CN201038839Y - 绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机 - Google Patents

绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机 Download PDF

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绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机是一种结构简单、坚固,具有较强转矩输出能力和较高功率密度的电机,包括定子(1)和转子(4),转子(4)位于定子(1)的内部或外部,其特征在于定子(1)和转子(4)都为双凸极结构,在定子(1)上设置有集中绕组(3)和永磁体(2);其中,集中绕组(3)的任何一相的第一绕组线圈和第三绕组线圈径向相对,第二绕组线圈和第四绕组线圈径向相对,每个集中绕组线圈位于定子(1)两个相邻的U形导磁铁心槽中,且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接;定子(1)两个相邻的U形导磁铁心之间设置有永磁体(2)。

Description

绕组互补型磁n切换双凸极永礅电机技术领域本实用新型是一种结构简单、坚固,具有较强转矩输出能力和较高功率密度 的电机,涉及电机制造的技术领域,背景技术我国作为世界上稀土材料储藏量最大的国家,大力研究和推广应用以稀土永 磁电机为代表的各种新型永磁电机,具有重要的理论意义和应用价值。无论作发 电还是电动运行,具有高效率、大转矩(功率)密度和低损耗等特点的新型永磁 电机正呈现出加速发展的趋势。过去十多年来研究热点一直集中于以表面贴装 式、插入式和内嵌式为代表的转子永磁型电机。然而,将永磁体放置于转子类型的电机在设计和运行过程中都会产成--系列问题,集中体现为以下三点:l.对永 磁体粘贴在转子表面或插入转子凸极之间的结构,为了克服高速运行所产生的离 心力影响,通常需要制作辅助的永磁体固定装置,并且永磁体处于定子和转子之 间,加大了气隙长度,既增加了电机体积,又会导致气隙磁密减弱,影响出力; 2.对永磁体埋入转子铁心内部的内嵌式结构,会影响转子的机械强度,并且需要 辅助磁桥,同样会增加制作工艺;3.永磁体置于转子不利于该类型电机的冷却。 对转子永磁型电机而言,由于定子绕组产生的电枢反应磁通都会进入转子, 与永磁体相互耦合,存在一定程度上的去磁危险;另一方面,无论是作为发电机 还是电动机,为了获得正弦度较高的空载反电动势,通常在定子上安装分布绕组, 会直接导致绕组端部较长,增加了导线长度和电阻,铜耗较大,降低了电机效率, 更会使得电机体积增大,限制了转子永磁型结构在航天、航空、航海、电动汽车 等对电机体积有严格要求领域的应用。因此,研究出能够克服上述缺点的新型结 构永磁电机就成为电机工作者义不容辞的一个关键任务。 发明内容技术问通:本实用新型的目的是提供了一种绕组互补型磁通切换双凸极永磁 电机,使得该电机结构简单、坚固,具有高度正弦的空载反电动势、较强的转矩 输出能力和较大的功率密度,同时具备较强的抗去磁能力,特别适合于作为交流 调速系统的驱动元件。技术方案:为解决上述技术问题,本实用新型的绕组互补型磁通切换双凸极 永磁电机包括定子和转子两个部分,根据不同的应用场合可以采取内转子或外转 子两种形式,转子位于定子的内部或外部,定子和转子都为双凸极结构,在定子 上设置有集中绕组和永磁体;其中,集中绕组的任何一相的第一绕组线圈和第三 绕组线圈径向相对,第二绕组线圈和第四绕组线圈径向相对,每个集中绕组线圈 位于定子两个相邻的U形导磁铁心槽中,且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串 联连接;定子上两个相邻的U形导磁铁心之间设置有一块永磁体,永磁体材料 可以是铁氧体或者钕铁硼,磁化方向为依次切向交替充磁;转子部分结构非常简 单,既无永磁体也无绕组,为简单的导磁铁心冲片压叠而成,且为直槽转子,无 需经过斜槽处理。