CN104578661A - 一种轴向分布的双凸极无刷直流电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种轴向分布的双凸极无刷直流电机，该电机的相数为m，每相电机的定子极和转子极沿电机轴向等距离对应分布，形成m个轴向分布的子电机；轴向方向上的定子极之间在有间隙用于安装电枢绕组，各子电机的定子极数和转子极数都为2n个；各子电机的转子极之间相差360°/2nm机械角，定子极与对应的转子极在电机圆周方向上对齐；各子电机的定子极上分别缠绕有集中式电枢绕组，电枢绕组的外侧靠近圆周处设有励磁元件，在圆周方向上共有2n个励磁元件。该电机各相磁路完全独立，容错性能好；各相在轴向上分布，适合细长型电机；各冲片相同而位置角度不同，实现了电机设计生产维修的模块化；电机径向力分布更广泛，定子径向应变较小。

Description

一种轴向分布的双凸极无刷直流电机

技术领域

本发明涉及一种轴向分布的双凸极无刷直流电机，属于特种电机本体设计技术领域。

背景技术

双凸极电机是一种由位置传感器、电力电子功率变换器、永磁或电磁励磁单元、控制器和凸极定转子结构的电机本体组成的新式电机。作为一种新型的变磁阻电机，其磁阻最大值和最小值比值大，有更好的机电能量转换特性，在各行各业具有较好的应用前景。传统的双凸极电机的单元电机采用内转子的6N/4N极结构，定子极数为6N，转子极数为4N，N为自然数，表示单元电机数。由于转子极数较少，转速高，电机通常采用较大的长细比来提高电机功率，这种电机非常适合作为航空起动发电机。在某些特殊的应用场合例如细长空间的油田机井和快速转速响应场合等也需要较高长细比的电机，而这些细长型的电机在制造时不易嵌线，运行时不易散热，因此利用双凸极电机的高可靠性开发新型的细长型电机具有重要的实用价值。

目前已有的技术中，研究最多的为三相6N/4N结构的双凸极电机。也有一些其它新式的双凸极电机研究，例如公告的中国发明专利：三相6K/4(N+1)K结构的双凸极电机，申请号：200710191018.4，公开了一种新型定转子极数匹配的双凸极电机。申请号为201010560410.3的中国发明专利：轴向励磁的混合励磁双凸极电机，公开了三种轴向励磁的混合励磁双凸极电机，该电机可以采用轴向励磁绕组和轴向磁化永磁磁钢提供励磁的方案；或采用轴向励磁绕组和非轴向磁化永磁体提供励磁的方案；亦或采用轴向磁化永磁磁钢和径向励磁的励磁绕组提供励磁的方案。申请号为201010592364的中国发明专利：轴向励磁的双凸极电机，公开了两种轴向励磁的双凸极电机，所述两种电机均包括至少两个按轴向排列的双凸极单体结构，电机各单体结构的定子铁心通过定子轴向导磁背铁形成磁路，转子铁心通过转子轴向导磁背铁形成磁路；定子铁心、定子轴向导磁背铁及永磁磁钢为2n（n为自然数）个等分的圆弧状结构。

发明内容

所要解决的技术问题：

本发明旨在提出一种各相轴向分布的具有细长型结构的双凸极无刷直流电机，既可以作为发电机运行，又可以作为起动机运行。

技术方案：

为了实现以上功能，本发明提供了一种轴向分布的双凸极无刷直流电机，包括定子铁芯、转子铁芯、轴2、位置传感器、励磁元件和电枢绕组，定子铁芯和转子铁芯采用凸极式结构，定子铁芯在内、转子铁芯在外套装在轴2上，端部设有电机端盖4，转子铁芯外设有电机外壳15；其特征在于：

该电机相数为m，m为自然数，每相电机的定子极和转子极沿电机轴向等距离对应分布，形成m个轴向分布的子电机；

轴向方向上的定子极之间在有间隙用于安装电枢绕组，各子电机的定子极数和转子极数都为2n个，n为自然数表示该子电机的单元电机个数；

各子电机的转子极之间相差360°/2nm机械角，定子极与对应的转子极在电机圆周方向上对齐；

各子电机的定子极上分别缠绕有集中式电枢绕组，电枢绕组的外侧靠近圆周处设有励磁元件6，在圆周方向上共有2n个励磁元件6。

所述励磁元件6为励磁绕组，相邻的励磁绕组绕向相反，每个定子极的电枢绕组的绕制方向与所在定子极上的励磁绕组绕制方向一致。

所述励磁元件6为永磁体，永磁体安装在每相的各定子极之间的磁轭上，电机利用永磁双凸极电机单相通电模式或双相通电模式工作。

所述励磁元件6包括励磁绕组和永磁体，相邻励磁绕组绕向相反，每相定子极的电枢绕组的绕制方向与所在定子极上的励磁绕组绕制方向一致；永磁体安装在每相的各定子极之间的磁轭上；电机利用混合励磁双凸极电机单相通电模式或双相通电模式工作。

