CN106571697B - 具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的交流电机 - Google Patents

Abstract

一种具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的交流电机，定子磁芯包括主磁路磁芯105和106和回磁路磁芯，主磁路磁芯上分别绕有定子绕组102和109，主磁路磁芯的前端为圆弧形端面的磁极，适应于电机转子的旋转工作面，两个主磁路磁芯的前端磁极相对且其磁性相异，两个主磁路磁芯前端圆弧形端面组合起来围成电机转子的工作区域；回磁路磁芯包括位于主磁路磁芯后端的磁芯107和108，回磁路磁芯还包括包围在主磁路磁芯及绕组外侧的筒形磁芯101和103，用于构成环绕定子绕组102和109的磁力线的回磁路，以增强主磁路磁芯的磁场；避除了传统绕组端部的损耗，因此具有漏磁少、结构简单、节省铜材、发热少、高效节能、可靠性高等优点。

Description

具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的交流电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的交流电机。

背景技术

电机是机械能和电能之间的转化装置，包括电动机和发电机。其中，现有技术的交流异步电机，一般是采用在定子轴向开槽布线的绕组结构，利用定子绕组在定子磁芯上产生的交变磁场使转子感应出异步感生电流，异步感生电流在定子磁场中驱动转子旋转；或者通过定子与转子之间通过磁场的变化使定子绕组感应异步感生电压，作为交流异步发电机使用。

无论是电动机还是发电机，在定子的轴向槽路中的定子绕组的直导体部分，其磁场转化率较高，但绕组的端部一般呈近弧形，其漏磁较多，会产生较大的涡流发热损耗及电磁辐射干扰，绕组端部的磁场利用率明显低于其直导体部分的磁场利用率，且近弧形的端部导体的直流电阻发热损耗较多，其通过弧形外侧的空间向外散热的热导率明显低于直导体部分通过所在槽路散热的热导率，因此往往出现由于过热导致绕组端部先于直导体部分超温乃至烧毁。统计表明，一般定子绕组端部损耗占到绕组总损耗的1/4～1/2，减少端部的长度，可以提高电机的效率，实验表明，端部长度减少20％，损耗下降10％。

这种具有端部的绕组结构的电机具有以下技术缺陷或弊端：

1、端部漏磁较多，磁场利用率降低，电机功率和效率受到影响；

2、端部漏磁导致端部附近的端盖等导磁部件产生较大的涡流损耗，端盖及附近金属器件温升较高，在一些特定电机上不得不采取端盖降温措施，增加了成本和故障率，缩短了电机使用寿命；

3、端部同时产生阻性功率消耗而发热，使绕组铜损增加、温度升高，而且浪费能量；

4、端部的存在使得绕组的长度较长、电磁导线用量较大，增加了铜材和成本需求；

5、端部的存在还使电机体积增大、重量增加；

6、现有技术的磁芯槽部结构使得定子磁芯加工工艺较为复杂、绕组嵌线较为困难、嵌线专用设备耗资较大、工艺较复杂、使生产成本上升；

7、为了提高槽满率，磁芯所采用的绝缘纸或涂有的绝缘漆层较薄，较易出现绝缘层击穿、挤压、破损导致搭铁漏电问题；

因此，有必要设计出一种无端部绕组的电机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的交流电机，以解决上述技术问题中至少一个问题。本发明的总体思路是在主磁路磁芯周围及定子绕组周围通过回磁路磁芯建立起电机的闭合磁路，使定子绕组均置于与之适合的定子磁芯内，以更高效率地利用磁场，较大限度地利用定子磁芯和转子磁芯之间的磁动势及磁场力，构成新型节能减排的单相或多相电机，从而提高电机转化效率、减少漏磁。

本发明创造性地建立起磁极间的闭合磁路连接的回磁路磁芯，使定子绕组的能够整体性地藏于所述定子磁芯中，取消了端部，使电机在漏磁、涡流、阻性发热等方面的损耗均随端部的取消而大幅减小，且绕组导线长度可以缩短、体积减小、定子无需开有多个轴向直槽、绕线更为简易、嵌装方便。

