CN202444339U

CN202444339U - 一种容错型半齿绕定子表面贴装式永磁电机

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Publication number: CN202444339U
Application number: CN2012200663701U
Authority: CN
Inventors: 花为; 张义莲; 程明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2022-02-28

Abstract

一种容错型半齿绕定子表面贴装式永磁电机，包括定子（1）和转子（4），转子（4）位于定子（1）的内部或外部，定子（1）为凸极结构，设有突出于轭部以外的定子齿（1-1），定子齿之间形成电枢绕组槽（1-2），定子齿（1-1）与电枢绕组槽（1-2）交替分布，在定子（1）上设置有集中电枢绕组（2）和永磁体（3），仅一半定子齿上绕有电枢绕组线圈和贴装永磁体，即所谓的半齿绕，既节省了一半永磁体又增大了槽面积，这也是本实用新型的新颖之处。其中，永磁体（3）仅分布在一半定子齿（1-1）上，且充磁方向相同，位于定子（1）与转子（4）间的气隙处，集中电枢绕组（2）设置在放有永磁体的定子（1）的定子齿（1-1）上。该电机结构简单、坚固，且转矩输出能力和功率密度大，可靠性高。

Description

一种容错型半齿绕定子表面贴装式永磁电机技术领域

[0001] 本实用新型是一种结构简单、坚固，可靠性高、转矩输出能力较大、功率密度较高与单位磁钢出力大的电机，涉及电机制造的技术领域，且特别是一种有关于电枢绕组半齿绕的定子表面贴装式双凸极永磁电机。

背景技术

[0002] 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。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的电机类型在设计和运行过程中都会产生一系列问题，比如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，通常需要辅助的永磁体固定装置，增加了工艺与材料成本；对永磁体埋入转子铁心内部的内嵌式结构，则会影响转子的机械强度，并且需要辅助磁桥，同样会增加材料与制作工艺成本。此外，永磁体置于转子，不利于散热冷却，限制了电机的功率密度等。

[0003] 基于上述原因，研究出能够克服上述缺点的新型结构永磁电机便成为电机工作者义不容辞的一个关键任务。目前，国际上已经出现了三种定子永磁型结构的电机，即单极性的双凸极永磁电机、双极性的磁通切换永磁电机和双极性的磁通反向永磁电机。其中,磁通反向永磁电机的结构原理是在每个凸极定子齿上并排安装两块极性相反的永磁体。其目的是为了获得双极性的永磁磁链，但该结构直接导致两块磁钢和定子齿形成短路，漏磁严重，降低了单位磁钢的利用率。

[0004] 随着永磁体价格的不断上涨，节省永磁体用量，但又要保证高转矩密度、高功率密度，即单位永磁体转矩(转矩密度）大、单位永磁体功率(功率密度）大，成为电机研究者一致追求的目标。本实用新型的目的就是，提出一种新型的半齿绕定子表面贴装式双凸极永磁电机，使该电机不仅永磁体用量减少，槽面积增大，且互感减小，电机容错性加强，更为突出的是该电机单位永磁体用量所产生的转矩与功率都较大。

发明内容

[0005] 技术问题：本实用新型的目的是提出一种容错型半齿绕定子表面贴装式永磁电机，使得该电机结构简单、坚固，具有较强的转矩输出能力和较大的功率密度，更为突出的是该类型电机的单位磁钢转矩出力大，且互感减小，容错性得以提高，特别适合于作为交流调速系统的驱动元件。

[0006] 技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种半齿绕定子表面贴装式双凸极永磁电机，其包括定子和转子，转子位于定子的内部或外部。

[0007] 定子为凸极结构，设有突出于轭部以外的定子齿，定子齿之间形成电枢绕组槽，定子齿与电枢绕组槽沿圆周顺序交替分布；

[0008] 在定子的定子齿旁设置有集中电枢绕组，在定子齿的顶端设置有永磁体；[0009] 其中：永磁体相间隔的设置在定子齿上，永磁体径向充磁的方向相同，集中电枢绕组设置在定子的定子齿上；组成集中电枢绕组的每个线圈的两个圈边分别位于定子的ー个定子齿左边的电枢绕组槽和右边的电枢绕组槽中，且集中电枢绕组的线圈仅套在贴装有永磁体的一半定子齿上。