有益效果:由于本实用新型的集中绕组和永磁体都设于定子上,所以本实用 新型结构非常简单而坚固,而且有利于改善该电机的冷却条件;由于采用了集中绕组方式,可以减小端部长度,尽可能地减小电阻和铜耗, 也保证了电机的结构紧凑,功率密度较大,效率较高;由于集中绕组任何一相的第一绕组线圈和第三绕组线圈径向相对,第二绕组 线圈和第四绕组线圈径向相对,所以在四个固定的转子位置(分别对应着距链的 永磁磁链正向最大、负向最大和两个过零点),组成一相的两套线圈绕组中匪链 的永磁磁链数量和方向都相同;另一方面,由于组成一相的两套集中绕组线圈(每一套由径向相对的两个线 圈串联而成)在磁路上存在180度的相位差,在顺序串联连接时,可以利用线圈 在磁路上具备互补的特点,使得匝链的一相永磁磁链和产生的空载反电动势波形 中的高次谐波分量幅值相等而相位上互补,在合成为一相磁链或电势时,自动抵 消了大部分谐波,只保留了基波分量,保证了该电机在采用集中绕组和直槽转子 的条件下,就可获得正弦度非常高的磁链、反电动势和电感等静态特性,从而使 本实用新型特别适合于作为交流调速系统的驱动元件;由于定子两个相邻的定子齿之间设置有永磁体,所以当转子与不同的定子齿 对齐时,永磁体产生的永磁磁通穿过线圈的方向就会不同,从而产生磁通切换效 应,导致线圈中匪链的永磁磁链为双极性;在本实用新型的一个优选实施例中,由于转子为直槽转子,所以,保证了本 实用新型在采用集中绕组和转子不斜槽的条件下,就可获得正弦度非常高的磁 链、反电动势和电感等静态特性,从而使本实用新型更加适合于作为交流调速系 统的驱动元件。综上,该电机结构上的特点导致其具有聚磁效应,空载气隙磁密较大,电机 具有较强的转矩输出能力,功率密度较高,同时,电阻较小,效率较高;而且, 电枢反应磁通和永磁磁通在空间上互相垂直,磁路上是并联关系,保证了该电机 具有较强的抗去磁能力。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。 图1为互补绕组型磁通切换永磁电机组成图;其中有:定子l,永磁体2, 集中绕组3,转子4, A相绕组线圈31, A相第一绕组线圈311, A相第二绕组 线圈312、 A相第三绕组线圈313、 A相第四绕组线圈314; B相绕组线圈32, B 相第一绕组线圈321、 B相第二绕组线圈322、 B相第三绕组线圈323, B相第四 绕组线圈324; C相绕组线圈33, C相第一绕组线圈331、 C相第二绕组线圈332、 C相第三绕组线圈333、 C相第四绕组线圈334。具体实施方式如图1所示,本实用新型绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机包括定子铁心 l和转子铁心4,转子4位于定子1的内部,定子1和转子4都为双凸极结构, 其中定子铁心部分由12个U形导磁铁心组成,在定子1上设置有三相集中绕组 3和12块永磁体2;集中绕组3的A相第一绕组线圈311和第三绕组线圈313径向相对,第二 绕组线圈312和第四绕组线圈314径向相对,每个绕组线圈套于定子1中两个相 邻的U形铁心的槽中,且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接;定子1中 两个相邻的U形导磁铁心之间设置有永磁体2;集中绕组3的B相第一绕组线圈321和第三绕组线圈323径向相对,第二 绕组线圈322和第四绕组线圈324径向相对。与A相绕组相似,每个绕组线圈 套于定子1中两个相邻的U形铁心的槽中,且上述四个绕组线圈依次顺序首尾 串联连接;定子1中两个相邻的U形导磁铁心之间设置有永磁体2;集中绕组3的C相第一绕组线圈331和第三绕组线圈333径向相对,第二 绕组线圈332和第四绕组线圈334径向相对。