CN101980433B - 周向移相轴向分段的楔形定子铁芯外永磁转子同步电机 - Google Patents
周向移相轴向分段的楔形定子铁芯外永磁转子同步电机 Download PDFInfo
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Abstract
周向移相轴向分段的楔形定子铁芯外永磁转子同步电机，定子轴一端安装左端盖，左端盖与定子轴之间安装有左轴承，定子轴另一端安装有右端盖，右端盖与定子轴之间安装有右轴承；定子轴中间部分沿径向由内向外依次安装有定子铁芯和外转子，定子集中绕组位于定子铁芯内部，且均匀缠绕在定子轴上，并通过接线孔将定子集中绕组接线引出；外转子两端通过螺栓分别连接左端盖和右端盖，外转子内表面安装有永磁体，电机通过安装在定子轴上的外支架固定在地面上，定子轴与外支架之间安装有外支架轴承。与现有的变频调速永磁同步电机相比较，本发明不仅制造成本较低，而且在高频供电高速运行时具有更大的转矩密度和更好的运行性能。
Description
技术领域
本发明属于一种电机，特别涉及一种具有无耦合定子绕组与楔形铁芯并且具有轴向不均匀气隙的轴向分段式移相外永磁转子同步电机。
背景技术
现有的变频调速永磁同步电机，其铁芯一般采用硅钢片作为磁路，在高频供电运行时，铁耗（磁滞损耗和涡流损耗）会急剧增加，电机性能会大大下降；其绕组大多为常规三相对称交流短距分布绕组，不仅绕组的利用率低，而且三相电枢绕组之间不可避免存在相互耦合，这样不仅会产生对电机出力没有贡献的相间耦合电动势，从而降低电机的转矩密度和出力，而且这种耦合给电机的相间解耦变频调速控制带来了很大的麻烦和困难；从电机制造的角度来讲，硅钢片铁芯冲槽和叠装过程复杂，模具工装和人工成本较高，电枢的短距分布绕组不仅需要很好的相间绝缘，而且绕线和嵌线过程复杂，因此电机的制造过程麻烦，成本较高。
发明内容
本发明提供一种具有无耦合定子绕组与楔形铁芯并且具有轴向不均匀气隙的轴向分段式移相外永磁转子同步电机。与现有的变频调速永磁同步电机相比较，该种电机不仅制造成本较低，而且在高频供电高速运行时具有更大的转矩密度和更好的运行性能。
本发明的技术方案为：
周向移相轴向分段的楔形定子铁芯外永磁转子同步电机，其特征在于：所述电机的定子轴一端安装左端盖，左端盖与定子轴之间安装有左轴承，定子轴另一端安装有右端盖，右端盖与定子轴之间安装有右轴承；定子轴中间部分沿径向由内向外依次安装有定子铁芯和外转子，定子集中绕组位于定子铁芯内部，且均匀缠绕在定子轴上，并通过接线孔将定子集中绕组接线引出；外转子两端通过螺栓分别连接左端盖和右端盖，外转子内表面安装有永磁体，电机通过安装在定子轴上的外支架固定在地面上，定子轴与外支架之间安装有外支架轴承。
所述永磁体通过磁钢定位钢板固定安装在外转子上。
所述定子铁芯为单段、两段或者多段结构。
所述定子铁芯两侧安装有止动挡圈。
所述定子铁芯与定子轴之间安装有平键。
所述单段定子铁芯由两片定子磁轭组成，每片定子磁轭由软磁复合材料制成的圆盘型磁轭与沿周向分布在圆盘型磁轭上的软磁复合材料制成的楔型磁极组成，楔形磁极前端宽度最窄并且与外转子内表面沿定子轴径向的垂直距离最小，从楔形磁极前端沿定子轴轴向到圆盘型磁轭处的楔形磁极宽度逐渐增大并且厚度也逐渐增厚，楔形磁极与外转子沿定子轴径向垂直距离逐渐增大，将两片定子磁轭的楔形磁极相对并且沿圆盘型磁轭周向相互错开装配组成形状类似圆饼型的定子铁芯，两片定子磁轭的楔形磁极在圆盘型磁轭圆周方向交替均匀分布，即构成沿定子轴轴向不均匀气隙结构。
所述楔形磁极的数量等于定子铁芯所对应外转子上永磁体的数量。
