CN201499065U

CN201499065U - 单定子双转子可变磁通永磁无刷电机

Info

Publication number: CN201499065U
Application number: CN2009202342879U
Authority: CN
Inventors: 林明耀; 李婉; 林克曼; 张磊
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2019-08-06

Abstract

单定子双转子可变磁通永磁无刷电机，由该电机由一个定子(1)和两个转子(2)构成的双气隙永磁电机，定子(1)与转子(2)同轴安装，定子(1)夹放在两个转子(2)之间，转子(2)和定子(1)之间留有空气隙；两个转子(2)的结构完全一样，而且关于定子(1)对称；由6个H形定子铁心(5)和6块永磁体(6)组成的定子单元与由5个转子极组合成的转子单元构成“基本电机”，将基本电机的定子单元与转子极进行整数倍扩充，得到6a/5a结构的电机，其中a为正整数。该电机很适于风力发电等要求薄型安装的场合。

Description

单定子双转子可变磁通永磁无刷电机

技术领域

本实用新型涉及的是一种单定子双转子可变磁通永磁无刷电机，是对传统的中间定子结构轴向磁场永磁电机的改进，属于永磁电机技术领域。

背景技术

我国稀土资源丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平也都达到了国际先进水平。因此，充分发挥我国丰富的稀土资源优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机具有重要的理论意义和工程实用价值。

与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高，电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。过去的十多年来，研究热点一直集中于以表面贴装式、插入式和嵌入式为代表的转子永磁型电机。然而将永磁体置于转子，在电机运行过程中会产生一系列的问题，例如对于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，通常要制作辅助的永磁体固定装置，这会导致转子散热困难，过高的温升会使永磁体发生不可逆退磁，限制电机出力，减小电机的输出功率；而对于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，使制作工艺复杂。另外，对于转子永磁型电机，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，存在一定程度的去磁危险。

传统的轴向磁场永磁电机，若采用无槽结构，则其磁负荷小，有槽结构虽然功率密度较高但制造困难，需专用设备。另外，无论是单气隙还是双气隙轴向磁场永磁电机，转子都是由高性能永磁材料粘结在实心钢或硅钢片上构成。这样，在其运行过程中，就会产生上述的一些问题，同时也增加了电机的制造成本。

法国学者E.Hoang在1997年的EPE会议上，首先提出了三相12/10结构的永磁式磁通切换型永磁电机，定子为“U”形铁心，中间嵌入切向交替充磁的永磁体。随后，东南大学、南京航空航天大学、英国Leicester大学和Sheffield大学等高校和科研院所对磁通切换型永磁电机做了较为深入的研究，并取得了大量的成果。所谓磁通切换电机，是指随着转子位置的变化，激磁磁通切换其路径，使得定子绕组内磁链的大小和方向均发生变化，从而产生交变的电势。永磁式磁通切换型电机不存在励磁损耗，定转子铁心均为双凸极结构，转子上既无永磁体也无绕组，结构简单、工作可靠、效率高、冷却方便，具有较高的功率密度和效率。然而遗憾的是，目前对永磁式磁通切换型电机的研究大多集中于径向磁场电机，该种电机不适合于严格要求薄形安装的场合，所以研究磁通切换型轴向磁场永磁电机就具有重要的意义和使用价值。

发明内容

技术问题：针对传统轴向磁场永磁电机存有的不足，为提高轴向磁场永磁电机性能，本实用新型提出了一种转子无永磁体和电枢绕组、结构简单，功率密度和效率高的单定子双转子可变磁通永磁无刷电机。

技术方案：本实用新型的单定子双转子可变磁通永磁无刷电机由一个定子和两个转子构成的双气隙永磁电机，定子与转子同轴安装，定子夹放在两个转子之间，转子和定子之间留有空气隙；两个转子的结构完全一样，而且关于定子对称；由6个H形定子铁心和6块永磁体组成的定子单元与由5个转子极组合成的转子单元构成“基本电机”，将基本电机的定子单元与转子极进行整数倍扩充，得到6a/5a结构的电机，其中a为正整数。每个定子包括6a个H形定子铁心、6a块永磁体和6a个集中绕组线圈，H形定子铁心和永磁体交替放置构成圆盘，每个线圈横跨在两个H形定子铁心的齿上，中间嵌入永磁体，永磁体沿着圆周方向交替充磁。6a个集中绕组线圈分成三相，其中每相隔两槽的2a个线圈串联成一相，即A、B、C三相绕组两两相隔120°电角度相串联；定子两侧相对的同相绕组相串联或者相并联。转子共有6a个齿，称为5a个转子极，均匀设置在转子轭部的圆盘表面，并与定子在该转子侧的齿相对。H形定子铁心的齿和转子极都是平行齿，或都是扇形齿。

