一種具有磁場調節能力的磁通反向電機的製作方法
2023-10-04 04:43:29 1
專利名稱：一種具有磁場調節能力的磁通反向電機的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種結構簡單、堅固，具有較強的轉矩輸出能力和較高功率密度的
電機，尤其是一種能夠實現混合勵磁功能的電機，屬於電機製造的技術領域。
背景技術：
隨著能源危機的不斷加劇，採用永磁勵磁取代電勵磁以節省能源消耗已成為全世 界的共識，同時由於我國是世界上稀土資源最豐富的國家，開發研究和推廣應用新型結構 的稀土永磁電機，具有重要的理論意義和實用價值。特別是目前廣泛研究的混合動力汽車， 要求其中的電機驅動系統體積小、重量輕、效率高、可靠性強，免維護、轉矩出力大、調速範 圍寬。然而，由於永磁電機自身存在氣隙磁場無法調節的瓶頸，限制了其在混合動力汽車中 的應用。絕大多數的永磁電機空載永磁磁鏈都大於直軸電感與額定電流的乘積，永磁電機 在恆轉矩區的最大轉矩和恆功率區的最高運行轉速之間是一對無法調和的矛盾一方面， 增大永磁磁鏈固然可以提高電機的最大轉矩輸出能力，同時會限制電機的高速運行(由於 不斷增大的空載反電動勢)；另一方面，當逆變器的電流限額和電機的直軸電感固定時，減 小永磁磁鏈有利於提高電機的恆功率運行範圍但會限制轉矩出力。因此，上述永磁電機的 缺點成了限制其應用推廣的瓶頸。而目前出現的以轉子永磁型電機為原型的混合勵磁電機 大部分都將直流勵磁繞組放置定子。為了給電勵磁磁通提供一條不論是徑向還是軸向與永 磁磁通並行的路徑，所提出的電機結構都非常複雜，不論從製造工藝還是成品化大規模生 產而言，都面臨巨大的挑戰。混合勵磁型的電機如果為了實現磁場的調節而從結構複雜度 上需要做出重大犧牲，其競爭力將會大打折扣。 另一方面，從上個世紀末國際上陸續出現了三種新型結構的定子永磁型電機，即 雙凸極永磁電機、磁通切換永磁電機和磁通反向永磁電機，其結構共性為將永磁體和電樞 繞組都置於定子，轉子僅由矽鋼片等軟磁材料組成。針對前兩者的混合勵磁結構方案都已 提出，本發明正是在磁通反向永磁電機結構基礎之上，修改了磁鋼充磁方向，提出了一種新 型結構的混合勵磁型磁通反向電機，以避免出現複雜結構，而力圖在保持純永磁式電機基 礎之上不做重大修改即可實現混合勵磁功能。
發明內容技術問題本實用新型的目的是提出一種結構緊湊、簡單、魯棒性好的一種具有磁
場調節能力的磁通反向電機，該電機可合理安排電勵磁繞組空間，在不額外增加體積的條
件下可進一步提高電機的功率密度，同時通過電勵磁電流和電樞電流的靈活調節全方面提
高各項性能，包括最大轉矩、恆功率最高運行轉速和整個運行區範圍內的高效率。
技術方案本實用新型的具有磁場調節能力的磁通反向電機包括定子、單相集
中勵磁繞組、永磁體、三相集中電樞繞組、轉子和定子齒上開槽；每個定子齒中部面向氣隙 開有一個槽放置單相集中勵磁繞組；在每個定子齒面向氣隙表面貼裝有兩個極性相互相反
