一種電磁永磁電機的製作方法

2023-10-04 02:30:09

專利名稱：一種電磁永磁電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種其上設有定子鐵芯，在定子鐵芯上有三相對稱繞組，在轉子鐵芯上固定有永磁體的電動機。
背景技術：
傳統的三相交流電機是在定子鐵芯上設有三相對稱繞組，轉子為鼠籠框，利用定子產生三相旋轉磁場在轉子上產生的感應電動勢，產生跟隨轉動。這種電機的功率因數較低，驅動特性不佳。
由於永磁體，特別是稀土永磁體的磁能積比電磁鐵高得多，其磁能量密度已接近超導裝置的水平。因此將這種永磁體放入感應電機的轉子內，會使電機具有很高的效率和功率因數。而且這種電機既可作為同步電機使用，也可以作為速度、轉矩和效率可控的直流無刷電機使用。現在許多型號的電機，都有自己的功能和用途。在工業先進的國家，使用永磁體佔20％左右。
新型雙凸極永磁電機，是磁阻電機和永磁電機的有機結合體，是在結構與性能上改良了的DSPM電機，也是開關磁阻電機(SRM)又一創造性發展。隨著電力電子器件和電磁場計算技術的發展，SRM在其設計、控制、性能分析等領域獲得豐富的研究成果，其應用已從早期電動車驅動，擴展到工業、家用電器、航空業等領域。然而，由於SRM雙凸極結構和開關形式供電電源存在幾個固有的缺點為了解決SRM存在的問題，充分利用雙凸極結構的特點，LiaoY等把永磁體引入到SRM中(將永磁材料嵌入轉子或定子體內)，把它稱為雙凸極永磁(DSPM)電機。它具有比SRM更高的效率。
近年來，DSPM電機的結構有一定的改進，提出了單相、三相的定子永磁的雙凸極電機。為了改變DSPM電機磁通脈振式變化，R.P.Deodhar等提出了一種磁通反向的新型DSPM電機，將永磁體放在定子表面，隨著轉子的旋轉，定子繞組的磁鏈發生雙極性變化，這時的DSPM電機比繞組磁鏈脈振的DSPM電機，在沒有成倍增加材料的前提下，產生兩倍的磁鏈變化率，產生更大的轉矩。
河南農業大學機電工程學院趙朝會副教授，南京航空航天大學、航空電源重點實驗室嚴仰光等在《河南農業大學學報》(2004年12月第38期)和《微電機》(2005年第38卷第4期)等刊物上指出混合勵磁同步電機(HybridExcitation Syn-chronous Machine-HESM)是上個世紀80年代由俄羅斯學者最早提出的一種新型電機結構形式與傳統的電勵磁同步電機以及永磁同步電機結構不同。HESM中既有永磁體又有勵磁繞組，兩個磁勢源同時存在。它集成了電勵磁同步電機調磁方便且調磁容量小和永磁同步電機效率高、轉矩/質量比大等優點，同時又克服了永磁同步電機磁場調節難的缺陷，有較大的推廣應用價值。
中國實用新型專利200420060967.0也給出一種現有的永磁電機的結構。
現有的永磁電機是在轉子上固定永磁體，常見是固定四塊永磁體，多見的是徑向磁化。這類電機的定子與轉子間的氣隙磁密度無法調節。而且現有的永磁電機勵磁調節困難。採用電磁勵磁的電機其效率較低。

發明內容
本發明提供一種新型的電磁永磁電機，這種電機可以調節定子與轉子間的氣隙磁密度，能克服現有永磁電機勵磁調節困難，解決現有電勵磁電機效率低，以及氣隙磁密度較小的不足。
