CN202103556U - 基于双凸极结构的磁路混合励磁电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于双凸极结构的磁路混合励磁电机，电机的定子和转子均为凸极结构，由钕铁硼永磁体和励磁绕组共同提供气隙磁场，永磁体、电励磁绕组、电枢绕组均位于定子上，转子呈无绕组、无永磁体的形式，永磁体贯穿整个电机的轴向长度，且N-N极相对、S-S极相对，励磁绕组安装在电机两端的端盖侧；电枢绕组为集中绕组，安装在定子齿上。本电机具有双凸极永磁电机结构合理，简单可靠、免维护、转子上无绕组、效率高等一系列优点，同时对双凸极永磁电机的结构和运行原理上都作了一定的改进，有效解决了双凸极永磁电机磁场难以调节的问题。

Description

基于双凸极结构的磁路混合励磁电机

技术领域

本实用新型涉及无刷直流电机制造的技术领域，是一种基于双凸极结构的磁路混合励磁电机。

背景技术

随着新材料新技术的突破，特别是高性能永磁材料的出现，电子技术、电力电子技术的发展，现代控制理论的应用，电机及其驱动技术得到了迅猛的发展，先后出现了永磁电机、无刷直流电机、双凸极电机等多种结构的电机。这些电机采用了永磁材料励磁代替传统的电流励磁，具有功率密度高、电动机体积和重量小、结构简单以及效率高等优点。且因为采用永久磁钢励磁，可以方便地实现无刷化设计，没有励磁损耗，因此功率因数高于其它电励磁电机。研究表明，永磁电机在功率密度、转矩惯性比和效率方面都超过了传统的直流电机和异步电机。

然而随着应用领域的不断扩大，人们发现永磁无刷电机恒定的磁场限制了其使用范围，比如在高速机床主轴驱动以及电动汽车的驱动中，都要求驱动系统既要在低速时有大力矩，又要在轻负载时有足够的高速度，传统的直流电机的解决方案是将系统的基速设计得较低以满足低速大力矩的要求（恒转矩调速)， 轻载时的高速度则通过弱磁升速来达到（恒功率调速)，但永磁无刷电机的弱磁升速有一定困难，尽管可以通过矢量控制的坐标变换与交直轴分解来增加定子电流的励磁分量达到部分目的，但效果并不理想，主要原因是由于转子上的永磁体对于外加磁势的磁导率很小，去磁效应并不明显，这种方法反而使定子电流与损耗大大增加、对控制器的容量要求更高。因此，近几年来，人们越来越多的把目光投向混合励磁电机的发展。通常来说，混合励磁电机至少存在两个磁势源，电机气隙磁场的主要部分由永磁磁铁建立，而转速（或电压）调节所需的磁场变化部分靠辅助的电励磁绕组来实现。与永磁电机比较，它具有调整气隙磁场的能力；与同步电机相比，具有较小的电枢反应电抗。它综合了永磁电机高效率、高功率因数和电励磁电机调节磁场方便的优点，同时又克服了两者各自的缺陷，有极大的推广应用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构合理，双凸极永磁电机平滑调速方便的基于双凸极结构的磁路混合励磁电机。

本实用新型的技术解决方案是：

一种基于双凸极结构的磁路混合励磁电机，电机的定子和转子均为凸极结构，由钕铁硼永磁体和励磁绕组共同提供气隙磁场，其特征是：永磁体、电励磁绕组、电枢绕组均位于定子上，转子呈无绕组、无永磁体的形式，永磁体贯穿整个电机的轴向长度，且N-N极相对、S-S极相对，励磁绕组安装在电机两端的端盖侧；电枢绕组为集中绕组，安装在定子齿上；电机的定子和转子均采用双层轭部结构，定子外轭在电机外壳的内侧，定子内轭位于定子外轭部的内侧，在定子内轭上设有定子齿；转子内轭紧套在转轴外，转子内轭外面包有转子外轭，在转子外轭上设有转子齿，用来轴向导磁的定子外轭和转子内轭为环形柱体结构；用来径向导磁的定子内轭和转子外轭由硅钢片冲压叠制而成；由定子外轭和定子内轭构成的定子轭部被永磁体分隔成均等的几部分；电机两端的定子侧面安装有侧面导磁钢板，侧面导磁钢板的数量与永磁体的数量相同，且为偶数，该侧面导磁钢板靠转轴的一端与转子内轭之间留有轴向气隙，在该侧面导磁钢板的外圆靠定子外轭的部分设有磁极极靴，轴向励磁线圈位于侧面导磁钢板的外侧。