的永磁體，相鄰兩個定子齒下面的四塊永磁體極性交錯分布，即呈NS-SN分布；三相集中電樞繞組的各線圈均依次橫跨於一個定子齒上；其中，三相集中電樞繞組一共有6個集中電 樞線圈，第一集中電樞線圈與第二集中電樞線圈徑向相對，反向串連或並連後組成A相電 樞繞組；第三集中電樞線圈與第四集中電樞線圈徑向相對，反向串連或並連後組成B相電 樞繞組；第五集中電樞線圈與第六集中電樞線圈徑向相對，反向串連或並連後組成C相繞 組；勵磁繞組為雙層時有6個集中勵磁線圈，為單層時為3個集中勵磁線圈，其中第一勵磁 繞組線圈、第二勵磁繞組線圈、第三勵磁繞組線圈、第四勵磁繞組線圈、第五勵磁繞組線圈、 第六勵磁繞組線圈均為集中繞組，橫跨於相鄰兩個定子齒所開的槽中，每個槽中可分布有 兩個線圈為雙層結構，且同一個槽中的兩個線圈通電極性一致，或每個槽中僅分布一個線 圈為單層結構，上述若干個集中勵磁線圈依次順序首尾串連連接，組成單相勵磁繞組。 定子為導磁鐵心和永磁體拼裝而成，其中永磁體貼裝於定子的齒表面。轉子上無 永磁體和繞組；轉子為直槽，適於無刷直流運行；或為斜槽，適於無刷交流運行。在定子齒 所開槽中安置勵磁繞組；勵磁繞組為集中繞組，呈雙層或單層排布。 如圖l所示，當電機轉子在此位置時，轉子分別有一個齒與第一集中電樞線圈和
第二集中電樞線圈的一塊永磁體相對齊，根據永磁體的磁化方向，兩個電樞線圈中的永磁
磁通方向相反但數值相同，且此時數值最大。因此，若通過第一勵磁繞組線圈和第四勵磁繞
組線圈分別施加與永磁磁勢方向相同的電勵磁磁勢，則可以增加匝鏈到第一集中電樞線圈
和第二集中電樞線圈中的磁通，從而增大繞組中感應出的電勢。相反，如果改變勵磁電流方
向，使產生的電勵磁磁通與永磁磁通方向相反，則可以減小第一集中電樞線圈和第二集中
電樞線圈中的合成磁鏈，進而減小電樞繞組中感應的電勢。可見，通過改變勵磁繞組中的電
勵磁電流大小和方向就可以對永磁磁場進行調節，從而可以克服上述的純永磁式電機中的
缺點，使得該混合勵磁型磁通反向電機在採用集中繞組和轉子不斜槽的條件下，即可獲得
非常接近於梯形波分布的磁鏈、反電動勢等靜態特性，從而使本發明更加適合於作為無刷
直流驅動方式的交流調速系統元件。此外，也可以通過轉子斜槽一定角度，獲得較為正弦的
反電動勢，使本發明適合於作為無刷交流驅動方式的交流調速系統元件。 此外，該電機結構上的特點導致其空載氣隙磁通密度較大，電機具有較強的轉矩
輸出能力，功率密度較高；同時，電樞繞組與勵磁繞組都是集中繞組，端部短，電阻較小，效
率較高。 有益效果 1.在結構上保留了永磁式磁通反向電機緊湊、簡單、魯棒性好、適於高速運行的優勢； 2.在性能上保留了永磁式電機轉矩出力大、功率密度高、效率高的優勢； 3.增加的一套電勵磁繞組在無需增加電機體積的條件下即可安放； 4.電機中的電樞和勵磁兩套繞組都採用集中繞組，端部較短； 5.可根據不同性能需求，將轉子直槽或者斜槽，從而獲得梯形波或者正弦波的反 電動勢； 6.與已有的混合勵磁電機(包括轉子永磁型和定子永磁型)相比結構簡單，勵磁 繞組不會佔用電樞繞組的槽面積，反而會減小一部分定子鐵心，研製容易。