有益效果：

本发明提出的一种轴向分布的具有细长型结构的双凸极无刷直流电机，既可以作为发电机运行，又可以作为起动机运行。其各相磁路完全独立，实现了各相的磁隔离、热隔离和物理隔离，容错性能好；定子径向力分布广，径向应变较小，噪音低；励磁绕组路径短，励磁效率高等优点。

各相在轴向上分布，适合细长型电机。DSEM电机相绕组匝数极少，因此相绕组端部长度少，电机轴向上空间利用率高。

各相定转子相同，易于模块化生产和维修；各冲片相同而位置角度不同，能快速组装成各种相数的电机，实现了电机设计生产的模块化；N相电机如果一相损坏，通过改变定子或转子位置角度，甚至可以快速变为N-1相电机。

传统电机同一个位置圆周方向上的径向力分布在两个位置，定子容易变形为椭圆形。本电机径向力分布更广泛，定子径向应变较小。并且克服了传统电机为了提高功率采用较多极数时，转子内部空间得不到有效利用的缺陷。

定子各相对齐，励磁绕组只跨一个定子极，线圈短。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明提供的轴向分布的双凸极无刷直流电机相数为3时的横剖面图；

图2是本发明提供的三相轴向分布的双凸极无刷直流电机子电机的侧向剖视图；

图3为本发明提供的轴向分布的双凸极无刷直流电机相数为3时的转子三维图；

图4为本发明提供的轴向分布的双凸极无刷直流电机相数为3时的各相电感图；

图5为本发明提供的轴向分布的双凸极无刷直流电机相数为6时的六相定转子位置示意图；

图6为本发明提供的永磁式轴向分布的双凸极无刷直流电机相数为3时的三相侧向剖视图；

图7为本发明混合励磁式各相轴向分布的双凸极无刷直流电机相数为3时的三相侧向剖视图；

其中：1.轴承；2.轴；3.位置传感器；4. 电机端盖；5.A相电枢绕组；6.励磁绕组；7.A相转子铁心；8.A相定子铁心；9.B相电枢绕组；10. B相转子铁心；11.B相定子铁心；12. C相电枢绕组；13. C相转子铁心；14.C相定子铁心；15.电机外壳；A. A相电枢绕组；B. B相电枢绕组；C. C相电枢绕组；F.励磁绕组；PM.永磁体。

具体实施方式

本发明提供一种轴向分布的双凸极无刷直流电机，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种轴向分布的双凸极无刷直流电机，包括定子铁芯、转子铁芯、轴2、位置传感器、励磁元件和电枢绕组，定子铁芯和转子铁芯采用凸极式结构，定子铁芯在内、转子铁芯在外套装在轴2上，端部设有电机端盖4，转子铁芯外设有电机外壳15；其特征在于：

该电机相数为m，m为自然数，每相电机的定子极和转子极沿电机轴向等距离对应分布，形成m个轴向分布的子电机；

轴向方向上的定子极之间在有间隙用于安装电枢绕组，各子电机的定子极数和转子极数都为2n个，n为自然数表示该子电机的单元电机个数；

各子电机的转子极之间相差360°/2nm机械角，定子极与对应的转子极在电机圆周方向上对齐；

各子电机的定子极上分别缠绕有集中式电枢绕组，电枢绕组的外侧靠近圆周处设有励磁元件6，在圆周方向上共有2n个励磁元件6。

所述励磁元件6为励磁绕组，相邻的励磁绕组绕向相反，每个定子极的电枢绕组的绕制方向与所在定子极上的励磁绕组绕制方向一致。

实施例1

如图1所示的轴向分布的双凸极无刷直流电机相数为3时的横剖面图，所述电机包括3个定子铁心8、11和14、3个转子铁心7、10和13、3个电枢绕组5、9和12、励磁绕组6、电机端盖4、电机外壳15、轴2、轴承1和位置传感器3。所述电机定子铁心被等分为A相定子铁心8、B相定子铁心11和C相定子铁心14三个独立的部分，电机转子铁心被等分为A相转子铁心7、B相转子铁心10和C相转子铁心13三个独立的部分，各相定子铁心和转子铁心沿电机轴向等距离分布，各相定子铁心之间在轴向上有一定间隙用于安装电枢绕组，各相定子铁心固定在电机外壳15内，电机端盖4固定在电机外壳15两端，轴2通过两个电机端盖4内的轴承1定位，可以带动固定在轴2上的转子铁心旋转。

