CN107591979A - 转子轴向磁化永磁开关磁阻电机 - Google Patents

转子轴向磁化永磁开关磁阻电机 Download PDF

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黄运生
蒋湘君
许跃峰
陈东豪
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Abstract

本发明公开了一种转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,包括电机外壳、定子和转子,电机外壳固定在机座上,电机外壳两端设有左端盖和右端盖,定子包括结构相同的左右两段定子铁芯和两段定子铁芯之间的段间磁轭,段间磁轭将左右两段定子铁芯连成一个整体定子;电机转子包括转子轴、隔磁衬套、结构相同的左右两段转子铁芯、位于两段转子铁芯之间轴向充磁的永磁圆柱体,左右两端盖通过轴承与转子轴左右延伸端连接,隔磁衬套紧固套装在转子轴上,左段转子铁芯、永磁圆柱体、右段转子铁芯依次配合套装在隔磁衬套上。本发明的永磁体安装简单可靠,隔磁措施效果好,电机在运行中处于工作状态下的磁极数多,电磁能量转换面积宽、效率高、功率密度大。

Description

转子轴向磁化永磁开关磁阻电机
技术领域
[0001] 本发明涉及电机领域,特别涉及一种转子轴向磁化永磁开关磁阻电机。
背景技术
[0002] 开关磁阻电机是一种定转子双凸极、利用磁阻原理产生拖动转矩、实现电能转换 为机械能的电动机。开关磁阻电机定子极上绕制集中绕组,转子上即无绕组也无永磁体,电 机结构简单可靠,开关磁阻电机的电枢绕组通常采用单相电枢绕组供电方式,处于工作状 态下的磁极数少,磁能面积小,限制了电机的功率密度,三相及三相以上的磁阻电机驱动器 成本高,机械噪声大等不足,永磁开关磁阻电机具有输出转矩大,功率密度高的特点,是磁 阻电机发展的重要途径。
[0003] 由于开关磁阻电机定转子为大齿大槽型双凸结构,在永磁开关磁阻电机中永磁体 的安装位置和结构形态直接影响到电机磁场分布、磁能量的利用率、振动噪声和机械强度 等性能指标。目前,大部分永磁开关磁阻电机所用永磁体安装方法都采用表贴法和内置法, 永磁体分布在各个安装位置上,制造工艺复杂,相应的隔磁措施实施困难且影响电机结构 强度,磁能量利用率低,电机磁能量扩容受到限制。
发明内容
[0004] 为了解决上述技术问题,本发明提供一种结构简单、隔磁效果好、工作效率高的转 子轴向磁化永磁开关磁阻电机。
[0005] 本发明解决上述问题的技术方案是:一种转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,包括 电机外壳、定子和转子,电机外壳固定在机座上,电机外壳两端设有左端盖和右端盖,所述 定子包括结构相同的左右两段定子铁芯和两段定子铁芯之间的段间磁辄,段间磁辄将左右 两段定子铁芯连成一个整体定子;所述电机转子包括转子轴、隔磁衬套、结构相同的左右两 段转子铁芯、位于两段转子铁芯之间轴向充磁的永磁圆柱体,左右两端盖通过轴承与转子 轴左右延伸端连接,隔磁衬套紧固套装在转子轴上,左段转子铁芯、永磁圆柱体、右段转子 铁芯依次配合套装在隔磁衬套上。
[0006] 上述转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,所述左段定子铁芯包括定子左段磁辄和分 布在定子左段磁辄内圈上的定子左段磁极,右段定子铁芯包括定子右段磁辄和分布在定子 右段磁辄内圈上的定子右段磁极,左右两段定子铁芯上各磁极轴向中心线对齐,定子左段 磁极和定子右段磁极上分别绕制线径相同、匝数相等、绕制方向相反的集中绕组;一个定子 左段磁极上的集中绕组和对应的一个定子右段磁极上的集中绕组组成一个定子磁极绕组; 磁极绕组通电励磁后产生的定子左右段磁极极性相反。
[0007] 上述转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,所有定子磁极绕组结构相同,同一相的磁 极绕组顺极性串联或者并联成一相电枢绕组,定子三相电枢绕组星形接法,采用两相电枢 绕组供电方式,依据换相规律通电励磁后,在定子铁芯上产生脉振旋转磁场,电机每换相一 次,电机转子步进二分之一的定子极距,依此循环换相,电动机将电能转换为机械能而做 功。