圖1是本實用新型的定子、轉子、電樞繞組和雙層勵磁繞組結構示意圖。其中有定子1，單相雙層集中勵磁繞組2、第一集中勵磁線圈21、第二集中勵磁線圈22、第三集中勵 磁線圈23、第四集中勵磁線圈24、第五集中勵磁線圈25、第六集中勵磁線圈26，永磁體3，三 相集中電樞繞組4、第一集中電樞線圈411、第二集中電樞線圈412、第三集中電樞線圈421、 第四集中電樞線圈422、第五集中電樞線圈431 、第六集中電樞線圈432，轉子5，安置定子勵 磁繞組的槽6。 圖2是本實用新型的定子、轉子、電樞繞組和單層勵磁繞組結構示意圖。其中有 定子1，單相單層集中勵磁繞組2、第一集中勵磁線圈21、第二集中勵磁線圈22、第三集中勵 磁線圈23，永磁體3，三相集中電樞繞組4、第一集中電樞線圈411、第二集中電樞線圈412、 第三集中電樞線圈421、第四集中電樞線圈422、第五集中電樞線圈431、第六集中電樞線圈 432，轉子5，安置定子勵磁繞組的槽6。
具體實施方式
本實用新型包括定子，永磁體，三相集中電樞繞組，單相集中勵磁繞組和轉子；每
個定子齒在齒尖中部開有一個小槽，將定子齒分為兩個齒部，在每個小齒部下表面貼裝一 塊永磁體，同一個定子齒下的兩塊永磁體極性相反，而相鄰定子齒下的磁鋼極性分布交錯，
即第一個定子齒下永磁體極性分布若為N-S，則與之相鄰的兩個定子齒下的永磁體極性都 為S-N，依次交錯分布於定子表面。因此，若定子齒數為Ps，則一共有2PS塊永磁體貼裝於定 子齒表面。 一共有Ps個定子齒小槽提供給勵磁繞組，勵磁繞組可採用單層或者雙層結構。 若為單層勵磁繞組，則一共有Ps/2個勵磁線圈；若為雙層勵磁繞組，則一共有Ps個勵磁線 圈。三相集中電樞繞組的各線圈均橫跨於一個定子齒上，其中，三相集中電樞繞組一共有Ps 個集中電樞線圈以ABC三相的順序依次交替分布，每相由P乂3個電樞線圈組成，屬於同相 的各個線圈空間彼此相差1080° /PJ空間機械角度)。若以一臺定子6個槽，轉子4個極 的混合勵磁磁通反向電機為例，則第一集中電樞線圈與第二集中電樞線圈徑向相對(空間 相差180° )，順序串連(或並連)後組成A相電樞繞組；第三集中電樞線圈與第四集中電 樞線圈徑向相對(空間相差180。)，順序串連(或並連)後組成B相電樞繞組；第五集中 電樞線圈與第六集中電樞線圈徑向相對(空間相差180。)，順序串連(或並連)後組成C 相電樞繞組；對於組成A相的2個電樞繞組線圈而言，第一集中線圈和第二集中線圈在任何 轉子位置，其繞組中匝鏈的磁鏈數量相同方向相反，需要反向串連組成A相，對B相和C相 情況類似。電樞繞組為集中繞組，勵磁繞組亦為集中繞組。若採用雙層勵磁繞組，則第一集 中勵磁線圈至第六集中勵磁線圈依次首尾相連，組成單相勵磁繞組，且同一個槽中的兩個 勵磁線圈電流方向一致；若採用單層勵磁繞組，則第一集中勵磁線圈至第三集中勵磁線圈 依次首尾相連，組成單相勵磁繞組。定子為導磁鐵心和永磁體拼裝而成。轉子為直槽或斜 槽轉子，轉子上既無永磁體也無繞組。永磁體是鐵氧體、釤鈷或者釹鐵硼等其他類型永磁材 料。 在勵磁繞組不通電流時，當轉子在旋轉過程中與同一個定子齒下的兩塊極性不同 的永磁體分別對齊時，永磁體所產生的永磁磁通匝鏈到各個定子集中電樞線圈的方向就會 相反，從而產生磁通反向效應，導致每相電樞繞組中所匝鏈的永磁磁鏈為雙極性。本發明最 為關鍵的是，在定子齒面向氣隙的齒尖中部開出一塊槽面積安置單相勵磁繞組，其中每個 勵磁繞組槽中放置雙層(或單層)繞組。