隔排列,所述电枢槽内设置有一套电枢绕组,所述电枢绕组通交流电流,两个相邻的励磁槽内环绕有一套励磁绕组,所述励磁绕组通方向不变的直流电流;
所述定子齿和转子齿之间设有主气隙,所述励磁绕组所在槽底部的轭部断开,设有附加气隙;通过电枢电流磁场、励磁电流磁场和永磁体产生的磁场相互作用使得定子齿上的磁通改变,利用定子和转子间磁阻变化产生转矩。
永磁体不随转子转动的设置,使得安装方便,有利于散热,消除了普通单相永磁电机由于永磁体随转子旋转而产生的机械应力损坏和永磁体散热不良等缺点。
进一步的,所述永磁体为平行充磁或者径向充磁,每块永磁体由一整块永磁体充磁而成或者由多块永磁体拼接而成,所述永磁体的极弧宽度可以相同,也可以不同。
所述定子齿的个数为大于等于4的偶数。
所述转子齿的个数为定子齿个数的1/2。
所述永磁体的块数个数为转子齿的m倍,m为大于等于1的自然数。
所述励磁绕组产生的磁通经过附加气隙、定子齿、主气隙和转子齿形成闭合回路,励磁绕组产生的磁通不经过永磁体,与永磁体产生的磁通形成并联关系,减小了励磁磁通对应回路的磁阻,同样励磁电流可产生较大的励磁磁通,不仅有效提高了弱磁效率,而且避免了永磁体由于励磁磁通穿过永磁体引起永磁体反向磁化而产生的磁性能下降等不可逆退磁的风险,增强了电机的可靠性。
所述永磁体与定子背轭铁芯和定子槽轭铁芯均紧密接触。
所述附加气隙可以为各处宽度相同的均匀气隙,也可以为各处宽度不同的非均匀气隙,可以改变附加气隙的宽度或者采用上下不等宽气隙结构得到不同的增磁和弱磁特性,以此满足不同应用场合的需要。
所述电枢绕组从一个电枢槽穿入,然后向外径方向沿定子背轭外表面穿出,形成一个线圈,电枢绕组围绕定子槽轭,永磁体和定子背轭缠绕,每个电枢槽内的电枢绕组为一套线圈,所有线圈可以相互并联或者串联。
所述励磁绕组从一个励磁绕组所在槽穿入,从相邻的励磁槽穿出,相邻两个励磁槽内的绕组组成一个励磁线圈,每个励磁线圈横跨两个定子齿距,相邻两个励磁绕组所在槽内绕组的电流大小相同,方向相反。
所述相邻两块永磁体产生的磁通一部分经过主气隙进入转子形成主磁通,另一部分不经过主气隙进入转子而经过该附加气隙闭合形成漏磁通,由于永磁体产生的总磁通量是一定的,通过调节励磁绕组内电流的大小可以调节该漏磁通的大小,进而调节经过主气隙进入到转子中的主磁通的大小,以此实现调节励磁的作用。
所述永磁体的极弧宽度通过根据永磁体的磁能积或者剩磁密度确定,根据电机的设计气隙磁密确定永磁体的剩磁密度,再通过改变永磁体的极弧系数来确定永磁体的磁能积,而现有永磁电机由于极弧系数受到极数的限制,通常只有采用高性能永磁体才能满足设计磁密的需要。
所述永磁体既可以是高磁能积的永磁材料如钕铁硼也可以是低磁能积的永磁材料如铁氧体或者铝镍钴制成。
所述转子为对称凸极转子、阶梯型转子或者涡轮状转子。
本发明的工作原理为:
电机的定子铁芯和转子铁心采用硅钢片叠压而成或者高导磁率的铁芯材料一次制成,当电枢绕组和励磁绕组均不通电时,所述永磁体产生的磁通的一部分经过定子槽轭,定子齿和主气隙沿电机径向流入转子齿,再经过相邻的转子齿流出到主气隙到达另一个极下的永磁体,再经过定子背轭闭合,这形成了电机的主磁通;永磁体产生的另一部分磁通不经过主气隙,而是经过定子槽轭穿过附加气隙,进入到另一极下的永磁体,在通过定子背轭闭合,这部分磁通没有进入主气隙和转子,只在定子内部闭合,这部分磁通为漏磁通。附加气隙下方靠近圆心处设有励磁槽,励磁槽内安放有励磁绕组,励磁绕组通电流时,根据电流方向的不同,励磁绕组产生的磁场将增强或削弱主磁通,励磁绕组电流越大,对主磁通的增强或者削弱作用越强,由于励磁绕组磁势和永磁体磁势并联,永磁体产生的总磁通量是一定的,因此,通过调节励磁绕组内电流的方向和大小可以调节该漏磁通的大小,进而调节经过主气隙进入到转子中的主磁通的大小,以此实现调节励磁的作用。