CN105978269B - 聚磁型无源转子横向磁通混合励磁单相电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了聚磁型无源转子横向磁通混合励磁单相电机，包括由C形定子铁心、异形定子铁心和C形永磁体组成的定子，由L形转子铁心和转子环形导磁结构组成的转子，环形电枢绕组，励磁绕组。定子按异形定子铁心、C形永磁体、C形定子铁心、C形永磁体的顺序重复排列，C形永磁体沿周向磁化且C形定子铁心相邻两个C形永磁体的磁化方向相反，异形定子铁心相邻两个C形永磁体的磁化方向相同。环形电枢绕组绕制在定子的凹槽内，转子环形导磁结构两端面都开有均匀分布的供L形转子铁心插入的槽，C型永磁体和励磁绕组在转子、气隙、定子间形成的主励磁路径经过转子轭部时提供有效磁动势，减少了永磁体数量，提高了永磁体利用率。

Description

聚磁型无源转子横向磁通混合励磁单相电机
技术领域
本发明涉及聚磁型无源转子横向磁通混合励磁单相电机，属于横向磁通电机技术领域。
背景技术
横向磁通永磁电机是由德国H.Web教授于二十世纪八十年代提出的一种新型电机，相比于传统永磁电机，该电机磁场呈三维分布，与绕组处于不同平面，可以兼顾绕组的横截面积与定子齿极的横截面积，提高了电机的转矩密度。他提出的原型电机和后面的几种改型电机均是属于表贴永磁体结构，永磁体数量多，而且利用率不高。
罗-罗公司的双边聚磁结构TFM采用了C形定子铁心，设计的电机力密度达到120kN/m2。[A.Mitcham,Transverse flux motors for electric propulsion of ships,in 1997IEE Colloquium on New Topologies for Permanent Magnet Machines,3/1-3/6]
上海大学设计的横向磁通电机是对定子C形铁心的改进，其定子具有环形公共联接铁心，其内、外定子铁心可以插入到环形公共联接铁心中，便于加工。该电机的永磁体利用率高，但定子铁心为悬臂梁结构，需要设置足够的气隙来保证转子不扫膛。[李永斌，袁琼，江建中.一种新型聚磁式横向磁通永磁电机研究.电工技术学报，2003，18(5):46～49]
华中科技大学辜承林教授提出的新拓扑结构横向磁通电机为外转子结构，轴向充磁的永磁体沿转子内表面均匀分布，定子铁心为U型，主气隙为轴向，位于定子铁心与永磁体磁极之间。U形定子铁心以两倍极距均匀分布，固定在非磁性支架上。该拓扑结构具有磁路短，气隙磁密高的优点，但是永磁体的利用率没有得到提高。而且，转子上固定永磁体的套环需要是非金属材料以减小涡流损耗。[陈金涛，辜承林.新型横向磁通永磁电机研究[J].中国电机工程学报，2005，25(15):155-160]
哈尔滨工业大学寇宝泉教授提出的双向交链横向磁通永磁同步电机，其转子采用了表贴永磁体结构，定子上通过铁心结构与绕组的巧妙设计，提高了永磁体的利用率。其不足之处在于定子铁心结构的加工与安装均较复杂，而且曲折走向的铁心占用了绕组位置。[G.Yang,D.Cheng,H.Zhang,and B.Kou,“Bidirectional Cross-Linking TransverseFlux Permanent Magnet Synchronous Motor”,IEEE Trans.Magn.,vol.49,no.3,pp.1242–1248,Mar.2013.]
