CN104113150A - 一种组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机，其特征在于包括：定子铁心齿部模块，定子铁心轭部模块，转子铁心，电枢绕组，磁钢，励磁绕组等。所述定子铁心齿部模块设置为多齿式结构，所述磁钢、励磁绕组和电枢绕组设置在所述述定子铁心齿部模块上。所述定子铁心齿部模块和定子铁心轭部模块沿周向依次组合式排放形成开关磁通电机定子，开关磁通电机转子只设置有转子铁心。多齿式结构能降低电机输出转矩脉动，通过控制励磁绕组输入电流的方向和幅值，能调节电机过载和弱磁升速能力，并设置有冷却液循环系统对电机进行统一冷却散热，提高电机的稳定性和鲁棒性，使其在机电设备伺服直驱领域的应用上具有显著优势。
Description
技术领域
本发明属于机电设备伺服直驱电机领域，特别涉及一种组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机。
背景技术
现代机电设备使用交流伺服电机直接驱动能有效提高设备工作效率和运行精度，现有的交流伺服电机普遍设计为转子永磁电机结构，其与机电设备连接的转子装有永磁磁钢，在设备长期负载运行和振动的环境下容易造成损坏，且磁钢内由涡流产生的热量难以散热，容易使磁钢产生不可逆退磁。开关磁通电机是一种磁钢安装在电机定子上的一种永磁电机，电机转子只存在导磁铁心，结构上具有很强的鲁棒性，在电机定子上的磁钢和电枢绕组所产生的热量可通过设计冷却系统进行散热，提高电机的过载能力。但同时，现有的开关磁通电机存在绕组下线困难，输出转矩波动大，励磁磁场难以调节等问题，给其应用于机电设备伺服直驱造成困难。
鉴于以上技术问题，实有必要提供一种可以克服上述缺陷的新型的开关磁通电机，用于机电设备伺服直接驱动，提高机电设备运行稳定性和鲁棒性。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机，通过设计多齿铁心使开关磁通电机输出转矩波动大大减少；设计组合式定子铁心结构，便于电枢绕组的绕线安装；设置励磁绕组，有效提高电机的过载能力和弱磁升速能力。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机，包括开关磁通定子、转子铁心，以及电机轴，其中，所述电机轴置于转子铁心的中心轴上，所述转子铁心位于所述开关磁通定子的中心轴上；所述开关磁通定子包括定子铁心齿部模块，定子铁心轭部模块，电枢绕组，磁钢和励磁绕组；所述定子铁心齿部模块为多凸齿式结构，由硅钢片叠压而成，该定子铁心齿部模块的中心轴线上开设有容纳磁钢的间槽，该间槽的两侧对称设置有齿槽和凸齿；所述磁钢安装在所述间槽中，所述励磁绕组嵌套在所述齿槽上，所述电枢绕组为集中绕组结构，环套在所述述定子铁心齿部模块根部；所述定子铁心轭部模块为圆弧结构，由硅钢片叠压而成，所述定子铁心轭部模块的两个端部分别开设有L形的凹部，所述定子铁心齿部模块的根部对应设置有凸部，组装时，所述定子铁心齿部模块的凸部刚好卡在所述定子铁心轭部模块的凹部内从而实现定位固定；所述磁钢沿周向充磁，周向相邻的磁钢充磁方向相反，所述电枢绕组绕线方向一致，沿周向依次设置为A,B,C三相绕组，所述励磁绕组绕线方向一致；所述定子铁心齿部模块和定子铁心轭部模块沿周向依次组合式排放在所述安装隔磁铝套内侧，并由所述铝套端盖轴向固定；所述转子铁心为带凸齿套筒结构，为开关磁通电机转子，套装在所述电机轴上。
所述组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机被电机基座支撑，所述电机机座内壁设置有绕组进出线通孔，所述电机机座外圆周布置有轴向冷却液管道；所述电机机座轴向两端设置有端盖，所述端盖一侧外沿周向设置有冷却液流动腔，所述冷却液流动腔沿周向与相邻两个冷却液管道相连通。
所述电机轴轴向两端分别设置有轴承，所述轴承分别与所述端盖和所述电机机座连接。
本发明组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机至少具有以下优点：本发明通过设计多齿式定子铁心，削弱电机输出转矩脉动，通过设计组合式定子结构，使电机组装方便简单；通过设置励磁绕组，改变电机磁场，提高电机过载和弱磁升速的能力。另外，本发明继承传统开关磁通电机磁钢安装在定子上的结构，并通过设计冷却液循环流动系统，使得磁钢、电枢绕组和励磁绕组易于散热，提高电机的稳定性和鲁棒性。因此，相比现有的交流伺服电机，本发明电机作为机电设备伺服直驱动力源更具有优势，适应性更好。
附图说明
