CN1848608A

CN1848608A - 定子永磁型变磁阻电机

Info

Publication number: CN1848608A
Application number: CN 200610039358
Authority: CN
Inventors: 程明; 张建忠
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2006-10-18

Abstract

定子永磁型变磁阻电机是一种关于新型变磁阻永磁电机的结构设计技术，永磁体(1)位于电机的定子(2)侧，内嵌于定子齿(4)的中间并延伸至定子轭部(11)；电机的定子(2)为齿槽结构，即沿定子(2)内径的圆弧面均匀分布有用以安放电枢绕组(10)的定子槽(9)，定子槽(9)与圆弧面的开口处收缩形成尺寸较小的槽口；转子(7)为凸极结构，即在转子(7)上均匀分布有若干凸极，凸极与凸极之间为转子槽，转子槽宽与槽开口处宽相等，而转子凸极的极弧宽度大约等于定子齿极弧宽度的一半，转子凸极的极弧宽度小于或等于转子槽开口处宽度；电枢绕组为集中绕组，即电枢绕组的导体安放于定子槽(9)中；电机转子无绕组、无永磁体、无电刷和滑环。

Description

定子永磁型变磁阻电机

技术领域

本发明是一种关于新型变磁阻永磁电机的结构设计技术，属于电机设计的

技术领域。

背景技术

双凸极电机包括开关磁阻电机(Switch reluctance machine，SRM)、双凸极永磁电机(Doubly salient permanent magnet machine，DSPM machine)、磁通反向电机(Flux reversal machine，FRM)以及开关磁通电机(Fluxswitching machine，FSM)均是利用电机气隙处磁阻发生周期性变化的原理来工作的，是目前国际电机界研究的热点。开关磁阻电机定转子结构简单坚固，工作可靠性高，调速范围宽，而且在整个调速范围内具有很高的工作效率，因此，在迅猛发展的调速电机领域挣得了一席之地，并在许多场合得到了实际应用。但是开关磁阻电机同时具有一些固有缺陷，首先，开关磁阻电机只有在绕组电感随转子位置角增大时给绕组通电才能产生正转矩，材料利用率相对较低；其次，开关磁阻电机本质上是一种单边励磁电机，绕组电流中不仅包含转矩分量，还有励磁分量，这样不仅增大了绕组和功率变换器的伏安容量，还会产生额外的附加损耗；再则，绕组电感较大，关断后电流衰减慢，为避免绕组关断后电流延续到负转矩区，必须将绕组提前关断，因而消弱了电机出力。为了克服开关磁阻电机的缺点，同时又保持双凸极这一极其简单的结构形式，上世纪90年代以后国际上出现了将永磁体和开关磁阻电机相结合的电机型式，比较典型的为双凸极永磁电机、磁通反向电机和开关磁通电机。三相12/8(定子极数/转子极数)双凸极永磁电机有四块永磁体分别位于定子轭部，定子永磁型双凸极永磁电机结构上保留了开关磁阻电机的特点，即定、转子均为凸极，转子上既无绕组也无永磁、电刷，结构简单、牢固，高速运行能力强；定子齿上安放集中绕组，绕组的端部短，节省用铜导体，损耗小，效率高。磁通反向电机的永磁体位于定子齿极弧表面，定子和转子均为凸极结构，磁通反向电机相电枢绕组匝链的磁通是双向的，降低了电机内部磁通密度，提高了电机的材料利用率。由于磁通反向电机的特殊结构，这种电机漏磁比较大，电机气隙磁密较低，而且永磁体被去磁的风险远较其他种类的双凸极永磁类电机大。开关磁通电机相对前两种电机出现得最晚，1997年法国学者Emmanuel Hoang在第7届欧洲电力电子及应用年会上发表了开关磁通永磁电机的论文，此后英国Sheffield大学、Leicester大学和东南大学的研究人员先后对开关磁通电机进行了研究。开关磁通电机的转子齿宽等于定子U型铁芯的宽度，U型铁芯的开口(也是定子齿与齿间的空气间隔)近似等于转子齿宽，是一种定转子均为凸极的双凸极结构。

双凸极永磁电机、磁通反向电机和开关磁通电机虽然具有一系列优点，但其缺点也很显著，首先这种电机由于定转子均为凸极结构，使得电机的转矩脉动很大，运行时产生较大噪声，而且大的转矩脉动限制了其使用场合；其次定转子齿尖存在明显的局部饱和、边缘效应；另外，为了和其他永磁电机如永磁同步电机、无刷直流电机相竞争，有必要进一步提高电机的能量密度。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种定子永磁型变磁阻电机，一方面保留了双凸极电机的优点；另一方面通过将定子的凸极结构变为齿槽结构，使得电机气隙面可以用于产生工作转矩的区域增大，从而提高电机的输出功率，减小电机转矩脉动。

