CN109004777A - 一种磁通反向爪极电机组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁通反向爪极电机组件，包括定子铁芯、电枢绕组、磁化方向沿径向向外的永磁体、磁化方向沿径向向内的永磁体和转子铁芯；所述定子铁芯由定子轭前爪极和后爪极组成，电枢绕组位于爪极和定子轭部之间，定子铁芯由软磁复合材料构成，具有三维磁路结构，转子铁芯由硅钢叠成，具有高鲁棒性并且制造更加容易；永磁体表贴在爪极下面，该电机具备了爪极电机和磁通反向电机的优点，具有高功率密度，高效率，高鲁棒性，抗干扰能力强并且由于高度模块化的制造，使得该电机的成本较低。

Description

一种磁通反向爪极电机组件

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种磁通反向爪极电机组件。

背景技术

过去一段时间内，由于爪极电机具有三维磁通路径的特性，很难由硅钢片叠制而成，所以其应用并不广泛，那时主要应用在低速大转矩的直驱系统中。而随着软磁复合材料的发展，爪极电机的制造变得较为容易，制作成本不断降低，运行可靠性得到提升。但是传统的爪极电机漏磁较大，因此功率密度和效率都较低，具有一定的不足之处。

作为一种新型的导磁材料，软磁复合材料与传统的硅钢片相比具有一定的优点，例如其具有磁及热的各向同性，高频涡流损耗低，材料利用率高，尺寸精度高等优点，因此该材料广泛的用于具有三维磁路结构的电机中。

磁通反向爪极电机是爪极电机与磁通反向电机的混合体，将永磁体放在定子爪极的表面，采用径向充磁。随着转子的旋转，定子绕组所交链的磁链发生双极性变化。

文献CN200910135921为典型的爪极交流发电机，该电机的定子及电枢绕组采用传统三相交流电机的结构形式，转子为采用铸铁制造的爪极磁芯和全局环形绕组的励磁绕组，该电机具有结构简单的特点。然而由于采用了电励磁和铸铁制造的爪极磁芯故其效率较低。随着SMC材料的逐步发展，可采用SMC替换铸铁材料以降低电机的涡流损耗并提高电机的效率。文献CN102570647A为一种混合励磁的磁通反向电机，该磁通反向电机由于采用将永磁体安装在电机的定子的方法，其转子仅由硅钢片组成；永磁体安装在定子上易于形成强聚磁结构，转子仅由硅钢片组成提高电机的鲁棒性，但其定子铁芯采用硅钢片叠压而成，使得电励磁绕组安置困难，电机制造成本较高。本专利设计的了一种磁通反向爪极电机组件，兼具了爪极电机由于其采用三维磁通路径，相比其他电机其转矩密度更高，性能更好的优点和磁通反向电机结构简单，机械强度好和高功率密度的优点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种磁通反向爪极电机组件，其组装成的磁通反向爪极电机具备了爪极电机和磁通反向电机的优点，具有高功率密度，高效率，高鲁棒性，抗干扰能力强并且由于高度模块化的制造，使得该电机的成本较低。

本发明的定子铁芯由定子轭、前爪极和后爪极构成，前爪极与后爪极相对排布且交错设置，前后爪极极面厚度相等，电枢绕组为环形集中绕组并且位于爪极极面和定子轭部之间，永磁体表贴在爪极下表面，同一爪极面下永磁体充磁方向相反，相邻爪极下的相邻永磁体充磁方向相同。本爪极电机定子铁芯由软磁复合材料构成，具有三维磁路结构，转子铁芯由硅钢叠成，具有高鲁棒性并且制造更加容易，本爪极电机同时具备传统爪极电机和磁通反向电机的优点，具有高效率，高功率密度的优点。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种磁通反向爪极电机组件，其特征在于，包括定子铁芯、电枢绕组、磁化方向沿径向向外的永磁体、磁化方向沿径向向内的永磁体和转子铁芯；所述定子铁芯由定子轭、前爪极和后爪极构成，前爪极和后爪极间隔、不连接的均布于定子轭的内侧，前爪极和后爪极的结构相同且数量相同，为与定子轭轴向平行的面为弧面且在沿定子轭的径向的面上设置有与其末端形状一致的凸起的结构，前爪极与后爪极上的凸起方向相反，且前爪极与后爪极在沿定子轭的径向方向上的同一侧的面位于同一平面上，前爪极与后爪极上的凸起与定子轭的内表面之间构成一个环形空隙；所述电枢绕组为环形集中绕组，设置于前爪极与后爪极上的凸起与定子轭的内表面之间构成的环形空隙内；