本發明的定子鐵芯上設有三相對稱繞組，這與現有技術是相似的，在本發明的電機轉子上位於其寬度的二分之一處設有一環槽，也就是轉子軸向對稱位置處設置環型槽。在轉子上位於環形槽的兩側設有沿軸向的槽，且這些軸向槽沿環形槽的兩邊相錯間隔布置，各軸向槽間為由轉子鐵芯軟鐵構成的調磁極。在各軸向槽內分別固定有永磁體，其中位於環形槽一側的軸向槽內固定的各永磁體的N極指向轉子圓心，而位於環形槽另一側的各永磁體的S極指向轉子圓心，如此形成的磁化方向為軸向磁化。
本發明的電機的定子上且與轉子所設環槽對應位置設置有勵磁線圈，勵磁線圈沿轉子圓周方向纏繞。
本發明的電磁永磁電機，其特徵在於轉子上所設的環槽的寬度D滿足下式D=4(UKen-Y)/BL]]>式中U、n分別為額定值電機的額定電壓和額定轉速；Ke為反電勢係數，其取會下值應滿足Ke≤0.8；φY為永磁體的磁通；BL為調節磁場的磁感應強度。
本發明轉子上各軸向槽內固定有至少一個永磁體，每個永磁體區域為44°弧長，各永磁體間的調磁極區域為44°弧長，在每個永磁體與調磁極問設有1°弧長的槽隙。本發明轉子上設置的永磁體最好為對稱六邊形，其兩個對角α為相等的銳角，另外的四個角β相等的鈍角，其取值範圍分別為38°≤α≤52°和128°≤β≤142°。永磁體的固定方式為兩個銳角α構成的直線與轉子軸向相垂直。相關的試驗表明，本發明的每個軸向槽內固定設置四個永磁體為最佳。
本發明的電磁永磁電機的轉子上所使用的永磁體最好為釹鐵硼稀土永磁材料。
本發明的電磁永磁電機的定子和轉子分別用高分子材料密封。
由上述結構還可見本發明的定子上也可不設置勵磁線圈，這種情況對應的是勵磁電流為零的情況。當然在這種情況下電機的氣隙磁密度是無法進行調整的。
由上述結構可見，本發明是一種新的磁路設計。正是這一新的磁路設計，以及採用的高磁密度的永磁材料使本發明具有現的技術所不具備的一系列優點1、本發明的電機轉子設置環槽，使其兩個部分之間用空氣隙隔開，這一結構相當於隔磁環，使得相隔的兩部分磁路彼此獨立，每一部分的磁路均為徑向，2個部分磁勢並聯；這一結構保證了磁場分布的均勻性、對稱性，防止了不必要的磁損；同時可以防止勵磁線圈上產生新的感生電動勢。
2、本發明的轉子上的永磁體與調磁極間的槽隙的存在可使氣隙導磁發生周期性的變化，在槽內磁密較低，槽外磁密較高，便於產生比較理想的波形；同時可以克服磁場迭加造成的不良效應，減小了附加損耗；同時可以防止軸向電流的產生，消除了附加損失。
3、本發明轉子上設置的永磁體採用六邊形的幾何形狀，可以得到一個與正弦波相接近的電壓(電流)波形。這一結構還可以保證漏磁最小，能最大限度地消除了諧波影響，減小了電樞反應，防止了不可逆退磁現象的發生，提高了永磁材料的利用率，節省了原材料，降低了電機成本。
4、本發明與現有電勵磁電機相比，提高了功率因數和效率，同時克服了稀土永磁電機勵磁調節困難的問題，同時可以很容易地實現電機調速。
5、由於本發明電機轉子上的永磁體選用釹鐵硼稀土永磁材料使其磁性能更為優良，並具有性價比高，不含戰略物資Co的優點。
6、本發明的磁路設計新穎，它可以有效地增強工作氣隙間的磁通密度，保證大磁間隙內的強磁作用和轉矩密度，磁場氣隙在6mm左右，而一般情況下稀土永磁電機的磁場氣隙通常僅為0.7mm左右，屏蔽電機磁場的氣隙最大也只有2.5mm。本發明不僅有較大的磁場氣隙，而且其工作效率可以保持原有水平，符合相關的標準，如符合國家標準，同時也為定子和轉子的塑封帶來便利。