技术方案：定子永磁型变磁阻电机的定子为齿槽结构，转子为凸极结构，电枢绕组为集中式绕组，位于定子槽中，永磁体内嵌于定子槽间及定子轭部区域，其纵截面图如图1和图2所示。图1为12槽/12极单相电机，图2为12槽/10极三相电机。

定子永磁型变磁阻电机的工作原理类似于双凸极类电机，由于永磁体的磁导率很低，因而具有很强的隔磁作用，当凸极转子旋转时将会引起定转子之间工作气隙处的磁阻发生周期性变化，从而引起气隙磁场分布的周期变化。定子永磁型变磁阻电机巧妙利用了永磁体的隔磁作用来设计电机内部磁路，使得气隙磁场的周期变化在电枢绕组匝链的磁链变化最大化，从而产生足够大的电磁转矩。图3所示为当转子角分别处于0°、7.5°、15°和22.5°时电机磁场分布图，从图中可见，由于永磁体的隔磁作用，转子转动引起的磁链变化大部分经过电枢绕组耦合，小部分经过漏磁回路。

与开关磁通电机的聚磁结构不同的是，定子永磁型变磁阻电机聚磁结构的定子为齿槽结构，齿与齿之间的槽开口比较小，因而就相同尺寸的永磁体作用于气隙磁场的磁场强度而言，后者要小得多，由电机的凸极或齿槽引起的转矩脉动可以得到改善。定子永磁型变磁阻电机定子齿部的局部如图6所示，图6(a)显示的是具有附加气隙和连接桥的齿槽结构，若采用铁氧体永磁，永磁体的厚度相对要取得大一些以抵抗对永磁的去磁作用，这时采用如图6(a)的结构可以增加气隙处产生电磁转矩的区间，从而增大电机的功率。针对小型电机，考虑到装配的方便性，可以利用连接桥将定子冲片联成一个整体，如果出于减少漏磁的考虑，此处连接桥可以用空气隙代替。图6(b)最大程度上利用了电机定子内外径的几何尺寸，采用具有高矫顽力的稀土类永磁材料，电机永磁体的聚磁结构使得电机工作气隙磁场大大增强，这样电机将具有很高的电磁转矩，尤其适用于低速大转矩的负载。

类似于双凸极永磁电机和开关磁通电机，定子永磁型变磁阻电机的永磁体位于定子，这种结构便于进行冷却设计，对于温度变化比较敏感的永磁电机来说是一大优势，能够根据不同的冷却条件来选取电机能量体积比，最大程度上拓展电机的功率输出；定子永磁型变磁阻电机转子和开关磁阻电机转子相同，仅由铁芯迭片压叠而成，转动惯量低，鲁棒性好，可以适用于从低速到高速各种场合。由于电机具有聚磁结构，所以位于定子的永磁体既可以采用高性能的稀土材料如钕铁硼、钐钴，也可采用价格低重量轻的铁氧体永磁。

有益效果：定子永磁型变磁阻电机继承了双凸极电机的优点，而电机的功率密度获得了更大的拓展，其主要优势主要在于以下：

1、定子侧正对气隙面具有与传统永磁同步和无刷直流电机类似的齿槽结构，一方面可以减小电机的齿间饱和情况，降低电机转矩脉动，另一方面增大了电机气隙面产生电磁转矩的区间，在保证气隙磁密不变的情况下(依靠增加永磁用量)，可以大幅增加电机的功率。

2、定子永磁型变磁阻电机的永磁体位于定子侧，易于进行冷却设计，可以根据电机的负荷和冷却条件来选取电机的功率密度，可进一步提高电机的单位体积功率比：

3、凸极转子结构极其简单，无绕组、无电刷、无永磁，转动惯量小，适用包括高速运转、高动态响应、高可靠性的场合；

4、电枢绕组为集中式绕组，端部端，铜耗低，制作嵌线方便；

5、由于电机具有聚磁结构，永磁体既可以选用高性能稀土永磁，也可以选用廉价、质轻的铁氧体永磁。

定子永磁型变磁阻电机既可用作高功率密度的发电机，例如风力发电机、航空发电机或舰艇发电机等，又可用作大转矩输出和宽调速范围的电动机，例如电动机车、机床驱动等。

附图说明

图1是12槽/12极单相定子永磁变磁阻电机结构示意图；

图2是12槽/10极三相定子永磁变磁阻电机结构示意图；

图3是定子永磁变磁阻电机在不同转子角度下的磁场分布图；其中：图3(a)是转子角度＝0°，图3(b)是转子角度＝7.5°，图3(c)是转子角度＝15°，图3(d)是转子角度＝22.5°.时的示意图。