电机定子齿的数目多于转子齿的数目，定子齿宽度为定子齿距的一半；转子齿宽大于定子齿宽；定子齿和转子齿之间的气隙厚度为0.3-0.5mm。

本电机具有双凸极永磁电机结构合理，简单可靠、免维护、转子上无绕组、效率高等一系列优点，同时对双凸极永磁电机的结构和运行原理上都作了一定的改进，有效解决了双凸极永磁电机磁场难以调节的问题。

本电机作为电动机运行时：电机起动或低速运行时通过施加正向励磁电流，产生磁场与永磁磁场方向一致，实现助磁运行，获得较大的电磁转矩，满足电动汽车等场合需频繁快速起动或爬坡等运行要求；电机高速运行时，施加反向励磁电流，实现电机的弱磁控制，提高电机的运行速度；同时在原永磁电机恒功率调速范围内，可以使励磁电流为零，获得较高的运行效率。

本电机作为发电机运行时，通常以永磁磁场励磁，获得较高的效率输出；调节励磁电流的大小和方向，就可以调节气隙磁场的强弱，从而调节发电机端电压；但当发电机故障时，可以通过迅速通入反向励磁电流，使气隙内的磁场减弱实现快速灭磁，可以有效减小对发电机以及对电力系统的影响。

为了减小轴向磁路的磁阻，以便采用较小的励磁磁动势获得想要的磁场调节效果，定子和转子轭部都采用了电工纯铁来轴向导磁；同时为使电机结构更紧凑，励磁线圈采用极靴形式，节省了电机内的空间，以确保电机内有足够的空间安装励磁线圈，励磁绕组为集中绕组。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型电机的轴向剖视图。

图2是图1的A-A视图。

图3是本实用新型电机侧面导磁导磁板的结构图。

其中有定子外轭1、定子齿2、电枢绕组3 、永磁体4 、端盖5、径向气隙6、侧面导磁件7、轴向励磁绕组8、轴向气隙9、轴承10、转子内轭11、转子外轭12、转轴13、机壳14、定子内轭15、转子齿16、定子磁极极靴17、侧面导磁钢板18、位置传感器19、转子侧的导磁磁极20。

附图以定子12齿，转子8齿（简称12/8极）的电机为例来说明，根据电机的运行原理，同样适用于6/4极、8/6极或其他极数的两向混合励磁无刷电机。

具体实施方式

1、电机采用永磁体和电励磁相结合的混合励磁，气隙主磁通由永磁体4和轴向励磁线圈8共同产生，永磁体4磁场是径向磁场，直流电励磁8是轴向磁场。定子绕组3和励磁绕组8均安装在定子上，且其电流均可独立控制。永磁体（钕铁硼永磁材料）4均匀的安装在定子轭部，定子绕组3安装在定子齿12上，励磁绕组8安装在定子磁极极靴17处，转子上无绕组无永磁体，电机结构简单可靠，这样电机可以无刷运行和高速运行。永磁体4均匀的安装在定子轭部，且永磁体4间的N－N极相向，S－S极相向（如图2），这样在气隙磁场处产生聚磁效果；每个定子齿2上都套装有定子绕组3，定子绕组采用集中绕组，空间位置相对应的两个线圈按照电势相加或同向的原则经串连或并联构成电枢绕组的一相。

2、混合励磁无刷电机和其他旋转电机的基本结构一样（如图1），有一个固定部分定子，有一个转动部分转子，定、转子之间有一个很小的径向气隙6。定子由定子绕组3、定子铁芯（含硅钢片叠压部分和电工纯铁部分）、永磁体4、位置传感器19、励磁磁极极靴17、励磁绕组8、侧面导磁钢板18组成。其中硅钢片叠压部分的铁芯的内圆上冲有定子齿2和槽，且齿的极弧为齿距的1/2,槽内绕组由绝缘铜线绕制；定子侧端盖上还固定有转子位置传感器19，由霍尔传感器构成。转子由转子铁芯（含硅钢片叠压部分和电工纯铁部分）和转轴13组成，其中硅钢片叠压部分铁芯的外圆上冲有转子齿16和槽，形成凸极。

