CN201985636U - 一种模块化磁通切换永磁电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种模块化磁通切换永磁电机，以解决将永磁体放置于转子的类型的电机存在的问题。本实用新型的电机包括定子和转子两个部分，可以采取内转子或外转子两种形式，定子和转子都为双凸极、槽结构，在定子上设置有磁性模块和集中电枢绕组，磁性模块由定子的一公一母两块导磁铁芯和一块镶嵌于其中的永磁体组合构成，转子无永磁体也无绕组。本实用新型的有益效果是：结构简单、紧凑、坚固，体积小；绕组槽满率高，减小了电阻和铜耗，效率较高；提高了线电荷密度、转矩输出能力和功率密度；具有聚磁效应，空载气隙磁密较大；电枢反应磁通和永磁磁通在空间上互相垂直，保证了具有较强的抗去磁能力。

Description

一种模块化磁通切换永磁电机

技术领域

本实用新型涉及电机制造领域，具体涉及结构简单、坚固，具有较强转矩输出能力和较高功率密度的一种模块化磁通切换永磁电机。

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。无论作发电运行还是电动运行，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。迄今为止，国内、外的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，凡是将永磁体放置于转子的类型的电机在设计和运行过程中都会产成一系列问题，集中为以下三点：

1.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芯内部的内嵌式结构，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的领域的应用。因此，研制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。

针对永磁体放置于定子的结构，目前国内、外也主要集中于双凸极永磁电机(本质为增加了永磁体的开关磁阻电机)与磁通反向永磁电机。而本实用新型所提出的模块化结构磁通切换电机还未见有公开发表。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种模块化磁通切换永磁电机，以解决上述技术问题。本实用新型的模块化磁通切换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，定子和转子 都为双凸极、槽结构，在定子上设置有磁性模块和集中电枢绕组，转子无永磁体也无绕组。

所述磁性模块由定子的一公一母两块导磁铁芯和一块镶嵌于其中的永磁体组合构成。

所述永磁体的材料可以是铁氧体、钐钴或者钕铁硼。

所述转子为直槽转子。

所述电机相数为m，定子槽数为4m，转子齿数为4m±2，则该电机一共有4m块永磁体，定子包括4m个磁性模块组成。

所述电机为三相，定子槽数为十二，转子齿数为十，则该电机一共有十二块永磁体，定子包括十二个磁性模块组成。

所述集中电枢绕组共有十二个电枢线圈组成三相绕组，任何一相的电枢绕组由四个线圈组成，且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；每个集中电枢绕组线圈绕制在磁性模块上，都横跨于一个磁性模块的左右两个定子槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接。

所述永磁体在与磁化方向垂直的两个表面上都各自开有一定深度的三角形小槽，相应的与永磁体相连的导磁铁芯表面则有凸出的三角形小齿。

本实用新型的有益效果是：

由于磁性模块和集中电枢绕组都设置于定子上，转子既无永磁体也无绕组，所以结构非常简单而坚固，而且有利于改善电机的冷却条件；

由于采用模块化结构，使得电机的绕组槽满率得到较大提高，结构紧凑，减小了体积；尽可能地减小了电阻和铜耗，效率较高；提高了线电荷密度、转矩输出能力和功率密度；

电机结构导致其具有聚磁效应，空载气隙磁密较大；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详细说明。

图1为三相定子十二槽转子十齿模块化磁通切换永磁电机结构示意图；

图2为磁性模块结构示意图。其中图标：定子1、永磁体2、集中绕组3、转子4。

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所示是一台三相(A相、B相、C相)模块化磁通切换永磁电机，包括定子1铁芯和转子4铁芯，转子4位于定子1的内部，定子1和转子4都为凸极结构，定子1槽数为十二，转子4齿数为十；定子1由十二个磁性模块安装于定子铁芯槽内拼装构成；磁性模块中由一公一母两个导磁铁芯及其之间设置一块永磁体2组成；磁性模块上套绕集中绕组3。