图4是定子永磁变磁阻电机定子局部图.其中：图4(a)是具有附加隔磁槽和连接桥，图4(b)是无附加隔磁槽示意图。

以上的图中有：永磁体1，定子2，转子极3，定子齿4，隔磁槽5，连接桥6，转子7，定子齿8，定子槽9，电枢绕组10，定子轭部11。A1～A4为A相绕组，B1～B4为B相绕组，C1～C4为C相绕组。

具体实施方式

以一台单相定子12槽/转子10极定子永磁型变磁阻电机为例，其截面图如图2所示，定子槽与槽之间嵌入12块均匀分布的永磁体(1)，转子(7)上有10个均匀分布的凸极(3)，转子凸极(3)的极弧宽度等于定子齿(4)顶极弧宽度的一半。用厚度为0.5mm的硅钢片按图2所示的形状冲成定子冲片和转子冲片，用足够的冲片叠压成定子铁芯和转子铁芯，在定子铁芯上均匀分布12块永磁体。在每个定子齿上套一个线圈，将这12个线圈按每隔二个齿串联起来构成相绕组，12个定子凸极上的线圈共组成三相电枢绕组。

本发明的特征是定子采用类式永磁同步电机和无刷直流电机的齿槽结构，但电枢绕组为集中绕组，与永磁同步电机和无刷直流电机永磁体位于转子侧相异，定子永磁型变磁阻电机将永磁体置于定子侧，而转子采用极其简单的凸极结构，由硅钢片冲制迭压而成，无绕组、无永磁、无电刷。由于电机具有的聚磁结构，定子上的永磁体可以采用高性能的稀土永磁，也可采用廉价、比重低的铁氧体永磁。该电机是基于凸极转子转动时引起气隙磁阻周期性变化从而产生电枢绕组匝链磁链发生变化的原理工作的，这个气隙磁场主要是由置入定子齿间的永磁体产生的，电枢电流只是改变了电枢磁场在齿槽间的分布，故该电机属于永磁电机范畴。定子永磁型变磁阻电机具有很高的功率密度和效率，转子结构简单，转动惯量小，能适用于从低速到高速的宽广速度范围，调速动态响应快，永磁和电枢绕组均置于定子，故电机的可靠性极高，能适应各种恶劣的气候和工作环境。单相电机适合用于发电机场合，如风力发电机、航空发电机，三相电机可以用于宽广变速范围的大输出转矩的驱动系统，如各种类型的电动机车、舰艇、机床等。该电机技术的推广应用，将极大地促进我国相关产业的发展。

Claims

1、一种定子永磁型变磁阻电机，其特征在于永磁体(1)位于电机的定子(2)侧，内嵌于定子齿(4)的中间并延伸至定子轭部(11)；电机的定子(2)为齿槽结构，即沿定子(2)内径的圆弧面均匀分布有用以安放电枢绕组(10)的定子槽(9)，定子槽(9)与圆弧面的开口处收缩形成尺寸较小的槽口；转子(7)为凸极结构，即在转子(7)上均匀分布有若干凸极，凸极与凸极之间为转子槽，转子槽宽与槽开口处宽相等，而转子凸极的极弧宽度大约等于定子齿极弧宽度的一半，转子凸极的极弧宽度小于或等于转子槽开口处宽度；电枢绕组为集中绕组，即电枢绕组的导体安放于定子槽(9)中；电机转子无绕组、无永磁体、无电刷和滑环。

2、根据权利要求1所述的定子永磁型变磁阻电机，其特征在于对单相电机每个定子槽(9)只有一个线圈，每个线圈只匝链一个定子齿(8)，线圈的总个数为定子齿数的一半，将所有线圈按顺序依次串联起来组成电枢绕组，其定子槽数和转子凸极数相等。

3、根据权利要求1所述的定子永磁型变磁阻电机，其特征在于对三相电机每个定子槽(9)分布有两个线圈，每个线圈匝链一个定子齿(8)，线圈数量和定子齿数量相等，将每相隔两个定子齿(8)上的线圈串联起来组成电枢绕组，其定子槽数和转子凸极数之比是6/5或12/10以及12/10的整数倍。

4、根据权利要求1所述的定子永磁型变磁阻电机，其特征在于在永磁体(1)与工作气隙面之间保留一个附加空气隔磁槽(5)，定子齿(4)顶部保留用以保持定子冲片完整性的连接桥(6)。