清华大学的横向磁通电机转子采用轴向背靠背内埋式永磁体三面墙结构，以减小永磁体漏磁，实现更大的气隙磁场。该结构很好利用了三块永磁体的聚磁作用，但永磁体用量偏多，转子的结构较复杂。[陶果，邱阿瑞，李大雷.新型聚磁式横向磁场永磁推进同步电动机[J].清华大学学报(自然科学版)，2007，47(10):1562-1565]
以上几种横向磁通电机的转子上均有永磁体，在一些应用场合，永磁体的振动与散热问题比较严重。于是人们又提出了无源转子横向磁通电机。
加拿大Alberta大学的B.E.Hasubek教授等提出的一种无源转子横向磁通电机，永磁体和绕组均在定子上，其转子上只有铁心，而且转子铁心采用分块结构，每块铁心倾斜一个极距。以达到简化转子加工工艺的目的。该电机定子内径部分制约了励磁磁通，故只适合应用在电机内外径均较大的场合。此外，转子各导磁结构没有导磁材料相连接，使得磁路磁阻较大，限制了磁路磁通。[B.E.Hasubek,E.P.Nowicki,Two dimensional finite elementanalysis of passive rotor transverse flux motors with slanted rotor design[C].Proc.IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering,Alberta,Canada,1999(2):1199-1204]
东南大学林鹤云教授等提出了新型结构磁通切换型横向磁通永磁电机，定子由均匀分布的若干铁心及电枢绕组构成，每个U型定子铁心中嵌有轴向磁化的2块永磁体，相邻两个定子铁心中的永磁体磁极相反；转子也采用分块铁心，相邻两块转子铁心分别按左、右对齐间隔排列。该结构大大简化了定转子铁心的加工，可以采用常规的硅钢片制作。但是它存在和Alberta大学结构电机一样永磁体利用率不高的不足。[J.Yan,H.Lin,Y.Feng,Z.Q.Zhu,P.Jin,and Y.Guo,“Cogging Torque Optimization of Flux-SwitchingTransverse Flux Permanent Magnet Machine”,IEEE Trans.Magn.,vol.49,no.5,pp.2169–2172,May 2013]
由于永磁体的使用存在漏磁较严重和无法调节磁场的弊端，因此人们提出了混合励磁的想法。
美国学者LIPO T A 2000年提出了SynPM电机，它的转子上既有永磁极(4极)，又有励磁极(2极)，定子仍为传统的多相电机的定子结构。通过调节励磁电流，SynPM电机不仅气隙磁场发生变化，而且极数也可以从6极变为2极。在这种结构中，两种磁势为并联关系，永磁体产生的磁通有两条路径，一是通过与它相邻的永磁体，另一条是通过与它相邻的电励磁磁极。而电励磁产生的磁通主要在两个励磁绕组之间流通。但不管是永磁体还是励磁绕组，两者产生的磁场均为径向磁场。由于励磁绕组在转子上，故电机中有电刷和滑环。[LUOXiaogang,LIPO T A.A synchronous/permanent manet hybrid AC machine[J].IEEEtransactions on energy conversion,2000,2:203-210]
法国学者Amara提出了IHEM电机，这种结构的电机仅作为电动机使用，它实现了无刷化。具有较好的磁通调节能力以利于实现弱磁升速。IHEM电机中，励磁电流所产生的磁通与永磁磁通在磁路上呈并联关系，气隙磁场为两者之和，并且励磁电流和永磁体产生的磁通都是径向磁通。[YACINE Amara,JEAN Lu cidarme,MOHAMED Gabsi,etc.A new topologyof hybrid synchronous machine[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2001,5:1273-128]
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供聚磁型无源转子横向磁通混合励磁单相电机，实现了各永磁体和励磁绕组在绕组交链最大永磁磁链时均提供有效磁动势，解决了现有无源转子横向磁通永磁电机磁场调节难的问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
