中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機的製作方法

2023-10-04 04:36:19 2

專利名稱：中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機，是對傳統的 中間定子結構軸向磁場永磁電機的改進，屬於永磁電機技術領域。
背景技術：
我國稀土資源豐富，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的4倍左右，稀土礦 石和稀土永磁的產量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研水平也都 達到了國際先進水平。因此，充分發揮我國豐富的稀土資源優勢，大力研究和推廣 應用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機具有重要的理論意義和工程實用價值。
與傳統的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結構簡單、運 行可靠、體積小、質量輕、損耗小、效率高，電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯
著優點。過去的十多年來，研究熱點一直集中於以表面貼裝式、插入式和嵌入式為 代表的轉子永磁型電機。然而將永磁體置於轉子，在電機運行過程中會產生一系列 的問題，例如對於永磁體粘貼在轉子表面或插入轉子凸極之間的結構，為了克服高 速運行所產生的離心力影響，通常要製作輔助的永磁體固定裝置，這會導致轉子散 熱困難，過高的溫升會使永磁體發生不可逆退磁，限制電機出力，減小電機的輸出
功率；而對於永磁體埋入轉子鐵心內部的內嵌式結構，會影響轉子的機械強度，並 且需要輔助磁橋，使製作工藝複雜。另外，對於轉子永磁型電機，定子繞組產生的 電樞反應磁通都會進入轉子，與永磁體相互耦合，存在一定程度的去磁危險。
傳統的軸向磁場永磁電機，若採用無槽結構，則其磁負荷小，有槽結構雖然功 率密度較高但製造困難，需專用設備。另外，無論是單氣隙還是雙氣隙軸向磁場永 磁電機，轉子都是由高性能永磁材料粘結在實心鋼或矽鋼片上構成。這樣，在其運 行過程中，就會產生上述的一些問題，同時也增加了電機的製造成本。
法國學者E. Hoang在1997年的EPE會議上，首先提出了三相12/10結構的永磁 式磁通切換型永磁電機，定子為"U"形鐵心，中間嵌入切向交替充磁的永磁體。 隨後，東南大學、南京航空航天大學、英國Leicester大學和Sheffield大學等高校和 科研院所對磁通切換型永磁電機做了較為深入的研究，並取得了大量的成果。所謂磁通切換電機，是指隨著轉子位置的變化，激磁磁通切換其路徑，使得定子繞組內 磁鏈的大小和方向均發生變化，從而產生交變的電勢。永磁式磁通切換型電機不存 在勵磁損耗，定轉子鐵心均為雙凸極結構，轉子上既無永磁體也無繞組，結構簡單、 工作可靠、效率高、冷卻方便，具有較高的功率密度和效率。然而遺憾的是，目前 對永磁式磁通切換型電機的研究大多集中於徑向磁場電機，該種電機不適合於嚴格 要求薄形安裝的場合，所以研究磁通切換型軸向磁場永磁電機就具有重要的意義和 使用價值。

發明內容
技術問題針對傳統軸向磁場永磁電機存有的不足，為提高軸向磁場永磁電機 性能，本發明提出了一種轉子無永磁體和電樞繞組、結構簡單，功率密度和效率高 的中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機。