[0020] 如圖1以一臺定子6槽/轉子4極電機為例，本實用新型具有磁場調節能力的磁 通反向電機包括定子鐵心1和轉子鐵心5，轉子5位於定子1的內部(轉子5也可以位於定 子1的外部，組成外轉子結構)，定子1和轉子5都為凸極結構，其中定子鐵心部分由導磁鐵 心組成，定子有6個齒，並在每個定子齒上開有一個小槽6以安置單相雙層勵磁繞組2，在定 子1上設置有三相集中電樞繞組4和12塊永磁體3 ; 集中繞組4的A相第一繞組線圈411和第二繞組線圈412徑向相對，每個繞組線 圈套於定子1中每個齒的兩側槽中，且上述兩個集中繞組線圈反向串連或並連組成A相； 集中繞組4的B相第一繞組線圈421和第二繞組線圈422徑向相對，每個繞組線 圈套於定子1中每個齒的兩側槽中，且上述兩個集中繞組線圈反向串連或並連組成B相； 集中繞組4的C相第一繞組線圈431和第二繞組線圈432徑向相對，每個繞組線 圈套於定子1中每個齒的兩側槽中，且上述兩個集中繞組線圈反向串連或並連組成C相； 勵磁繞組2 —共有6個集中線圈，置於每個定子齒面向氣隙所開槽的空間6中，為 雙層排放方式。其中第一勵磁繞組線圈21、第二勵磁繞組線圈22、第三勵磁繞組線圈23、第 四勵磁繞組線圈24、第五勵磁繞組線圈25、第六勵磁繞組線圈26均為集中繞組，橫跨於相 鄰兩個定子齒的槽中，每個槽中分布有兩個線圈為雙層結構，同一個槽中的兩個線圈通電 極性一致。上述6個線圈依次順序首尾串聯連接，組成單相雙層勵磁繞組。 在定子1的6個齒表面，依次貼裝12塊永磁體3，每個定子齒下的兩塊永磁體極性 相反，相鄰兩個定子齒下的兩塊永磁體極性分布交錯，即NS-SN-NS-SN-NS-SN。 當電機轉子在圖1所示位置時，轉子5分別有一個齒與第一集中電樞線圈411和 第二集中電樞線圈412下的一塊永磁體3相對，根據永磁體3的磁化方向，兩個線圈中的永 磁磁通方向相反但數值相同，且此時數值最大。因此，若通過第一勵磁繞組線圈21和第四 勵磁繞組線圈24分別施加與永磁磁勢方向相同的電勵磁磁勢，則可以增加匝鏈到第一集 中電樞線圈411和第二集中電樞線圈412中的磁通，從而增大感應出的電勢。相反，如果改 變電流方向，使產生的電勵磁磁通與永磁磁通方向相反，則可以減小第一集中電樞線圈411 和第二集中電樞線圈412中的合成磁鏈，進而減小感應的電勢。集中電樞繞組4的B相和 C相的線圈的工作原理同上，可以大大提高電機氣隙磁場可控性，從而提高電機性能和工作 效率。 轉子5可以是直槽轉子，保證了本發明在採用集中繞組和轉子不斜槽的條件下，
可獲得非常接近於梯形波分布的磁鏈、反電動勢等靜態特性，從而使本發明更加適合於作
為無刷直流驅動方式的交流調速系統元件。此外，也可以對轉子5斜槽一定角度，獲得較為
正弦的反電動勢，使本發明適合於作為無刷交流驅動方式的交流調速系統元件。 永磁體3是鐵氧體、釤鈷或者釹鐵硼等其他類型永磁材料，定子1和凸極轉子5都
可以採用矽鋼片衝片壓疊製成，定子齒上開出的槽6用於放置勵磁繞組。 圖2中的定子6槽/轉子4極混合勵磁型磁通反向電機的勵磁繞組採用單層結構，
包括定子鐵心1和轉子鐵心5，轉子5位於定子1的內部(轉子5也可以位於定子1的外
部，組成外轉子結構)，定子1和轉子5都為凸極結構，其中定子鐵心部分由導磁鐵心組成，
定子有6個齒，並在每個定子齒上開有一個小槽6以安置單相單層勵磁繞組2，在定子1上
設置有三相集中電樞繞組4和12塊永磁體3。與圖1唯一不同之處，勵磁繞組2 —共有3