通过本发明所述技术方案得到的电机的因外采用了特殊结构，取得了意想不到的特殊效果，主要体现在：其磁通路径所采用软磁复合材料的特点决定了该种电机在高频高速下运行会比采用硅钢片的传统交流同步电机具有更低的损耗和更好的运行性能；提出的轴向不均匀气隙结构使得该种电机中的导磁材料和电机绕组得到更加充分的利用亦有利于反电势波形的正弦化；内定子和外永磁转子的有机结合以及无耦合集中绕组的采用使得该种电机具有更大的转矩密度和功率密度，且从电机本身彻底实现了常规电机很难实现的相间解耦控制；集中绕组和轴向分段式的电机结构使得该种电机制造更加容易和方便。
新型周向移相轴向分段的楔形磁极铁芯外永磁转子同步电机具有如下特点：结构上不仅容易做成多极，而且具有结构简单，无刷可靠等优点；绕组构成简单方便，便于设计为多相结构；设计自由度大，可以根据需要自由改变磁路尺寸和线圈窗口大小；无端部绕组，使得电机铜的利用率显著提高，铜耗大幅度减小，并且集中绕组也能够减小电机的体积；电机中除具有常规电机的径向磁场外还有轴向磁场,为三维分布；定子绕组各相之间没有直接的耦合，便于实现解耦控制，并有利于提高电机出力和转矩密度；定子铁芯材料特殊，采用了适合三维交变磁场流通、易于加工成复杂形状的新型软磁复合材料SMC，由于该材料的粉末性质，形成了磁的各向同性，在高频之下的涡流损耗相对较小，即高频下的铁芯损耗远低于硅钢片，因此在高频高速下运行有利于提高电机的效率。
附图说明：
图1为采用三段定子铁芯时的电机结构示意图；
图2为单段定子铁芯展开示意图；
图3为采用三段定子铁芯的转子永磁体错位装配示意图；
图4为三段式定子结构示意图；
附图标记说明：
1. 永磁体；2. 外转子；3.定子铁芯；4.螺栓；5. 左端盖；6. 左轴承；7. 定子轴；8. 止动挡圈；9. 平键；10. 定子集中绕组；11. 磁钢定位钢板；12. 外支架轴承；13. 右端盖；14.右轴承；15.楔形磁极；16. 圆盘型定子磁轭；17. N极永磁体；18. S极永磁体。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行具体说明：
图1为采用三段定子铁芯时的电机结构示意图，如图所示，定子轴7一端安装左端盖5，左端盖5与定子轴7之间安装有左轴承6，定子轴7另一端安装有右端盖13，右端盖13与定子轴7之间安装有右轴承14；定子轴7中间部分沿径向由内向外依次安装有定子铁芯3和外转子2，定子集中绕组10位于定子铁芯3内部，且均匀缠绕在定子轴7上，并通过接线孔将定子集中绕组10接线引出；定子铁芯3两侧安装有止动挡圈8，定子铁芯3与定子轴7之间安装有平键9；外转子2两端通过螺栓4分别连接左端盖5和右端盖13，永磁体1通过磁钢定位钢板11固定安装在外转子2上，电机通过安装在定子轴7上的外支架固定在地面上，定子轴7与外支架之间安装有外支架轴承12。
图2为单段定子铁芯展开示意图，如图所示，单段定子铁芯3由两片定子磁轭组成，每片定子磁轭由软磁复合材料制成的圆盘型磁轭16与沿周向分布在圆盘型磁轭16上的软磁复合材料制成的楔型磁极15组成。楔形磁极15前端宽度最窄并且与外转子2内表面沿定子轴7径向的垂直距离最小，从楔形磁极15前端沿定子轴7轴向到圆盘型磁轭16处的楔形磁极15宽度逐渐增大并且厚度也逐渐增厚，楔形磁极15与外转子2沿定子轴7径向垂直距离逐渐增大，将两片定子磁轭的楔形磁极15相对并且沿圆盘型磁轭16周向相互错开装配组成形状类似圆饼型的定子铁芯3，两片定子磁轭的楔形磁极15在圆盘型磁轭16圆周方向交替均匀分布，即构成沿定子轴7轴向的不均匀气隙结构。
上述楔形磁极结构可以保证相邻楔型磁极相对面平行且间隙相同。由于楔形磁极15的宽度逐渐变化，使得楔形磁极15沿定子轴7的轴向导磁截面的面积逐渐变化，从而使得不同位置的磁阻也相应变化，进而影响气隙磁场的分布不均匀度，所以采用改变磁极与外转子2沿定子轴7径向垂直距离的楔形磁极结构可以调整不同位置的气隙磁阻，使得气隙磁极能够得以最大程度的利用，这样可以提高电机的材料利用系数和整体性能。
由于圆柱形外转子2流过的是恒定磁场，可由铸钢材料制成；其定子铁芯3由带有圆盘型定子磁轭16的楔型磁极15组成，定子铁芯3内部的定子集中绕组10中流过的是交变电流，因此定子铁芯3不可再由铸钢制成，需采用在三维方向各向同性且在高频时涡流损耗较小的软磁复合材料浇铸制成。