当电枢绕组通电时,电枢绕组电流产生的磁场使得电枢绕组所在电枢槽两侧的定子齿分别呈现不同的极性,与永磁体产生的磁场作用叠加,使得一个定子齿显示极性,有主磁通磁通经过,相邻的另一个定子齿没有极性,无磁通流过,由于电枢绕组每隔一个槽设置,因此,电机内有一半的定子齿具有极性,一半的定子齿没有极性,根据磁阻最小原理,将使转子旋转到使转子齿与具有极性的定子齿重合,由于转子齿数为定子齿数的一半,此时正好有每个转子齿均与定子齿正对,这个位置为转子齿和定子齿的对齐位置,这个位置对应的磁阻最小。此时,要想转子继续旋转,需改变电枢绕组内电流的方向,使得刚才不具有极性的定子齿显示极性,而原先有极性的定子齿不显示极性,这时,根据磁阻最小原理,转子齿将有旋转到与现在四个有极性定子齿对齐的趋势,因而转子将受力旋转,当转子齿与定子再次重合后,继续改变电枢绕组电流的方向,这个过程将一直重复,转子将持续旋转。由于经过主气隙进入到转子齿的主磁通可以通过上述励磁电流调节,因此,本发明电机可以根据实际工况需要实现增磁运行和弱磁运行,拓宽电机的经济运行范围,降低制造成本,提高电机效率。
本发明的有益效果为:
(1)本发明电机只有一套绕组,运行时只需要控制一套电枢绕组的电流大小和方向,功率电路只需要两个功率开关器件,而普通三相电机需要至少6个功率开关器件,电机控制器所需功率开关器件个数少,成本低;
(2)本发明电机运行时电枢绕组和励磁绕组产生的磁场在定子齿上相互增强或者抵消,电机运行时电枢绕组和励磁绕组全周期同时通电,因此,本发明电机的功率密度高,材料利用率高,同样设计功率的电机,本发明电机节省材料用量,降低成本;
(3)本发明电机永磁体固定于定子上,不随转子转动,安装方便,有利于散热,消除了普通单相永磁电机由于永磁体随转子旋转而产生的机械应力损坏,永磁体散热不良等缺点;本发明电机每个定子槽内只安放有一套绕组,电机绕组下线工艺简单,槽内不需要放置相间绝缘,有利于提高槽满率和槽利用率;
(4)本发明电机绕组为简单的集中绕组,围绕定子槽轭,永磁体和定子轭部缠绕,当电机外径/长度较大时,可以显著减少绕组端部用铜量,降低制造成本,减小铜耗,提高电机运行效率;
(5)除主气隙外,本发明电机还设有附加气隙,附加气隙巧妙地设计在电机的径向方向,附加气隙不会增加电机的外径尺寸;相邻两块永磁体产生的一部分磁通经过主气隙进入转子形成主磁通,另一部分不经过主气隙进入转子而经过该附加气隙闭合形成漏磁通,由于永磁体产生的总磁通量是一定的,通过调节励磁绕组内电流的大小可以方便调节该漏磁通的大小,进而调节经过主气隙进入到转子中的主磁通的大小,既可以起到增磁作用,又可以起到弱磁作用,有效拓宽电机的转速输出范围和功率输出范围,显著提高电机的性能;
(6)附加气隙的形状尺寸可以根据不同的弱磁需要灵活改变,可采用等宽气隙,上宽下窄气隙或者上窄下宽气隙,以此达到不同的弱磁效果;
(7)励磁绕组产生的磁通经过附加气隙,定子齿、主气隙和转子齿形成闭合回路,励磁绕组产生的磁通不经过永磁体,与永磁体产生的磁通形成并联关系,减小了励磁磁通对应回路的磁阻,同样励磁电流可产生较大的励磁磁通,不仅有效提高了弱磁效率,而且避免了永磁体由于励磁磁通穿过永磁体引起永磁体反向磁化而产生的磁性能下降等不可逆退磁的风险,增强了电机的可靠性;
(8)可以通过改变本发明电机的转子结构来消除转矩死区,改善电机的起动性能,比如可采用不对称转子,涡轮状转子或者阶梯状转子等;
(9)本发明电机中的永磁体可以为一块整体充磁的永磁体,也可以由多块永磁体拼接而成,因此制造工艺简单,成本低,改善了由于电机极弧宽度较宽的永磁体的成本较高,机械受力时易发生破裂,安装时较为困难,机械强度不及多块极弧宽度较小的永磁体拼接而成的问题;