图1是本发明一种组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机的拓扑结构示意图；
图2是图1中的定子铁心齿部模块的结构示意图；
图3是的定子铁心轭部模块的结构示意图；
图4是图1中一个定子铁心齿部模块的三维结构示意图；
图5是本发明组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机的定子部分三维结构示意图；
图6是本发明组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机的转子部分三维结构示意图；
图7是本发明组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机的电机机座结构示意图；
图8是本发明组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机的电机端盖结构示意图；
图9是本发明组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机的整体轴向展开结构示意图；
图10是传统开关磁通电机的拓扑结构示意图；
图11是本发明电机与传统开关磁通电机一个极距内转矩输出波形图；
图12是本发明电机在不同情况下的励磁匝链磁通波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机的组成结构及其电磁性能作具体介绍：
参阅图1所示，本发明一种组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机，主要由定子铁心齿部模块1，定子铁心轭部模块2，转子铁心3，电枢绕组4，磁钢5，励磁绕组6，电机机座7，安装隔磁铝套9，铝套端盖10，电机轴12等组成。
结合图1和图2所示，所述定子铁心齿部模块1为多齿式结构，其中心同轴开设有间槽21，该间槽的两侧对称设置有齿槽31，所述齿槽31为相邻的一堆凸齿41之间的空间形成，所述定子铁心齿部模块1由单片硅钢片经冲裁或线切割成形后逐片叠压而成。
结合图1，图2和图4所示，所述磁钢5安装在所述间槽21中，所述励磁绕组6嵌套在所述齿槽31上，所述电枢绕组4为集中绕组结构，环套在所述定子铁心齿部模块1根部。
结合图1和图3所示，所述定子铁心轭部模块2设置为圆弧结构，由单片硅钢片经冲裁或线切割成形后逐片叠压而成。所述定子铁心轭部模块2的两端位置开设有L形的凹部，使得定子铁心轭部模块2的两端位置形成凸缘，所述定子铁心齿部模块1根部对应位置设置有凸部，当定子铁心齿部模块1根部和定子铁心轭部模块2组装在一起时，所述定子铁心齿部模块1根部的凸部刚好卡在定子铁心轭部模块2的凹部内。
结合图1，图2，图3，图4和图5所示，在所述的定子铁心齿部模块1依次安装所述磁钢5，励磁绕组6，电枢绕组4后构成一个独立模块，该模块和定子铁心轭部模块2沿周向依次组合排放在所述安装隔磁铝套9内侧，并由所述铝套端盖10轴向固定。
所述定子铁心齿部模块1，定子铁心轭部模块2，电枢绕组4，磁钢5和励磁绕组6组成开关磁通电机定子11，所述磁钢5沿周向充磁，周向相邻的磁钢5充磁方向相反，所述电枢绕组4绕线方向相同，沿周向依次设置为A,B,C三相绕组，所述励磁绕组6绕线方向相同，根据电机过载或弱磁升速的不同要求改变输入电流的方向和幅值。所述转子铁心3为带凸齿套筒结构，为开关磁通电机转子，套装在所述电机轴12上。
结合图1和图6所示，所述转子铁心3为带凸齿套筒结构，为开关磁通电机转子，套装在所述电机轴12上。
结合图7和图8所示，所述电机机座7外圆周布置有轴向冷却液管道71，所述电机机座7内壁设置有绕组进出线通孔72。所述电机机座7轴向两端设置有端盖8，所述端盖8一侧外沿周向设置有冷却液流动腔81，所述冷却液流动腔81沿周向与相邻两个冷却液管道71相连通，从而整体组成一个冷却液循环流动系统。
结合图5，图6和图9所示，所述开关磁通定子11通过安装隔磁铝套9放置在电机机座7内，所述转子铁心3通过所述电机轴12设置在所述开关磁通定子11内，所述电机轴12轴向两端分别设置有轴承13，所述前后两个轴承13分别与所述端盖8和所述电机机座7连接。
再次参阅图1所示，作为本发明的优选实施例，所述安装隔磁铝套9内侧沿周向放置有6个定子铁心齿部模块1，每个定子铁心齿部模块1对应设置有四个凸齿41，一个磁钢5，一个集中式电枢绕组4，及一个励磁绕组6，对应设置转子铁心上的最佳凸齿个数为19。可根据应用需要，设置定子铁心齿部模块1个数为6的倍数，设置凸齿41个数为4个或6个，并选择最佳对应的转子铁心3的凸齿个数。
