CN1688083A - 两向混合励磁无刷电机 - Google Patents

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两向混合励磁无刷电机是一种永磁体和电励磁相结合的混合励磁调速电机，该无刷电机的定子轭部和转子轭部采用双轭结构；用来轴向导磁的定子外轭(9)和转子内轭(15)为环形柱体，其中定子外轭(9)被永磁体(16)隔断成均等的几部分，定子外轭(9)和转子内轭(15)的长度与硅钢片叠压的铁芯长度相同；定子外轭(9)在电机外壳(4)的内侧，定子内轭(10)位于定子外轭(9)的内侧，定子内轭(10)与定子外轭(9)共同构成双轭结构的定子轭部；转子内轭(15)紧套在转轴(8)外，转子内轭(15)外面包有转子外轭(14)，在转子外轭(14)上设有转子齿(13)，由转子内轭(15)、转子外轭(14)共同构成双轭结构的转子轭部。

Description

两向混合励磁无刷电机
技术领域
本发明是一种永磁体和电励磁相结合的混合励磁调速电机，采用轴向和径向共同励磁的双凸极结构，属于无刷直流电机的技术领域。
背景技术
传统的异步电动机具有结构简单、不需要维护和可靠性高的优点，在普通电机传动领域获得了广泛的应用，但其调速性能不佳。虽然可以采用变频技术或采用其他控制技术来实现调速，但是其成本往往相对较高，且无法获得和直流电机相媲美的效果。普通直流电动机，电枢绕组电流和励磁绕组电流可以分别控制，调速性能好，但是由于有电刷和换向器，因此维护工作量大，且不适合高转速大电流运行，电机制造成本也高。近年来研究较多的无刷直流电动机，由于取消了电刷和换向器间的滑动接触，因此具有寿命长、可靠性高、效率和功率密度高等优点，但由于永磁体安装在转子上，因此对环境温度和机械振动敏感，机械强度偏低，不适合高速运行，且有时会因电枢反应导致永磁体的退磁。开关磁阻电机定转子均呈凸极形式，转子上没有绕组和永磁体，结构简单可靠、机械强度高。但开关磁阻电机可用来产生转矩的两个区域只有一个得到利用，且本质是一种单边励磁机，绕组电流包含转矩分量和励磁分量，这样增大了绕组和功率变换器的伏安容量，因此效率和功率密度较低。九十年代美国学者T.A.Lipo教授提出的高性能双凸极永磁电动机具有结构简单可靠、免维护、转子上无绕组、效率高等优点。但由于其激磁磁场仅采用永磁体，使得电机的气隙磁场大小调节困难，因而电机弱磁调速很不方便，难以广泛应用在需要无级和频繁调速的场合。虽然可以通过改变电枢绕组的匝数实现调速，但是只能实现有级调速，无法实现平滑的无级调速。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种结构简单、运行可靠、免维护、转子上无绕组、效率高的两向混合励磁无刷电机，同时解决了双凸极永磁电机平滑调速困难的问题。
技术方案：本发明两向混合励磁无刷电机的定子轭部和转子轭部采用双轭结构；用来轴向导磁的定子外轭和转子内轭为环形柱体，其中定子外轭被永磁体隔断成均等的几部分，定子外轭和转子内轭的长度与硅钢片叠压的铁芯长度相同；定子外轭在电机外壳的内侧，定子内轭位于定子外轭的内侧，定子内轭与定子外轭共同构成双轭结构的定子轭部；转子内轭紧套在转轴外，转子内轭外面包有转子外轭，在转子外轭上设有转子齿，由转子内轭、转子外轭共同构成双轭结构的转子轭部。  在电机两端面的电机外壳的内侧设有侧面导磁钢板，在该侧面导磁钢板靠轴心的一端与转子内轭之间留有轴向气隙，在该侧面导磁钢板的外圆靠定子外轭的部分设有磁极极靴，轴向励磁线圈位于侧面导磁钢板的外边上，位置传感器位于侧面导磁钢板上。
电机采用永磁体和电励磁相结合的混合励磁，气隙主磁通由永磁体和轴向励磁线圈共同产生，永磁体磁场是径向磁场，电励磁场是轴向磁场。电机在额定工况运行时，由永磁体提供励磁，当电机需要运行在低速大转矩或高速恒功率状态时，通过控制轴向励磁线圈电流的大小和方向实现增磁或弱磁控制，增磁控制有利于提升电机的转矩，满足低速大转矩负载要求；弱磁控制可以实现电机高速恒功率宽调速。定子和转子轭部都采用双轭结构，定子外轭和转子内轭主要用来轴向导磁，防止轴向磁场垂直穿过铁芯叠片时磁场强度的衰减；定子内轭和转子外轭主要用来径向导磁。由于轴向电励磁磁场不经过磁阻很大的永磁体，因而电励磁磁场的磁阻较小，这就保证了不需要很大的励磁磁势就可以获得所需要的气隙磁场，也不会由于施加了电励磁磁场而导致永磁体的退磁。