依据上述发明思路，本发明提供了一种具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的交流电机，包括定子磁芯、定子绕组、转子以及所述定子和转子的支撑部件，其特殊之处在于，

所述定子磁芯包括主磁路磁芯和回磁路磁芯；

所述主磁路磁芯上绕有定子绕组，所述定子绕组为集中绕组，所述电机包括至少两个所述主磁路磁芯，所述主磁路磁芯前端为具有圆弧形端面的磁极，以适应于所述电机的转子旋转工作面，每两个所述主磁路磁芯的前端磁极相对且其磁性相异，各个主磁路磁芯前端磁极的圆弧形端面组合起来围成所述电机转子的工作区域；

所述回磁路磁芯连接于两个磁极相对的所述主磁路磁芯的尾端，所述回磁路磁芯还包围在所述主磁路磁芯及其集中绕组的外侧，用于将一个所述主磁路磁芯尾端的磁场及其定子绕组周围的散在磁场集中回馈至与所述主磁路磁芯磁极相对的另一个主磁路磁芯的尾端，与所述电机的转子磁芯共同构成环绕所述定子绕组的磁力线闭合的回磁路，以增强所述主磁路定子磁芯圆弧形工作面围成的所述转子工作区域的磁场。

进一步的，本发明还提供了一种具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的交流电机，其特殊之处在于，所述电机定子的主磁路磁芯的截面为矩形。

进一步的，本发明还提供了一种具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的交流电机，其特殊之处在于，所述电机为轴向分相的多相电机。

进一步的，本发明还提供了一种具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的交流电机，其特殊之处在于，所述电机的回磁路磁芯的正对于所述电机转子轴的位置开有通轴孔，用于所述电机的转子轴通过。

进一步的，本发明还提供了一种具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的交流电机，其特殊之处在于，所述电机的回磁路磁芯为分体式结构。

进一步的，本发明还提供了一种具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的交流电机，其特殊之处在于，所述电机的主磁路磁芯的前端磁极上开有轴向槽路，用于在所述槽路内嵌设启动绕组，使所述电机在所述启动绕组的作用下实现自启动。

本发明的有益效果是，采用回馈磁路，使电机具有下述优点：

1、主磁路上的绕组结构以及回磁路，不存在原有技术的绕组端部，彻底消除了端部带来的漏磁问题，磁场利用率明显提高，使电机的功率和效率得以提高。

2、减小电机端盖涡流损耗。

3、绕组紧凑、结构简单、节省铜材和成本。

4、减小电机的体积和重量。

5、组绕制好以后，其绕制或装配到定子磁芯的工序比传统绕组嵌线简单。

6、在多相周向绕组的功率电机中，不同相位的绕组安装在不同定子磁芯上，不同相位的绕组之间不直接接触、相互间隔离着环型定子磁芯和定子绕组环型绝缘支架，不会出现相间短路极相间漏电现象，使电机可靠性和寿命提高。

附图说明

图1是具有回磁路的无端部绕组的单相电机定子轴向剖面结构示意图；

图2是具有回磁路的无端部绕组的单相电机轴向外侧结构示意图；

图3是含有启动绕组的有回磁路的无端部绕组单相电机定子轴向结构示意图；

图4是具有回磁路的无端部绕组三相电机定子相位比对示意图；

图5是具有回磁路的无端部绕组三相电机转子结构示意图；

图6是定子磁极对齐、转子磁极轴向分相具有回磁路的无端部绕组三相电机结构示意图。

具体实施方式

本发明的总体思路是在主磁路磁芯周围及定子绕组周围通过回磁路磁芯建立起电机的闭合磁路，使定子绕组均置于与之适合的定子磁芯内，以更高效率地利用磁场，较大限度地利用定子磁芯和转子磁芯之间的磁动势及磁场力，构成新型节能减排的单相或多相电机，从而提高电机转化效率、减少漏磁。