该种电机的定子铁心3可采用单段、两段、三段或多段式结构，分别称为单相、两相、三相或多相电机。采用多段定子铁芯结构时，每个铁芯的结构相同，相邻铁芯的间隔距离相同，如图4所示，为三段式定子结构示意图。作发电机或制动运行时，电机的段数任意，作电动机运行时，必须采用两段、三段或多段式结构，以产生方向恒定的电磁转矩。图3为采用三段定子铁芯的外转子永磁体错位装配示意图，如图所示，为了使得电机能够产生三相对称交流电势或方向恒定的电磁转矩，三段定子铁芯所对应的三组永磁体中的N极永磁体17和S极永磁体18交替出现，每组永磁体的数量等于所对应的每单段定子铁芯楔形磁极的数量，并且在装配永磁体时相邻组同一极性的永磁体应沿圆周方向相互错开120°电角度。当作发电机运行时，原动机拖动外转子永磁体旋转，从而不断切割定子铁芯内的定子绕组以感应出电角度互差120°的三相交流电动势；而当定子铁芯内的三相定子集中绕组通入三相对称交流电时，即电源电压的电角度互差120°，此时每段定子铁芯产生的磁场与各自相对应的外转子永磁体相互作用，通过改变三相电流的供电时序，产生方向恒定的电磁转矩，使外转子旋转，电机工作在电动状态。采用三段式结构时，由于三组永磁体在装配时应沿圆周方向相互错开120°电角度，所以三组电机产生的具有相位差的三组齿槽转矩可以相互消弱，使得电机总的齿槽转矩降低，可以减小电机运行中的震动和噪声。
Claims (5)
1.周向移相轴向分段的楔形定子铁芯外永磁转子同步电机，其特征在于：所述电机的定子轴（7）一端安装左端盖（5），左端盖（5）与定子轴（7）之间安装有左轴承（6），定子轴（7）另一端安装有右端盖（13），右端盖（13）与定子轴（7）之间安装有右轴承（14）；定子轴（7）中间部分沿径向由内向外依次安装有定子铁芯（3）和外转子（2），定子集中绕组（10）位于定子铁芯（3）内部，且均匀缠绕在定子轴（7）上，并通过接线孔将定子集中绕组（10）接线引出；外转子（2）两端通过螺栓（4）分别连接左端盖（5）和右端盖（13），外转子（2）内表面安装有永磁体（1），电机通过安装在定子轴（7）上的外支架固定在地面上，定子轴（7）与外支架之间安装有外支架轴承（12）；
所述定子铁芯（3）为多段结构；
单段定子铁芯（3）由两片定子磁轭组成，每片定子磁轭由软磁复合材料制成的圆盘型磁轭（16）与沿周向分布在圆盘型磁轭（16）上的软磁复合材料制成的楔形磁极（15）组成；楔形磁极（15）前端宽度最窄并且与外转子（2）内表面沿定子轴（7）径向的垂直距离最小，从楔形磁极（15）前端沿定子轴（7）轴向到圆盘型磁轭（16）处的楔形磁极（15）宽度逐渐增大并且厚度也逐渐增厚，楔形磁极（15）与外转子（2）沿定子轴（7）径向垂直距离逐渐增大，将两片定子磁轭的楔形磁极（15）相对并且沿圆盘型磁轭（16）周向相互错开装配组成形状类似圆饼型的定子铁芯（3），两片定子磁轭的楔形磁极（15）在圆盘型磁轭（16）圆周方向交替均匀分布，即构成沿定子轴（7）轴向的不均匀气隙结构。
2.根据权利要求1所述周向移相轴向分段的楔形定子铁芯外永磁转子同步电机，其特征在于：所述永磁体（1）通过磁钢定位钢板（11）固定安装在外转子（2）上。
3.根据权利要求1所述周向移相轴向分段的楔形定子铁芯外永磁转子同步电机，其特征在于：所述定子铁芯（3）两侧安装有止动挡圈（8）。
4.根据权利要求1所述周向移相轴向分段的楔形定子铁芯外永磁转子同步电机，其特征在于：所述定子铁芯（3）与定子轴（7）之间安装有平键（9）。
5.根据权利要求1所述周向移相轴向分段的楔形定子铁芯外永磁转子同步电机，其特征在于：所述楔形磁极（15）的数量等于定子铁芯（3）所对应外转子（2）上永磁体（1）的数量。
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