CN209313672U - 一种气隙单极励磁磁势同步电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种气隙单极励磁磁势同步电机，由定子组件、转子或动子组件、机壳组件构成，在定子磁路上装有励磁元件，励磁磁源是径向励磁，励磁元件所形成的励磁磁场是同极性径向辐射磁场，径向励磁磁场的磁力线同一极性垂直于轴线方向辐射穿过电机气隙，定子铁芯外壳是导磁体。本实用新型具有力能指标优，适应多种工况，应用广泛的特点。

Description

一种气隙单极励磁磁势同步电机

技术领域

本发明属于机电领域，具体涉及同步电机。

背景技术

当今在电机领域，高速化、低速化、高性能、低成本是人们努力的方向。同步电机，特别是永磁同步电机结构简单、体积小、损耗小、效率高，以及带励磁元件的同步电机既可做发电机也可做电动机使用

等特点，使其得到了广泛的应用。交流同步电机和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷，无需直流电源。它和异步电机相比，由于不需要无功励磁电流，同步运行时无转差率，因而效率高，功率因数高。但它和异步电机相比也有成本高、起动困难等特点。

1、普通转速同步电机

现有普通转速同步电机，在工频情况下，常用的转速范围在750-3000转/分。无论发电机还是电动机其励磁元件一般都在转子上，气隙磁势是异极性的。也有些特种同步电机的励磁元件装在定子上，其励磁元件无论是径向还是切向安装，一般其气隙励磁磁势也是异极性的，对于径向磁化串联励磁绕组在定子铁芯上，励磁磁通回路是：A励磁磁势源→定子铁芯→气隙→转子铁芯→气隙→定子铁芯→B励磁磁势源→定子铁芯磁轭→A励磁磁势源回路上。每根励磁磁力线要经过气隙和励磁元件两次，磁势消耗较大或利用率较低。对此，1999年7月国防工业出版社出版的李钟明、刘卫国著的【稀土永磁电机】32-39页进行了论述。有一种同极性感应子特种电机，其励磁元件是安在定子两端盖内侧的凸缘上，可实现气隙磁势同极性，但它属于轴向励磁，轴向励磁占用轴向空间大，使电机轴向尺寸增长。同步电动机可以用来拖动功率较大，转速不要求调节的生产机械，或者要求恒定转速运行的负载。同步永磁电机结构简单，体积小，重量轻，效率高，功率因数高。但普通同步电机存在着起动困难，成本高等不足。

2、高速同步电机

高速电机一般指10000转/分以上的电机，主要应用于高速机床，空气循环制冷系统，储能飞轮，燃料电池，高速离心压缩机，高速破碎机，分布式燃气轮机高速发电系统等领域，有着广泛的应用前景。但在现有常用高速电机中普遍存在的难题：一是转子系统动力学问题，即转子旋转时，转子质量中心与回转中心的偏差消除问题；二是轴的支撑摩擦损耗问题；三是散热冷却问题等。对于不同原理和结构的高速电机还存在着不同的优缺点。

（1）在现有永磁高速同步电动机方面，由于其功率密度高；效率高；功率因数高而得到广泛应用。但励磁永磁体都安装在转子上，在高速运行时，一是离心力极大，在超过一定转速时，很难承受离心力的作用。如果加保护套，又会出现增大气隙磁阻，降低电机性能问题。二是永磁体安装在转子上会增加转子的转动惯量，不利于电机的起动和运行。三是转子散热条件差，温度高，转子上的永磁体易出现退磁现象。也有些特种高速同步电机的励磁元件装在定子上，其励磁元件无论是径向还是切向安装，一般其气隙磁势也是异极性的；【水电能源科学】2008年8月第26卷第4期发表的“同性极式感应子电机电感计算”的文章中，表述了一种同极性高速感应子电机，其励磁元件是安在定子上，气隙磁势是同极性，但它采取的是轴向励磁。轴向励磁的缺点是电机轴向尺寸长，材料利用率低；当定子铁芯采用矽钢片叠置时，磁场沿定子矽钢片横向穿过，电磁损耗大。

(2)在现有高速开关磁阻电动机方面，由于其转子结构简单；坚固耐用；效率居中；成本低廉以及耐高温等优点备受瞩目。但开关磁阻高速电动机也存在一些不足之处，一是由于这种电动机没有励磁磁场，其功率密度较低，效率较低。二是转矩波动和转子机械振动大。三是转子风摩耗大。四是需要精确的转子位置信号对转矩和电流进行控制，控制系统复杂。

(3）在现有高速感应电动机方面，由于转子结构简单；功率密度居中，转子耐高温；成本低；实心转子可承受大的离心力等优点而得到应用。但存在转子损耗大，效率低；功率因数较低；实心转子涡流损耗大等问题。

3、低速同步电机

低速同步电机一般指在工频情况下，转速范围在几十转/分-几百转/分。由于可去掉减速箱实现直驱，因此，在许多需要低转速、大力矩的传动系统中得到应用。在许多领域，直线电机也要求是低速、大推力运行。螺旋电机，由于可实现双自由度运行，在需要低速、大扭矩时，低速螺旋电机可使传动和控制系统简化，节省空间，减少投资成本。

（1）现有多极异步、多极同步电机可以实现一定的低速范围，但太低的速度由于受结构和工艺条件的限制，几乎无法实现。同时，极对数的增加，电机的利用程度也随着降低，体积和重量显著增加，力能指标变坏。

（2）一般的直流电机，也有很好的调速特性和力能指标，但是在低速时往往出现力矩波动和转速波动问题，直流电机换向火花存在干扰问题，特别是需要直流电源，使得使用受到限制。