[0008] 上述转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,所述的换相是指电机在运行中,根据转子 磁极相对定子磁极位置,确定断电相绕组和供电相绕组,换相原则遵循:定转子磁极径向中 心线对齐的相绕组停止供电,其它两相电枢绕组供电。
[0009] 上述转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,所述左段转子铁芯包括转子左段磁辄和分 布在转子左段磁辄外圈上的转子左段磁极;右段转子铁芯包括转子右段磁辄和分布在转子 右段磁辄外圈上的转子右段磁极,转子左段磁极与转子右段磁极一一对应,左右两段转子 铁芯上各磁极轴向中心线对齐。
[0010] 上述转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,左右两段转子铁芯之间嵌入轴向充磁的永 磁圆柱体后被磁化,一段转子铁芯的全部磁极为N极,另一段转子铁芯的所有磁极为S极。
[0011] 上述转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,所述右端盖上装有用于检测转子位置的转 子位置传感器。
[0012] 上述转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,所述永磁圆柱体为铁氧体永磁材料或者钕 铁镚永磁材料。
[0013] 上述转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,所述隔磁衬套采用非导磁金属材料加工成 具有一定厚度的圆筒形。
[0014] 本发明的有益效果在于:本发明在左右两段转子铁芯之间嵌入轴向充磁的永磁圆 柱体,磁化后的转子磁极同一段上所有磁极极性相同、不同段磁极极性相反,另外为适应一 端磁极全部为N极,另一端磁极全部为S极的转子,其定子结构设计成左右两段之间嵌入段 间磁辄形成两段型整体定子结构,同时左右段定子磁极绕组绕制线径相同、匝数相等、绕制 方向相反的集中绕组,并采用三相(含三相以上)电枢绕组星形接法两相供电工作模式,保 证了左右两段定转子电磁作用产生的电磁转矩始终为拖动转矩,实现将电能转换为机械 能。本发明的永磁体安装简单可靠,隔磁措施效果好,电机在运行中处于工作状态下的磁极 数多,电磁能量转换面积宽、效率高、功率密度大。
附图说明
[0015] 图1为本发明实施例三相6/4极电机的剖视图。
[0016] 图2为图1的轴向平面图。
[0017] 图3为图1中定子的结构示意图。
[0018] 图4为图1中转子的结构示意图。
[0019] 图5为图1中定子铁芯硅钢片的结构示意图。
[0020] 图6为图1中定子段间磁辄硅钢片的结构示意图。
[0021] 图7为图1中转子铁芯硅钢片的结构示意图。
[0022] 图8为实施例中电机磁极绕组的结构原理图。
[0023] 图9为实施例中电枢绕组星形接法的原理图。
[0024] 图10为实施例的模型图。
[0025] 图11为实施例工作时左段初始状态示意图。
[0026]图12为实施例工作时左段AB两相供电后转子位置不意图。
[0027]图13为实施例工作时左段CA两相供电后转子位置示意图。
[0028]图14为实施例工作时左段BC两相供电后转子位置不意图。
[0029]图15为实施例工作时右段初始状态示意图。
[0030]图16为实施例工作时右段AB两相供电后转子位置不意图。
[0031]图17为实施例工作时右段CA两相供电后转子位置不意图。
[0032]图18为实施例工作时右段BC两相供电后转子位置不意图。
具体实施方式