(10)本发明电机的永磁体的极弧宽度可以根据永磁体的设计磁能积或者设计剩磁密度灵活确定,所以本发明电机既可以采用高磁能积的永磁体也可以采用低磁能积的永磁体,还可以采用高磁能积永磁体和低磁能积永磁体混合搭配,实际设计中可以根据电机的设计气隙磁密确定永磁体的剩磁密度,再通过永磁体的极弧系数来确定所需要永磁体的磁能积,解决了现有永磁电机由于极弧系数受到极数的限制,通常只有采用高性能永磁体才能满足高性能电机需要的问题;
(11)本发明电机永磁体不直接面向气隙,永磁体既可以为径向充磁也可以为平行充磁,充磁方式不同对电机性能的影响不大,解决了其他表贴式永磁电机,采用平行充磁时磁通量减小,会显著影响电机的力能指标,而获得均匀的径向充磁永磁体较为困难,加工成本高的问题。
附图说明
图1为本发明电机的功率变换器电路图;
图2为现有无刷直流永磁和永磁同步电机功率变换器电路图;
图3为本发明电机实施方式1结构示意图;
图4为本发明电机实施方式2结构示意图;
其中,1.定子齿,2.定子背轭,3.定子槽轭,4.电枢槽,5.励磁槽,6.电枢绕组,7.励磁绕组,8.永磁体,9.转子齿,10.转子槽,11.主气隙,12.附加气隙。
具体实施方式:
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机,它包括定子、转子、主气隙和附加气隙,所述定子包括永磁体、定子轭、定子齿、定子槽和定子绕组;转子包括转子齿和转子槽;所述定子轭包括定子槽轭和定子背轭,定子槽轭位于定子槽底部靠近外圆周方向,定子槽轭和定子背轭之间设有永磁体,永磁体不随转子转动,安装方便,有利于散热,消除了普通单相永磁电机由于永磁体随转子旋转而产生的机械应力损坏和永磁体散热不良等缺点,所述永磁体为平行充磁或者径向充磁,每块永磁体既可以由一整块永磁体充磁而成,也可以由多块宽度较窄的永磁体拼接而成,永磁体的极弧宽度可以相同,也可以不同,所述同一个定子槽轭上的永磁体的充磁方向相同,相邻两个定子槽轭部上的永磁体的充磁方向相反;所述定子槽包括电枢绕组所在槽(电枢槽)和励磁绕组所在槽(励磁槽),所述电枢槽和励磁槽沿圆周交替间隔排列,所述电枢槽内安放有一套电枢绕组,励磁槽内安放有一套励磁绕组,电机运行时,只需要控制一套电枢绕组的电流大小和方向,励磁绕组通方向不变的直流电流,电枢电流磁场,励磁电流磁场和永磁体产生的磁场相互作用使得定子齿上的磁通相互增强或者抵消,定子磁场在某个方向上连续开通或者关断,利用定子和转子间磁阻变化产生转矩;所述定子齿和转子齿之间设有主气隙;励磁绕组所在槽底部的定子槽轭部断开,设附加气隙,附加气隙不增加电机的外径尺寸;相邻两块永磁体产生的一部分磁通经过主气隙进入转子形成主磁通,另一部分不经过主气隙进入转子而经过该附加气隙闭合形成漏磁通,由于永磁体产生的总磁通量是一定的,通过调节励磁绕组内电流的大小可以调节该漏磁通的大小,进而调节经过主气隙进入到转子中的主磁通的大小,以此实现调节励磁的作用。
电机定子齿的个数ns满足:ns=2*n,其中n是大于等于2的自然数。
电机转子齿的个数nr和电机定子齿的个数ns满足:nr=ns/2。
永磁体的块数npm和电机定子齿的个数ns满足:npm/m=0.5*ns,m为大于等于1的自然数。
定子槽内只安放有一套电枢绕组或者励磁绕组,定子槽内不需要相间绝缘,槽利用率高,绕组下线工艺简单,制造成本低。
励磁绕组产生的磁通经过附加气隙、定子齿、主气隙和转子齿形成闭合回路,励磁绕组产生的磁通不经过永磁体,与永磁体产生的磁通形成并联关系,减小了励磁磁通对应回路的磁阻,同样励磁电流可产生较大的励磁磁通,不仅有效提高了弱磁效率,而且避免了永磁体由于励磁磁通穿过永磁体引起永磁体反向磁化而产生的磁性能下降等不可逆退磁的风险,增强了电机的可靠性。
