CN102545509A - 闭合绕组永磁无刷直流电机 - Google Patents

Abstract

本发明是绕组与直流电机一样采用闭合连接、永磁体励磁、电子换向的闭合绕组永磁无刷直流电机。电枢绕组放置在定子上，永磁体放置在转子上，且每个线圈都并联一对电力电子开关，电力电子开关的另一端分别与电源正、负极相连。通过电子换向使处于N极或S极下的线圈电流方向一致且保持不变，与直流电机运行原理相同。由于采用了永磁体励磁和电子换向，可增加电机极数、减小电机每极槽数，使电机轭部和线圈端部尺寸减小。此外，由于绕组闭合连接，槽数不必满足三相（或多相）对称条件。因此本发明既保持了直流电机的机械特性、调节特性、电流-转矩特性，又提高了效率和功率密度，而且设计更加灵活。

Description

闭合绕组永磁无刷直流电机

技术领域

本发明涉及一种直流电机，特别是既使用与直流电机相同的绕组闭合链接，又使用永磁体励磁和电子换向的闭合绕组永磁无刷直流电机。 

背景技术

传统直流电机具有宽广的调速范围、平滑的调速特性、较高的过载能力、较大的起动和制动转矩等优点。但其应用受到机械换向器、电刷、励磁线圈的限制，使直流可靠性、效率和功率密度都较差。 

随着永磁材料和电力电子技术的发展，出现了利用永磁体建立磁场、利用电力电子器件换相永磁无刷电机，它具有高效率、高功率密度和维护方便的优点。然而，为了实现平滑调速，永磁无刷电机受到了复杂的控制算法和参数变化的限制，如对于永磁无刷交流电机须采用基于交直轴变化的矢量控制，对于永磁无刷直流电机须采用特殊导通角控制。 

此外，为了改善电机不同应用场合的特性，提出了许多特殊结构的永磁无刷电机，如横向磁场永磁电机、双凸极永磁电机、多相永磁电机、永磁直线电机、盘式电机、直线电机等。 

然而，无论是一般结构还是特殊结构的永磁无刷电机，电机各相（三相或多相）绕组都是开路连接，并非如传统直流电机绕组闭合连接，因此其运行原理与直流电机不同，无法实现直流电机的运行特性。 

发明内容

为了实现直流电机的运行特性，同时克服电励磁和机械换向造成的效率低、可靠性差，本发明根据直流电机的运行原理提出绕组与直流电机一样闭合连接、永磁励磁、电子换向的闭合绕组永磁无刷直流电机，该电机不仅可以保持直流电机良好的机械特性、调节特性、电流-转矩特性，而其还可提高效率、功率密度和可靠性。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：闭合绕组永磁无刷直流电机，包括转子、定子，电枢绕组放置在定子上的线圈槽内，永磁体放置在转子上，相邻永磁体极性相异，其特征在于：电枢绕组中的每个线圈都并联一对电力电子开关，电力电子开关的另一端分别与电源正、负极相连，电枢绕组中的每个线圈跳跃相邻线圈后与下一个线圈串联。其特征在于：电枢绕组中的所有线圈闭合连接。其特征在于：电枢绕组中的每个线圈为双层绕组，上下层分别放置在相邻的定子线圈槽内，每个线圈的下层与相邻线圈的上层位于同一定子线圈槽内。本发明的优点是由于采用了永磁体励磁，可增加电机的极数，减小每极磁通，从而使电机的轭部减小；由于采用了电子换向，不必为了便于换向而增加每极槽数，可减小绕组的端部长度。因此，本发明减小了电机体积、铁耗和铜耗，提高了功率密度和效率。如采用10极11槽结构，每个极下近似只有一个槽，而绕组节距仅为1个槽距，减小了电机轭部尺寸和端部长度，提高了效率。此外，不同于通常的永磁无刷电机，本发明的绕组和直流电机一样闭合连接，因此电机定子槽数不必满足三相（或多相）对称的条件，电机的设计更加灵活，从而可以优化电机的特性，如采用10极11槽结构，永磁电机的齿槽转矩会非常小。 

所以，本发明既保持了直流电机良好的机械特性、调节特性、电流-转矩特性，又提高了效率、功率密度和可靠性，而且电机的设计更加灵活。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图1是本发明的结构原理图。 

图2是本发明的换向电路。 

图3是图1中线圈在N极下或S极下的位置。 

图4是根据图3导通相应电子开关后图2的等效电路图。 

图中1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.线圈 ，1+. 2+. 3+. 4+. 5+. 6+. 7+. 8+. 9+. 10+. 11+.线圈上层边 ，1-. 2-. 3-. 4-. 5-. 6-. 7-. 8-. 9-. 10-. 11-.线圈下层边 ，S1H. S2H. S3H. S4H. S5H. S6H. S7H. S8H. S9H. S10H. S11H.与电源正极相连的电力电子开关 ，S1L. S2L. S3L. S4L. S5L. S6L. S7L. S8L. S9L. S10L. S11L.与电源负极相连的电力电子开关。转子111、定子112、线圈槽113、永磁体114，电源的正极115、负极116。 

