繞組互補型磁通切換雙凸極永磁電機的製作方法

2023-07-18 22:49:21

專利名稱：繞組互補型磁通切換雙凸極永磁電機的製作方法
技術領域：
本發明是一種結構簡單、堅固，具有較強轉矩輸出能力和較高功率密度的電機，涉及電機製造的技術領域，背景技術我國作為世界上稀土材料儲藏量最大的國家，大力研究和推廣應用以稀土永磁電機為代表的各種新型永磁電機，具有重要的理論意義和應用價值。無論作發電還是電動運行，具有高效率、大轉矩(功率)密度和低損耗等特點的新型永磁電機正呈現出加速發展的趨勢。過去十多年來研究熱點一直集中於以表面貼裝式、插入式和內嵌式為代表的轉子永磁型電機。然而，將永磁體放置於轉子類型的電機在設計和運行過程中都會產成一系列問題，集中體現為以下三點1.對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，通常需要製作輔助的永磁體固定裝置，並且永磁體處於定子和轉子之間，加大了氣隙長度，既增加了電機體積，又會導致氣隙磁密減弱，影響出力；2.對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，同樣會增加製作工藝；3.永磁體置於轉子不利於該類型電機的冷卻。
對轉子永磁型電機而言，由於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，存在一定程度上的去磁危險；另一方面，無論是作為發電機還是電動機，為了獲得正弦度較高的空載反電動勢，通常在定子上安裝分布繞組，會直接導致繞組端部較長，增加了導線長度和電阻，銅耗較大，降低了電機效率，更會使得電機體積增大，限制了轉子永磁型結構在航天、航空、航海、電動汽車等對電機體積有嚴格要求領域的應用。因此，研究出能夠克服上述缺點的新型結構永磁電機就成為電機工作者義不容辭的一個關鍵任務。