有益效果：本实用新型所提出的单定子双转子可变磁通永磁无刷电机，将磁通切换的理念合理应用于轴向磁场永磁电机，集中了传统轴向磁场永磁电机和磁通切换型永磁电机的优点。转子结构简单、轴向尺寸短，解决了永磁体置于转子而带来的一系列问题。

定子采用“H”形导磁铁心，相对于传统轴向磁场永磁电机制造方便。

由于定子两个相邻的定子齿之间设置有永磁体，所以当转子极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，导致线圈中匝链的永磁磁链为双极性。

由于集中绕组任何一相的第一绕组线圈(如图1中的A1)和第三绕组线圈(如图1中的A3)径向相对，第二绕组线圈(如图1中的A2)和第四绕组线圈(如图1中的A4)径向相对，所以在四个固定的转子位置(分别对应着匝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(A1和A3、A2和A4)中匝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性，使得匝链绕组的一相永磁磁链和感应产生的空载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，从而使得磁链或电势的总谐波畸变率明显降低，其总谐波畸变率小于2％。

该电机结构上的特点使得其具有聚磁效应，空载气隙磁密大，电机具有较强的转矩输出能力，功率密度高；同时，电阻较小，效率较高。而且，电枢反应磁通和永磁磁通在磁路上为并联关系，保证了该电机永磁励磁具有较强的抗去磁能力。

另外，该电机与中间转子结构的磁通切换型轴向磁场永磁无刷电机(中国发明专利，申请号：200810019783.2)相比，具有下述特点：

1)结构不同。该电机为双转子、单定子结构，定子导磁铁心为“H”形，转子极与转子轭部圆盘为一体结构；而磁通切换型轴向磁场永磁无刷电机(中国发明专利，申请号：200810019783.2)为单转子、双定子结构，定子导磁铁心为“U”形，转子极均匀设置在非导磁圆环上，为非一体结构。

2)散热性能更好。双转子置于电机两侧，定子放中间，当电机稳定运行时，转子起到风扇的作用；另外，由于转子结构的差异，该电机定转子间的有效散热空间明显大于磁通切换型轴向磁场永磁无刷电机(中国发明专利，申请号：200810019783.2)，这也使得其散热效果更好。

3)永磁体利用率高。该电机两侧的转子关于定子对称，所以电机内的磁场也呈对称分布，由永磁体产生的磁势沿两侧定子齿、两侧气隙、两侧转子齿、两侧转子轭、两侧气隙、两侧定子齿和两侧定子轭呈对称降落，磁路沿如图3所示路径闭合；而磁通切换型轴向磁场永磁无刷电机(中国发明专利，申请号：200810019783.2)，关于转子相对称的两个永磁体串联，共同作用于转子两侧气隙及相应磁路。鉴于此，该电机的永磁利用率要高于磁通切换型轴向磁场永磁无刷电机(中国发明专利，申请号：200810019783.2)。

4)转动惯量大。额定功率相同的情况下，由于该电机具有双转子，所以其转子质量较大，故其转动惯量大于磁通切换型轴向磁场永磁无刷电机(中国发明专利，申请号：200810019783.2)。这样，当该电机作为风力发电机使用时，其优势尤为明显。