（3）为了直接得到低速、大转矩，已研制出了低速同步电动机中，比较常见的有电磁减速（低速）电动机，滚切式电动机和谐波电动机。后面两种低速电动机力能指标很低、工艺相对复杂。在目前各种低速电动机中，使用比较广泛的是轴向励磁的减速电动机和反应式减速电动机，但反应式减速电动机的力能指标较低。1982年机械工业出版社出版，励鹤鸣、励庆孚编著的【电磁减速式电动机】第1-6页中进行了详细阐述。

轴向励磁的低速电动机具有以下优点:1）没有高速转动和容易磨损的部件，对润滑要求很低，因此，运转平稳，噪声低，工作可靠，使用寿命长，不需维护，尤其适合某些特殊条件下使用；2）起动、反转以及不同负载时的输入电流变化不大，对电源要求低，可以在频繁的起动、停止和反转的条件下工作，长期堵转也不会烧坏；3）起动、停止和反转的时间非常短，一般在10-50毫秒以内，因此，可以作为伺服电动机使用；4）即使在定子绕组不通电的情况下，也能产生一定的自锁转矩；5）配以适当的脉冲电源可作为步进电动机（位置、角度等，构成廉价的开环伺服系统）使用；6）瞬时转速稳定度高；6）可多台电机在同一电源频率下准确同步运行；7）配用变频器可实现交流无级调速（恒转矩频带5赫兹-3/5/8倍工频，恒转矩速比达到100倍）；8）额定频率以下恒转矩运行，此时功率可变化；10）额定频率以上恒功率运行，此时转矩可变化；11）可通过调整功率、电流、转矩使设备更节能；12）可适用单相、多相电源等。

轴向励磁的低速电动机也存在以下不足:1）相比普通永磁同步电机，由于轴向励磁低速电机采用的是转子或定子轴向励磁结构，使其轴向尺寸较长，同时造成轴向材料的有效利用率低，难以做成大功率低速电机。2）由于轴向励磁电机的转差率接近1，转子损耗大，以及电磁减速式电动机是基于利用气隙磁导分布不均匀作为工作原理，对磁通分布产生影响，会存在电枢反应附加单极反磁势，因此，在同样大小的励磁磁势条件下，轴向励磁电机的效率低于普通永磁同步电机。上述【电磁减速式电动机】第6-7页,23页，68-75页进行了相关说明。

为了解决能够制造大功率电机问题，人们在一个端盖内侧的一个突缘或两个端盖的两个内侧突缘上装有环形的轴向励磁绕组或等效永磁体；这种电机，每根磁力线只经过励磁磁势源和主气隙一次，可以得到较大的转矩。但是，励磁磁通要经过端盖突缘和转子轴套之间的附加气隙，因此，要加大励磁磁势，同时轴向长度也要增加。尽管励磁绕组装在两端盖内侧端部的方式可以对气隙形成单极磁势，但仍属于轴向励磁。

另一种方式是，将环形励磁元件装于两段定子铁芯之间，同时转子铁芯也分成两段，相互之间错移半个转子齿距。这种模式，每根磁力线要经过两次主气隙，需要较大励磁磁势。由于转子在不同轴向位置其受力不同，这种结构无法用于演变成直线电机或螺旋电机，上述【电磁减速式电动机】第26-27页进行了相关说明。

为了解决上述问题，专利号CN01118911.8公开了一种双极性低速永磁同步电动机，其励磁元件永久磁钢安装在定子上，永久磁钢的极性排列在定子、转子铁芯中形成双极性磁场，经过气隙的励磁磁场也是双极性的。转子上无励磁元件，转动惯量小，可制造成大功率电机。但这种电机的切向励磁方式，永久磁钢所在位置对于局部定子主绕组磁回路会产生阻碍作用；这种电机的径向励磁方式，在反极性排列的两块相邻的永久磁钢之间会产生较大漏磁通，如果设置隔磁槽，则增加电枢绕组磁回路的磁阻。

4、直线电机

工业自动化的发展，越来越多的场所采用直线电机直接驱动相关装置运行。现有各种直线电机都是基于现有各种电磁机械的磁路和电路演变而来的。使用较多的种类是将各种旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而来。直线电机的定子转子可以相互转换。

5、螺旋电机

当今在机械运动和控制领域，随着运动形式的多样化和控制要求的提高，对多自由度电机及其直接驱动系统的需求日益增加，作为一类两自由度的螺旋电机，当对不同方向进行约束或解除约束时，能够输出旋转、直线和螺旋运动，能够减少系统部件、提高效率、可靠性和动态性能，并且降低了制造和维护费用，获得了国内外的广泛重视，在螺旋压力机，螺旋钻机、螺旋钻床,车削设备，螺旋升降机、螺旋搅拌机、步进控制、电磁螺旋推进器，代替气动缸液压缸等方面有着广泛的应用前景。

现有各种螺旋电机都是基于现有各种旋转电机、直线电机和电磁机构演变而来的。本发明人申请的专利号201721660566.2和201720402884.2的“一种螺旋电机”，也是基于现有气隙多极励磁磁势或轴向励磁气隙单极励磁磁势的各种旋转电机演变而成的。

6、磁悬浮轴承

磁悬浮轴承是利用安装在转轴与机架之间的独立的磁悬浮装置产生的径向悬浮力或轴向悬浮力支撑转子，将其悬浮于空中，以避免定子部件与转子部件间的直接接触，相比于气悬浮或液悬浮轴承其具有一定优越性。但与此同时，磁悬浮轴承也带来了新的问题，比如其占据的轴向长度较长、结构及控制相对复杂，成本较高等，使得磁悬浮轴承支撑难以更广泛的应用。