[0033]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0034] 如图1-图4所不,本发明包括电机外壳201、定子和转子,电机外壳201通过固定螺 孔和螺栓固定在机座上,电机外壳201两端设有左端盖200和右端盖202,右端盖202上装有 转子位置传感器,用于检测转子位置;所述定子包括结构相同的左段定子铁芯224、右段定 子铁芯225和嵌入在左右两段定子铁芯之间的段间磁辄208,段间磁辄208将左右两段定子 铁芯连成一个两段型整体定子。
[0035] 所述左段定子铁芯224包括定子左段磁辄219和分布在定子左段磁辄219内圈上的 定子左段磁极207,右段定子铁芯225包括定子右段磁辄229和分布在定子右段磁辄229内圈 上的定子右段磁极209,左右两段定子铁芯均用图5中凸极定子铁芯硅钢片叠压而成,其结 构形状,结构尺寸完全相同,左右两段定子铁芯上各磁极轴向中心线对齐,即左右两段定子 铁芯齿槽对齐,不可错位。
[0036] 段间磁辄208是由图6中圆环形硅钢片叠压而成,段间磁辄208的硅钢片叠压厚度 由左右段磁极绕组端匝厚度确定。段间磁辄208嵌入在左段定子铁芯224和右段定子铁芯 225之间,它是主磁通的重要路径之一,图3中,左段定子铁芯224、段间磁辄208和右段定子 铁芯225三者叠压紧固时,确保定子左右磁极对齐,然后压入定子外壳内腔的电磁作用区。 [0037]在图4中,所述电机转子包括转子轴205、隔磁衬套203、结构相同的左段转子铁芯 226和右段转子铁芯227、位于两段转子铁芯之间轴向充磁的永磁圆柱体215,左端盖200、右 端盖202分别通过左轴承206、右轴承204与转子轴205左右延伸端连接,隔磁衬套203紧固套 装在转子轴205上,左段转子铁芯226、永磁圆柱体215、右段转子铁芯227依次配合套装在隔 磁衬套203上,所述隔磁衬套203采用非导磁金属材料加工成具有一定厚度的圆筒形,紧配 合套装在转子轴205上电磁作用区的轴面上。利用前压板217和后压板218机械性地紧固转 子整体,前压板217和后压板218均得置于隔磁衬套203外表之上,防止产生漏磁现象。
[0038] 所述左段转子铁芯226包括转子左段磁辄220和分布在转子左段磁辄220外圈上的 转子左段磁极212;右段转子铁芯227包括转子右段磁辄221和分布在转子右段磁辄221夕卜圈 上的转子右段磁极214,左右两段转子铁芯均用图7中凸极转子铁芯硅钢片叠压而成,其结 构形状,结构尺寸完全相同,转子左段磁极212与转子右段磁极214—一对应,左右两段转子 铁芯上各磁极轴向中心线对齐。左右两段转子铁芯之间嵌入轴向充磁的永磁圆柱体215后 被磁化,图4中,左段转子铁芯226的全部磁极为N极,右段转子铁芯227的所有磁极为S极。根 据电机设计需求永磁圆柱体215为铁氧体永磁材料或者钕铁镚永磁材料。定转子铁芯电磁 作用区相互对应,长度相同。
[0039] 在图8和图9中,给出了电机磁极绕组和电枢绕组结构,定子左段磁极207和定子右 段磁极209上分别绕制线径相同、匝数相等、绕制方向相反、同段同绕向、不同段绕制方向相 反的集中绕组,定子左段磁极绕组210正向绕制,定子右段磁极绕组211反向绕制;定子左段 磁极绕组210和轴向对应的定子右段磁极绕组211组成一个定子磁极绕组;磁极绕组通电励 磁后产生的定子左右段磁极极性相反。
[0040] 图8中a1X1是A相的一个磁极绕组。三相6/4极电机的每相有两个磁极绕组,A相有 am和a2X2,B相有biyi和b2y2,C相有cm和C2Z2,其中,a,b,c是首端,x,y,z是末端;在图9中, 各相的两个磁极绕组首末顺极性串联成A相电枢绕组,A,B,C三相电枢绕组星形接法采用两 相供电工作模式,依据图10中的换相规律,在定子铁芯上产生脉振旋转磁场。所述的换相是 指电机在运行中,根据转子磁极相对定子磁极位置,确定断电相绕组和供电相绕组,换相原 则遵循:定转子磁极径向中心线对齐的相绕组停止供电,其它两相电枢绕组供电。
[0041] 本发明的工作原理如下:依照图11-图18,进一步说明转子轴向磁化永磁开关磁阻 电动机将电能转换为机械能的工作过程。图11-图14是三相6/4极电机左段模型图(轴向左 视),左段转子磁化成N极,其四个磁极分别为NhN^N3和N4,图15-图18是三相6/4极电机右 段模型图(轴向左视),右段转子磁化成S极,其四个磁极分别为S1,&,&和S4。