個集中線圈，置於每個定子齒面向氣隙所開槽的空間6中，為單層排放方式。其中第一勵磁繞組線圈21、第二勵磁繞組線圈22、第三勵磁繞組線圈23均為集中繞組，橫跨於相鄰兩個 定子齒的槽中，每個槽中分布有一個線圈為單層。上述3個線圈依次順序首尾串聯連接，組 成單相單層勵磁繞組。其調節磁場的方法與雙層勵磁繞組相似，不再贅述。
權利要求一種具有磁場調節能力的磁通反向電機，其特徵在於該電機包括定子(1)、單相集中勵磁繞組(2)、永磁體(3)、三相集中電樞繞組(4)、轉子(5)和定子齒上開槽(6)；每個定子齒中部面向氣隙開有一個槽(6)放置單相集中勵磁繞組(2)；在每個定子齒面向氣隙表面貼裝有兩個極性相互相反的永磁體(3)，相鄰兩個定子齒下面的四塊永磁體極性交錯分布，即呈NS-SN分布；三相集中電樞繞組(4)的各線圈均依次橫跨於一個定子齒上；其中，三相集中電樞繞組(4)一共有6個集中電樞線圈，第一集中電樞線圈(411)與第二集中電樞線圈(412)徑向相對，反向串連或並連後組成A相電樞繞組；第三集中電樞線圈(421)與第四集中電樞線圈(422)徑向相對，反向串連或並連後組成B相電樞繞組；第五集中電樞線圈(431)與第六集中電樞線圈(432)徑向相對，反向串連或並連後組成C相繞組；勵磁繞組(2)為雙層時有6個集中勵磁線圈，為單層時為3個集中勵磁線圈，其中第一勵磁繞組線圈(21)、第二勵磁繞組線圈(22)、第三勵磁繞組線圈(23)、第四勵磁繞組線圈(24)、第五勵磁繞組線圈(25)、第六勵磁繞組線圈(26)均為集中繞組，橫跨於相鄰兩個定子齒所開的槽(6)中，每個槽中可分布有兩個線圈為雙層結構，且同一個槽中的兩個線圈通電極性一致，或每個槽中僅分布一個線圈為單層結構，上述若干個集中勵磁線圈依次順序首尾串連連接，組成單相勵磁繞組。
2. 根據權利要求1所述的一種具有磁場調節能力的磁通反向電機，其特徵在於定子 (1)為導磁鐵心和永磁體(3)拼裝而成，其中永磁體(3)貼裝於定子(1)的齒表面。
3. 根據權利要求1所述的一種具有磁場調節能力的磁通反向電機，其特徵在於轉子 (5)上無永磁體和繞組；轉子為直槽，適於無刷直流運行；或為斜槽，適於無刷交流運行。
4. 根據權利要求1所述的一種具有磁場調節能力的磁通反向電機，其特徵在於在定子 (1)齒所開槽(6)中安置勵磁繞組(2);勵磁繞組(2)為集中繞組，呈雙層或單層排布。
專利摘要一種具有磁場調節能力的磁通反向電機，該電機包括定子(1)、單相集中勵磁繞組(2)、永磁體(3)、三相集中電樞繞組(4)、轉子(5)和定子齒上開槽(6)；每個定子齒中部面向氣隙開有一個槽(6)放置單相集中勵磁繞組(2)；在每個定子齒面向氣隙表面貼裝有兩個極性相互相反的永磁體(3)，相鄰兩個定子齒下面的四塊永磁體極性交錯分布，即呈NS-SN分布；三相集中電樞繞組(4)的各線圈均依次橫跨於一個定子齒上；通過改變勵磁繞組中的電勵磁電流大小和方向就可以對永磁磁場進行調節，從而可以克服上述的純永磁式電機中的缺點，使得該混合勵磁型磁通反向電機在採用集中繞組和轉子不斜槽的條件下，即可獲得非常接近於梯形波分布的磁鏈、反電動勢等靜態特性。
文檔編號H02K1/16GK201536282SQ20092023587
公開日2010年7月28日 申請日期2009年9月25日 優先權日2009年9月25日
發明者張淦, 程明, 花為, 許偉健 申請人:東南大學