CN1933286A - 一种新型永磁无刷直流四象限电机 - Google Patents

Abstract

一种新型永磁无刷直流四象限电机，定子和转子磁极均采用3∶2齿极比的双边凸极的对称几何结构，定子绕组槽数为转子的极数加2或4；在定子相对称的两个凸上安装有集中励磁绕组互相串联，构成一相；所述的转子由转轴、软磁铁心、永磁体、磁靴和套环组成；永磁体安装在转子的软磁铁心表面，形成可同步旋转的磁极；在永磁体极靴外圆处利用无磁性套环采用过盈配合方法对顶角成圆柱形转子。该电机具有结构简单、坚固、可靠性高的优点，在宽广的转速和功率范围内均具有高效率、低损耗；可以实现软启动和四象限运行，有较强的再生发电能力。该电机适合应用于工农业电气化设备、军工尤其是汽车驱动装置，可单独作为交流正弦波无刷发电机使用。

Description

一种新型永磁无刷直流四象限电机

技术领域：

本发明所属的技术领域为机电一体化工程，提供一种新型永磁无刷大功率直流四象限电机。

背景技术：

直流电机以其优良的特性而得到广泛的应用。但是直流电机由于需要机械式换向器，可靠性差，需要经常维护。而且换向时产生电磁干扰，噪声大，因而影响了其进一步的应用。随着电力电子技术和计算机控制的发展，以电子换向取代机械式换向的永磁无刷直流电动机应用而生。与其它电动机相比，无刷直流电动机的最大特点是以转子位置信号控制的开关变换器替代了有刷直流电机中的机械换向装置，使其既有直流电动机优良的调速和控制特性，又有交流电动机的结构筒单，运行可靠。维护方便等优点。常规转子永磁体采用瓦片形体，如图1所示，需用线切割加工费用昂贵，且磁场波形为梯形。其定子结构任何一相线圈都跨三个槽，相间端部相互交叉，如图2所示。永磁无刷电动机由于采用永磁钢而不需要励磁绕组，可以缩小电机体积，减小损耗，提高电机效率。所以目前无刷直流电动机的应用范围已遍及国民经济的各个领域并日趋广泛，特别是在电动汽车、家用电器、航天航空等领域已得到大量应用。尤其是在节能已经成为时代主题的今天，永磁无刷直流电动机的高效率的特点更显示其巨大应用价值。

发明内容：

本发明的目的是提供一种永磁无刷直流四象限电机。本发明采用3∶2齿极比的双边凸极结构。定子结构中每对极下各相仅一个槽，每一个线圈的两条线圈边分别在相邻槽中，各绕组端部互不交错，用铜只有常规永磁电机的1/4。本发明转子采用矩形磁钢，不需要线切割，在磁钢上安放钢制极靴，磁场波形为正弦波，为制造交流伺服电机创造条件。也可单独作为交流正弦波无刷发电机使用

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种新型永磁无刷直流四象限电机，包括具有四象限变换的电机本体和全数字化控制器，电机本体的定子和转子磁极均采用3∶2齿极比，双边凸极的几何结构。定子用硅钢片冲制而成，在定子相对称的两个凸极上安装有集中励磁绕组，其相互串联，构成一相；所述的转子由转轴、软磁铁芯、永磁体、磁靴(导护磁块)和隔磁套环组成圆柱体；转子具有多个凸磁极，采用高性能稀土永磁(钕铁硼)材料制成。磁路结构为径向式，隔磁套环将磁靴、永磁体、铁芯和转轴结构部件紧紧地固定在相应的位置，构成圆柱形转子。

该电机的磁通量集中于磁极区，定子通过电流励磁，各组磁路的磁阻是随转子位置的不同而变化。转子的旋转是依靠定子交变旋转磁场运转。由于定子磁场轴可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流转矩特性。电动机的转矩正比绕组平均电流：Tm＝Ktiav(n。M)。电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度：ELL＝kew(V)，所以电动机绕组中平均电流为：Iav＝(Vm-ELL)/2Ra(A)。定子铁芯采用冷轧取向硅钢片0.27mm冲制，其换极涡流小，槽面积利用率高，绕组端部短，用铜省，合适的磁靴起到导磁、护磁的作用。负载时交轴电枢反应影响较小，转子磁极永磁体为凸极，磁通集中于磁靴的顶端，相邻的两磁极由空气隔离一定的距离，所以漏磁系数小，电与磁之间转换效率高，电机效率大于95％，功率因素高于0.95。