本发明创造性地建立起磁极间的闭合磁路连接的回磁路磁芯，使定子绕组的能够整体性地藏于所述定子磁芯中，取消了端部，使电机在漏磁、涡流、阻性发热等方面的损耗均随端部的取消而大幅减小，且绕组导线长度可以缩短、体积减小、定子无需开有多个轴向直槽、绕线更为简易、嵌装方便。

下面结合附图和实施例，对本发明的实施方式做以进一步详细描述，实施例仅用于说明但不用来限制本发明，并本发明的权利范围由权利要求限定。

实施例1

本实施例用于说明具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的单相交流电机。

本发明实施方式提供的一种具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的交流电机，包括定子磁芯、定子绕组、转子以及定子和转子的支撑部件，转子为交流电机转子。

如图1所示，定子磁芯包括主磁路磁芯105和106和回磁路磁芯，其主磁路磁芯的截面可以为矩形。主磁路磁芯105上绕有定子绕组，定子绕组为集中绕组102，主磁路磁芯106上绕有定子绕组，定子绕组为集中绕组109，定子绕组引线可以由定子壳体上钻孔引出，主磁路磁芯105和106的前端为具有圆弧形端面的磁极，以适应于电机的转子旋转工作面，对于转子以及定子和转子的支撑部件如端盖、壳体、轴承等为公知技术，附图中未予示出。

每两个主磁路磁芯的前端磁极相对且其磁性相异，各个主磁路磁芯前端磁极的圆弧形端面组合起来围成电机转子的工作区域。

回磁路磁芯包括位于主磁路105和106磁芯尾部后端的“盖板型”磁芯107和108，分别连接于两个磁极相对的主磁路磁芯105和106的尾端，回磁路磁芯还包括包围在主磁路磁芯105和106及其集中绕组102和109的外侧的“筒形”磁芯101和103，用于将主磁路磁芯105尾端的磁场及其定子绕组102周围的散在磁场集中回馈至与主磁路磁芯磁极105相对的另一个主磁路磁芯106的尾端，构成环绕定子绕组102和109的磁力线的回磁路，并与电机的转子磁芯共同构成环绕定子绕组102和109的闭合磁路，以增强主磁路定子磁芯圆弧形工作面围成的转子工作区域的磁场；减少漏磁和提高效率方面具有明显改善。还可以通过变频调制实现电机的调速控制。

采用回馈磁路的无端部绕组的电机，具有如下优点：

1、主磁路上的绕组结构以及回磁路，不存在原有技术的绕组端部，彻底消除了端部带来的漏磁问题，磁场利用率明显提高，使电机的功率和效率得以提高。

2、减小电机端盖涡流损耗。

3、绕组紧凑、结构简单、节省铜材和成本。

4、减小电机的体积和重量。

5、组绕制好以后，其绕制或装配到定子磁芯的工序比传统绕组嵌线简单。

6、在多相周向绕组的功率电机中，不同相位的绕组安装在不同定子磁芯上，不同相位的绕组之间不直接接触、相互间隔离着环型定子磁芯和定子绕组环型绝缘支架，不会出现相间短路极相间漏电现象，使电机可靠性和寿命提高。

如图2所示，为具有回磁路的无端部绕组的单相电机轴向外侧结构示意图。

前述图1所示电机的主磁路磁芯的柱状磁体部分外部绕有集中式绕组102和109，而回磁路包括了：主磁路两端的“盖板型”磁芯107和108、围绕在主磁路105和106及其定子绕组102和109之外的“筒形结构”的磁芯101和103，该“筒形结构”的磁芯内部由于涵盖了转子旋转工作区域，因此在转子轴向两侧的所谓“筒形结构”的磁芯101和103的中间，应留有电机轴孔；如图2所示，位于观察者一侧的“前盖板式”磁芯301和302中间：对应于转子轴的位置开有圆孔311，称之为“通轴孔”，在所谓“筒形结构”的磁芯的背面一侧也具有相应的“通轴孔”，用于使电机的转子轴310通过；这是对单相电机而言，易于理解的是，对于后叙的多相电机，在每相定子回磁路上的轴向两端均设有所述“通轴孔”。