7、自轴承电动机

自轴承电动机又称无轴承电动机，因为电动机自身有了轴承的支撑功能而得名。自轴承电机属于磁悬浮电机的一种特殊形式。自轴承电动机的种类很多，国内近几年研究比较多的是无轴承磁阻电机。它是在磁阻电机的定子槽内嵌套2套绕组（转矩绕组与径向悬浮力绕组），其中一套绕组的极对数为P，另一套绕组的极对数为P±1,利用这两套绕组之间的相互作用获得所需要的径向悬浮力。无轴承磁阻电机分为无轴承同步磁阻电机和无轴承开关磁阻电机。无轴承磁阻电机同时继承了磁阻电机坚固可靠，成本低廉，转矩密度高的优点，突破了机械轴承的限制，可达到更高的转速，适用于多种复杂的工况条件。但这些电机都是基于异极性气隙励磁磁场的结构，使得控制较为复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：寻求一种结构更简单、制造和维护更容易、效率更高的同步电机。在创新基本结构相同的条件下，针对不同电机特点，采取各种有针对性的或综合性的技术方案，使之能够适用于普通转速的同步电机、高转速同步电机、低转速同步电机，适应于旋转电机、直线电机、螺旋电机，适应于内转子电机、外转子电机，适应于小功率、大功率，适应于发电机、电动机。这是本发明的主要目的。

为达到上述目的和解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：

一种气隙单极励磁磁势同步电机，由定子组件、转子或动子组件、机壳组件构成，定子组件与转子之间留有气隙，所述电机是电动机或发电机，所述电机是内转子电机或外转子电机，所述电机是同步磁阻电机或开关磁阻电机或感应子电机，所述电机是旋转电机或直线电机或步进电机或螺旋电机，所述直线电机是定子与动子是可以互换的电机，所述定子组件包括定子铁芯及其磁极、磁轭，定子主绕组、定子励磁元件，所述电机定子主绕组采用的是单相或多相交变电源，所述定子励磁元件是永磁体或电励磁绕组，励磁元件是由多个励磁单元拼组而成或由一个整体永磁励磁元件构成，所述转子组件包括转子铁芯及其磁极、磁轭和转子轴、轴承，所述机壳包括定子铁芯外壳、左端盖或上端盖、右端盖或下端盖，所述转子轴是由导磁体或非导磁体制成的空心轴或实心轴，其特征在于：所述定子磁路上的励磁元件，其各励磁磁源的磁极的磁力线在对应于电机气隙的方向上是同极性径向励磁，各励磁元件所形成的励磁磁场是同极性径向辐射磁场，径向励磁磁场的磁力线同一极性垂直于电机轴线方向辐射穿过电机气隙，所述定子铁芯外壳是导磁体，励磁磁通经过定子铁芯外壳。

该技术方案的技术特征表现在所述同步电机同时具有：1）励磁绕组安放位置在定子上；2）励磁元件的磁极的磁力线在对应于电机气隙的方向上是径向辐射，3）气隙励磁磁场是同极性（单极性）。正是由于励磁元件安放的位置、励磁方向、励磁磁场极性同时与现有同步电机不同，使得励磁磁通路径不同，以此可以实现各种新的技术方案，从而使得电机的技术性能指标和经济运行指标产生不同的结果。

所谓轴向励磁是指每件励磁磁势源的磁极中心线是按照电机轴向或与电机轴向平行放置；所谓径向励磁是指每件励磁磁势源的磁极中心线是按照电机径向或与电机径向平行放置。

所述单极磁势是指励磁磁力线通过某一空间或物体是同一极性、同一方向。单极又称同极，单极性又称同极性或同性极。

所述单极性辐射磁场是指励磁单极性磁力线束在某一空间截面同向集聚或同向发散或同向平行通过。例如：磁力线沿某一圆形截面向圆心方向集聚或从内圆沿径向向外圆发散。再如：磁力线同极性穿过一矩形截面气隙或螺旋截面气隙等。

该方案中采用安装在定子上的各励磁元件，形成气隙的径向、单极性、辐射磁场，有以下优点：1）单极性磁场可使气隙磁场更均匀；避免两极性或多极性磁场时存在的气隙极间漏磁。2）径向辐射励磁可以产生聚磁效果，减少励磁磁势供给。3）转子上无励磁元件，有利于减轻转子重量，减小转动惯量。4）消除了双极性或多极性磁势在转子旋转时，磁通对转子铁芯反复磁化的现象，使得转子中的磁滞损耗、涡流损耗大大减小。5）单极性磁势可减小对于那些带有齿槽或凸极的非均匀转子容易产生的附加波动力。6）励磁磁通经过定子铁芯外壳导磁体，避免了磁力线垂直穿过定子矽钢片平面，消除了磁力线垂直经过定子铁芯磁钢片平面时存在的附加气隙的磁阻，减少了磁势损耗，降低定子铁耗。7）每根磁力线只经过励磁磁势源和主气隙一次，可减少磁势供给或提高磁势的有效利用率。8）励磁绕组安装在定子上时，可大大减小电机轴向尺寸，提高材料利用率。9）励磁绕组安装在定子上，方便冷却散热等。以上这些优点，可大大提高电机的力能指标，可制造成大功率电机。