具体实施方式

闭合绕组永磁无刷直流电机，包括转子、定子，电枢绕组放置在定子上的线圈槽内，永磁体放置在转子上，相邻永磁体极性相异，其特征在于：电枢绕组中的每个线圈都并联一对电力电子开关，电力电子开关的另一端分别与电源正、负极相连，电枢绕组中的每个线圈跳跃相邻线圈后与下一个线圈串联。其特征在于：电枢绕组中的所有线圈闭合连接。其特征在于：电枢绕组中的每个线圈为双层绕组，上层和下层分别放置在相邻的定子线圈槽内，每个线圈的下层与相邻线圈的上层位于同一定子线圈槽内。 

将永磁体放置在转子，实现永磁体励磁；电枢绕组放置在定子上，并将绕组闭合连接，与传统直流电机的线圈连接方式相同；在每个线圈的一端都并联一对极性相反的电力电子开关，而电子开关的另外一端分别与直流极相连，从而实现电子换向。当转子转动时，根据各线圈所处主磁场N极或S极下，导通相应的电力电子器件，使处于磁场N极下的所有线圈的电流方向相同且保持不变，磁场S极下的所有线圈的电流方向也相同且保持不变，但N极与S极下线圈的电流方向相反，形成不同的并联支路。可见，本发明运行原理与直流电机相同，但同时又消除了电励磁和机械换向。 

在图1中，以10极11槽为例，闭合绕组永磁无刷直流电机永磁体放置在转子上，形成N极、S极主磁场；定子采用双层绕组，且线圈1、3、5、7、9、11、2、4、6、8、10、11闭合连接；电力电子开关S1H（电力电子开关1的接电源正极，标号21）、S2H2（22）、S3H（23）、S4H（24）、S5H（25）、S6H（26）、S7H（27）、S8H（28）、S9H（29）、S10H（30）、S11H（31）一端与电源正极相连，另一端则分别与线圈1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11相连；电力电子开关S1L（电力电子开关1的接电源负极，标号41）、S2L（42）、S3L（43）、S4L（44）、S5L（45）、S6L（46）、S7L（47）、S8L（48）、S9L（49）、S10L（50）、S11L（51）一端与电源负极相连，另一端则分别与线圈1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11相连。整理图1中各线圈和各电力电子开关之间的连接，得到相应的换向电路如图2所示，可见定子线圈闭合连接，形成一条回路。图1中各线圈边在N极和S极下的位置如图3所示，线圈2、4、6、8、10的上层边（2+、4+、6+、8+、10+）位于N极下，线圈1、3、5、7、9、11的上层边（1+、3+、5+、7+、9+、11+）位于S极下；线圈2、4、6、8、10的下层边（2-、4-、6-、8-、10-）位于S极下，线圈1、3、5、7、9、11的下层边（1-、3-、5-、7-、9-、11-）位于N极下。根据直流电机的运行原理，须使线圈1、3、5、7、9、11的电流方向，线圈2、4、6、8、10的电流方向相同，而线圈1、3、5、7、9、11的电流方向与线圈2、4、6、8、10的电流方向相反。因此，根据图2的换向电路，导通电子开关管（S1H）和电子开关管（S2L），则图2可等效为图4。图4中，上层边处于S极下、下层边处于N极下的线圈1、3、5、7、9、11处于同一条电流支路；上层边处于N极下、下层边处于S极下的线圈10、8、6、4、2处于另一条支路。同样地，当本发明电机的转子位置发生变化时，只要导通相应的开关管，就能保持N极下线圈电流方向一致且保持不变、S极下线圈电流方向一致且保持不变，且满足N极下线圈电流方向与S极下线圈电流方向相反，与直流电机的运行原理相同。 

Claims (3)

1.闭合绕组永磁无刷直流电机，包括转子、定子，电枢绕组放置在定子上的线圈槽内，永磁体放置在转子上，相邻永磁体极性相异，其特征在于：电枢绕组中的每个线圈都并联一对电力电子开关，电力电子开关的另一端分别与电源正、负极相连，电枢绕组中的每个线圈跳跃相邻线圈后与下一个线圈串联。

2.根据权利要求1所述的闭合绕组无刷直流电机，其特征在于：电枢绕组中的所有线圈闭合连接。

3.根据权利要求1所述的闭合绕组无刷直流电机，其特征在于：电枢绕组中的每个线圈为双层绕组，上下层分别放置在相邻的定子线圈槽内，每个线圈的下层与相邻线圈的上层位于同一定子线圈槽内。

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