本发明所提供新型永磁直流四象限电机具有如下特点：

一、3∶2齿极比的双边凸极结构，由转轴、铁芯、几对凸极充磁永磁体、磁靴、无磁性套环构成圆柱体形转子。其两磁极间由于空气隔离一定的距离所以漏磁系数小，磁靴作用使磁通成正弦状态，起到护磁作用。

二、定子铁芯采用冷轧取向硅钢片冲制，每对极下每相仅有一个集中线圈，跨绕一个齿，各个线圈端部相互不交叠，结构工艺简单，工作可靠、维修方便。

三、这种结构电机体积小、功率大、槽面积利用率高，由于线圈端部短，因此用线省，可以节省大量战备物资铜，铜耗小，效率提高。

四、基于电控制专用(DSP)数字信号外理的智能型自过应控制方法，具有在线参数辫识能力，在线故障自检测能力，采用宽温度范围设计，应用”三防”工艺，系统性好，可靠性高。

五、该电机系统具有四象限转换运行能力，利用惯量可再生能源向储能单元充电，或向用电单元发电。

六、为交流伺服电动机创造条件。

图1是常规永磁电机磁瓦及磁通密度分布示意图。

图2是常规永磁电机绕组相间端部交叉分布示意图。

图3是本新型永磁无刷直流四象限电机的基本结构示意图。

图4是本新型永磁无刷直流四象限电机矩形磁钢与极靴及正弦波磁场分布示意图。

图5是本新型永磁无刷直流四象限电机创新绕组示意图。

图6是本新型永磁无刷直流四象限电机采用的双三相12/8极绕组结构示意图。

图7是本新型永磁无刷直流四象限电机发电正弦波形图。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

如图3所示，该电机本体的定子和转子磁极均采用3∶2齿极比，双边凸极的几何结构。定子2用硅钢片冲制而成，在定子相对称的两个凸极上安装有集中励磁绕组1，其相互串联，构成一相；所述的转子由转轴6、转子铁芯4、矩形磁钢5、磁靴3(导护磁块)和隔磁套环7组成圆柱体；转子具有多个凸磁极，采用高性能稀土永磁(钕铁硼)材料制成。磁路结构为径向式，隔磁套环将磁靴、永磁体、铁芯和转轴结构部件紧紧地固定在相应的位置，构成圆柱形转子。本发明转子采用矩形磁钢，不需要线切割，在磁钢上安放钢制极靴，磁场波形为正弦波，如图4所示。定子铁芯采用冷轧取向硅钢片冲制，每对极下每相仪有一个集中线圈，跨绕一个齿，各个线圈端部相互不交叠，参见图5。

该电机定子绕组采用集中整矩单绕结构，采用Y型联结方法，构成双三相永磁无刷直流四象限电机，如图6所示。这种绕组结构实际上是两台并联的三相12/8极无刷直流电机，定子槽数为沿圆匀布的12个槽，匀布12个集中绕组构成双三相，转子磁极为8极。

其工作原理是电流通过电子控制器的IGBT模块给定子上的电枢各相绕组不断地换相通电，以使得定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子磁场在空间位置始终保持60度电角度，产生电磁转矩推动转子旋转。

无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。同步电动机的绕组多做成三相对称星形接法，而转子上有已充磁的永磁体。为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器，驱动器由功率电子器件和集成电路等构成。其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速，提供保护和显示等。控制器主电路为交-直-交或直-交电路。逆变器提供PWM控制的对称交变矩形波。转子位置永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120度的U、V、W方波。控制器结合正/反转信号产生有效的6状态编码信号，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通。这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组分6种状态的依次导通。每改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60度电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60度电角度空间位置。转子在新位置上，使定子绕组产生的磁场轴再前进60度电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩。

Claims (1)

1.一种新型永磁无刷直流四象限电机，包括具有四象限变换的电机本体和全数字化控制器，电机本体的定子和转子磁极均采用3∶2齿极比，双边凸极的几何结构；定子用硅钢片冲制而成，在定子相对称的两个凸极上安装有集中励磁绕组，其相互串联，构成一相；所述的转子由转轴、转子铁芯、矩形磁钢、磁靴和隔磁套环组成圆柱体；转子具有多个凸磁极，采用高性能稀土永磁材料制成；磁路结构为径向式，隔磁套环将磁靴、永磁体、铁芯和转轴结构部件固定，构成圆柱形转子。

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