该方案中，当转子轴采用导磁材料时，转子铁芯可采用与转子轴相同的材料等同替代，转轴与转子铁芯可一体化。

该方案中，当励磁元件采用多件分散拼组而成时，两件励磁元件两侧之间应留有空气隙或填充非导磁材料，防止励磁元件自漏磁。

该方案中，当采用多件励磁元件分散布置时，可调整励磁元件中心线与定子主绕组中心线之间的相对位置，取得最小的电枢反应。或在两件励磁元件的空气隙间加装辅助磁极，改善电机性能。

该方案中，所述励磁元件可以是永磁体，也可以是电励磁绕组，采用电励磁绕组时，励磁绕组内空间设有与定子铁芯一体的导磁极。

该方案中，当转轴采用空心轴时，可减小转子转动惯量，特别在高速电机中有利于起动、运行。

该方案中，采用空心轴时，空心轴能可装有滚珠丝杠或在空心轴内壁上加工螺旋槽，其内可装有螺杆，螺杆可输出直线或螺旋运动。

该方案中，当励磁元件与主绕组在定子内不同直径范围布置时，励磁磁路的路径与定子主绕组磁路的路径不同，励磁磁路要经过定子铁芯外壳，定子主绕组磁路不经过定子铁芯外壳。当励磁元件与主绕组在定子内同一直径范围布置时，励磁磁路的路径与定子主绕组磁路的路径相同，两者磁路都经过定子铁芯外壳。

该方案中，定子、转子铁芯结构包括凸极式、隐极式或混合式等。

该方案中，转子铁芯可以是径向叠片式，也可以是冲片轴向叠压式。

该方案中，为了改善起动性能，可以采取已有的提高同步电机起动能力的各种成熟技术方案，例如：在转子铁芯中装置鼠笼起动绕组等。

该方案中，磁路中加入励磁元件，建立励磁磁场，对于发电机是必须的；对于电动机而言，励磁磁场会提高对外部磁场（如电压波动）的干扰能力，提高电机的工作稳定性；励磁磁场提供了较高的磁场工作范围，对于电机的控制更容易，过载能力更强。

该方案中，为了解决高速电机的离心力问题，现有成熟的相关技术方案均可采用。

该方案中，为了解决散热冷却问题，现有成熟的相关技术方案均可采用。

上述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，可供选择的技术方案是，所述在定子磁路上装有励磁元件，各励磁磁源的磁极的磁力线在对应于电机气隙的方向上是同极性径向励磁，是指各励磁元件安装在定子铁芯外壳内侧与定子铁芯磁轭之间的磁路上，各励磁元件产生的磁极的同一极性的磁场磁力线垂直于轴线方向辐射穿过电机气隙。所述机壳的定子铁芯外壳和两端端盖均是导磁体，励磁磁通经过定子铁芯外壳和两端端盖，左右端盖有一部分旋转截面面积与转子铁芯或导磁轴滑动接触配合，构成磁路的一部分。各磁回路导磁体的截面面积大小应保证其磁场不会过度饱和。

该方案中，对于旋转电机的励磁磁路是：励磁元件→定子铁芯外壳→两侧端盖→两侧端盖与两侧导磁轴间或与两侧转子铁芯外表面间的附加气隙→两侧导磁轴或两侧转子铁芯→两侧工作主气隙→两侧定子铁芯→定子磁轭→励磁元件。每根励磁磁力线只经过工作主气隙和磁势源一次，有利于减少磁势供给或提高磁势有效利用率。定子主绕组的磁场磁路与普通电机一样，是在定子铁芯→工作主气隙→转子铁芯→工作主气隙→定子铁芯的磁回路上。

该方案中，励磁回路经过定子铁芯外壳是导磁体，避免了磁力线垂直穿过定子矽钢片平面，消除了磁力线垂直经过定子铁芯磁钢片平面时存在的附加气隙磁阻，减少了气隙磁势损耗，降低了定子铁耗。其它种类的与此相关的气隙单极励磁磁势同步电机的磁路与上述类同。

上述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，可供选择的技术方案是，所述在定子磁路上装有励磁元件，各励磁磁源的磁极的磁力线在对应于电机气隙的方向上是同极性径向励磁，是指各励磁元件安装在定子铁芯外壳两侧边端部与转子铁芯或导磁性轴之间的磁路上，各励磁元件产生的磁极的同一极性的磁场磁力线垂直于轴线方向辐射穿过电机气隙和导磁性轴隙，励磁元件的两个磁极端分别带有内、外极靴，定子铁芯外壳是导磁体，励磁磁通经过定子铁芯外壳，左右端盖或上下端盖是非导磁体。内极靴旋转截面与转子铁芯或导磁轴滑动接触配合，构成磁路的一部分。各磁回路导磁体的截面面积大小应保证其磁场不会过度饱和。

该方案中，对于旋转电机的励磁磁路是：电机两侧励磁元件→两侧励磁元件外极靴→定子铁芯外壳→定子铁芯→工作主气隙→转子铁芯或导磁轴→转子铁芯外表面或导磁轴与两侧励磁元件内极靴或轴套间的附加气隙→两侧内极靴→两侧励磁元件。每根励磁磁通磁力线只经过工作主气隙和磁势源一次，有利于减少磁势供给或提高磁势利用率。定子主绕组的磁场磁路与普通电机一样，是在定子铁芯→工作主气隙→转子铁芯→工作主气隙→定子铁芯的磁回路上。其它种类的与此相关的气隙单极励磁磁势同步电机的磁路与上述类同。