[0010] 集中电枢绕组为三相集中绕组，分别为A相集中绕组、B相集中绕组和C相集中绕组，组成该三相集中绕组的每个线圈设置在定子上，依次相隔ー个定子齿绕制，即所谓的半齿绕，该三相集中绕组结构相同；

[0011] A相集中绕组包括2个绕组线圈即第一 A相绕组线圈和第二 A相绕组线圈，且该2个绕组线圈分别设置在定子上，该2个绕组线圈径向相对，空间上相差180度，且该2个绕组线圈串联或并联组成A相集中绕组；

[0012] B相集中绕组包括2个绕组线圈即第一 B相绕组线圈和第二 B相绕组线圈，且该2个绕组线圈分别设置在定子上，该2个绕组线圈径向相对，空间上相差180度，且该2个绕组线圈可串联或并联组成B相集中绕组；B相集中绕组的2个绕组线圈分别与A相集中绕组的2个绕组线圈相隔ー个定子齿，即空间上相差720/れ度，其中ァ5为电机定子齿数；

[0013] C相集中绕组包括2个绕组线圈即第一 C相绕组线圈和第二 C相绕组线圈，且该2个绕组线圈分别设置在定子上，该2个绕组线圈径向相对，空间上相差180度，且该2个绕组线圈串联或并联组成C相集中绕组；C相集中绕组的2个绕组线圈分别与B相集中绕组的2个绕组线圈相隔ー个定子齿，即空间上相差720/れ度，其中ァ5为电机定子齿数。

[0014] 每相定子齿数/^与转子齿数/^之间相差正负2，且每相电枢绕组由2左个线圈组成,/^其中：姆相定子齿数为为电机相数,左为正整数。

[0015] 定子和转子都为双凸极结构。

[0016] 定子由导磁铁心冲片压叠而成为ー个整体，转子为凸极结构，由导磁铁心冲片压叠而成为ー个整体。

[0017] 永磁体贴装在定子齿面向定子齿与转子齿之间气隙的外表面，每隔ー个定子齿设有一块径向充磁的永磁铁和电枢绕组线圈，即仅一半的定子齿上套有电枢线圈和贴装永磁体，且定子齿上所贴永磁体充磁方向都相同。

[0018] 转子为直槽或斜槽转子。

[0019] 永磁体是铁氧体、钐钴或钕铁硼类型永磁磁钢。

[0020] 电枢绕组相数可为单相、两相或任意相数。

[0021 ] 该电机既可作发电运行，又可作电动运行。

[0022] 有益效果：由于本实用新型的电机将电枢集中绕组和永磁体设于一半定子齿上，转子仅为导磁鉄心，所以本实用新型结构非常简单而坚固，単位永磁体出力大，互感小，特别适合于高速运行，而且有利于改善该电机的冷却条件；

[0023] 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；

[0024] 由于定子电枢绕组和永磁体都置于定子，电枢绕组磁势对永磁体充磁或者去磁都很容易实行；

[0025] 由于转子结构非常简单坚固，可以根据需要方便地采用斜槽或者转子齿表面开虚拟槽的方式来改善感应电势波形和减小齿槽转矩(定位カ矩)，使得该类型电机的转矩脉动较小，特别适合于精密伺服控制领域及其它直趋式大功率驱动调速应用场合。

[0026] 由于采用半齿绕的方式，永磁体用量減少一半，同一相的槽面积増大，可以放置更多的线圈，使出力増大，同时相邻绕组间隔有不绕线圈的定子齿，使相与相之间的互感减小，容错性能得以提尚。

[0027] 由于只有一半定子齿上贴装有永磁体与套有绕组，另一半定子齿上既没有绕组又无永磁体，故这两组定子齿可以分别对待，优化各自形状和尺寸，进ー步提高电机性能。

[0028] 在本实用新型的一个实施例中，由于定转子齿槽配合为12/10，只有6个定子齿上设有绕组线圈和永磁体，保证了本实用新型电机所需永磁体用量減少一半，可获得单极性的正弦波(或线性）永磁磁链、高单位磁钢转矩密度(功率密度)、高可靠性等特性，且特殊的齿槽配合导致其定位カ矩较小，完全可以替代现在广泛应用的普通无刷交流电机，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。

