CN103219849A

CN103219849A - 一种转子永磁型双凸极电机

Info

Publication number: CN103219849A
Application number: CN2013101609116A
Authority: CN
Inventors: 花为; 张淦; 程明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2013-07-24

Abstract

本发明公开了一种转子永磁型双凸极电机，该电机包括定子铁心、电枢线圈、转子铁心和永磁体；定子铁心和转子铁心均为凸极结构，定子铁心上设有定子齿，电枢线圈中的每个线圈横跨在一个定子齿上；转子铁心包括U形导磁单元和呈环形的导磁桥，U形导磁单元固定在导磁桥上，U形导磁单元与定子齿相对，永磁体的数量和U形导磁单元的数量相等，永磁体嵌于相邻的两个U型导磁单元之间；永磁体均为切向充磁，且充磁方向一致。该电机具有双极性的电枢永磁磁链和高度正弦的每相空载感应电势，同时具有较高的空间利用率和永磁体利用率，以及高转矩密度和功率密度。

Description

一种转子永磁型双凸极电机

技术领域

本发明涉及的是一种电机，具体来说，涉及的是一种转子永磁型双凸极电机。

背景技术

随着能源危机的不断加剧，采用永磁励磁取代电励磁以节省能源消耗已成为全世界的共识，开发研究和推广应用新型结构的稀土永磁电机，具有重要的理论意义和实用价值。特别是目前广泛研究的新能源电动汽车，要求其中的电机驱动***体积小、重量轻、效率高、出力大、可靠性高，使得永磁电机展现出更为广阔的应用前景。

定子永磁型双凸极无刷电机（stator-PM doubly-salient brushless motor）作为一类典型的永磁无刷电机，是伴随着功率电子学、微电子学、控制理论等的发展在90年代末出现的一种新型交流调速电机***，其主要结构特点是将永磁体置于定子，转子铁心只是由导磁材料制成，转子上既无永磁体也无电枢绕组，不需要电刷，具备结构简单、鲁棒性好、转矩出力大、功率密度高、适合高速运行、控制灵活等性能优点。

然而，近些年的研究发现定子永磁型双凸极无刷电机也存在一些明显的缺点，具体包括：

（1）由于将永磁体置于定子，导致定子侧的永磁体漏磁现象严重，降低了永磁体的利用率。此外，除了磁通切换式结构以外，其他两种结构的定子永磁型电机气隙磁场密度较低、转矩密度和功率密度偏小；

（2）对于定子永磁型双凸极无刷电机而言，由于永磁体和电枢绕组均位于空间有限的定子侧，即使将永磁体替换成电励磁绕组，励磁机构必将和电枢绕组存在定子空间的竞争关系，减小了电枢绕组的槽面积，并易导致定子铁心的深度饱和，从而进一步限制电机的功率密度；

（3）另一方面，在定子永磁型双凸极无刷电机中，转子部分不含有任何励磁机构及电枢绕组，仅由导磁冲片压制成凸极实心转子，使得转子空间的利用率较低，进一步削弱了电机的转矩密度和功率密度。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种转子永磁型双凸极电机，该电机具有双极性的电枢永磁磁链和高度正弦的每相空载感应电势，同时具有较高的空间利用率和永磁体利用率，以及高转矩密度和功率密度。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种转子永磁型双凸极电机，该电机包括定子铁心、电枢线圈、转子铁心和永磁体；定子铁心和转子铁心均为凸极结构，定子铁心上设有定子齿，电枢线圈中的每个线圈横跨在一个定子齿上；转子铁心包括U形导磁单元和呈环形的导磁桥，U形导磁单元固定在导磁桥上，U形导磁单元与定子齿相对，永磁体的数量和U形导磁单元的数量相等，永磁体嵌于相邻的两个U型导磁单元之间；永磁体均为切向充磁，且充磁方向一致。

进一步：所述的电枢线圈采用集中式电枢线圈，各个集中式电枢线圈连接成单相或多相电枢绕组。

进一步：所述电枢线圈采用分布绕组的形式，各个电枢线圈连接成单相或多相电枢绕组。

有益效果：与现有技术相比，采用本发明的技术方案的有益效果是：

（1）提高空间利用率，具有较高的转矩密度和功率密度。本发明的电机改变了原有的电机结构，将电枢绕组线圈置于电机的定子侧，并将永磁体4置于电机的转子侧，从而避免了电枢绕组线圈与永磁体共同占用定子空间的问题，增加了电枢绕组线圈的槽面积，同时减弱了定子铁心的饱和程度，提高了电机整体的空间利用率，使得本发明电机具有较高的转矩密度和功率密度。

（2）有效提高了转子空间的利用率。与传统表贴式转子永磁型无刷电机采用径向充磁的永磁体相比，本发明电机中的永磁采用切向充磁，且充磁方向一致，在转子上可以放置多块永磁体，有效提高了转子空间的利用率。同时，由于永磁体置于转子铁心内部，无需对永磁体采取特殊防护措施，适合于高速运行。