上述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，改进的技术方案是，在励磁磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体。铁磁流体具有铁磁材料和流体的共同特性，是超顺磁性流体材料，磁化率远超一般顺磁材料。铁磁流体填入气隙中，一方面具有减低磁阻，减少磁势供给作用，另一方面具有润滑和密封作用。

上述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，可供选择的技术方案是，所述电机是一种同步磁阻式电机，定、转子是凸极式或隐极式或混合极式，转子磁极内装有鼠笼起动绕组。该方案中，转子结构包括外反应式、内反应式、内外反应式等。该方案中，在励磁磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体。定子主绕组接入高频电源时，可用于高速电机。

上述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，可供选择的技术方案是，所述电机是一种开关磁阻式电机，定、转子是凸极式或隐极式或混合式，定子绕组接入交变开关电源。该方案中，转子结构包括外反应式、内反应式、内外反应式等。该方案中，在励磁磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体，可用于高速电机。

上述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，可供选择的技术方案是，所述电机是一种电磁减速式电动机，定、转子是隐极或混合式，定、转子铁芯上都开有槽，并且定、转子开口槽数满足以下关系：转子开口槽数=定子开口槽数±定子绕组极对数，或转子开口槽数=定子开口槽数±气隙磁导波最大出现次数。该方案中，由于电磁减速式电机的转差率较高，其转子磁路材料可采用高磁导率、高电阻率的材料，例如，采用非晶铁磁材料，以降低转子涡流损耗。

上述的一种气隙单极励磁磁势电磁减速式同步电机，改进的技术方案是，在励磁磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体，在工作主气隙对应的的定子、转子齿槽内用非导磁材料填充满。该方案中，铁磁流体填入气隙中，一方面具有减低磁阻，减少磁势供给作用，另一方面具有润滑和密封作用。

上述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，可供选择的技术方案是，所述电机是一种直线电动机，所述直线电动机是单面或双面定子直线电动机。旋转形式的同步磁阻电机、开关磁阻电机、低速电机等都可以演变成直线电机。

上述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，可供选择及改进的技术方案是， 所述电机是一种磁悬浮电机，电机定子铁芯中装有径向磁悬浮力绕组或悬浮永磁体，径向悬浮绕组可以通入交流电或直流电；或电机上半圆的励磁元件的励磁强度高于下半圆的励磁元件的励磁强度，此时，励磁绕组与悬浮绕组可以是同一套绕组，分别控制各绕组的电力参数。也可以由永磁励磁与悬浮绕组联合悬浮控制。当悬浮磁场也采用单极性悬浮磁场，且悬浮绕组磁路磁路与励磁磁路相同时，其控制系统更简单。

该方案中，也可以是径向悬浮绕组与永磁励磁绕组联合控制的转子悬浮电机。对于均匀对称隐极转子且卧式放置的气隙单极励磁磁势同步电机，电机上半圆的励磁元件的励磁强度高于下半圆的励磁元件的励磁强度，实现径向悬浮控制更容易。该方案中，也可以同时在转子上装有轴向悬浮力装置。

该方案中，还可以在励磁磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体。该方案适用于开关磁阻电机，也适用于同步磁阻电机，特别适用于高速电机。

该方案的磁悬浮电机的转子采用高强磁性材料或进行加强保护后，可作为储能、释能电机使用，当定子主绕组输入交变电流时，电机作为电动机运行，转子储存能量。当定子主绕组断开电源并接入负载时，电机作为发电机运行，电机输出电能。该电机作为储能、释能电机时，电机的两个轴端可加装排斥式轴向推力磁性悬浮轴承，轴向推力磁性悬浮轴承与主磁路要进行磁隔离；整个电机壳体可进行密封处理，壳体内可抽成真空。

该方案中，当去掉定子主绕组时，电机可作为磁悬浮轴承使用。

上述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，可供选择及改进的技术方案是，所述电机是一种同步磁阻式磁悬浮电机，电机定子铁芯中装有径向磁悬浮力绕组或悬浮永磁体或电机上半圆的励磁元件的励磁强度高于下半圆的励磁元件的励磁强度。该方案中，也可以是径向悬浮绕组与永磁励磁绕组联合控制的转子悬浮电机。单极性励磁磁场和采用单极性悬浮磁场使控制系统更简单。该方案中，还可以在励磁磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体。

上述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，可供选择及改进的技术方案是， 所述电机是一种开关磁阻磁悬浮电机，电机定子铁芯中装有径向磁悬浮力绕组或悬浮永磁体或电机上半圆的励磁元件的励磁强度高于下半圆的励磁元件的励磁强度。该方案中，也可以是径向悬浮绕组与永磁励磁绕组联合控制的转子悬浮电机。该方案中在励磁磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体。

上述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，可供选择的技术方案是， 所述电机是螺旋电机，所述螺旋电机是由上述各种旋转电机演变而成，所述轴承是双自由度轴承，双自由度轴承套装在转子轴外或套装在转子铁芯外。套装在转子铁芯外，当转子铁芯是凸极或磁极上存在齿槽时，其转子铁芯的凹处或磁极的齿槽内要填装非磁性耐磨材料。作为螺旋电机，所述定子与动子（转子）磁极、定子绕组分别以定子与动子之间气隙的中径为基准，都按顺时针或都按逆时针方向绕其轴线扭转成一个螺旋升角大小基本相同的角度，螺旋升角为正负5°—85°，形成定子磁极和动子磁极、主绕组、起动绕组的螺旋布置，定子磁极与动子磁极之间的斜角度或螺旋升角大小相差不超过正负5°，具体一种电机螺旋升角大小的选择依据所需要的轴向推力和扭力大小比例等因素确定；电机定子或动子长度依照是内动子还是外动子模式、长动子还是短动子模式及需要的轴向行程而定，在约束动子的轴向位移条件下，动子可依据电流方向，在圆周方向上做360°范围的连续正反向旋转，同时产生推力；在约束旋转方向位移条件下，动子可依据电流方向做往复直线运动；在解除轴向位移约束和旋转方向位移约束的条件下，动子可依据电流方向或磁极螺旋方向做正反螺旋运动，电机电源采用直流开关电源或两相及以上的交变电源。