永磁体2是铁氧体、钐钴或者钕铁硼永磁磁钢，定子铁芯和凸极转子4都可以采用硅钢片冲片压叠制成。

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中每个磁性模块的左右两个槽中，且上述四个绕组线圈依顺序首尾串联连接；永磁体2的磁化方向为依次切向交替充磁。

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中每个磁性模块的左右两个槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接；永磁体2的磁化方向为依次切向交替充磁。

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中每个磁性模块的左右两个槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接；永磁体2的磁化方向为依次切向交替充磁。

如图1的结构，由于定子1两个相邻的定子齿之间设置有永磁体2，所以当转子4与不同的定子齿对齐时，永磁体2产生的永磁磁通穿过线圈311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；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，对第二绕组线圈312和第四绕组线圈314情况相同，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在任何转子位置其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：由第一绕组线圈311和第三绕组线圈313串联而成，由第二绕组线圈312和第四绕组线圈314串联而成的两个线圈，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，直接导致两套集中绕组线圈中匝链的永磁磁链有180度的相位差，因此具有这种特 征的集中绕组组成为互补型绕组。

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，在理论上只保留了基波分量，保证了该电机在采用集中绕组和在本发明的优选实例即选用直槽转子的条件下，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，从而使本发明特别适合于作为交流调速系统的驱动元件。

如当电机转子4处在图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4对于定子1线圈的相对位置却不同。采用同样的方法分析可知，转子4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，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。

如图2所示，每一个磁性模块结构都由一公一母两个定子导磁铁芯及其之间设置一块永磁体2组成，该种结构可以采用每个模块先独立绕制好线圈，然后再拼装成一个定子整体的工艺，从而极大提高了绕组槽满率。另一方面，为了保证电机定子磁钢在严重振动的工况中不发生径向串动，采用了在永磁体2在与磁化方向垂直的两个表面上都各自开有一定深度的三角形小槽，相应的与永磁体2相邻的导磁铁芯表面则有凸出的三角形小齿与三角形小槽吻合的工艺。

Claims (8)

1.一种模块化磁通切换永磁电机，包括定子和转子两个部分，其特征在于：所述转子可以采取内转子或外转子两种形式，定子和转子都为双凸极、槽结构，在定子上设置有磁性模块和集中电枢绕组，转子无永磁体也无绕组。

2.根据权利要求1所述一种模块化磁通切换永磁电机，其特征在于：所述磁性模块由定子的一公一母两块导磁铁芯和一块镶嵌于其中的永磁体组合构成。

3.根据权利要求1所述一种模块化磁通切换永磁电机，其特征在于：所述转子为直槽转子。

4.根据权利要求1所述一种模块化磁通切换永磁电机，其特征在于：所述电机相数为m，定子槽数为4m，转子齿数为4m±2，则该电机一共有4m块永磁体，定子包括4m个磁性模块组成，有4m个集中电枢绕组。

5.根据权利要求4所述一种模块化磁通切换永磁电机，其特征在于：所述电机为三相，定子槽数为十二，转子齿数为十，则该电机一共有十二块永磁体，定子包括十二个磁性模块组成，有十二个集中电枢绕组。

6.根据权利要求5所述一种模块化磁通切换永磁电机，其特征在于：所述十二个集中电枢绕组共有十二个电枢线圈组成三相绕组，任何一相的电枢绕组由四个线圈组成，且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；每个集中电枢绕组线圈绕制在磁性模块上，都横跨于一个磁性模块的左右两个定子槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接。

7.根据权利要求2所述一种模块化磁通切换永磁电机，其特征在于：所述永磁体在与磁化方向垂直的两个表面上都各自开有一定深度的三角形小槽，相应的与永磁体相邻的导磁铁芯表面则有凸出的三角形小齿与三角形小槽吻合。

8.根据权利要求2所述一种模块化磁通切换永磁电机，其特征在于：所述永磁体的材料可以是铁氧体、钐钴或者钕铁硼。 

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