[0029] 综上，该电机结构上的特点导致其具有气隙磁密较大、转矩输出能力较强、功率密度较高、单位磁钢转矩出力大、互感小、容错性高、定位カ矩较小、效率较高、生产制作エ艺简单、转子鲁棒性强等优点。

附图说明

[0030] 图I为采用本实用新型技术设计的定子12齿/转子10齿的半齿绕定子表面贴装式双凸极永磁电机组成图；

[0031] 其中有：定子1，集中电枢绕组2，永磁体3，转子4，

[0032] 定子齿1-1，电枢绕组槽1-2 ；

[0033] A相第一绕组线圈Al，A相第二绕组线圈A2 ；B相第一绕组线圈BI，B相第二绕组线圈B2 ;C相第一绕组线圈Cl，C相第二绕组线圈C2 ；

[0034] 图2为采用半齿绕的定子表面贴装式电机的三相绕组间的磁链关系；

[0035] 图3为采用半齿绕的定子表面贴装式电机的三相绕组间的感应电势关系；

[0036] 图4为采用半齿绕的定子表面贴装式电机在电流密度为5A/mm2下的输出转矩；

[0037] 图5为采用半齿绕的定子表面贴装式电机在电流密度为5A/mm2下的自感和互感仿真分析結果。

具体实施方式

[0038] 下面将參照附图对本实用新型进行说明。

[0039] 參见图1，本实用新型的一种容错型半齿绕定子表面贴装式永磁电机，其包括定子I和转子4，转子4位于定子I的内部或外部。

[0040] 定子I为凸极结构，设有突出于轭部以外的定子齿1-1，定子齿之间形成电枢绕组槽1-2，定子齿1-1与电枢绕组槽1-2交替分布，

[0041] 在定子I上设直有集中电枢绕组2和永磁体3 ;其中：

[0042] 永磁体3设置在一半定子齿1-1上，且位于定子I与转子4间的气隙处，集中电枢绕组2设置在贴有永磁体的一半定子齿1-1上；组成集中电枢绕组2的每个线圈的两个圈边分别位于定子I的电枢绕组槽1-2中。

[0043] 集中电枢绕组2为三相集中绕组，分别为A相集中绕组、B相集中绕组和C相集中绕组，且组成该三相集中绕组的电枢线圈设置在定子I上，依次相隔ー个定子齿绕制，即所谓的半齿绕，该三相集中绕组结构相同；

[0044] A相集中绕组包括2个绕组线圈即第一 A相绕组线圈Al和第二 A相绕组线圈A2，且该2个绕组线圈分别设置在定子I上，该2个绕组线圈径向相対，空间上相差180度，且该2个绕组线圈串联或并联组成A相集中绕组；

[0045] B相集中绕组包括 2个绕组线圈即第一 B相绕组线圈BI和第二 B相绕组线圈(B2)，且该2个绕组线圈分别设置在定子I上，该2个绕组线圈径向相对，空间上相差180度，且该2个绕组线圈可串联或并联组成B相集中绕组；B相集中绕组的2个绕组线圈分别与A相集中绕组的2个绕组线圈相隔ー个定子齿，即空间上相差720/れ度，其中:/^为电机定子齿数；

[0046] C相集中绕组包括2个绕组线圈即第一 C相绕组线圈Cl和第二 C相绕组线圈C2，且该2个绕组线圈分别设置在定子I上，该2个绕组线圈径向相対，空间上相差180度，且该2个绕组线圈串联或并联组成C相集中绕组；C相集中绕组的2个绕组线圈分别与B相集中绕组的2个绕组线圈相隔ー个定子齿，即空间上相差720/へ度，其中ア5为电机定子齿数。