聚磁型无源转子横向磁通混合励磁单相电机，包括由2n块C形定子铁心、2n块异形定子铁心和4n块C形永磁体组成的定子，由6n块L形转子铁心和转子环形导磁结构组成的转子，还包括环形电枢绕组、励磁绕组；所述转子环形导磁结构两端面都开有均匀分布的供3n块L形转子铁心插入的槽，转子环形导磁结构每个端面上相邻两槽错开180/(3n)度的机械角度；所述定子按异形定子铁心、C形永磁体、C形定子铁心、C形永磁体的顺序重复排列，C形永磁体沿周向磁化且C形定子铁心两侧相邻的两块C形永磁体的磁化方向相反，异形定子铁心两侧相邻的两块C形永磁体的磁化方向相同；所述异形定子铁心、C形定子铁心和L形转子铁心，三者的齿厚均相等，异形定子铁心在轴向上开有截面为水滴形的励磁绕组槽，在周向上开有截面为矩形的电枢绕组槽，励磁绕组绕制在异形定子铁心所开的励磁绕组槽内，环形电枢绕组绕制在C形定子铁心、异形定子铁心和C形永磁体按上述顺序重复排列后形成的凹槽内；环形电枢绕组在转子、气隙、定子间形成的主励磁路径经过转子轭部时交链最大永磁和电励磁磁链，n为电机单元数，n为正整数。
作为本发明的进一步优选方案，所述C形永磁体的截面面积小于或等于C形定子铁心的截面面积。
作为本发明的进一步优选方案，所述C形定子铁心由硅钢片沿轴向叠压而成。
作为本发明的进一步优选方案，所述L形转子铁心由硅钢片沿切向叠压而成。
作为本发明的进一步优选方案，所述转子环形导磁结构采用硅钢片沿轴向进行叠压或采用硅钢片卷绕而成。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明综合利用横向磁通电机转矩密度高和混合励磁电机漏磁小磁场可调的特点，提出了聚磁型无源转子横向磁通混合励磁单相电机。
2、本发明在电枢绕组交链最大永磁磁链时，定子磁极和转子磁极完全重合，C形定子铁心、异形定子铁心和C形永磁体沿周向交替放置，与C形定子铁心相邻的永磁体及放置在励磁绕组槽中的励磁绕组同时沿周向往定子磁极聚磁，形成聚磁作用，各永磁体和励磁绕组均提供有效磁动势，与现有无源转子结构横向磁通电机相比提高了永磁体利用率。
3、本发明提出的无源转子结构与C形铁心结构相比简化了铁心结构，C形永磁体的截面面积小于或等于C形定子铁心和异形定子铁心的截面面积可以减少永磁体的用量，达到减小漏磁通的效果。
4、本发明永磁体位于定子上，振动小且易于散热。
5、本发明无端部的环形电枢绕组减小了铜损。
6、本发明多个相同单体即可构成多相电机。
7、本发明用励磁绕组取代部分永磁体进行聚磁可以减少永磁体的用量且实现气隙磁场的可调性。
附图说明
图1是本发明2单元无源转子横向磁通混合励磁电机单体的正视图。
图2是本发明2单元无源转子横向磁通混合励磁电机单体的1/2剖视图。
图3是本发明2单元无源转子横向磁通混合励磁电机单体从图1位置逆时针旋转1/2极距(15度)的1/2剖视图。
图4是本发明2单元源转子横向磁通混合励磁电机单体从图1位置逆时针旋转1个极距(30度)的1/2剖视图。
图5(a)是定子结构，图5(b)是异形定子铁心结构。
图6(a)、图6(c)是L形转子铁心结构，图6(b)是环形导磁结构。
图7是本发明2单元无源转子横向磁通混合励磁电机单体在图1位置对应的等效磁路图。
图8是本发明2单元无源转子横向磁通混合励磁电机单体在图3位置对应的等效磁路图。
图9(a)、图9(b)分别是绕组磁通、反电势随转子位置角变化的波形；图9(c)是绕组磁通随励磁安匝数变化的波形。
图中标号说明：1、C形定子铁心；2、异形定子铁心；3、C形永磁体；4、L形转子铁心；5、转子环形导磁结构；6、环形电枢绕组；7、励磁绕组；8、励磁绕组槽；9、主励磁路径。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。下面以12极无源转子横向磁通混合励磁电机单体为例阐述本发明技术方案，12极无源转子横向磁通混合励磁电机单体这个例子不是对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本申请记载的技术方案可以得到其它实施例，凡是符合本申请发明宗旨的实施例均落入本发明的保护范围。
图1至图4所示的12极无源转子横向磁通混合励磁电机单体，其结构包括由4块C形定子铁心1、4块异形定子铁心2、8块C形永磁体3组成的定子，由12块L形转子铁心4和转子环形导磁结构5组成的转子，环形电枢绕组6，励磁绕组7。
图5(a)所示的定子按异形定子铁心2、C形永磁体3、C形定子铁心1、C形永磁体3的顺序重复排列，C形永磁体3沿周向磁化且C形定子铁心1两侧相邻的两块C形永磁体3的磁化方向相反，异形定子铁心2两侧相邻的两块C形永磁体3的磁化方向相同。异形定子铁心的结构如图5(b)所示，异形定子铁心2、C形定子铁心1和L形转子铁心4，三者的齿厚均相等，异形定子铁心2在轴向上开有截面为水滴形的励磁绕组槽8，在周向上开有截面为矩形的电枢绕组槽，励磁绕组7绕制在异形定子铁心所开的励磁绕组槽8内，环形电枢绕组6绕制在C形定子铁心1、异形定子铁心2和C形永磁体3按上述顺序重复排列后形成的凹槽内。