前爪极与后爪极在其沿定子轭的轴向的面上均设置有一个永磁体组件，所述永磁体组件包括一个磁化方向沿径向向外的永磁体和一个磁化方向沿径向向内的永磁体，相邻爪极下的相邻永磁体充磁方向相同；磁化方向沿径向向外的永磁体和磁化方向沿径向向内的永磁体的宽度相同；

所述转子铁芯为一个环形构件外周均布矩形凸起的结构，矩形凸起的个数与前爪极和后爪极的数量之和相等；转子铁芯安装于定子铁芯的内部，且其轴向对称线与定子铁芯的定子轭的轴向对称线重合。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：本发明由于定子铁芯采用软磁复合材料，电机具有三维磁路结构，有效提高电机功率密度，降低电枢铜损，提高电机效率；转子铁芯由硅钢片叠制而成，机械强度较高，能够实现高速运行且鲁棒性较好。本发明将磁通反向电机与爪极电机结合起来，弥补了爪极电机漏磁较大，效率和功率密度低的缺点。

本发明通过特殊的结构使得该电机能同时兼具爪极电机、磁通反向电机的优点。由于转子仅由硅钢片制成，其最高转速远高于传统永磁电机和爪极电机的最高转速。由于采用软磁复合材料制作定子铁芯，其铁芯损耗在300Hz以上的运行频率下远低于现在有电机的铁芯损耗，故其在高速运行下效率较高。与现有技术相比其具有效率高，功率密度高，可靠性高等优点。

附图说明

图1为本发明磁通反向爪极电机组件第一平衡位置结构示意图；

图2为本发明磁通反向爪极电机组件电枢绕组合成磁通正向最大时结构示意图；

图3为本发明磁通反向爪极电机组件第二平衡位置结构示意图；

图4为本发明磁通反向爪极电机组件电枢绕组合成磁通反向最大时结构示意图；

图5为本发明方法制得的磁通反向爪极三相电机组件结构示意图；

图6为本发明磁通反向爪极电机组件定子铁芯结构示意图；

图7为本发明磁通反向爪极电机组件转子铁芯结构示意图；

图中：1-定子铁芯；2-电枢绕组；3-磁化方向沿径向向外的永磁体；4-磁化方向沿径向向内的永磁体；5-转子铁芯。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供一种磁通反向爪极电机组件(参见图1-7)，包括定子铁芯1、电枢绕组2、磁化方向沿径向向外的永磁体3、磁化方向沿径向向内的永磁体4和转子铁芯5；所述定子铁芯1由定子轭11、前爪极12和后爪极13构成，前爪极12和后爪极13间隔、不连接的均布于定子轭的内侧，前爪极12和后爪极13的结构相同且数量相同，为与定子轭轴向平行的面为弧面且在沿定子轭的径向的面上设置有与其末端形状一致的凸起的结构，前爪极12与后爪极13上的凸起方向相反，且前爪极12与后爪极13在沿定子轭的径向方向上的同一侧的面位于同一平面上，前爪极12与后爪极13上的凸起与定子轭的内表面之间构成一个环形空隙。所述电枢绕组2为环形集中绕组，设置于前爪极12与后爪极13上的凸起与定子轭11的内表面之间构成的环形空隙内。

前爪极12与后爪极13在其沿定子轭的轴向的面上均设置有一个永磁体组件，所述永磁体组件包括一个磁化方向沿径向向外的永磁体3和一个磁化方向沿径向向内的永磁体4，相邻爪极下的相邻永磁体充磁方向相同。磁化方向沿径向向外的永磁体3和磁化方向沿径向向内的永磁体4的宽度相同。

所述转子铁芯5为一个环形构件外周均布矩形凸起的结构，矩形凸起的个数与前爪极12和后爪极13的数量之和相等。转子铁芯5安装于定子铁芯1的内部，且其轴向对称线与定子铁芯1的定子轭11的轴向对称线重合。

所述定子铁芯1由软磁复合材料构成；所述转子铁芯5由硅钢片叠制而成；所述磁化方向沿径向向外的永磁体3和磁化方向沿径向向内的永磁体4采用钕铁硼材料。

本发明磁通反向爪极电机组件配合电机端盖、转子轴等常规配件即可组装成磁通反向爪极电机。

如上所述的磁通反向爪极电机组件配合电机端盖、转子轴构成一个单相电机，也可以多个配合组合成多相电机。当三个如上所述的磁通反向爪极电机组件同时装配，三个转子铁芯5的位置角度依次相差120°，相邻磁通反向爪极电机组件之间安装隔磁装置，配合电机端盖、转子轴，构成磁通反向爪极三相电机。