有益效果：本电机具有双凸极永磁电机结构简单可靠、免维护、转子上无绕组、效率高等一系列优点，同时对双凸极永磁电机的结构和运行原理上都作了一定的改进，有效解决了双凸极永磁电机难以实现弱磁控制、恒功率调速范围较小的不足。在保留了定、转子双凸极结构的基础上引入了轴向电励磁磁场，使气隙合成磁场调节方便，因而电机具有宽广的无级调速范围，即使在高转速下也能较好的达到恒功率调速，具有较好的科研价值和利用前景。
电机采用永磁体和电励磁相结合的混合励磁，气隙主磁通由永磁体和轴向励磁线圈共同产生，永磁体磁场是径向磁场，直流电励磁是轴向磁场。定子绕组和励磁绕组均安装在定子上，且其电流均可独立控制，调节方便、控制灵活。电机在额定工况运行时，由永磁体提供励磁，当电机需要运行在低速大转矩或高速恒功率状态时，通过控制轴向励磁线圈电流的大小和方向实现增磁或弱磁控制，增磁控制有利于提升电机的转矩，满足低速大转矩负载要求；弱磁控制可以实现电机高速恒功率宽调速。转子上没有线圈和永磁体，可用于高转速场合。
电机端盖外侧由铝合金或其他不导磁材质做成；内侧镶嵌由铸钢加工的轴向励磁的构件。轴向励磁磁极加工成极靴形式，这样，可确保有足够的空间来安装励磁绕组，使电机结构更加紧凑，并可减少用铜量。
附图说明
图1是本发明电机的轴向剖视图。
图2是本发明电机截面结构示意图。
图3是本发明电机侧面导磁导磁板的结构图。
其中有轴向励磁线圈1、径向气隙2、轴向气隙3、电机外壳4、侧面导磁钢板5、磁极极靴6、位置传感器7、转轴8、定子外轭9、定子内轭10、定子齿11、定子绕组12、转子齿13、转子外轭14、转子内轭15、永磁体16。
以上的附图是以定子12齿，转子8齿(简称12/8极)的电机为例来说明，根据电机的运行原理，同样适用于6/4极、8/6极或其他极数的两向混合励磁无刷电机。
具体实施方式
1、双向混合励磁无刷电机和其他旋转电机的基本结构一样(如图1)，有一个固定部分定子，有一个转动部分转子，定、转子之间有一个很小的径向气隙2。定子由定子绕组12、定子铁芯(含硅钢片叠压部分和电工纯铁部分)、永磁体16、位置传感器7、励磁磁极极靴6、励磁绕组1、侧面导磁钢板5组成。其中硅钢片叠压部分的铁芯的内圆上冲有定子齿11和槽，且齿的极弧为齿距的1/2，槽内绕组由绝缘铜线绕制；定子侧端盖上还固定有转子位置传感器7，由霍尔传感器构成。转子由转子铁芯(含硅钢片叠压部分和电工纯铁部分)和转轴8组成，其中硅钢片叠压部分铁芯的外圆上冲有转子齿13和槽，形成凸极。
2、因轴向磁场垂直穿过铁芯叠片时磁场强度有较大幅度的衰减，定子和转子轭部采用双轭结构，定子外轭9和转子内轭15主要用来轴向导磁，都采用电工纯铁加工为环形柱体(其中定子外轭被永磁体隔断成均等的几部分，如图2)，柱体长度与铁芯长度相同。转子内轭15紧套在转轴8上，其外面是包含转子外轭14和转子齿13的转子铁芯叠压件。定子外轭9在电机外壳4的内侧，定子内轭10为0.5mm厚的硅钢片叠压而成，紧贴着定子外轭9，并与定子外轭共同构成定子轭部。
3、电机端盖外侧由铝合金或其他不导磁材质做成；内侧镶嵌有轴向励磁的构件，由铸钢加工而成，作为轴向磁路的一部分。定子侧磁极极靴6与定子外轭9在轴向紧密接触，转子侧的导磁磁极与转子内轭之间的轴向气隙较小为宜，以减小轴向磁路的磁阻。为降低电机制造成本，同时使电机结构更加紧凑，轴向励磁磁极加工成极靴形式，这样，可确保有足够的空间来安装励磁绕组，并可减少用铜量，提高电机运行效率。为了保证轴向磁场在定、转子铁芯叠片中分配的均匀程度，电机的轴向尺寸不宜过长，并且电机两侧都需轴向励磁，每侧轴向励磁线圈1的数目同永磁体数目，磁极极靴6的外边缘与永磁体16之间应有足够的距离，以防漏磁。
4、永磁体(钕铁硼永磁材料)16和定子绕组12安装在定子上，励磁绕组1安装在励磁磁极上，转子上无绕组无永磁体，电机结构简单可靠，这样电机可以无刷运行和高速运行。永磁体16均匀的安装在定子轭部，且永磁体间的N-N极相向，S-S极相向(如图2)，这样在气隙磁场处产生聚磁效果；每个定子齿11上都套装有定子绕组12，定子绕组采用集中绕组，空间位置相对应的两个线圈按照电势相加或同向的原则经串连或并联构成电枢绕组的一相。
5、主磁通的路径：
径向主磁通路径的顺序为：永磁体N极；定子轭部；定子齿；径向气隙；转子齿；转子轭部；转子齿；径向气隙；定子齿；定子轭部；永磁体S极；
轴向主磁通路径的顺序为：电励磁磁极N极(或S极，取决于励磁电流方向，下同)；励磁磁极极靴；定子外轭；定子内轭；定子齿；径向气隙；转子齿；转子外轭；转子内轭；轴向气隙；导磁磁极；侧面导磁钢板；电励磁磁极S极(或N极)。