图中还以虚线的形式，示出了“筒型结构”内部的结构形式，图2中所示的101、103、107、108与前述图1中相应编号意义相同。另外，图2中的回磁路磁芯的可以采取分体式结构，例如：在图中垂直线104处分体，以便于电机的装配。

实施例2

本实施例用于说明含有启动绕组的具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的单相交流电机。

本发明实施方式还提供了一种具有回磁路定子磁芯的且具有启动绕组的无端部绕组交流电机，包括定子磁芯、定子绕组、转子及定子和转子的支撑部件，转子为交流电机转子。

如图3所示，定子磁芯包括主磁路磁芯125和126和回磁路磁芯；主磁路磁芯125上绕有定子绕组，定子绕组为集中绕组123，主磁路磁芯126上绕有定子绕组，定子绕组为集中绕组124，主磁路磁芯125和126的前端为具有圆弧形端面的磁极，以适应于电机的转子旋转工作面，每两个主磁路磁芯的前端磁极相对且其磁性相异，各个主磁路磁芯前端磁极的圆弧形端面组合起来围成电机转子的工作区域；在主磁路磁芯的前端磁极上，还开有轴向的槽路131、132、133和134，槽内用于放置启动绕组，如在槽131和132之内嵌设第一启动绕组(绕组在图中未予示出)，在槽133和134之内嵌设第二启动绕组(绕组在图中未予示出)，两绕组可以采用串联的连接方式，且使第一启动绕组和第二启动绕组的正对面磁性相异，以实现该具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的单相交流电机实现自启动。

回磁路磁芯包括位于主磁路125和126磁芯尾部后端的“盖板型”磁芯127和128，分别连接于两个磁极相对的主磁路磁芯125和126的尾端，回磁路磁芯还包括包围在主磁路磁芯125和126及其集中绕组123和124的外侧的“筒形”磁芯121和122，用于将主磁路磁芯125尾端的磁场及其定子绕组123周围的散在磁场集中回馈至与主磁路磁芯磁极125相对的另一个主磁路磁芯126的尾端，构成环绕定子绕组123和124的磁力线的回磁路，并与电机的转子磁芯共同构成环绕定子绕组123和124的闭合磁路，以增强主磁路定子磁芯圆弧形工作面围成的转子工作区域的磁场；减少漏磁和提高效率方面具有明显改善。

上述2个实施例中，实施例1所述的电机为单相电机结构，不能实现确定方向的自启动运行，因此，在现实应用中，需要外动力启动后运行或如实施例2所述增设启动绕组，也可以设计为多相电机结构，其每一相定子结构与前述实施例1的定子结构基本相同，当电机的定子、转子采用不同的分相方法时，其定子、转子则采用不同的轴向分相结构与组合方式。

对于轴向分相的具有回磁路的采用无端部绕组的多相电机，所述电机的不同相位的定子磁芯沿轴向串联布置，不同相位的转子磁芯沿轴向串联布置，所述多相电机可采取：

①在旋转圆周方向上，相间定子磁极在旋转圆周方向上错开一定几何角度Θ，所述一定几何角度Θ对应于相间相位差的电角度δ，转子磁极在旋转圆周方向上采取对齐设置，相间转子磁极几何角度差为0；或采取：

②在旋转圆周方向上，相间定子磁极在旋转圆周方向上采取对齐设置，相间转子磁极几何角度差为0；转子磁极在旋转圆周方向上，相间转子磁极错开一定几何角度Θ，所述一定几何角度Θ对应于相间相位差的电角度δ；或采取：

③在旋转圆周方向上，相间定子磁极在旋转圆周方向上错开一定几何角度Θ，所述一定几何角度Θ对应的电角度为δ，转子磁极在旋转圆周方向上错开一定几何角度α，所述一定几何角度α对应的电角度为β；且使电角度α和电角度β满足公式：α+β＝2kπ+t，其中k∈整数，t为对应于相间相位差的电角度。