参阅图10所示，为传统开关磁通电机的拓扑结构，其主要由与图1中本发明电机对应的定子铁心齿部模块1，电枢绕组4，磁钢5和转子铁心3组成，其普遍采用的定转子齿极组合结构为12个定子铁心对应10个转子铁心。与本发明相比，拓扑结构区别在于本发明电机设置定子铁心模块为多齿式结构。利用有限元仿真分析，在相同外形尺寸下，比较本发明电机和传统开关磁通电机在一个极距下的输出转矩波形，如图11所示，可见，相比传统开关磁通电机，本发明多齿式定子铁心开关磁通电机输出转矩的脉动较小，作为机电设备的直接驱动源更为理想。同时，参阅图4所示，本发明通过组合式的定子铁心结构，可使电枢绕组6通过绕线模整体绕制后直接套装到定子铁心齿部模块1上，装配简单方便，克服了多齿式铁心定子绕线困难的问题。
参阅图12所示，利用有限元仿真分析，研究所述励磁绕组6对本发明电机磁场的调节性能。本发明电机主磁场由所述磁钢5和励磁绕组6共同作用构成混合励磁磁场，属于一种混合励磁电机。所述电枢绕组4在混合励磁磁场下产生匝链感应磁通。当所述励磁绕组6不通入电流时，电磁磁场完全有所述磁钢5产生，电枢绕组4匝链的磁链为图12中的额定空载磁链，由电机学知识可知，在其他电磁参数不变的情况下，匝链幅值越大，电机输出转矩越大，负载能力越强。因此，对所述励磁绕组6通入一定方向和幅值的直流电流，能使电枢绕组4的磁链幅值上升，使电机的负载过载能力得到提高，如图12所述的过载增磁磁链。另一方面，当对励磁绕组6通入与增磁磁链相反方向的直流电流时，使电枢绕组4的匝链磁链幅值降低，在电枢绕组输入额定电流不变的情况下，降低了电机输出转矩，提高了电机输出转速，起到弱磁升速的作用，能提高电机的调速范围。如图12所示，所述励磁绕组6对磁链幅值有显著的调节效果，从而使本发明电机的过载范围和调速范围大大扩大，这对于机电设备的伺服直接驱动来说，具有显著的优越性。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (3)
1.一种组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机，其特征在于：包括开关磁通定子(11)、转子铁心(3)，以及电机轴(12)，其中，所述电机轴置于转子铁心的中心轴上，所述转子铁心(3)位于所述开关磁通定子(11)的中心轴上；所述开关磁通定子(11)包括定子铁心齿部模块(1)，定子铁心轭部模块(2)，电枢绕组(4)，磁钢(5)和励磁绕组(6)；所述定子铁心齿部模块(1)为多凸齿式结构，由硅钢片叠压而成，该定子铁心齿部模块(1)的中心轴线上开设有容纳磁钢(5)的间槽(21)，该间槽(21)的两侧对称设置有齿槽(31)和凸齿(41)；所述磁钢(5)安装在所述间槽(21)中，所述励磁绕组(6)嵌套在所述齿槽(31)上，所述电枢绕组(4)为集中绕组结构，环套在所述述定子铁心齿部模块(1)根部；
所述定子铁心轭部模块(2)为圆弧结构，由硅钢片叠压而成，所述定子铁心轭部模块(2)的两个端部分别开设有L形的凹部，所述定子铁心齿部模块(1)的根部对应设置有凸部，组装时，所述定子铁心齿部模块(1)的凸部刚好卡在所述定子铁心轭部模块(2)的凹部内从而实现定位固定；
所述磁钢(5)沿周向充磁，周向相邻的磁钢(5)充磁方向相反，所述电枢绕组(4)绕线方向一致，沿周向依次设置为A,B,C三相绕组，所述励磁绕组(6)绕线方向一致；
所述定子铁心齿部模块(1)和定子铁心轭部模块(2)沿周向依次组合式排放在所述安装隔磁铝套(9)内侧，并由所述铝套端盖(10)轴向固定；
所述转子铁心(3)为带凸齿套筒结构，为开关磁通电机转子，套装在所述电机轴(12)上。
2.根据权利要求1所述的一种组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机，其特征在于：所述组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机被电机基座(7)支撑，所述电机机座(7)内壁设置有绕组进出线通孔(72)，所述电机机座(7)外圆周布置有轴向冷却液管道(71)；所述电机机座(7)轴向两端设置有端盖(8)，所述端盖一侧外沿周向设置有冷却液流动腔(81)，所述冷却液流动腔(81)沿周向与相邻两个冷却液管道(71)相连通。
3.根据权利要求1所述的一种组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机，其特征在于：所述电机轴(12)轴向两端分别设置有轴承(13)，所述轴承(13)分别与所述端盖(8)和所述电机机座(7)连接。
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