Claims (2)

1、一种两向混合励磁无刷电机，其特征在于该无刷电机的定子轭部和转子轭部采用双轭结构；用来轴向导磁的定子外轭(9)和转子内轭(15)为环形柱体，其中定子外轭(9)被永磁体(16)隔断成均等的几部分，定子外轭(9)和转子内轭(15)的长度与硅钢片叠压的铁芯长度相同；定子外轭(9)在电机外壳(4)的内侧，定子内轭(10)位于定子外轭(9)的内侧，定子内轭(10)与定子外轭(9)共同构成双轭结构的定子轭部；转子内轭(15)紧套在转轴(8)外，转子内轭(15)外面包有转子外轭(14)，在转子外轭(14)上设有转子齿(13)，由转子内轭(15)、转子外轭(14)共同构成双轭结构的转子轭部。
2、根据权利要求1所述的两向混合励磁无刷电机，其特征在于在电机两端面的电机外壳(4)的内侧设有侧面导磁钢板(5)，在该侧面导磁钢板(5)靠轴心的一端与转子内轭(15)之间留有轴向气隙(3)，在该侧面导磁钢板(5)的外圆靠定子外轭(9)的部分设有磁极极靴(6)，轴向励磁线圈(1)位于侧面导磁钢板(5)的外边上，位置传感器(7)位于侧面导磁钢板(5)上。
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