[0047] 定子I齿数/^与转子4齿数/^之间相差正负2，且每相电枢绕组由狄个线圈组成,/^其中：定子I齿数为为电机相数,左为正整数。

[0048] 定子I和转子4都为双凸极结构。

[0049] 定子I由导磁铁心冲片压叠而成为ー个整体，转子4为凸极结构，由导磁铁心冲片压叠而成为ー个整体。

[0050] 永磁体3贴装在定子齿面向定子齿与转子齿之间气隙的外表面，一半的定子齿上贴装有径向充磁的永磁铁，且定子齿上所贴永磁体充磁方向相同。

[0051 ] 转子4为直槽或斜槽转子。

[0052] 永磁体3是铁氧体、钐钴或钕铁硼等其它类型永磁磁钢。

[0053] 本实用新型的半齿绕定子表面贴装式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。定子和转子都为双凸极结构，定子凸极齿数/^和转子凸极齿数/^有多种配合，电机相数《可以为单相、两相、三相及多相；在一半的定子齿上设置有永磁体与集中式电枢线圈；其中，任何一相的电枢绕组由2ki.Ps/2/m)个线圈组成，m相线圈依次相隔ー个定子齿套在定子齿上。每个定子槽中放置有分属于同一相的线圈圈边；属于同相的2k i.Ps/2/m=2k,k为正整数)个线圈可以根据需要串联/并联/混联连接；在一半定子齿面向气隙的外表面上贴有永磁体，永磁体材料可以是铁氧体、衫钴或者钕铁硼，永磁体充磁方向均为径向充磁，へ/2个定子齿下的/^/2块永磁体磁性相同。由于该结构只有一半的定子齿上绕有电枢绕组，且永磁体贴装在定子齿表面，因此将其定名为“半齿绕定子表面贴装式永磁电机”;转子部分结构非常简单，既无永磁体也无绕组，由简单的导磁铁心冲片压叠而成，转子齿数/^与定子齿数/^相差正负2。考虑到磁场频率对转子铁耗的影响，一般可取/^=/^-2。本实用新型的定子表面贴装式双凸极永磁电机以一台相数®=3、定子齿数/^=12、转子齿数/^=10、每相绕组由^/2/^=12/2/3=2个集中线圈组成的样机为例。该类型电机既可作电动运行，又可作发电运行。

[0054] 如图I所示，本实用新型的定子12齿/转子10齿的定子表面贴装式双凸极永磁电机包括定子铁心I和转子铁心4，转子4位于定子I的内部或外部，定子I和转子4都为双凸极结构，在定子I上设置有三相集中绕组2和6块永磁体3，永磁体充磁方向一致。

[0055] 集中绕组2的A相线圈绕组即第一 A相绕组线圈Al和第二 A相绕组线圈A2径向相对；每个绕组线圈套于定子I中的凸极槽中，且上述两线圈可串联或并联组成A相绕组。

[0056] 集中绕组2的B相线圈绕组即第一 B相绕组线圈BI和第二 B相绕组线圈B2径向相对；每个绕组线圈套于定子I中的凸极槽中，且上述两线圈可串联或并联组成B相绕组。

[0057] 集中绕组2的C相线圈绕组即第一 C相绕组线圈Cl和第二 C相绕组线圈C2径向相対；每个绕组线圈套于定子I中的凸极槽中，且上述两线圈可串联或并联组成C相绕组。

[0058] 以第一 A相绕组线圈Al所在定子极中心线为參考标准，定义转子位置角为ん，则当转子槽中心线与定子极中心线重合时，转子位置角为0°。在转子旋转ー个电周期（360°/巧，在本例中为36°)过程中，电机产生的磁链、感应电势、电磁转矩、电感特性分别作图如下：·

[0059] 图2为半齿绕定子表面贴装式电机的三相永磁磁链。其中ABC三相都是由各自的两个线圈串联组成。从图中看出，三相永磁磁链都为单极性，三相对称，依次相差机械角12°，即电角度120°。

[0060] 图3为半齿绕定子表面贴装式电机的三相空载感应电势。从图看出，三相感应电势基本上对称，可根据空载电势波形施加电流，制定合适的控制策略。

[0061] 图4为半齿绕定子表面贴装式电机，施加正弦电流密度下的平均输出转矩情況。从图看出，半齿绕永磁体用量減少一半，转矩出力较大，并没有相应的減少一半。半齿绕绕组相比全齿绕绕组的电机在永磁体用量减少50%的条件下，转矩出力只减少28. 88%，即单位磁钢转矩出力増大。