發明內容
技術問題本發明的目的是提供了一種繞組互補型磁通切換雙凸極永磁電機，使得該電機結構簡單、堅固，具有高度正弦的空載反電動勢、較強的轉矩輸出能力和較大的功率密度，同時具備較強的抗去磁能力，特別適合於作為交流調速系統的驅動元件。
技術方案為解決上述技術問題，本發明的繞組互補型磁通切換雙凸極永磁電機包括定子和轉子兩個部分，根據不同的應用場合可以採取內轉子或外轉子兩種形式，轉子位於定子的內部或外部，定子和轉子都為雙凸極結構，在定子上設置有集中繞組和永磁體；其中，集中繞組的任何一相的第一繞組線圈和第三繞組線圈徑向相對，第二繞組線圈和第四繞組線圈徑向相對，每個集中繞組線圈位於定子兩個相鄰的U形導磁鐵心槽中，且上述四個繞組線圈依次順序首尾串聯連接；定子上兩個相鄰的U形導磁鐵心之間設置有一塊永磁體，永磁體材料可以是鐵氧體或者釹鐵硼，磁化方向為依次切向交替充磁；轉子部分結構非常簡單，既無永磁體也無繞組，為簡單的導磁鐵心衝片壓疊而成，且為直槽轉子，無需經過斜槽處理。
有益效果由於本發明的集中繞組和永磁體都設於定子上，所以本發明結構非常簡單而堅固，而且有利於改善該電機的冷卻條件；由於採用了集中繞組方式，可以減小端部長度，儘可能地減小電阻和銅耗，也保證了電機的結構緊湊，功率密度較大，效率較高；由於集中繞組任何一相的第一繞組線圈和第三繞組線圈徑向相對，第二繞組線圈和第四繞組線圈徑向相對，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(每一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點，使得匝鏈的一相永磁磁鏈和產生的空載反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，只保留了基波分量，保證了該電機在採用集中繞組和直槽轉子的條件下，就可獲得正弦度非常高的磁鏈、反電動勢和電感等靜態特性，從而使本發明特別適合於作為交流調速系統的驅動元件；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；在本發明的一個優選實施例中，由於轉子為直槽轉子，所以，保證了本發明在採用集中繞組和轉子不斜槽的條件下，就可獲得正弦度非常高的磁鏈、反電動勢和電感等靜態特性，從而使本發明更加適合於作為交流調速系統的驅動元件。
綜上，該電機結構上的特點導致其具有聚磁效應，空載氣隙磁密較大，電機具有較強的轉矩輸出能力，功率密度較高，同時，電阻較小，效率較高；而且，電樞反應磁通和永磁磁通在空間上互相垂直，磁路上是並聯關係，保證了該電機具有較強的抗去磁能力。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。
圖1為互補繞組型磁通切換永磁電機組成圖；其中有定子1，永磁體2，集中繞組3，轉子4，A相繞組線圈31，A相第一繞組線圈311，A相第二繞組線圈312、A相第三繞組線圈313、A相第四繞組線圈314；B相繞組線圈32，B相第一繞組線圈321、B相第二繞組線圈322、B相第三繞組線圈323，B相第四繞組線圈324；C相繞組線圈33，C相第一繞組線圈331、C相第二繞組線圈332、C相第三繞組線圈333、C相第四繞組線圈334。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明繞組互補型磁通切換雙凸極永磁電機包括定子鐵心1和轉子鐵心4，轉子4位於定子1的內部，定子1和轉子4都為雙凸極結構，其中定子鐵心部分由12個U形導磁鐵心組成，在定子1上設置有三相集中繞組3和12塊永磁體2；集中繞組3的A相第一繞組線圈311和第三繞組線圈313徑向相對，第二繞組線圈312和第四繞組線圈314徑向相對，每個繞組線圈套於定子1中兩個相鄰的U形鐵心的槽中，且上述四個繞組線圈依次順序首尾串聯連接；定子1中兩個相鄰的U形導磁鐵心之間設置有永磁體2；集中繞組3的B相第一繞組線圈321和第三繞組線圈323徑向相對，第二繞組線圈322和第四繞組線圈324徑向相對。與A相繞組相似，每個繞組線圈套於定子1中兩個相鄰的U形鐵心的槽中，且上述四個繞組線圈依次順序首尾串聯連接；定子1中兩個相鄰的U形導磁鐵心之間設置有永磁體2；集中繞組3的C相第一繞組線圈331和第三繞組線圈333徑向相對，第二繞組線圈332和第四繞組線圈334徑向相對。與A相和B相繞組相似，每個繞組線圈套於定子1中兩個相鄰的U形鐵心的槽中，且上述四個繞組線圈依次順序首尾串聯連接；定子1中兩個相鄰的U形導磁鐵心之間設置有永磁體2；由於採用了如圖1的結構，因此，當轉子4與不同的定子齒對齊時，永磁體2產生的永磁磁通穿過第一繞組線圈311的方向就會不同，從而產生磁通切換效應，導致匝鏈的永磁磁鏈為雙極性，而最關鍵的是，對於組成一相的四個線圈而言，如第一繞組線圈311和第三繞組線圈313徑向相對，在任何轉子位置其繞組中匝鏈的磁鏈都數量和方向相同，對第二繞組線圈312和第四繞組線圈314情況相同；但第一繞組線圈311和第二繞組線圈312在轉子運動一個周期的過程中，與轉子的相對位置卻存在磁路上的差異，也直接導致其繞組中匝鏈的永磁磁鏈有180度的相位差，因此將具有這種特徵的集中繞組成為互補型繞組。
當電機轉子4在圖1所示位置時，轉子4分別有一個齒與第一繞組線圈311和第二繞組線圈312的一個定子齒相對，根據永磁體2的磁化方向，這兩個繞組線圈中的永磁磁通都從轉子齒經過氣隙穿進定子齒，且數值最大。而當轉子4逆時針旋轉9度時，一個轉子齒與第一繞組線圈311中間的永磁體2對齊，而此時有兩個轉子齒處在相對第二繞組線圈312的相軸線的平衡位置，儘管在該位置兩個線圈中匝鏈的有效永磁磁通都為零，但轉子對於定子線圈的相對位置卻不同。採用同樣的方法分析可知，轉子在旋轉一個機械周期36度範圍內，相對第一繞組線圈311和第二繞組線圈312的運動方向是相反的，這也導致這兩個線圈中感應的空載反電動勢高次諧波分量幅值幾乎相等，相位幾乎相反，在疊加合成為一相空載反電動勢時互相抵消，在理論上只保留基波分量，保證該電機的永磁磁鏈、反電動勢和電感具備高度的正弦性，使得該電機特別適合於作為交流調速系統的驅動元件。
此外，該電機結構上的特點導致其具有聚磁效應，空載氣隙磁密較大，電機具有較強的轉矩輸出能力，功率密度較高，同時，電阻較小，效率較高。而且，電樞反應磁通和永磁磁通在空間上互相垂直，磁路上是並聯關係，保證了該電機具有較強的抗去磁能力。
集中繞組3的B相和C相的線圈的工作原理同上，可以大大提高工作效率。
轉子4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，就可獲得正弦度非常高的磁鏈、反電動勢和電感等靜態特性，從而使本發明更加適合於作為交流調速系統的驅動元件。
永磁體2是鐵氧體或者釹鐵硼永磁磁鋼，定子1和凸極轉子4都可以採用矽鋼片衝片壓疊製成，定子1由U型結構的導磁鐵心拼裝組成。
權利要求
1.一種繞組互補型磁通切換雙凸極永磁電機，包括定子(1)和轉子(4)，轉子(4)位於定子(1)的內部或外部，其特徵在於定子(1)和轉子(4)都為雙凸極結構，在定子(1)上設置有集中繞組(3)和永磁體(2)；其中，集中繞組(3)的任何一相的第一繞組線圈和第三繞組線圈徑向相對，第二繞組線圈和第四繞組線圈徑向相對，每個集中繞組線圈位於定子(1)兩個相鄰的U形導磁鐵心槽中，且上述四個繞組線圈依次順序首尾串聯連接；定子(1)兩個相鄰的U形導磁鐵心之間設置有永磁體(2)。
2.如權利要求1所述的繞組互補型磁通切換雙凸極永磁電機，其特徵在於，定子(1)為U型導磁鐵心單元和永磁體(2)拼裝而成。
3.如權利要求1所述的繞組互補型磁通切換雙凸極永磁電機，其特徵在於，轉子(4)為直槽轉子。
4.如權利要求1所述的繞組互補型磁通切換雙凸極永磁電機，其特徵在於，永磁體(2)是鐵氧體或者釹鐵硼永磁磁鋼。
全文摘要
繞組互補型磁通切換雙凸極永磁電機是一種結構簡單、堅固，具有較強轉矩輸出能力和較高功率密度的電機，包括定子(1)和轉子(4)，轉子(4)位於定子(1)的內部或外部，其特徵在於定子(1)和轉子(4)都為雙凸極結構，在定子(1)上設置有集中繞組(3)和永磁體(2)；其中，集中繞組(3)的任何一相的第一繞組線圈和第三繞組線圈徑向相對，第二繞組線圈和第四繞組線圈徑向相對，每個集中繞組線圈位於定子(1)兩個相鄰的U形導磁鐵心槽中，且上述四個繞組線圈依次順序首尾串聯連接；定子(1)兩個相鄰的U形導磁鐵心之間設置有永磁體(2)。
文檔編號H02K3/18GK101079557SQ20071002280
公開日2007年11月28日 申請日期2007年5月22日 優先權日2007年5月22日
發明者花為, 程明 申請人:東南大學