CN101079557A - 绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机 - Google Patents
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Abstract
绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机是一种结构简单、坚固，具有较强转矩输出能力和较高功率密度的电机，包括定子(1)和转子(4)，转子(4)位于定子(1)的内部或外部，其特征在于定子(1)和转子(4)都为双凸极结构，在定子(1)上设置有集中绕组(3)和永磁体(2)；其中，集中绕组(3)的任何一相的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，每个集中绕组线圈位于定子(1)两个相邻的U形导磁铁心槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接；定子(1)两个相邻的U形导磁铁心之间设置有永磁体(2)。
Description
技术领域
本发明是一种结构简单、坚固，具有较强转矩输出能力和较高功率密度的电机，涉及电机制造的技术领域，
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。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，集中体现为以下三点：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，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领域的应用。因此，研究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。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供了一种绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机，使得该电机结构简单、坚固，具有高度正弦的空载反电动势、较强的转矩输出能力和较大的功率密度，同时具备较强的抗去磁能力，特别适合于作为交流调速系统的驱动元件。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的绕组互补型磁通切换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，转子位于定子的内部或外部，定子和转子都为双凸极结构，在定子上设置有集中绕组和永磁体；其中，集中绕组的任何一相的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，每个集中绕组线圈位于定子两个相邻的U形导磁铁心槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接；定子上两个相邻的U形导磁铁心之间设置有一块永磁体，永磁体材料可以是铁氧体或者钕铁硼，磁化方向为依次切向交替充磁；转子部分结构非常简单，既无永磁体也无绕组，为简单的导磁铁心冲片压叠而成，且为直槽转子，无需经过斜槽处理。
有益效果：由于本发明的集中绕组和永磁体都设于定子上，所以本发明结构非常简单而坚固，而且有利于改善该电机的冷却条件；
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；
由于集中绕组任何一相的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，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(每一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，只保留了基波分量，保证了该电机在采用集中绕组和直槽转子的条件下，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；
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；
在本发明的一个优选实施例中，由于转子为直槽转子，所以，保证了本发明在采用集中绕组和转子不斜槽的条件下，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，从而使本发明更加适合于作为交流调速系统的驱动元件。
综上，该电机结构上的特点导致其具有聚磁效应，空载气隙磁密较大，电机具有较强的转矩输出能力，功率密度较高，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发明做进一步说明。
图1为互补绕组型磁通切换永磁电机组成图；其中有：定子1，永磁体2，集中绕组3，转子4，A相绕组线圈31，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相绕组线圈32，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相绕组线圈33，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，本发明绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机包括定子铁心1和转子铁心4，转子4位于定子1的内部，定子1和转子4都为双凸极结构，其中定子铁心部分由12个U形导磁铁心组成，在定子1上设置有三相集中绕组3和12块永磁体2；
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中两个相邻的U形铁心的槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接；定子1中两个相邻的U形导磁铁心之间设置有永磁体2；
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中两个相邻的U形铁心的槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接；定子1中两个相邻的U形导磁铁心之间设置有永磁体2；
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中两个相邻的U形铁心的槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接；定子1中两个相邻的U形导磁铁心之间设置有永磁体2；
由于采用了如图1的结构，因此，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第一绕组线圈311的方向就会不同，从而产生磁通切换效应，导致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，在任何转子位置其绕组中匝链的磁链都数量和方向相同，对第二绕组线圈312和第四绕组线圈314情况相同；但第一绕组线圈311和第二绕组线圈312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，也直接导致其绕组中匝链的永磁磁链有180度的相位差，因此将具有这种特征的集中绕组成为互补型绕组。
当电机转子4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，但转子对于定子线圈的相对位置却不同。采用同样的方法分析可知，转子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，在理论上只保留基波分量，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。
此外，该电机结构上的特点导致其具有聚磁效应，空载气隙磁密较大，电机具有较强的转矩输出能力，功率密度较高，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。
集中绕组3的B相和C相的线圈的工作原理同上，可以大大提高工作效率。
转子4可以是直槽转子，保证了本发明在采用集中绕组和转子不斜槽的条件下，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，从而使本发明更加适合于作为交流调速系统的驱动元件。
永磁体2是铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢，定子1和凸极转子4都可以采用硅钢片冲片压叠制成，定子1由U型结构的导磁铁心拼装组成。
Claims (4)
1、一种绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机，包括定子(1)和转子(4)，转子(4)位于定子(1)的内部或外部，其特征在于定子(1)和转子(4)都为双凸极结构，在定子(1)上设置有集中绕组(3)和永磁体(2)；其中，集中绕组(3)的任何一相的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，每个集中绕组线圈位于定子(1)两个相邻的U形导磁铁心槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接；定子(1)两个相邻的U形导磁铁心之间设置有永磁体(2)。
2、如权利要求1所述的绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机，其特征在于，定子(1)为U型导磁铁心单元和永磁体(2)拼装而成。
3、如权利要求1所述的绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机，其特征在于，转子(4)为直槽转子。
4、如权利要求1所述的绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机，其特征在于，永磁体(2)是铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢。
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