实施例3

本实施例用于说明具有回磁路的无端部绕组的三相电机的定子相位的对比关系。

三相电机包括轴向错开布置的具有回磁路的无端部绕组的A、B、C三相定子磁芯，如图4所示，A相定子磁芯205、B相定子磁芯206、C相定子磁芯207，将三相磁芯置于同一水平基准线200上进行相位比对，设A相定子磁芯205沿水平方向放置时，其磁极中心连线与水平基准线200重合，夹角为0°；B相定子磁芯206磁极中心连线与水平基准线200夹角为120°；C相定子磁芯207磁极中心连线与水平基准线200夹角为240°；

由于每一相位2极结构，每一相圆周几何角度为360°与其电角度当量相等，因此可以满足三相电机分相角度要求，对应的电机转子磁极可以为对齐的方式，转子可以有下述两种方法实现：

①采用与普通三相交流电机转子相同的结构，在定子的A相、B相、C相周向绕组按相序通电时，转子上所对应的区域的A相、B相、C相“导电条”将感应出相应的感生电流，由于定子相间磁极采用轴向分相排列方式，故在转子上轴向分区受力的“三相位置”其中任一相位处于0受力点的平衡位置时，其余两相的感生电流仍会流经该相的导电条使转子在平衡位置时受力，并由相序决定其转向。可以理解的是，这相当于把传统三相电机的转子拉长为原来的三倍，每一倍长度对应一个相位分别受到对应相位的定子磁场力，使转子任然以相序决定的旋转磁场方向滞后异步旋转。

②将普通三相交流电机转子沿轴向等分为三部分，这三部分共用转子轴，即为如图5所示的实施例4。

实施例4

本实施例用于说明具有回磁路的无端部绕组的三相电机的转子结构。

如图5所示，三相交流电机转子沿轴向等分为三部分，这三部分共用转子轴(252/254/255)，转子磁芯圆周上均匀分布有槽路结构，槽内具有导电条，

如A相导电条：260、261、262、263、264、265；

如B相导电条：266、267、268、269、270、271；

如C相导电条：272、273、274、275、276、277；

A相转子磁芯左端具有短路环253与A相导电条左端分别连接，

C相转子磁芯右端具有短路环278与C相导电条右端分别连接，

A相导电条右端通过轴上相间位置256/257与相应的B相导电条左端连接，不同的连接方式将使转子A、B相间相位差不同；

B相导电条右端通过轴上相间位置258/259与相应的C相导电条左端连接，不同的连接方式将使转子B、C相间相位差不同；

本领域技术人员容易理解的是，作为三相电机，只要保证每一相转子与其相应的定子磁芯之间的矢量相位关系满足相差要求，即可实现该多相电机的自启动及正常运转；因此本实施例的转子结构通过调整其相间导电条接法，可以满足多种定子分相方法要求；如当采用轴向对齐的导电条相互连接时，也就是转子磁极在旋转圆周方向上不做分相，即可以适应于前述实施例3所述的A相定子磁芯205、B相定子磁芯206、C相定子磁芯207互错120°电角度的定子分相方式。

实施例5

本实施例用于说明定子磁极对齐、转子磁极轴向分相的具有回磁路的无端部绕组的三相电机。

如图6所示，该三相电机包括定子、转子、以及和转子的支撑部件，如壳体222、轴承221。定子包括A、B、C三相定子磁芯，该三相磁芯采用对齐的方式安装，即三相定子磁芯几何角度相差0°，采取三相绕组通电时序分相的方法对转子进行控制。在三相定子磁芯中：

A相定子磁芯包括主磁路磁芯235及其磁性相对的另一主磁路定子磁芯236，

A相定子的主磁路磁芯235上绕有无端部集中绕组229，与其相对的主磁路磁芯236上绕有无端部集中绕组230；

B相定子磁芯包括主磁路磁芯237及其磁性相对的另一主磁路定子磁芯238，

B相定子的主磁路磁芯237上绕有无端部集中绕组231，与其相对的主磁路磁芯238上绕有无端部集中绕组232；

C相定子磁芯包括主磁路磁芯239及其磁性相对的另一主磁路定子磁芯240，

C相定子的主磁路磁芯239上绕有无端部集中绕组233，与其相对的主磁路磁芯240上绕有无端部集中绕组234。

可以理解的是，三相定子磁芯的6个主磁路磁芯的前端均为圆弧面结构，为了较为明晰地显示电机转子结构，图6仅示出了所述圆弧面的弧底(或弧顶)部边线，对于6个主磁路磁芯围绕在转子磁极之外遮挡转子磁极的弧形部分未予示出。