技術方案本發明的中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機由一個定子和 兩個轉子構成的雙氣隙永磁電機，定子與轉子同軸安裝，定子夾放在兩個轉子之間， 轉子和定子之間留有空氣隙；兩個轉子的結構完全一樣，而且關於定子對稱；由6 個H形定子鐵心和6塊永磁體組成的定子單元與由5個轉子極組合成的轉子單元構 成"基本電機"，將基本電機的定子單元與轉子極進行整數倍擴充，得到6a/5a結構 的電機，其中a為正整數。每個定子包括6a個H形定子鐵心、6a塊永磁體和6a個 集中繞組線圈，H形定子鐵心和永磁體交替放置構成圓盤，每個線圈橫跨在兩個H 形定子鐵心的齒上，中間嵌入永磁體，永磁體沿著圓周方向交替充磁。6a個集中繞 組線圈分成三相，其中每相隔兩槽的2a個線圈串聯成一相，即A、 B、 C三相繞組 兩兩相隔120。電角度相串聯；定子兩側相對的同相繞組相串聯或者相併聯。
轉子共有5a個齒，稱為5a個轉子極，均勻設置在轉子軛部的圓盤表面，並與 定子在該轉子側的齒相對。H形定子鐵心的齒和轉子極都是平行齒，或都是扇形齒。
有益效果本發明所提出的中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機，將磁 通切換的理念合理應用於軸向磁場永磁電機，集中了傳統軸向磁場永磁電機和 磁通切換型永磁電機的優點。轉子結構簡單、軸向尺寸短，解決了永磁體置於轉子 而帶來的一系列問題。
定子採用"H"形導磁鐵心，相對於傳統軸向磁場永磁電機製造方便。
由於定子兩個相鄰的定子齒之間設置有永磁體，所以當轉子極與不同的定子齒對齊時，永磁體產生的永磁磁通穿過線圈的方向就會不同，從而產生磁通切換效應， 導致線圈中匝鏈的永磁磁鏈為雙極性。
由於集中繞組任何一相的第一繞組線圈(如圖1中的Al)和第三繞組線圈(如圖1 中的A3)徑向相對，第二繞組線圈(如圖1中的A2)和第四繞組線圈(如圖1中的A4) 徑向相對，所以在四個固定的轉子位置(分別對應著匝鏈的永磁磁鏈正向最大、負向 最大和兩個過零點)，組成一相的兩套線圈繞組(A1和A3、 A2和A4)中匝鏈的永磁 磁鏈數量和方向都相同。另一方面，由於組成一相的兩套集中繞組線圈(每套由徑向 相對的兩個線圈串聯而成)在磁路上存在180度的相位差，在順序串聯連接時，可以 利用線圈在磁路上具備互補的特性，使得匝鏈繞組的一相永磁磁鏈和感應產生的空 載電動勢波形中的高次諧波分量幅值相等而相位上互補，在合成為一相磁鏈或電勢 時，自動抵消了大部分諧波，從而使得磁鏈或電勢的總諧波畸變率明顯降低，其總 諧波畸變率小於2%。
該電機結構上的特點使得其具有聚磁效應，空載氣隙磁密大，電機具有較強的 轉矩輸出能力，功率密度高；同時，電阻較小，效率較高。而且，電樞反應磁通和 永磁磁通在磁路上為並聯關係，保證了該電機永磁勵磁具有較強的抗去磁能力。
另外，該電機與中間轉子結構的磁通切換型軸向磁場永磁無刷電機(中國發明專 利，申請號200810019783.2)相比，具有下述特點
1) 結構不同。該電機為雙轉子、單定子結構，定子導磁鐵心為"H"形，轉子極 與轉子軛部圓盤為一體結構；而磁通切換型軸向磁場永磁無刷電機(中國發明專利， 申請號200810019783.2)為單轉子、雙定子結構，定子導磁鐵心為"U"形，轉子極均 勻設置在非導磁圓環上，為非一體結構。
2) 散熱性能更好。雙轉子置於電機兩側，定子放中間，當電機穩定運行時，轉 子起到風扇的作用；另外，由於轉子結構的差異，該電機定轉子間的有效散熱空間 明顯大於磁通切換型軸向磁場永磁無刷電機(中國發明專利，申請號 200810019783.2)，這也使得其散熱效果更好。