图6(b)所示的转子环形导磁结构5两端面各开有3n个供L形转子铁心插入的槽，每个端面上的3n个槽沿圆周均匀分布，每个端面上相邻两槽错开180/(3n)度的机械角度；图6(a)、图6(c)所示的L形转子铁心4插入转子环形导磁结构5的槽中，L形转子铁心4和转子环形导磁结构5如图4所示共同构成电机转子，这样的无源转子结构简化了铁心结构。环形电枢绕组6在转子、气隙、定子间形成的主励磁路径9经过转子轭部时交链最大永磁和电励磁磁链，n为电机单元数，n为正整数。C形永磁体3的C形截面等于或小于C形定子铁心1截面，较小漏磁通。C形定子铁心1、异形定子铁心2、L形转子铁心4由硅钢片叠压而成。C形定子铁心1沿轴向叠压，L形转子铁心4沿切向叠压，转子环形导磁结构5采用硅钢片沿轴向进行叠压或采用硅钢片卷绕而成，而后再开6n个槽。
聚磁型无源转子横向磁通混合励磁单相电机既可以作为发电机，也可以作为电动机。可以通过图2、图3、图4来说明它的工作原理。
当电机转子处于图1位置时，等效磁路图如图7所示，绕组交链的磁通应沿轴向穿过转子轭部。因此，环形电枢绕组在图2位置交链的磁通达到最大，为3nφra1。当转子逆时针旋转，定转子齿的相对面积减小，磁路磁阻变大，绕组交链的磁通减小，当旋转到图3位置，2条主励磁路径均不跨越转子轭部，即转子轴向磁通为0，绕组交链的磁通也变为0。转子继续逆时针旋转到图4位置时，主励磁路径与图2对称，等效磁路如图8所示，转子轴向磁通大小与图7相同，方向相反，即φra2＝-φra1。EPM1是一块永磁体提供的磁势，EPM2是励磁绕组提供的磁势，RPM是一块永磁体的磁阻，Rst是图2、图3、图4所示的一条主励磁路径中的定子铁心磁阻，Rrt是图2、图3、图4所示的一条主励磁路径中的转子齿部磁阻，Rg是图2、图3、图4所示的一条主励磁路径中的气隙磁阻，Rra是图2、图3、图4所示的一条主励磁路径中的转子轭部轴向磁阻，φra1是一条主励磁路径提供的转子轭部轴向磁通。
经过优化设计可以得到随转子角度正弦变化的磁链，对应的磁链与感应电势波形如图9(a)、图9(b)所示。θ是转子位置角，图2位置对应于转子位置角0度。τ是极距角，对于12极无源转子横向磁通电机单体来说为π/6rad或30度。φ是绕组交链的磁通。e是反电动势，em是反电动势峰值。若电机由原动机驱动，就可以进行发电工作，若根据反电动势波形通入相应的电流，就可以作为电动机向机械负载提供转矩。可以得到电机主磁通(绝对值)随励磁绕组安匝数的变化情况，当电流方向为充磁方向时主磁通先随安匝的增大而增大，如果电流反向，则主磁通会进一步下降，如图9(c)所示。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.聚磁型无源转子横向磁通混合励磁单相电机，其特征在于，包括由2n块C形定子铁心(1)、2n块异形定子铁心(2)和4n块C形永磁体(3)组成的定子，由6n块L形转子铁心(4)和转子环形导磁结构(5)组成的转子，还包括环形电枢绕组(6)、励磁绕组(7)；所述转子环形导磁结构(5)垂直于电机转轴方向的两端面都开有均匀分布的供3n块L形转子铁心(4)插入的槽，转子环形导磁结构(5)每个端面上相邻两槽错开180/(3n)度的机械角度；所述定子按异形定子铁心(2)、C形永磁体(3)、C形定子铁心(1)、C形永磁体(3)的顺序重复排列，C形永磁体(3)沿周向磁化且C形定子铁心(1)两侧相邻的两块C形永磁体(3)的磁化方向相反，异形定子铁心(2)两侧相邻的两块C形永磁体(3)的磁化方向相同；所述异形定子铁心(2)、C形定子铁心(1)和L形转子铁心(4)，三者的齿厚均相等，异形定子铁心(2)在轴向上开有截面为水滴形的励磁绕组槽，在周向上开有截面为矩形的电枢绕组槽，励磁绕组(7)绕制在异形定子铁心(2)所开的励磁绕组槽内，环形电枢绕组(6)绕制在C形定子铁心(1)、异形定子铁心(2)和C形永磁体(3)按上述顺序重复排列后形成的凹槽内；环形电枢绕组(6)在转子、气隙、定子间形成的主励磁路径经过转子轭部时交链最大永磁和电励磁磁链，n为电机单元数，n为正整数。
2.根据权利要求1所述聚磁型无源转子横向磁通混合励磁单相电机，其特征在于，所述C形永磁体(3)的C形截面面积小于或等于C形定子铁心(1)的C形截面面积。
3.根据权利要求1所述聚磁型无源转子横向磁通混合励磁单相电机，其特征在于，所述C形定子铁心(1)由硅钢片沿轴向叠压而成。
4.根据权利要求1所述聚磁型无源转子横向磁通混合励磁单相电机，其特征在于，所述L形转子铁心(4)由硅钢片沿切向叠压而成。
5.根据权利要求1所述聚磁型无源转子横向磁通混合励磁单相电机，其特征在于，所述转子环形导磁结构(5)采用硅钢片沿轴向进行叠压或采用硅钢片卷绕而成。
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