本发明的工作原理和工作流程是：图1所示位置是一个平衡位置，在此位置转子铁芯5的矩形凸起与同一爪极下的两块永磁体分割线相对齐，由各爪极下的永磁体建立起来的磁通通过定子铁芯各部分形成对称的磁场，因此与电枢绕组2相交链的磁链为零，永磁体对转子铁芯5提供的合成转矩也为零。

图2所示位置是绕组合成磁通正向最大位置，在此位置转子铁芯5的矩形凸起与同一爪极下的一块永磁体3相对齐，由各爪极下的永磁体建立起来的磁通经过永磁体、前爪极、定子轭、后爪极、转子齿、转子轭、气隙形成回路，合成磁通达到最大值。

图3所示位置是第二平衡位置，在此位置与电枢绕组2相交链的磁链再次为零，永磁体对转子提供的合成转矩也再次减小为零。

图4所示位置是绕组合成磁通反向最大位置，在此位置转子铁芯5的矩形凸起与同一爪极下的一块永磁体4相对齐，由各爪极下的永磁体建立起来的磁通经过永磁体、后爪极、定子轭、前爪极、转子齿、转子轭、气隙形成回路，合成磁通达到反向最大值。

图1至图4所示为定子绕组合成磁通在一个电周期内变化情况。该电机电枢绕组2中的磁链和电流都随转子位置的改变呈双极性变化，进而感应出了双极性的电动势，从而具有高功率密度。

图5所示，本发明方法可以组装成磁通反向爪极三相电机，完整的三相电机是由三个单相电机沿着轴向安装而成，其安装原则为单相电机的转子铁芯相互之间错开120度电角度，其余部分不变，这样就可以形成对称的三相电机结构，为减小相间干扰，相邻相电机模块之间安装隔磁装置。

图6所示，所述定子铁芯1由定子轭11、前爪极12和后爪极13构成且全部采用软磁复合材料，前后爪极的爪指个数相同，极面宽度和厚度相等，且前后爪极沿周向留有一定的气隙。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种磁通反向爪极电机组件，其特征在于，包括定子铁芯、电枢绕组、磁化方向沿径向向外的永磁体、磁化方向沿径向向内的永磁体和转子铁芯；所述定子铁芯由定子轭、前爪极和后爪极构成，前爪极和后爪极间隔、不连接的均布于定子轭的内侧，前爪极和后爪极的结构相同且数量相同，为与定子轭轴向平行的面为弧面且在沿定子轭的径向的面上设置有与其末端形状一致的凸起的结构，前爪极与后爪极上的凸起方向相反，且前爪极与后爪极在沿定子轭的径向方向上的同一侧的面位于同一平面上，前爪极与后爪极上的凸起与定子轭的内表面之间构成一个环形空隙；所述电枢绕组为环形集中绕组，设置于前爪极与后爪极上的凸起与定子轭的内表面之间构成的环形空隙内；

前爪极与后爪极在其沿定子轭的轴向的面上均设置有一个永磁体组件，所述永磁体组件包括一个磁化方向沿径向向外的永磁体和一个磁化方向沿径向向内的永磁体，相邻爪极下的相邻永磁体充磁方向相同；磁化方向沿径向向外的永磁体和磁化方向沿径向向内的永磁体的宽度相同；

所述转子铁芯为一个环形构件外周均布矩形凸起的结构，矩形凸起的个数与前爪极和后爪极的数量之和相等；转子铁芯安装于定子铁芯的内部，且其轴向对称线与定子铁芯的定子轭的轴向对称线重合。

2.根据权利要求1所述的一种磁通反向爪极电机组件，其特征在于，所述定子铁芯由软磁复合材料构成。

3.根据权利要求1所述的一种磁通反向爪极电机组件，其特征在于，所述转子铁芯由硅钢片叠制而成。

4.根据权利要求1所述的一种磁通反向爪极电机组件，其特征在于，所述磁化方向沿径向向外的永磁体和磁化方向沿径向向内的永磁体采用钕铁硼材料。

5.根据权利要求1所述的一种磁通反向爪极电机组件，其特征在于，所述的磁通反向爪极电机组件配合电机端盖、转子轴构成一个单相电机。

6.根据权利要求1所述的一种磁通反向爪极电机组件，其特征在于，三个所述的磁通反向爪极电机组件同时装配，三个转子铁芯的位置角度依次相差120°，相邻磁通反向爪极电机组件之间安装隔磁装置，配合电机端盖、转子轴，构成磁通反向爪极三相电机。