上述螺旋电机的励磁元件安装在定子铁芯与导磁定子外壳之间时，励磁元件可以平行于轴向布置，也可以与主绕组一样螺旋布置。

上述螺旋电机既适合于同步磁阻电机，也适合于开关磁阻电机。该方案中在励磁磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体。

上述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，可供选择及改进的技术方案是， 所述电机是一种磁悬浮螺旋电机，电机定子铁芯中装有径向磁悬浮力绕组或悬浮永磁体或电机上半圆的励磁元件的励磁强度高于下半圆的励磁元件的励磁强度。该方案中，也可以是径向悬浮绕组与永磁励磁绕组联合控制的转子悬浮电机。对于均匀对称隐极转子，卧式放置的气隙单极励磁磁势同步电机，电机上半圆的励磁元件的励磁强度高于下半圆的励磁元件的励磁强度，实现径向悬浮更容易。

该方案中，由于螺旋电机轴向存在推力，其作用可取代轴向悬浮轴承。

该方案中，还可以在励磁磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体。

上述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，可供选择的技术方案是，所述电机是低速螺旋电机，所述低速螺旋电机是由上述各种低速旋转电机演变而成，所述轴承是双自由度轴承，双自由度轴承套装在转子轴外或套装在转子铁芯齿槽内填装非磁性耐磨材料后的转子铁芯外，所述定子与动子（转子）磁极、齿槽、定子绕组分别以定子与动子之间气隙的中径为基准，都按顺时针或都按逆时针方向绕其轴线扭转成一个螺旋升角大小基本相同的角度，螺旋升角为正负5°—85°，形成定子齿槽和动子齿槽、导电体和磁极的螺旋布置，定子磁极与动子磁极的齿槽之间的斜槽角度或螺旋升角大小相差不超过正负5°，具体一种电机螺旋升角大小的选择依据所需要的轴向推力和扭力大小比例、转速、功率、功率因数、效率因素确定；电机定子或动子长度依照是内动子还是外动子模式、长动子还是短动子模式及需要的轴向行程而定，在约束动子的轴向位移条件下，动子可依据电流方向，在圆周方向上做360°范围的连续正反向旋转，同时产生推力；在约束旋转方向位移条件下，动子可依据电流方向做往复直线运动；在解除轴向位移约束和旋转方向位移约束的条件下，动子可依据电流方向或磁极螺旋方向做正反螺旋运动，电机电源采用直流开关电源或两相及以上的交变电源。上述螺旋电机的励磁元件安装在定子铁芯磁轭与导磁定子外壳之间时，励磁元件可以平行于轴向布置，也可以与主绕组一样螺旋布置。

该方案中在励磁磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体。该方案中，可以是在电机定子铁芯中装有径向磁悬浮力绕组或悬浮永磁体。该方案中，也可以是径向悬浮绕组与永磁励磁绕组联合控制的转子悬浮电机。该方案中，由于螺旋电机轴向存在推力，其作用可取代轴向悬浮轴承。

上述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，可供选择的技术方案是，所述电机是一种直线磁悬浮电机，所述电机的定子作为直线电机的动子，所述电机的转子（动子）作为直线电机的定子。

上述磁悬浮旋转形式的同步磁阻电机、开关磁阻电机、低速电机等都可以演变成直线磁悬浮电机。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明：

图1为本发明的一种气隙单极励磁磁势低速同步电动机的轴向剖切结构示意图。

图2为图1的一种气隙单极励磁磁势低速同步电动机的径向剖切结构示意图。

图3为本发明的一种气隙单极励磁磁势螺旋运动电机的基本原理示意图。

图4为本发明的一种气隙单极励磁磁势螺旋运动电机的轴向截面结构示意图。

具体实施方式

附图1、附图2为本发明的一种气隙单极励磁磁势低速同步电动机的结构示意图。该电机由定子组件、转子组件、机壳组件构成，电机是内转子永磁式电机，电机定子主绕组采用三相交变电源。定子组件与转子组件之间留有气隙30。定子组件包括定子铁芯12及其磁极17、磁轭18和定子主绕组15、定子励磁永磁体11；励磁永磁体11安装在定子铁芯外壳10内侧与定子铁芯磁轭18之间的磁路上。转子组件包括转子铁芯22、转子磁轭21和转子轴20、轴承24，转子磁轭21采用非晶铁磁材料，以降低转子涡流损耗，转子铁芯22上设有鼠笼起动绕组25，以提高起动能力。机壳包括定子铁芯外壳10，左端盖14、右端盖13，定子铁芯外壳10和端盖14、13都是导磁体。励磁永磁体组件是由8个励磁单元11拼组而成，每两件励磁元件两侧之间应留有空气隙19，以防止励磁元件自漏磁。转子轴20是由非导磁体制成的空心轴，定子磁路上的励磁永磁体11的励磁磁源是同极性径向励磁，各励磁永磁体11的S极所形成的励磁磁场是同极性径向辐射磁场，径向励磁磁场的磁力线同一极性垂直于电机轴线方向辐射穿过电机气隙30。励磁磁通经过定子铁芯外壳10沿轴向向两侧通过，并经过两侧端盖14、13。左右端盖14、13与转子铁芯磁轭21滑动接触配合。在励磁磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体31，铁磁流体填入气隙中，一方面具有减低磁阻，减少磁势供给作用，另一方面具有润滑和密封作用（如果在工作主气隙内也填入铁磁流体，则在对应的定子、转子齿槽16、23内要用非导磁材料填充满）。定子每个磁极上开有齿槽16，定子齿槽数是48个；转子是隐极式，转子铁芯上开有槽23，转子齿槽数是50个，定、转子开口槽数满足以下关系：转子开口槽数=定子开口槽数±定子绕组极对数。定子绕组15与一般交流电动机相同。频率为50赫兹时，电机转速为60转/分，转子转向顺向。