永磁体与定子背轭铁芯和定子槽轭铁芯均紧密接触。
附加气隙可以为各处宽度相同的均匀气隙,也可以为各处宽度不同的非均匀气隙,可以改变附加气隙的宽度或者采用上下不等宽气隙结构得到不同的增磁和弱磁特性,以此满足不同应用场合的需要。
电枢绕组从一个电枢槽穿入,然后向外径方向沿定子背轭外表面穿出,形成一个线圈,电枢绕组围绕定子槽轭,永磁体和定子背轭缠绕,每个电枢槽内的电枢绕组为一套线圈,共形成4套电枢线圈,4套线圈可以相互并联或者串联;
励磁绕组从一个励磁绕组所在槽穿入,从相邻的励磁槽穿出,相邻两个励磁槽内的绕组组成一个励磁线圈,每个励磁线圈横跨两个定子齿距,相邻两个励磁绕组所在槽内绕组的电流大小相同,方向相反。
电机的永磁体的极弧宽度可以通过根据永磁体的磁能积或者剩磁密度灵活确定,可以根据电机的设计气隙磁密确定永磁体的剩磁密度,再通过改变永磁体的极弧系数来确定永磁体的磁能积,而现有永磁电机由于极弧系数受到极数的限制,通常只有采用高性能永磁体才能满足设计磁密的需要。
永磁体既可以是高磁能积的永磁材料如钕铁硼也可以是低磁能积的永磁材料如铁氧体或者铝镍钴制成。
转子为对称凸极转子,阶梯型转子或者涡轮状转子。
本发明电机运行时励磁磁场可以调节,通过调节励磁绕组F的电流可以调节电机气隙内的磁通密度,本发明电机励磁绕组安放在附加气隙的下面,两者并排放置,励磁绕组产生的磁通直接经过附加气隙,定子齿,主气隙和转子齿形成闭合回路,励磁磁通不经过永磁体,与永磁体产生的磁通形成并联关系,这不仅有效提高了弱磁效率,而且避免了永磁体由于反向磁化而产生的磁性能下降等不可逆退磁的风险,本发明电机的永磁体选择灵活,既可以选择高磁能积的永磁体,也可以选择铁氧体等低磁能积的永磁体,因为可以通过电机的设计气隙磁密确定永磁体的剩磁密度,再通过改变永磁体的极弧系数来确定永磁体的磁能积,而现有永磁电机由于极弧系数受到极数的限制,通常只有采用高性能永磁体才能满足设计磁密的需要。
由于附加气隙宽度的不同会显著改变电机磁路的磁阻,影响永磁体之间的漏磁通,进而影响电机的增磁和弱磁效果,因此,可以改变附加气隙的宽度或者采用上下不等宽气隙结构,通过改变电机的附加气隙宽度可以得到不同的电机特性,以此满足不同应用场合的需要。
如图1所示,电机为混合励磁永磁电机,定子上只有一套定子电枢绕组A和一套励磁绕组F,而且电机每个槽内只安放有一套绕组,槽内不需要相间绝缘,电机绕组下线工序简单,整个成本低于现有的各类三相感应电机和永磁电机,由于槽内不需相间绝缘,槽满率高;本发明电机电枢槽内安放有电枢绕组,电枢绕组从一个电枢槽穿入,然后向外径方向经过定子背轭穿出,形成一个线圈,电枢绕组围绕定子槽轭、永磁体和定子背轭缠绕,每个电枢槽内的电枢绕组为一套线圈,所有线圈可以相互串联或者并联;本发明电机永磁体固定于定子上,不随转子转动,安装方便,有利于散热,消除了普通单相永磁电机由于永磁体随转子旋转而产生的机械应力损坏,永磁体散热不良等缺点;本发明电机的功率密度高,材料利用率高,同样设计功率的电机,本发明电机节省材料用量,降低成本;本发明电机运行时只有一套电枢绕组A通交流电流,而励磁绕组F通以方向不变的直流电流,因此电机的控制电路只需两个电力电子功率开关器件,如IGBT或者MOSFET。
如图2所示,现有各类感应电动机以及永磁电机定子上均有三相及以上的电枢绕组,需要至少6个电力电子功率开关器件。因此,本发明电机的控制系统所需开关器件少,成本低,结构简单。此外,由于功率开关器件个数少,降低了电机控制电路中功率开关器件发生故障的可能性,可靠性提高。
实施例一:
如图3所示,电机定子齿数为8,转子齿数为4,永磁体块数为4,本实施方式包括定子,转子,主气隙和附加气隙,定子包括定子铁芯,永磁体和定子槽,定子铁芯包括定子齿1,定子背轭2和定子槽轭3,定子铁芯由高导磁率铁磁材料制成,定子铁芯上设有定子槽,定子槽包括电枢槽4和励磁槽5,电枢槽4和励磁槽5交替间隔排列,电枢槽4内安放有电枢绕组6,电枢绕组6从一个电枢槽4穿入,然后向外径方向沿定子背轭2外表面穿出,形成一个线圈,电枢绕组6围绕定子槽轭3,永磁体8和定子背轭2缠绕,每个电枢槽内的电枢绕组为一套线圈,共形成4套线圈,4套线圈可以相互串联或者并联,励磁槽5内安放有励磁绕组7,励磁绕组7从一个励磁槽5穿入,从相邻的另一个励磁槽5穿出,形成一个线圈,使得每相邻两个励磁槽内的电流大小相同,方向相反;定子槽轭3和定子背轭2之间安放有弧形永磁体8,永磁体8采用低磁能积的铁氧体永磁体材料,永磁体采取平行充磁,相邻两块永磁体的充磁方向相反;转子包括转子齿9和转子槽10,转子齿9沿圆周对称分布,转子齿9和定子齿1之间设有主气隙;励磁绕组7所在槽内上方的定子槽轭部沿径向断开,设附加气隙12,附加气隙12设置在电机径向方向,附加气隙12的各处宽度均相等。
实施例二:
如图4所示,电机定子齿数为8,转子齿数为4,永磁体块数为16,本实施方式包括定子,转子,主气隙和附加气隙,定子包括定子铁芯,永磁体和定子槽,定子铁芯包括定子齿1,定子背轭2和定子槽轭3,定子铁芯由高导磁率铁磁材料制成,定子铁芯上设有定子槽,定子槽包括电枢槽4和励磁槽5,电枢槽4和励磁槽5交替间隔排列,电枢槽4内安放有电枢绕组6,电枢绕组6从一个电枢槽4穿入,然后向外径方向沿定子背轭2外表面穿出,形成一个线圈,电枢绕组6围绕定子槽轭3,永磁体8和定子背轭2缠绕,每个电枢槽内的电枢绕组为一套线圈,共形成4套线圈,4套线圈可以相互串联或者并联,励磁槽5内安放有励磁绕组7,励磁绕组7从一个励磁槽5穿入,从相邻的另一个励磁槽穿出,形成一个线圈,使得每相邻两个励磁槽内的电流大小相同,方向相反;定子槽轭3和定子背轭2之间安放有弧形永磁体8,每个定子槽轭上有4块永磁体,永磁体8采用高磁能积的钕铁硼永磁体材料,永磁体采取径向充磁,同一定子槽轭上的4块永磁体的充磁方向相同,相邻的不同定子槽轭上的永磁体的充磁方向相反;转子包括转子齿9和转子槽10,转子为涡轮形,当转子齿与定子齿对齐时,该转子齿与相邻两个定子齿的磁阻不同,有利于消除转矩死区,改善电机起动性能;转子齿9和定子齿1之间设有主气隙11;励磁绕组所在槽内上方的定子槽轭部沿径向断开,设附加气隙12,附加气隙12设置在电机径向方向,附加气隙12靠近电枢槽部分的宽度较窄,靠近定子背轭部分的宽度较宽。
同时,本发明提供的电机,根据其应用领域的不同,本领域技术人员针对具体应用环境和对象的不同,对本发明的电机结构进行不具有创造性的改动,是容易想到的,也应隶属于本发明的保护范围。具体包括:(1)家用电器:包括电视音像设备、风扇、空调器、食品加工机、美容工具、油烟机等;(2)计算机及其外围设备:包括计算机(驱动器、风扇等)、打印机、绘图仪、光驱、光盘刻录机等;(3)工业生产:包括工业驱动装置、材料加工系统、自动化设备、机器人等;(4)汽车:包括永磁起动机、雨刮器电机、门锁电机、座椅升降电机、遮阳顶棚电机、清洗泵电机、录音机用电机、玻璃升降电机、散热器冷却风扇电机、空调电机、天线升降电机、油泵电机等;(5)公共生活:包括钟表、美容机械、自动售货机、自动取款机、点钞机等;(6)交通运输:包括电车、飞机辅助设备、舰船等;(7)航天:包括火箭、卫星、宇宙飞船、航天飞机等;(8)国防:包括坦克、导弹、潜艇、飞机等;(9)医疗:包括牙钻、人工心脏、医疗器械等;(10)发电:包括风力发电、余热发电、小型水力发电、小型内燃发电机组用发电机,以及大型发电机的副励磁机等。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机,包括定子、转子、附加气隙和主气隙,定子呈环形,转子设置于定子的内部,其中:
所述定子上圆周均匀设置有偶数个定子齿,相邻两个定子齿中设有定子槽,定子槽轭和定子背轭之间设有永磁体,所述永磁体不随转子转动,同一个定子槽轭上的永磁体的充磁方向相同,相邻两个定子槽轭上的永磁体的充磁方向相反;
其特征是:所述定子槽包括电枢槽和励磁槽,所述电枢槽和励磁槽沿圆周交替间隔排列,所述电枢槽内设置有一套电枢绕组,所述电枢绕组通交流电流,两个相邻的励磁槽内环绕有一套励磁绕组,所述励磁绕组通方向不变的直流电流;
所述定子齿和转子齿之间设有主气隙,所述励磁槽底部的定子槽轭部断开,设有附加气隙,电枢电流磁场、励磁电流磁场和永磁体产生的磁场相互作用使得定子齿上的磁通改变,利用定子和转子间磁阻变化产生转矩;
所述励磁绕组产生的磁通经过附加气隙、定子齿、主气隙和转子齿形成闭合回路,励磁绕组产生的磁通不经过永磁体,与永磁体产生的磁通形成并联关系。
2.如权利要求1所述的一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机,其特征是:所述相邻两块永磁体产生的磁通一部分经过主气隙进入转子形成主磁通,另一部分不经过主气隙进入转子而经过该附加气隙闭合形成漏磁通;所述永磁体为平行充磁或者径向充磁,每块永磁体由一整块永磁体充磁而成或者由多块永磁体拼接而成。
3.如权利要求1所述的一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机,其特征是:所述定子齿的个数为大于等于4的偶数;所述转子齿的个数为定子齿个数的1/2。
4.如权利要求1所述的一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机,其特征是:所述永磁体的块数为转子齿的m倍,m为大于等于1的自然数。
5.如权利要求1所述的一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机,其特征是:所述永磁体与定子背轭铁芯和定子槽轭铁芯均紧密接触;所述永磁体的极弧宽度根据永磁体的磁能积或者剩磁密度确定,根据电机的设计气隙磁密确定永磁体的剩磁密度,再通过改变永磁体的极弧系数来确定永磁体的磁能积。
6.如权利要求1所述的一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机,其特征是:所述附加气隙为各处宽度相同的均匀气隙,改变附加气隙的宽度来得到不同的增磁和弱磁特性。
7.如权利要求1所述的一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机,其特征 是:所述附加气隙为各处宽度不同的非均匀气隙,采用上下不等宽气隙结构得到不同的增磁和弱磁特性。
8.如权利要求1所述的一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机,其特征是:所述励磁绕组从一个励磁槽穿入,从相邻的励磁槽穿出,相邻两个励磁槽内的绕组组成一个励磁线圈,每个励磁线圈横跨两个定子齿距,相邻两个励磁槽内绕组的电流大小相同、方向相反。
9.如权利要求1所述的一种环形轭部电枢绕组高功率密度混合励磁永磁电动机,其特征是:所述电枢绕组从一个电枢槽穿入,然后向外径方向沿定子背轭外表面穿出,形成一个线圈,电枢绕组围绕定子槽轭、永磁体和定子背轭缠绕,每个电枢槽内的电枢绕组为一套线圈,所有线圈相互并联或者串联。
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