3) 永磁體利用率高。該電機兩側的轉子關於定子對稱，所以電機內的磁場也呈 對稱分布，由永磁體產生的磁勢沿兩側定子齒、兩側氣隙、兩側轉子齒、兩側轉子 軛、兩側氣隙、兩側定子齒和兩側定子軛呈對稱降落，磁路沿如圖3所示路徑閉合； 而磁通切換型軸向磁場永磁無刷電機(中國發明專利，申請號200810019783.2)，關 於轉子相對稱的兩個永磁體串聯，共同作用於轉子兩側氣隙及相應磁路。鑑於此，該電機的永磁利用率要高於磁通切換型軸向磁場永磁無刷電機(中國發明專利，申請 號200810019783.2)。
4)轉動慣量大。額定功率相同的情況下，由於該電機具有雙轉子，所以其轉子 質量較大，故其轉動慣量大於磁通切換型軸向磁場永磁無刷電機(中國發明專利，申 請號200810019783.2)。這樣，當該電機作為風力發電機使用時，其優勢尤為明顯。


圖1為12/10結構中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機三維結構示意圖2為中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機的平面展開以上的圖中有定子l，轉子2、轉子極3，轉子軛4， H形定子導磁鐵心5，永
磁體6，集中繞組線圈7。
Al、 A2、 A3、 A4為徑向中心線相互垂直的四個集中繞組線圈； 圖3為中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機磁路示意圖。
具體實施例方式
本發明所提出的中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機是由一個定子和兩 個轉子構成的雙氣隙永磁電機，定子與轉子同軸安裝，定子夾放在兩個轉子之間， 轉子和定子之間留有空氣隙。兩個轉子的結構完全一樣，而且關於定子對稱。定子 由6a個H形導磁鐵心、6a塊永磁體和6a個線圈組成的集中繞組構成。H形定子鐵 心和永磁體交替放置構成圓盤，定子中相鄰的兩個永磁體充磁方向相反。定子每側 的2a個線圈分成三相，其徑向中心線相互垂直的四個線圈(如圖1中的Al、 A2、 A3 和A4四個線圈)串聯構成一相繞組，定子兩側的繞組相併聯或串聯。每個線圈繞在 兩個"H"形定子鐵心的齒上，中間嵌入永磁體，永磁體沿著圓周方向交替充磁。轉子 共有5a個齒(極)，均勻設置在轉子軛部的圓盤表面，並與定子齒相對。H形定子鐵 心的齒和轉子極都是平行齒，或都是扇形齒。該電機是由6個H形定子鐵心和6塊 永磁體組成的定子單元與5個轉子極組合成的"基本電機"進行a倍數擴充得到， 將基本電機進行整數倍擴充，可得到6a/5a結構的電機，其中a為正整數。
如圖1所示，12/10結構中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機是由一個定 子1和兩個轉子2構成的雙氣隙永磁電機，定子1與轉子2同軸安裝，定子l夾放 在兩個轉子2之間，轉子2和定子1之間留有一定厚度的空氣隙。兩個轉子2的結 構完全一樣，而且關於定子1對稱；每一個定子1都是由12個"H"形定子鐵心5、 12塊永磁體6和12個集中繞組線圈7組成，"H"形定子鐵心5和永磁體6交替放置構 成圓盤，相鄰兩個永磁體的充磁方向相反；12個集中繞組線圈7分成三相，每四個 線圈串聯構成一相繞組，定子兩側的繞組採用相併聯或串聯；每個線圈橫跨在兩個 "H"形定子鐵心5的齒上，中間嵌入永磁體6，永磁體6沿著圓周方向交替充磁。轉 子2共有10個齒，稱為10個轉子極3，均勻設置在轉子2軛部的圓盤表面，並與定 子在該轉子側的齒相對。H形定子鐵心5由矽鋼片衝制而成，轉子2也由高導磁率 的矽鋼片衝疊構成。轉子2結構簡單，其上既沒有永磁體也沒有電樞繞組。