7、本發明的電磁永磁電機的定子和轉子結構使其有較大的磁隙，因此可以分別用高分子材料(樹脂)進行密封。採用高分子材料對園子和定子進行密封，拓寬了電機的應用領域，特別是在強腐蝕性介質過流條件下表現出強的耐腐蝕性。同時由於對電機的定子與轉子採用高分子材料密封，可增強電機的整體性能，並在明顯減小電機的振動和噪音，提高了絕緣介質強度，增強了抗擊穿能力。


圖1為本發明的結構示意圖。圖2為本發明的原理示意圖。圖3為本發明的轉子展開示意圖。圖4為本發明的轉子結構立體示意圖。圖5為轉子上固定的永磁體形狀示意圖。圖6為永磁貼片在轉子與定子的氣隙中的磁密分布圖。圖7和圖8分別為勵磁電流不同時勵磁磁場與旋轉磁場關係的示意圖，圖9為本發明的效率和功率因數曲線圖。
圖中1為電機軸；2和8分別是電機的端蓋；3為電機的金屬殼體；4為密封定子的高分子材料層；5為設於定子上的勵磁線圈；6為定子鐵芯；7為設於定子上的線圈，也就是三相繞組；9為軸承；10為帶有永磁體和調磁極的轉子；11為密封轉子的高分子材料層；12為永磁體，永磁體12是設置於轉子鐵芯上所開的軸向槽內；13為轉子上的環形槽；14為調磁極；15為調磁極與永磁體間的槽隙；16為轉子鐵芯。a、b、c分別代表永磁體的各邊的長度。
具體實施例方式
以下提供本發明的詳細解說和實施例本發明的基本結構見圖1，其中在定子與轉子分別用高分子材料，如高分子樹脂材料，進行密封處理。
本發明的轉子上永磁體和調磁極的設置如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可見，在轉子鐵芯16上設置有環形槽13，這一環形槽設置於轉子寬度的二分之一處。定子上與環形槽13對應之處設置勵磁線圈7。在轉子上環形槽的兩側設有沿軸向的軸向槽，且這些軸向槽沿環形槽的兩邊相錯間隔布置。各軸向槽之間為由轉子鐵芯軟鐵構成的調磁極14。環形槽13兩側的各軸向槽內分別固定永磁體，其中位於環形槽一側的各永磁體的N極指向轉子圓心，而位於環形槽另一側的各永磁體的S極指向轉子圓心，參見圖3和圖4。這裡所述的固定可以是機械固定，也可以用粘貼方式固定。
定子電樞繞組7為現有技術中常見的三相對稱繞組，在定子的鐵芯上用環形槽和設於其中的直流勵磁繞組5分將其成兩段。這兩段由其外的背軛，即用於軸嚮導磁的機殼，在機械上和磁路上連接。直流勵磁繞組可採用環型與定子電樞繞組並聯連接的方式。
同樣，轉子也被其上的環形槽13分成兩部分，即設置永磁體N極向上的N極端和設置永磁體S極向上的S極端，每極端由同極性永磁體極和由鐵心極構成的調磁極交錯排列，且兩端的N、S永磁體極及調磁極也交錯排列，參見附圖3和附圖4。在轉子的鐵心與轉軸間可設有一由導磁套簡構成的轉子背軛，用於轉子的軸嚮導磁。
由上所述的結構可知，本發明的電機是混合勵磁型。混合勵磁是指結構內含有兩個磁勢源，在本發明中一個磁勢源是永磁體，它在工作氣隙中產生一個不變的磁通，另一個是直流電勵磁繞組，它們的磁通路徑相互耦合，工作時，通過調節勵磁繞組上電流大小和方向，使得氣隙中磁通發生變化，進而實現調速等目的。
由於調磁極上存在兩種磁通一種是當勵磁線圈上有勵磁電流時形成的勵磁磁通，另一種是永磁磁勢在調磁極上感應出的永磁磁通，當改變勵磁電流方向時，勵磁磁通的方向也在改變，由於永磁材料對於外加磁勢磁阻很大，因此勵磁磁勢對永磁體上的磁通影響很小，無論有無勵磁電流，永磁極上的磁通均近似為恆定。當直流勵磁電流為零時，氣隙磁場只由永磁體產生，工作磁通從N極的永磁體發生，經氣隙和定子鐵芯回到S極永磁體。