[0042] 设电机初始状态如图11和图15所示,左段转子磁极N1N3极轴线与左段定子C相磁极 轴线重合,右段转子磁极S1S3极轴线与右段定子C相磁极轴线重合。在图11和图15的初始状 态基础上,依据换相规律给电机供电:
[0043] 第一步AB两相供电,A相通过正电流,B相流过负电流(®—正电流进,0—负电流 出),按照图8和图9的磁极绕组绕制方向和三相星形接法,AB两相供电,左右定子磁极绕组 中电流方向在图12和图16中标出,根据右手螺旋定则:
[0044] ①在左段的图12中,左段定子磁极A11和A12为N极,且A11和A12在图11基础上分别顺 时针方向排斥同极性的转子磁极犯和化左段定子磁极B11和B12都为S极,且B11和B12在图11 基础上分别顺时针吸引异极性的转子磁极NdPN4;
[0045] ②与此同时,在右段的图16中,右段定子磁极A21和A22都为S极,且A21和A22在图15基 础上顺时针方向排斥同极性的转子磁极S4;右段定子磁极B21和B22都是N极,且B21和B22 在图15基础上顺时针方向吸引异极性的转子磁极S#PS4,电机在左段和右段定转子同向电 磁力共同作用下,电机转子顺时针方向旋转二分之一的定子极距T (本例中
Figure CN107591979AD00061
是30°机械角 度)到图12 (含图16)的位置上。
[0046] 第二步终止AB两相供电,为CA两相供电,C相通过正向电流,A相流过负电流,左右 定子磁极绕组中电流方向如图13和图17所示,同理根据右手螺旋定则:
[0047] ①在左段的图13中,左段定子磁极C11和C12为N极,且C11和C12在图12的基础上分别 顺时针方向排斥同极性的转子磁极N3和Ni;左段定子磁极Aii和Ai2都为S极,且Aii和Ai2在图 12的基础上分别顺时针方向吸引异极性的转子磁极NjPN3;
[0048] ②与此同时,在右段的图17中,右段定子磁极C21和C22都是S极,且C21和C22在图16的 基础上分别顺时针方向排斥同极性的转子磁极S3和S1;右段定子磁极A21和A22都为N极,且A21 和A22在图16的基础上顺时针方向吸引异极性的转子磁极SjPS3,电机在左右段定转子同向 电磁力作用下,在图12 (含图16)基础上顺时针再转30°机械角度。
[0049] 第三步终止CA相供电,为BC两相供电,B相通过正向电流,C相流过负电流,左右定 子磁极绕组中电流方向如图14和图18所示,根据右手螺旋定则:
[0050] ①在左段的图14中,左段定子磁极B11和B12都是N极,且B11和B12在图13的基础上分 别顺时针方向排斥同极性的转子磁极N2和N4;左段定子磁极Cll和Cl2都是S极,且Cll和Cl2在 图13的基础上分别顺时针方向吸引异极性的转子磁极他和他;
[0051] ②与此同时,在右段的图18中,右段定子磁极B21和B22都为S极,且B21和B22在图17的 基础上分别顺时针方向排斥同极性的转子磁极S2和S4;右段定子磁极C21和C22都是N极,且C21 和C22在图17的基础上分别顺时针吸引异极性的转子磁极S2和S4,电机在左段和右段定转子 的同向电磁力作用下,相对图13 (含图17)基础上顺时针方向再一次旋转30°机械角度
Figure CN107591979AD00071
,三相电枢绕组经过12次换相供电,电机旋转一圈,上述过程周而复始,转子轴向磁 化永磁开关磁阻电动机将电能转换为机械能。
[0052] 本发明在左右两段转子铁芯之间嵌入轴向充磁的永磁圆柱体,转子被磁化后,变 成一段转子铁芯的全部磁极为N极、另一段转子铁芯的所有磁极为S极的具有两种磁极极性 的转子。定子电枢绕组星形接法,两相电枢绕组通电工作模式,其典型结构的三相电机有: 三相6/4极,三相12/8极,三相24/16极等电机。本发明可延伸到四相及四相以上,定转子极 数为偶数的永磁开关磁阻电机。

Claims (9)