（3）永磁体利用率高。本发明中永磁体采用切向充磁，并配合U形导磁单元，当转子旋转一个电周期时，匝链到电机电枢线圈中的永磁磁链为双极性，提高了永磁体利用率。本发明电机仅通过对定子齿宽尺寸大小进行调整便可以令每个电枢线圈都具有高度正弦的磁链和感应电动势，于是合成的每相磁链和感应电动势也高度正弦，无需线圈间的互补效应。

（4）本发明电机的定子铁心和转子铁心均为凸极结构，对电枢绕组通入对称交流电后，电机在输出永磁磁链和电枢磁链相互作用所产生的永磁转矩的同时，得以输出由于凸极效应所产生的磁阻转矩，提高了转矩密度。

（5）本发明电机的电枢反应磁链需要在磁路上穿过磁阻相对很大的永磁体和气隙区域，以及磁场高度饱和的导磁桥区域，使得电枢绕组各相自感和相间互感都较小，有利于提高电机运行时的功率因数和实现容错运行。

（6）本发明电机保留了集中式电枢绕组线圈，减小电枢线圈端部长度，有效降低了用铜量和每相电阻，并且减小了电机整体的轴向长度，降低了电机材料成本，提高了运行效率与功率密度。

（7）该发明电机亦可根据需要，通过在相邻的U形导磁单元之间添加导磁桥将转子部分制造成一块整体，以提高电机高速运行时的稳定性，并减小了转子铁心冲片加工的难度。由于导磁桥处磁场高度饱和，有利于削弱永磁体的漏磁，提高永磁体的利用率。

附图说明

图1为本发明的剖视图。

图2为本发明的电机运行到位置A时的工作原理图。

图3为本发明的电机运行到位置B时的工作原理图。

图4为本发明电机三相电枢绕组空载永磁磁链图。

图5为本发明电机三相电枢绕组空载感应电势图。

图中有：定子铁心1、电枢绕组线圈2、转子铁心3、永磁体4、导磁桥5、第一线圈201、第二线圈202、第三线圈203、第四线圈204、第五线圈205、第六线圈206、第七线圈207、第八线圈208、第九线圈209、第十线圈210、第十一线圈211、第十二线圈212。

具体实施方式

下面将参照附图，对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

本发明的一种转子永磁型双凸极电机，包括定子铁心1、电枢线圈2、转子铁心3和永磁体4。整个电机包括定子和转子。定子包括定子铁心1和电枢线圈2。转子包括转子铁心3和永磁体4。定子铁心1和转子铁心3均采用凸极结构。定子铁心1上设有定子齿。电枢线圈2中的每个线圈横跨在一个定子齿上。电枢线圈2可采用集中式电枢线圈，各个集中式电枢线圈连接成单相或多相电枢绕组；电枢线圈2也可采用分布绕组的形式，各个电枢线圈连接成单相或多相电枢绕组。本发明优选采用集中式电枢线圈。转子铁心3包括U形导磁单元和呈环形的导磁桥5，U形导磁单元固定在导磁桥5上。U形导磁单元与定子齿相对，永磁体4的数量和U形导磁单元的数量相等。作为优选，定子齿数P _s和转子齿数P _r的关系满足：P _s=P _r±2。永磁体4嵌于相邻的两个U型导磁单元之间。永磁体4固定连接在相邻的两个U型导磁单元的壁面上。永磁体4均为切向充磁，且充磁方向一致。各永磁体4均为逆时针充磁或均为顺时针充磁。

进一步：所述的定子铁心1、转子铁心3和导磁桥5均为导磁材料制成。作为优选，所述的导磁材料为硅钢片。硅钢片的导磁性能佳。所述的永磁体4为永磁材料制成。作为优选，该永磁材料为钕铁硼。

本发明的电机，由于定子铁心和转子铁心均为凸极结构，对电枢绕组通入对称交流电后，电机在输出永磁磁链和电枢磁链相互作用所产生的永磁转矩的同时，得以输出由于凸极效应所产生的磁阻转矩，提高了转矩密度。将电枢绕组线圈2置于电机的定子侧，并将永磁体4置于电机的转子侧，有效缓解了定子侧空间紧张的矛盾，增加了电枢绕组的槽面积，提高了空间利用率。由于永磁体4采用切向充磁，且充磁方向一致，使得电机在采用集中式电枢绕组和转子不斜槽的条件下，就可获得高度正弦的每相电枢永磁磁链和空载感应电势，同时保证了电机具有较高的永磁体利用率。从磁路的角度讲，由于导磁桥5紧贴永磁体4，为永磁体4的漏磁磁通提供磁路，永磁体4的磁势直接加载在导磁桥5两端，而由于导磁桥5的厚度很小，因此磁导较小，而承受一块永磁体4提供的磁势，所以导磁桥5内部磁场高度饱和，磁导率也会降低至接近空气。由于导磁桥5内磁场高度饱和，磁阻较大，导磁桥5的磁导率接近空气，所以导磁桥5可以显著削弱永磁体4的漏磁，有效防止端部漏磁。