该实施例中，电机的励磁回路是：励磁元件11→定子铁芯外壳10→两侧端盖14、13→两侧端盖14、13与两侧转子铁芯磁轭21外表面间的附加气隙内的铁磁流体31→两侧转子铁芯磁轭21→两侧工作主气隙30→两侧定子铁芯12→定子磁轭18→励磁元件11。图1中显示的磁通分别沿着a、b、c、d回路工作，每根励磁磁通磁力线只经过工作主气隙和磁势源一次，有利于减少磁势供给或提高磁势利用率。定子主绕组的磁场磁回路如图2所示，主绕组15的磁通是沿着定子铁芯12→工作主气隙30→转子铁芯22→工作主气隙30→定子铁芯12的磁回路e上工作的。

该实施例中，如果定子圆周的上半圆的励磁永磁体11的励磁强度大于下半圆的励磁永磁体的励磁强度到适当力度，则电机转子可悬浮运行。当各励磁永磁体11用适当数量的电励磁线圈代替，通过控制各励磁线圈的输入参数，可实现精准悬浮运行。

附图3为本发明的一种气隙单极励磁磁势螺旋运动电机的基本原理示意图。1A为螺旋电机动子，2B为螺旋电机一定子N极产生的磁场的展开示意图，1B为动子1A上的一段螺旋齿的展开示意图，当磁场2B沿F方向运动时，1B会在麦克斯韦力F的带动下使动子1A沿磁场运动方向同步运动，合力F可分解为垂直于动子1A的轴线1X并与动子1A圆周相切的水平分力（旋转分力）F1和平行于动子1A的轴线1X的轴向分力F2，F1可驱动动子1A绕动子轴线1X以角速度ω旋转,F2可驱动动子1A沿动子轴线1X以线速度v作直线运动。ω与v的合成运动即构成了动子1A绕动子轴线1X的螺旋运动。

附图4为本发明的一种气隙单极励磁磁势螺旋运动电机的轴向截面结构示意图。该电机定子组件包括定子铁芯12、定子主绕组15、定子励磁永磁体11；励磁永磁体11安装在定子铁芯机外壳10内侧与定子铁芯12的磁轭之间的磁路上。转子组件包括转子铁芯22、转子轴20、轴承24，转子铁芯22采用非晶铁磁材料，以降低转子涡流损耗。机壳包括定子铁芯外壳10，左端盖14、右端盖13，定子铁芯外壳10和端盖14、13都是导磁体。励磁永磁体组件是由8个励磁单元11拼组而成，每两件励磁元件两侧之间应留有空气隙，以防止励磁元件自漏磁。转子轴20是由导磁体制成的空心轴，定子磁路上的励磁永磁体11的励磁磁源是同极性径向励磁，各励磁永磁体11所形成的励磁磁场是同极性径向辐射磁场，径向励磁磁场的磁力线同一极性垂直于电机轴线方向辐射穿过电机气隙30。励磁磁通经过定子铁芯外壳10沿轴向向两侧通过，并经过两侧端盖14、13。左右端盖14、13与转子铁芯22滑动接触配合。定子每个磁极上开有齿槽16，定子齿槽数是48个；转子是隐极式，转子铁芯上开有槽23，转子齿槽数是50个，定、转子开口槽数满足以下关系：转子开口槽数=定子开口槽数±定子绕组极对数。在励磁磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体31，铁磁流体填入气隙中，一方面具有减低磁阻，减少磁势供给作用，另一方面具有润滑和密封作用（如果在工作主气隙内也填入铁磁流体，则在对应的定子、转子齿槽16、23内要用非导磁材料填充满）。定子绕组15与一般交流电动机相同。频率为50赫兹时，电机转子以60转/分的转速螺旋运动，转子转向为螺旋顺向。当改变主绕组输入电压相序是，电机螺旋反向运行。当输入不同频率脉冲电压时，电机可步进螺旋运行。

该实施例中，电机的励磁回路是：励磁元件11→定子铁芯外壳10→两侧端盖14、13→两侧端盖14、13与动子铁芯磁22外表面间的附加气隙内的铁磁流体31→动子铁芯22→两侧工作主气隙30→两侧定子铁芯12→励磁元件11。图4中显示的磁通分别沿着a、b、c、d回路工作，每根励磁磁通磁力线只经过工作主气隙和磁势源一次，有利于减少磁势供给或提高磁势利用率。定子主绕组的磁场磁回路是：主绕组15的磁通是沿着定子铁芯12→工作主气隙30→转子铁芯22→工作主气隙30→定子铁芯12的磁回路上工作的。