1. 一种转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,包括电机外壳、定子和转子,电机外壳固定在 机座上,电机外壳两端设有左端盖和右端盖,其特征在于:所述定子包括结构相同的左右两 段定子铁芯和两段定子铁芯之间的段间磁辄,段间磁辄将左右两段定子铁芯连成一个整体 定子;所述电机转子包括转子轴、隔磁衬套、结构相同的左右两段转子铁芯、位于两段转子 铁芯之间轴向充磁的永磁圆柱体,左右两端盖通过轴承与转子轴左右延伸端连接,隔磁衬 套紧固套装在转子轴上,左段转子铁芯、永磁圆柱体、右段转子铁芯依次配合套装在隔磁衬 套上。
2. 根据权利要求1所述的转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,其特征在于:所述左段定子 铁芯包括定子左段磁辄和分布在定子左段磁辄内圈上的定子左段磁极,右段定子铁芯包括 定子右段磁辄和分布在定子右段磁辄内圈上的定子右段磁极,左右两段定子铁芯上各磁极 轴向中心线对齐,定子左段磁极和定子右段磁极上分别绕制线径相同、匝数相等、绕制方向 相反的集中绕组;一个定子左段磁极上的集中绕组和对应的一个定子右段磁极上的集中绕 组组成一个定子磁极绕组;磁极绕组通电励磁后产生的定子左右段磁极极性相反。
3. 根据权利要求2所述的转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,其特征在于:所有定子磁极 绕组结构相同,同一相的磁极绕组顺极性串联或者并联成一相电枢绕组,定子三相电枢绕 组星形接法,采用两相电枢绕组供电方式,依据换相规律通电励磁后,在定子铁芯上产生脉 振旋转磁场,电机每换相一次,电机转子步进二分之一的定子极距,依此循环换相,电动机 将电能转换为机械能而做功。
4. 根据权利要求3所述的转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,其特征在于:所述的换相是 指电机在运行中,根据转子磁极相对定子磁极位置,确定断电相绕组和供电相绕组,换相原 则遵循:定转子磁极径向中心线对齐的相绕组停止供电,其它两相电枢绕组供电。
5. 根据权利要求1所述的转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,其特征在于:所述左段转子 铁芯包括转子左段磁辄和分布在转子左段磁辄外圈上的转子左段磁极;右段转子铁芯包括 转子右段磁辄和分布在转子右段磁辄外圈上的转子右段磁极,转子左段磁极与转子右段磁 极——对应,左右两段转子铁芯上各磁极轴向中心线对齐。
6. 根据权利要求5所述的转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,其特征在于:左右两段转子 铁芯之间嵌入轴向充磁的永磁圆柱体后被磁化,一段转子铁芯的全部磁极为N极,另一段转 子铁芯的所有磁极为S极。
7. 根据权利要求1所述的转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,其特征在于:所述右端盖上 装有用于检测转子位置的转子位置传感器。
8. 根据权利要求1所述的转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,其特征在于:所述永磁圆柱 体为铁氧体永磁材料或者钕铁镚永磁材料。
9. 根据权利要求1所述的转子轴向磁化永磁开关磁阻电机,其特征在于:所述隔磁衬套 采用非导磁金属材料加工成具有一定厚度的圆筒形。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108631531A (zh) * 2018-04-25 2018-10-09 江苏大学 一种电动汽车用混合励磁开关磁阻轮毂电机
CN108631530A (zh) * 2018-04-25 2018-10-09 江苏大学 一种模块化混合励磁开关磁阻电机
CN110277888A (zh) * 2019-05-15 2019-09-24 哈尔滨工业大学 一种适用于航天设备的带自锁定力矩的低速力矩电机

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