3、因轴向磁场垂直穿过铁芯叠片时磁场强度有较大幅度的衰减，定子和转子轭部采用双轭结构，定子外轭1和转子内轭11主要用来轴向导磁，都采用电工纯铁加工为环形柱体（其中定子外轭被永磁体隔断成均等的几部分，如图2），柱体长度与铁芯长度相同。转子内轭11紧套在转轴13上，其外面是包含转子外轭12和转子齿16的转子铁芯叠压件。定子外轭1在电机外壳14的内侧，定子内轭15为0.5mm厚的硅钢片叠压而成，紧贴着定子外轭1，并与定子外轭共同构成定子轭部。

4、电机端盖5由铝合金或其他不导磁材质做成；内侧镶嵌有轴向励磁的构件7，由铸钢加工而成，作为轴向磁路的一部分。定子侧磁极极靴17与定子外轭1在轴向紧密接触，转子侧的导磁磁极20与转子内轭11之间的轴向气隙较小为宜，以减小轴向磁路的磁阻。为降低电机制造成本，同时使电机结构更加紧凑，轴向励磁磁极加工成极靴形式，这样，可确保有足够的空间来安装励磁绕组，并可减少用铜量，提高电机运行效率。为了保证轴向磁场在定、转子铁芯叠片中分配的均匀程度，电机的轴向尺寸不宜过长，并且电机两侧都需轴向励磁，每侧轴向励磁线圈8的数目同永磁体4数目，磁极极靴17的外边缘与永磁体4之间应有足够的距离，以防漏磁。

电机定子齿的数目多于转子齿的数目，定子齿宽度为定子齿距的一半；转子齿宽大于定子齿宽；定子齿和转子齿之间的气隙厚度为0.3-0.5mm。

5、主磁通的路径：

径向磁通的主要通路：永磁体N极→定子轭部→定子齿→径向气隙→转子齿→转子轭部→转子齿→径向气隙→定子齿→定子轭部→永磁体S极；

轴向磁通的主要通路：电励磁磁极N极（或S极，取决于励磁电流方向）→励磁磁极极靴→定子外轭→定子内轭→定子齿→径向气隙→转子齿→转子外轭→转子内轭→轴向气隙→导磁磁极→侧面导磁钢板→电励磁磁极S极（或N极）。

Claims (2)

1. 一种基于双凸极结构的磁路混合励磁电机，电机的定子和转子均为凸极结构，由钕铁硼永磁体（4）和励磁绕组（8）共同提供气隙磁场，其特征是：永磁体（4）、电励磁绕组（8）、电枢绕组（3）均位于定子上，转子呈无绕组、无永磁体的形式，永磁体（4）贯穿整个电机的轴向长度，且N-N极相对、S-S极相对，励磁绕组安装在电机两端的端盖侧（5）；电枢绕组（3）为集中绕组，安装在定子齿（2）上；电机的定子和转子均采用双层轭部结构，定子外轭（1）在电机外壳（14）的内侧，定子内轭（15）位于定子外轭部（1）的内侧，在定子内轭（15）上设有定子齿（2）；转子内轭（11）紧套在转轴（13）外，转子内轭（11）外面包有转子外轭（12），在转子外轭（12）上设有转子齿（16），用来轴向导磁的定子外轭（1）和转子内轭（11）为环形柱体结构；用来径向导磁的定子内轭（15）和转子外轭（12）由硅钢片冲压叠制而成；由定子外轭和定子内轭构成的定子轭部被永磁体（4）分隔成均等的几部分；电机两端的定子侧面安装有侧面导磁钢板（7），侧面导磁钢板的数量与永磁体的数量相同，且为偶数，该侧面导磁钢板靠转轴（13）的一端与转子内轭（11）之间留有轴向气隙（9），在该侧面导磁钢板的外圆靠定子外轭（1）的部分设有磁极极靴（17），轴向励磁线圈（8）位于侧面导磁钢板（18）的外侧。

2. 根据权利要求1所述的基于双凸极结构的磁路混合励磁电机，其特征是：电机定子齿的数目多于转子齿的数目，定子齿（2）宽度为定子齿距的一半；转子齿（16）宽大于定子齿（2）宽；定子齿（2）和转子齿（16）之间的气隙厚度为0.3-0.5mm。

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