尽管已经结合优选实施方式描述了本发明的装置，但是本发明不限于本文所述的具体形式，相反，其目的在于覆盖理所当然会落入所述权利要求书限定的本发明范围内的各种替代方式、改型、各种特征要素的再组合而衍生的新组合和等同体。

Claims (10)

1.一种气隙单极励磁磁势同步电机，由定子组件、转子或动子组件、机壳组件构成，定子组件与转子之间留有气隙，所述电机是电动机或发电机，所述电机是内转子电机或外转子电机，所述电机是同步磁阻电机或开关磁阻电机或感应子电机，所述电机是旋转电机或直线电机或步进电机或螺旋电机，所述直线电机是定子与动子是可以互换的电机，所述定子组件包括定子铁芯及其磁极、磁轭，定子主绕组、定子励磁元件，所述定子主绕组采用的是单相或多相交变电源，所述定子励磁元件是永磁体或电励磁绕组，励磁元件是由多个励磁单元拼组而成或由一个整体永磁励磁元件构成，所述转子或动子组件包括转子铁芯及其磁极、磁轭和转子轴、轴承，所述机壳组件包括定子铁芯外壳、左端盖或上端盖、右端盖或下端盖，所述转子轴是由导磁体或非导磁体制成的空心轴或实心轴，其特征在于：所述在定子磁路上的励磁元件，其各励磁磁源的磁极的磁力线在对应于电机气隙的方向上是同极性径向励磁，各励磁元件所形成的励磁磁场是同极性径向辐射磁场，径向励磁磁场的磁力线同一极性垂直于电机轴线方向辐射穿过电机气隙，所述定子铁芯外壳是导磁体，励磁磁通经过定子铁芯外壳。

2.根据权利要求1所述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，其特征在于：所述在定子磁路上装有的励磁元件，各励磁磁源的磁极的磁力线在对应于电机气隙的方向上是同极性径向励磁，是指各励磁元件安装在定子铁芯外壳内侧与定子铁芯磁轭之间的磁路上，各励磁元件产生的磁极的同一极性的磁场磁力线垂直于电机轴线方向辐射穿过电机气隙，定子铁芯外壳是导磁体，左右端盖或上下端盖是导磁体，励磁磁通经过定子铁芯外壳和两侧端盖，两侧端盖有一部分旋转截面面积与转子铁芯或导磁轴滑动接触配合，构成磁路的一部分。

3.根据权利要求1所述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，其特征在于：所述在定子磁路上装有的励磁元件，各励磁磁源的磁极的磁力线在对应于电机气隙的方向上是同极性径向励磁，是指各励磁元件安装在定子铁芯外壳两侧边端部与转子铁芯或导磁性轴之间的磁路上，各励磁元件产生的磁极的同一极性的磁场磁力线垂直于电机轴线方向辐射穿过电机气隙和导磁性轴隙，励磁元件的两个磁极端分别带有内、外极靴，定子铁芯外壳是导磁体，左右端盖或上下端盖是非导磁体，内极靴旋转截面与转子铁芯或导磁轴滑动接触配合，构成磁路的一部分。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，其特征在于：在励磁磁路的回路上，对应存在的空间间隙或气隙内填装有铁磁流体。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，其特征在于：所述电机是一种同步磁阻式电机，定、转子是凸极式或隐极式或混合式，转子磁极内装有鼠笼起动绕组。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，其特征在于：所述电机是一种开关磁阻式电机，定、转子是凸极式或隐极式或混合式，定子绕组接入交变开关电源。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，其特征在于：所述电机是一种电磁减速式电动机，定、转子是隐极式或混合式，定转子铁芯上都开有槽，并且定、转子开口槽数满足以下关系：转子开口槽数=定子开口槽数±定子绕组极对数，或转子开口槽数=定子开口槽数±气隙磁导波最大出现次数。

8.根据权利要求1、2或3所述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，其特征在于：所述电机是一种直线电动机，所述直线电动机是单面或双面定子直线电动机。

9.根据权利要求1、2或3所述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，其特征在于：所述电机是一种磁悬浮电机，电机定子铁芯中装有径向磁悬浮力绕组或悬浮永磁体或电机上半圆的励磁元件的励磁强度高于下半圆的励磁元件的励磁强度或是径向悬浮绕组与永磁励磁绕组联合控制的转子悬浮电机。

10.根据权利要求1、2或3所述的一种气隙单极励磁磁势同步电机，其特征在于：所述电机是螺旋电机，所述轴承是双自由度轴承，双自由度轴承套装在转子轴外或套装在转子铁芯外，所述定子与动子或转子磁极、定子主绕组、转子起动绕组分别以定子与动子之间气隙的中径为基准，都按顺时针或都按逆时针方向绕其轴线扭转成一个螺旋升角大小基本相同的角度，螺旋升角为正负5°—85°，形成定子磁极和动子磁极、主绕组和起动绕组螺旋布置，定子磁极与动子磁极中心线之间的斜角度或螺旋升角大小相差不超过正负5°，具体一种电机螺旋升角大小的选择依据所需要的轴向推力和扭力大小比例、转速、功率、功率因数、效率因素确定；电机定子或动子长度依照是内动子还是外动子模式、长动子还是短动子模式及需要的轴向行程而定，在约束动子的轴向位移条件下，动子可依据电流方向，在圆周方向上做360°范围的连续正反向旋转，同时产生推力；在约束旋转方向位移条件下，动子可依据电流方向做往复直线运动；在解除轴向位移约束和旋转方向位移约束的条件下，动子可依据电流方向或磁极螺旋方向做正反螺旋运动，电机电源采用直流开关电源或两相及以上的交变电源。