附图说明

图1为单定子双转子可变磁通永磁无刷电机的轴向展开结构示意图；

图2为单定子双转子可变磁通永磁无刷电机的平面展开图；

以上的图中有：定子1，转子2、转子极3，转子轭4，H形定子导磁铁心5，永磁体6，集中绕组7。A1、A2、A3、A4为径向中心线相互垂直的四个集中绕组线圈。

图3为单定子双转子可变磁通永磁无刷电机磁路示意图；

具体实施方式

如图1所示，12/10结构中间定子结构磁通切换型轴向磁场永磁电机是由一个定子1和两个转子2构成的双气隙永磁电机，定子1与转子2同轴安装，定子1夹放在两个转子2之间，转子2和定子1之间留有一定厚度的空气隙。两个转子2的结构完全一样，而且关于定子1对称；每一个定子1都是由12个“H”形定子铁心5、12块永磁体6和12个集中绕组线圈7组成，“H”形定子铁心5和永磁体6交替放置构成圆盘，相邻两个永磁体的充磁方向相反；12个集中绕组线圈7分成三相，每四个线圈串联构成一相绕组，定子两侧的绕组采用相并联或串联；每个线圈横跨在两个“H”形定子铁心5的齿上，中间嵌入永磁体6，永磁体6沿着圆周方向交替充磁。转子2共有10个齿，称为10个转子极3，均匀设置在转子2轭部的圆盘表面，并与定子在该转子侧的齿相对。H形定子铁心5由硅钢片冲制而成，转子2也由高导磁率的硅钢片冲叠构成。转子2结构简单，其上既没有永磁体也没有电枢绕组。

当原动机拖动转子旋转，转子极与定子齿间的相对位置发生改变。如图2所示，定、转子相对位置的变化，激磁磁通切换其路径，使得每个电枢绕组所匝链的永磁磁通交变，磁通方向由从定子进入转子变为从转子进入定子，数值在最大值和最小值之间周期性变化。根据法拉第电磁感应定律，每个电枢绕组两端的导体中就会产生幅值和相位交变的感应电动势，当电枢绕组与负载相联，就可输出交流电流，实现电机的发电机运行。

本实用新型的永磁电机也可以作为电动机运行。如图2所示，两侧转子极相对，当转子某一极正对着定子齿，设定子上面正对转子极的线圈左导体电流方向为垂直于纸面向里，此线圈的另一导体(右导体)的电流方向为垂直于纸面向外，与此线圈相对的定子下面的线圈左右导体中的电流方向与之相反，即左导体的电流方向为垂直于纸面向外，右导体的电流方向垂直纸面向里。这样，该两侧的转子极的左半部分永磁磁通与电枢磁通的合成磁通是相互加强的，右半部分的合成磁通是相互削弱的，该两侧的转子极受到水平向左的力，其它的转子极受力分析同上，也均受到向左的作用力，从而使转子向左运动。显然，如果改变此刻的电流方向，转子将向右运动。

Claims

1.一种单定子双转子可变磁通永磁无刷电机，其特征在于该电机由一个定子(1)和两个转子(2)构成的双气隙永磁电机，定子(1)与转子(2)同轴安装，定子(1)夹放在两个转子(2)之间，转子(2)和定子(1)之间留有空气隙；两个转子(2)的结构完全一样，而且关于定子(1)对称；由6个H形定子铁心(5)和6块永磁体(6)组成的定子单元与由5个转子极组合成的转子单元构成“基本电机”，将基本电机的定子单元与转子极进行整数倍扩充，得到6a/5a结构的电机，其中a为正整数，每个定子(1)包括6a个H形定子铁心(5)、6a块永磁体(6)和6a个集中绕组线圈(7)，H形定子铁心(5)和永磁体(6)交替放置构成圆盘，每个线圈横跨在两个H形定子铁心(5)的齿上，中间嵌入永磁体(6)，永磁体(6)沿着圆周方向交替充磁，6a个集中绕组线圈分成三相，其中每相隔两槽的2a个线圈串联成一相，即A、B、C三相绕组两两相隔120°电角度相串联；定子两侧相对的同相绕组相串联或者相并联。

2.根据权利要求1所述的单定子双转子可变磁通永磁无刷电机，其特征在于转子(2)共有6a个齿，称为5a个转子极(3)，均匀设置在转子轭部的圆盘表面，并与定子在该转子侧的齿相对。

3.根据权利要求1所述的单定子双转子可变磁通永磁无刷电机，其特征在于H形定子铁心(5)的齿和转子极(3)都是平行齿，或都是扇形齿。