三相交流电机的转子沿轴向等分为三部分，分别为A相转子区域223、B相转子区域224、C相转子区域225，这三部分共用转子轴，转子磁芯圆周上均匀分布有槽路结构，槽内具有导电条，如A相导电条226、B相导电条227、C相导电条228等，其中：

A相转子磁芯左端具有短路环与A相导电条左端分别连接，C相转子磁芯右端具有短路环与C相导电条右端分别连接，

A相导电条右端通过轴上相间位置244与相应的B相导电条左端连接，且使对应位置的B相导电条相对于A相导电条超前(或滞后)120°电角度；

B相导电条右端通过轴上相间位置250与相应的C相导电条左端连接，且使对应位置的C相导电条相对于B相导电条超前(或滞后)120°电角度；

保证每一相转子与其相应的定子磁芯之间满足三相电机相间的矢量相位关系，即可实现该三相相电机的自启动及正常运转。

在每一相主磁路磁芯尾端及其集中绕组周围设有如前所述的回磁路磁芯，用于增强电机转子工作区域的工作磁场，从而提高电机效率，减少漏磁辐射及其干扰，如图中的定子磁芯上的回磁路中的241、241、243、244、245和246，图中241与241之间、243与244之间、245与246之间的虚线表示如前所述的“通轴孔”。该三相电机同普通电机一样可以实现变频调速控制，同样具有上述单相具有回磁路的无端部绕组电机的优点。

对本领域的普通技术人员而言，对于上述实施方式所述实施类型可以很容易联想到其他优点和变形，因此本发明不局限于所述实施例，实施例仅作为示例对本发明进行详细、示范性的说明，在不脱离本发明发明思路的范围内，本领域普通技术人员根据上述实施例通过简单组合及各种形式的等同代换所得到的等同的技术方案，均包含在本发明的权利要求限定范围及其等同范围之内。

Claims (6)

1.一种具有回磁路定子磁芯的无端部绕组的交流电机，包括定子磁芯、定子绕组、转子以及所述定子和转子的支撑部件，其特征在于，

所述定子磁芯包括主磁路磁芯和回磁路磁芯；

所述主磁路磁芯上绕有定子绕组，所述定子绕组为集中绕组，所述电机包括至少两个所述主磁路磁芯，所述主磁路磁芯前端为具有圆弧形端面的磁极，以适应于所述电机的转子旋转工作面，每两个所述主磁路磁芯的前端磁极相对且其磁性相异，各个主磁路磁芯前端磁极的圆弧形端面组合起来围成所述电机转子的工作区域；

所述回磁路磁芯连接于两个磁极相对的所述主磁路磁芯的尾端，所述回磁路磁芯还包围在所述主磁路磁芯及其集中绕组的外侧，用于将一个所述主磁路磁芯尾端的磁场及其定子绕组周围的散在磁场集中回馈至与所述主磁路磁芯磁极相对的另一个主磁路磁芯的尾端，与所述电机的转子磁芯共同构成环绕所述定子绕组的磁力线闭合的回磁路，以增强主磁路定子磁芯圆弧形工作面围成的所述转子工作区域的磁场。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机定子的主磁路磁芯的截面为矩形。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机为轴向分相的多相电机。

4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机的回磁路磁芯的正对于所述电机转子轴的位置开有通轴孔，用于所述电机的转子轴通过。

5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机的回磁路磁芯为分体式结构。

6.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机的主磁路磁芯的前端磁极上开有轴向槽路，用于在所述槽路内嵌设启动绕组，使所述电机在所述启动绕组的作用下实现自启动。