當原動機拖動轉子旋轉，轉子極與定子齒間的相對位置發生改變。如圖2所示， 定、轉子相對位置的變化，激磁磁通切換其路徑，使得每個電樞繞組所匝鏈的永磁 磁通交變，磁通方向由從定子進入轉子變為從轉子進入定子，數值在最大值和最小 值之間周期性變化。根據法拉第電磁感應定律，每個電樞繞組兩端的導體中就會產 生幅值和相位交變的感應電動勢，當電樞繞組與負載相聯，就可輸出交流電流，實 現電機的發電機運行。
本發明的永磁電機也可以作為電動機運行。如圖2所示，兩側轉子極相對，當 轉子某一極正對著定子齒，設定子上面正對轉子極的線圈左導體電流方向為垂直於 紙面向裡，此線圈的另一導體(右導體)的電流方向為垂直於紙面向外，與此線圈 相對的定子下面的線圈左右導體中的電流方向與之相反，即左導體的電流方向為垂 直於紙面向外，右導體的電流方向垂直紙面向裡。這樣，該兩側的轉子極的左半部 分永磁磁通與電樞磁通的合成磁通是相互加強的，右半部分的合成磁通是相互削弱 的，該兩側的轉子極受到水平向左的力，其它的轉子極受力分析同上，也均受到向 左的作用力，從而使轉子向左運動。顯然，如果改變此刻的電流方向，轉子將向右 運動。
權利要求
1.一種中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機，其特徵在於該電機由一個定子(1)和兩個轉子(2)構成的雙氣隙永磁電機，定子(1)與轉子(2)同軸安裝，定子(1)夾放在兩個轉子(2)之間，轉子(2)和定子(1)之間留有空氣隙；兩個轉子(2)的結構完全一樣，而且關於定子(1)對稱；由6個H形定子鐵心(5)和6塊永磁體(6)組成的定子單元與由5個轉子極組合成的轉子單元構成「基本電機」，將基本電機的定子單元與轉子極進行整數倍擴充，得到6a/5a結構的電機，其中a為正整數。每個定子(1)包括6a個H形定子鐵心(5)、6a塊永磁體(6)和6a個集中繞組線圈(7)，H形定子鐵心(5)和永磁體(6)交替放置構成圓盤，每個線圈橫跨在兩個H形定子鐵心(5)的齒上，中間嵌入永磁體(6)，永磁體(6)沿著圓周方向交替充磁。6a個集中繞組線圈分成三相，其中每相隔兩槽的2a個線圈串聯成一相，即A、B、C三相繞組兩兩相隔120°電角度相串聯；定子兩側相對的同相繞組相串聯或者相併聯。
2. 根據權利要求1所述的中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機，其特徵 在於轉子(2)共有6a個齒，稱為5a個轉子極(3)，均勻設置在轉子軛部的圓盤表面， 並與定子在該轉子側的齒相對。
3. 根據權利要求1所述的中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機，其特 徵在於H形定子鐵心(5)的齒和轉子極(3)都是平行齒，或都是扇形齒。
全文摘要
中間定子結構磁通切換型軸向磁場永磁電機由一個定子(1)和兩個轉子(2)構成的雙氣隙永磁電機，定子(1)與轉子(2)同軸安裝，定子(1)夾放在兩個轉子(2)之間，轉子(2)和定子(1)之間留有一定厚度的空氣隙，每一個定子(1)都是由12個「H」形定子鐵心(5)、12塊永磁體(6)和12個線圈(7)組成，「H」形定子鐵心(5)和永磁體(6)交替放置構成圓盤，定子(1)上的「H」形定子鐵心(5)和永磁體(6)都是分別相對應的，但是定子中的永磁體沿圓周方向交替充磁；永磁體和集中電樞繞組全部置於定子，轉子上既無永磁體也無電樞繞組；簡單的轉子結構可以有效提高電機運行的可靠性；軸向磁場結構使電機軸向尺寸變短，從而使電機有較高的功率密度；外轉子結構使得轉子在旋轉時，可以起到風扇的作用。
文檔編號H02K16/02GK101621234SQ20091018441
公開日2010年1月6日 申請日期2009年8月6日 優先權日2009年8月6日
發明者磊 張, 婉 李, 林克曼, 林明耀 申請人:東南大學