下面例举一具体实施例。

如图1所示，该电机采用本发明的技术方案，且该电机中包含12个定子齿，12个电枢线圈，8个U形导磁单元和8个永磁体4。12个电枢线圈沿着定子周向依次顺序横跨在一个定子齿上，分别为第一线圈201、第二线圈202、第三线圈203、第四线圈204、第五线圈205、第六线圈206、第七线圈207、第八线圈208、第九线圈209、第十线圈210、第十一线圈211和第十二线圈212。将第一线圈201、第四线圈204、第七线圈207和第十线圈210依次串联成为A相电枢绕组；将第二线圈202、第五线圈205、第八线圈208和第十一线圈211依次串联成为B相电枢绕组；将第三线圈203、第六线圈206、第九线圈209和第十二线圈212依次串联成为C相电枢绕组。

如图2和图3所示，本发明电机的工作原理是：随着转子位置的不同，电枢绕组线圈2中会匝链交变的磁链。因此，随着转子位置不同，电枢绕组线圈2中将产生交变的感应电动势。具体来说，当转子位于如图2所示的位置A时（即永磁体4与一个定子齿左边的定子槽相对），永磁磁链顺时针通过图中所示的电枢绕组线圈2（如图2中所示的永磁磁链箭头所指方向），定义此时的电枢绕组线圈2匝链的永磁磁链为正向最大值。而当转子运动到图3所示的位置B时（即该永磁体4与该定子齿右边的定子槽相对），永磁磁链逆时针通过电枢绕组线圈2，此时电枢绕组线圈2匝链的永磁磁链为负向最大值。因此随着转子旋转，电枢绕组线圈2匝链的磁链将呈现正向最大值—负向最大值—正向最大值的周期性变化。于是将在电枢绕组线圈2中感应出交变的电动势。

对上述实施例的电机，分别进行电枢绕组三相永磁磁链和空载感应电势波形的电磁性能仿真试验，试验结果分别如图4和图5所示。从图4和图5可见，三相永磁磁链和感应电势波形均高度正弦。这将有利于提高电源利用率，减小转矩脉动，非常适合交流调速和伺服驱动场合。另外，当保持电机体积和永磁体用量相同时，本发明电机的电势线圈单匝感应电势幅值要明显高于传统的定子永磁型双凸极电机。同时由于本发明电机中将永磁体4置于转子侧，使得定子侧具有更大的空间来放置电势绕组，因此本发明电机具有更高的转矩密度和功率密度。

同时，由于电枢反应磁链在磁路上需穿过磁阻较大的气隙和永磁体4，以及磁场高度饱和的导磁桥5区域，所以使得电枢相间互感较小，有利于实现电枢绕组的相间隔离和电机的容错带故障运行，同时也使得相间磁路磁阻较大，电枢绕组线圈相间互感较小，有利于提高电机的功率因数和实现电机的容错运行。

需要说明的是，相对于传统的定子永磁型双凸极电机，本发明电机具有较高的转矩密度和功率密度，即在电机体积和永磁体用量相同时，加载相同的电枢电流密度，本发明电机可以输出更大的电磁转矩，于是具有较高的永磁体利用率。由于本发明电机的永磁体4利用率较高，导致电枢绕组线圈2空载感应电势的幅值较高。在电枢槽满率和电枢导线内电流密度相同的条件下，本发明电机的转矩密度要远高于已有的定子永磁型双凸极无刷电机，同时也高于一般的传统永磁同步电机，使得本发明电机在需要体积小、出力大的场合具有显著优势和广阔的应用前景。本发明的电机可作为发电机或者电动机运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims

1.一种转子永磁型双凸极电机，其特征在于：该电机包括定子铁心（1）、电枢线圈（2）、转子铁心（3）和永磁体（4）；定子铁心（1）和转子铁心（3）均为凸极结构，定子铁心（1）上设有定子齿，电枢线圈（2）中的每个线圈横跨在一个定子齿上；转子铁心（3）包括U形导磁单元和呈环形的导磁桥（5），U形导磁单元固定在导磁桥（5）上，U形导磁单元与定子齿相对，永磁体（4）的数量和U形导磁单元的数量相等，永磁体（4）嵌于相邻的两个U型导磁单元之间；永磁体（4）均为切向充磁，且充磁方向一致。

2.根据权利要求1所述的转子永磁型双凸极电机，其特征在于：所述的电枢线圈（2）采用集中式电枢线圈，各个集中式电枢线圈连接成单相或多相电枢绕组。

3.根据权利要求1所述的转子永磁型双凸极电机，其特征在于：所述电枢线圈（2）采用分布绕组的形式，各个电枢线圈连接成单相或多相电枢绕组。

4.根据权利要求1所述的转子永磁型双凸极电机，其特征在于：所述的定子铁心（1）、转子铁心（3）和导磁桥（5）均为导磁材料制成。

5.根据权利要求4所述的转子永磁型双凸极电机，其特征在于：所述的导磁材料为硅钢片。

6.根据权利要求1－5中任何一项所述的转子永磁型双凸极电机，其特征在于，所述的永磁体（4）为永磁材料制成。

7.根据权利要求6所述的转子永磁型双凸极电机，其特征在于：所述的永磁材料为钕铁硼。