本發明的電機定子與轉子間形成的徑向磁場和軸向磁場相互迭加，在氣隙中始終存在著合成磁場，當直流勵磁電流形成的磁場與永磁體磁場一致時氣隙合成磁場增強，相反則減弱。直流勵磁電流在一定值時，氣隙合成磁場為零，從而，通過調節勵磁電流的大小和方向即可使得氣隙磁通發生變化，達到調磁的目的以改變磁通密度和轉矩密度。即每對合成磁極(一對永磁極和一對調磁極)的總磁通為φ，如果設永磁通為φr，勵磁通為φf，則有φ＝2φr+φf而φf＝KfIfφ＝2φr+KfIf上式中，Kf為電流係數，If為勵磁電流。
其中，φr和Kf為電機結構參數決定的常數，其取值的範圍是1.1～1.8，φf＝KfIf＝0時也就是If＝0，電機轉速有最大值，即電機的額定轉速對應的轉矩為電機額定轉矩。關於這一點請參見圖7和圖8。
本發明轉子設有沿軸向的槽，其內固定設置的永磁體。永磁體的固定方式可採用鑲嵌或粘結的方式，也可採用機械固定的方式。本發明的實施例中所設的永磁體為對稱六邊形，其兩個對角α為相等的銳角，另外的四個角β為相等表2

權利要求
1.一種電磁永磁電機，包括定子鐵芯，設於定子鐵芯上的三相對稱繞組，轉子鐵芯，固定於轉子鐵芯上的永磁體，其特徵是在轉子上位於其寬度的二分之一處設有環型槽，轉子上位於環型槽兩側設有沿軸向的槽，且這些軸向槽沿環形槽的兩邊相錯間隔布置，各軸向槽間為由轉子鐵芯軟鐵構成的調磁極，環型槽兩側的各軸向槽內分別固定設置有永磁體，其中位於環型槽一側的各組永磁體的N極指向轉子圓心，而位於環槽另一側的各組永磁體的S極指向轉子圓心。
2.根椐權利要求1所述的電磁永磁電機，其特徵在於電機的定子上且與轉子所設環形槽對應位置設置有勵磁線圈，勵磁線圈沿轉子圓周方向纏繞。
3.根據權利要求1或2所述的電磁永磁電機，其特徵在於轉子上所設的環型槽的寬度D滿足下式D=4(UKen-Y)/BL]]>式中U為電機額定電壓，n為電機額定轉速；Ke為反電勢係數；φY為永磁體的磁通；BL為調節磁場磁感應強度。
4.根據權利要求3所述的電磁永磁電機，其特徵在於轉子上的各軸向槽內固定有至少一個永磁體，每個永磁體區域為44°弧長，各永磁體間的調磁極區域為44°弧長，在每個永磁體與調磁極間設有1°弧長的槽隙，轉子上設置的永磁體為對稱六邊形，其兩個對角α為相等的銳角，另外的四個角β為相等的鈍角，其取值範圍為38°≤α≤52°和128°≤β≤142°，永磁體在軸向槽內的固定方式為兩個銳角α構成的直線與轉子軸向相垂直。
5.根據權利要求4所述的電磁永磁電機，其特徵在於轉子上每個軸向槽內各設置4個永磁體。
6.根據權利要求5所述的電磁永磁電機，其特徵在於所使用的永磁體為釹鐵硼稀土永磁材料。
7.根據權利要求6所述的電磁永磁電機，其特徵在於其定子和轉子分別用高分子材料密封。
全文摘要
本發明涉及一種其上設有定子鐵芯，在定子鐵芯上有三相對稱繞組，在轉子鐵芯上固定有永磁體的電動機。本發明的電機轉子上位於其寬度的二分之一處設有一環槽。在轉子上位於環型槽的兩側設有沿軸向的槽，且這些軸向槽沿環槽的兩邊相錯間隔布置，各軸向槽間為由轉子鐵芯軟鐵構成的調磁極。在各軸向槽內分別固定有永磁體，其中位於環形槽一側的軸向槽內固定的各永磁體的N極指向轉子圓心，而位於環形槽另一側的各永磁體的S極指向轉子圓心，如此形成的磁化方向為軸向磁化。
文檔編號H02K1/27GK1862927SQ20061004290
公開日2006年11月15日 申請日期2006年5月26日 優先權日2006年5月26日
發明者趙克中, 丁齊祺, 丁成斌 申請人:趙克中, 丁齊祺, 丁成斌