[0062] 图5为半齿绕定子表面贴装式电机，在电流密度为5A/mm2三相单匝自感和互感情况。从图看出，相比自感，半齿绕电机的三相互感非常小，使该电机容错性能得以加強。

Claims

1. 一种容错型半齿绕定子表面贴装式永磁电机，包括定子（I)和转子（4)，转子（4)位于定子（I)的内部或外部，其特征在于：定子（I)为凸极结构，设有突出于轭部以外的定子齿（1-1)，定子齿之间形成电枢绕组槽（1-2)，定子齿（1-1)与电枢绕组槽（1-2)沿圆周顺序交替分布；在定子（I)的定子齿旁设置有集中电枢绕组（2)，在定子齿的顶端设置有永磁体（3)；其中：永磁体（3)相间隔的设置在定子齿（1-1)上,永磁体（3)径向充磁的方向相同,集中电枢绕组（2)设置在定子（I)的定子齿（1-1)上；组成集中电枢绕组（2)的每个线圈的两个圈边分别位于定子（I)的ー个定子齿（1-1)左边的电枢绕组槽（1-2)和右边的电枢绕组槽（1-2)中，且集中电枢绕组（2)的线圈仅套在贴装有永磁体（3)的一半定子齿（1-1)上。

2.根据权利要求I所述的ー种容错型半齿绕定子表面贴装式永磁电机，其特征在干，集中电枢绕组（2 )为三相集中绕组，分别为A相集中绕组、B相集中绕组和C相集中绕组，组成该三相集中绕组的每个线圈设置在定子（I)上，依次相隔ー个定子齿（1-1)绕制，即所谓的半齿绕，该三相集中绕组结构相同；A相集中绕组包括2个绕组线圈即第一 A相绕组线圈（Al)和第二 A相绕组线圈（A2)，且该2个绕组线圈分别设置在定子（I)上，该2个绕组线圈径向相对，空间上相差180度，且该2个绕组线圈串联或并联组成A相集中绕组；B相集中绕组包括2个绕组线圈即第一 B相绕组线圈（BI)和第二 B相绕组线圈（B2)，且该2个绕组线圈分别设置在定子（I)上，该2个绕组线圈径向相対，空间上相差180度，且该2个绕组线圈可串联或并联组成B相集中绕组；B相集中绕组的2个绕组线圈分别与 A相集中绕组的2个绕组线圈相隔ー个定子齿，即空间上相差720/れ度，其中ア5为电机定子齿数；C相集中绕组包括2个绕组线圈即第一 C相绕组线圈（Cl)和第二 C相绕组线圈（C2)，且该2个绕组线圈分别设置在定子（I)上，该2个绕组线圈径向相対，空间上相差180度，且该2个绕组线圈串联或并联组成C相集中绕组；C相集中绕组的2个绕组线圈分别与B相集中绕组的2个绕组线圈相隔ー个定子齿，即空间上相差720/へ度，其中ア5为电机定子齿数。

3.根据权利要求I所述的ー种容错型半齿绕定子表面贴装式永磁电机，其特征在干，每相定子（I)齿数/^与转子（4)齿数/^之间相差正负2，且每相电枢绕组由狄个线圈组成,/^其中：録相定子（I)齿数为为电机相数，左为正整数。

4.根据权利要求I所述的ー种容错型半齿绕定子表面贴装式永磁电机，其特征在干，定子（I)和转子（4)都为双凸极结构。

5.根据权利要求I所述的ー种容错型半齿绕定子表面贴装式永磁电机，其特征在干，定子（I)由导磁铁心冲片压叠而成为ー个整体，转子（4)为凸极结构，由导磁铁心冲片压叠而成为ー个整体。

6.根据权利要求I所述的ー种容错型半齿绕定子表面贴装式永磁电机，其特征在干，转子（4)为直槽或斜槽转子。

7.根据权利要求I所述的ー种容错型半齿绕定子表面贴装式永磁电机，其特征在干，永磁体（3 )是铁氧体、钐钴或钕铁硼类型永磁磁钢。

8.根据权利要求I所述的ー种容错型半齿绕定子表面贴装式永磁电机，其特征在干，电枢绕阻（20)相数可为单相，两相或任意相数。