与A相和B相绕组相似,每个绕 组线圈套于定子1中两个相邻的U形铁心的槽中,且上述四个绕组线圈依次顺 序首尾串联连接;定子l中两个相邻的U形导磁铁心之间设置有永磁体2;由于采用了如图l的结构,因此,当转子4与不同的定子齿对齐时,永磁体 2产生的永磁磁通穿过第一绕组线圈:U1的方向就会不同,从而产生磁通切换效 应,导致匝链的永磁磁链为双极性,而最关键的是,对于组成一相的四个线圈而 言,如第一绕组线圈311和第三绕组线圈313径向相对,在任何转子位置其绕组 中匝链的磁链都数量和方向相同,对第二绕组线圈312和第四绕组线圈314情况 相同;但第一绕组线圈311和第二绕组线圈312在转子运动一个周期的过程中, 与转子的相对位置却存在磁路上的差异,也直接导致其绕组中匝链的永磁磁链有 180度的相位差,因此将具有这种特征的集中绕组成为互补型绕组。当电机转子4在图1所示位置时,转子4分别有一个齿与第一绕组线圈311 和第二绕组线圈312的一个定子齿相对,根据永磁体2的磁化方向,这两个绕组 线圈中的永磁磁通都从转子齿经过气隙穿进定子齿,且数值最大。而当转子4 逆时针旋转9度时, 一个转子齿与第一绕组线圈311中间的永磁体2对齐,而此 时有两个转子齿处在相对第二绕组线圈312的相轴线的平衡位置,尽管在该位置 两个线圈中匝链的有效永磁磁通都为零,但转子对于定子线圈的相对位置却不 同。采用同样的方法分析可知,转子在旋转一个机械周期36度范围内,相对第 一绕组线圈311和第二绕组线圈312的运动方向是相反的,这也导致这两个线圈 中感应的空载反电动势高次谐波分量幅值几乎相等,相位几乎相反,在叠加合成 为一相空载反电动势时互相抵消,在理论上只保留基波分量,保证该电机的永磁 磁链、反电动势和电感具备高度的正弦性,使得该电机特别适合于作为交流调速
系统的驱动元件。此外,该电机结构上的特点导致其具有聚磁效应,空载气隙磁密较大,电机 具有较强的转矩输出能力,功率密度较高,同时,电阻较小,效率较高。而且, 电枢反应磁通和永磁磁通在空间上互相垂直,磁路上是并联关系,保证了该电机 具有较强的抗去磁能力。集中绕组3的B相和C相的线圈的工作原理同上,可以大大提高工作效率。转子4可以是直槽转子,保证了本实用新型在采用集中绕组和转子不斜槽的 条件下,就可获得正弦度非常高的磁链、反电动势和电感等静态特性,从而使本 实用新型更加适合于作为交流调速系统的驱动元件。永磁体2是铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢,定子1和凸极转子4都可以采用硅 钢片冲片压叠制成,定子l由U型结构的导磁铁心拼装组成。

Claims (4)

1、 一种绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机,包括定子(1)和转子(4), 转子(4)位于定子(1)的内部或外部,其特征在于定子(1)和转子(4)都为 双凸极结构,在定子(1)上设置有集中绕组(3)和永磁体(2);其中,集中绕 组(3)的任何一相的第一绕组线圈和第三绕组线圈径向相对,第二绕组线圈和 第四绕组线圈径向相对,每个集中绕组线圈位于定子(1)两个相邻的U形导磁 铁心槽中,且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接;定子(1)两个相邻的 U形导磁铁心之间设置有永磁体(2)。
2、 如权利要求1所述的绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机,其特征在于, 定子(1)为U型导磁铁心单元和永磁体(2)拼装而成。
3、 如权利要求1所述的绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机,其特征在于, 转子(4)为直槽转子。
4、 如权利要求1所述的绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机,其特征在于, 永磁体(2)是铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢。
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