图2所示的本发明三相轴向分布的双凸极无刷直流电机相数为3时三相子电机的侧向剖视图。该电机定子极和转子极采用凸极式结构，各相子电机定子极数和转子极数为4极；A相转子铁心7与B相转子铁心10和C相转子铁心13在电机圆周方向上相差360°/2nm =30°，A相定子铁心8、B相定子铁心11和C相定子铁心14的定子极在电机圆周方向上对齐，各相子电机的4个定子极上分别缠绕的A相电枢绕组5、B相电枢绕组9和C相电枢绕组12为集中绕组；轴向上3个对齐的定子极外侧绕有一个总的励磁绕组6，在圆周方向上4个励磁绕组6绕制成2个S极和2个N极，相邻励磁绕组6极性相反，每相定子铁心的4个电枢绕组的绕制方向与励磁绕组绕制方向一致。传统6/4结构的双凸极电机径向力分布在两个位置，径向应变大；本发明的电机径向力分布在四个位置，径向应变小。

图3为本发明各相轴向分布的双凸极无刷直流电机相数为3时的转子三维图。转子极采用凸极式结构，各相转子极在电机圆周方向上相差30°。电机转子铁心可由相同冲片的硅钢片叠加而成。

图4为本发明各相轴向分布的双凸极无刷直流电机相数为3时的各相电感图。从图中可以看出，一相电感在增加的同时有另一相电感在以相同的比例减小，因此，电机总的励磁绕组的自感基本不变，电机的定位转矩较小。其输出的转矩主要为励磁转矩。

实施例2

所述励磁元件6也可以是永磁体，永磁体安装在每相的各定子极之间的磁轭上，电机利用永磁双凸极电机单相通电模式或双相通电模式工作。图6为本发明永磁式各相轴向分布的双凸极无刷直流电机相数为3时三相子电机的侧向剖视图。图6所示的永磁式三相轴向分布的双凸极无刷直流电机，其励磁绕组全部被永磁体取代，即每相电机的四个定子极之间安装有永磁体，电机可利用永磁双凸极电机单相通电模式或双相通电模式工作。

图5为本发明轴向分布的双凸极无刷直流电机相数为6时六相子电机的定转子位置示意图。各相定子极在电机圆周方向上对齐，各相定子极上分别缠绕A相、B相、C相、D相、E相和G相六相电枢绕组，轴向上6个对齐的定子极外侧绕有一个总的励磁绕组，六相转子极在电机圆周方向上相差360°/4m =15°。图5所示的六相轴向分布的双凸极无刷直流电机工作原理与三相类似，其不同之处在于通过增加相数，提高了电机的容错能力并降低了换相转矩脉动。

实施例3

所述励磁元件6也可以是励磁绕组和永磁体混合使用，相邻励磁绕组绕向相反，每相定子极的电枢绕组的绕制方向与所在定子极上的励磁绕组绕制方向一致；永磁体安装在每相的各定子极之间的磁轭上；电机利用混合励磁双凸极电机单相通电模式或双相通电模式工作。图7为本发明混合励磁式各相轴向分布的双凸极无刷直流电机相数为3时三相子电机的侧向剖视图。图7所示的混合励磁式三相轴向分布的双凸极无刷直流电机，其励磁元件既有励磁绕组也有永磁体，电机利用混合励磁双凸极电机单相通电模式或双相通电模式工作。

电机工作原理为：

由于图2中的各个子电机定子是对齐的，而转子相差30°机械角，因此各相之间的相位相差120°电角度。这与传统的三相双凸极无刷直流电机一致。

在本电机励磁绕组上通有电流，此时在电机内部会建立起磁场，产生的磁通将经过各相的定子轭部、定子齿部、空气隙、转子齿部、转子轭部形成闭合回路。

电机既可以作为发电机运行，又可以作为电动机运行，当电机以电动机方式运行时可利用电励磁双凸极电机单相通电模式或双相通电模式工作。

以常用的双相通电模式工作为例说明其电动运行原理。三相电枢绕组分别接三相全桥变换器的三个桥臂中点，控制器根据位置传感器检测到的信号控制六个功率管导通与关断。当某相定子极与转子极啮合时，给该相通以正向电流；当某相定子极与转子极脱离时，给该相通以负向电流，电机即可对外输出转矩。

发电运行时：原动机带动本电机按一定方向旋转，三相电枢绕组匝链的磁链随着转子位置改变而变化，从而产生三相交变的感应电势。当其作为直流发电机时，用外接的三相全桥变换器整流输出直流电能供给各种电气负载或向蓄电池充电。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种轴向分布的双凸极无刷直流电机，包括定子铁芯、转子铁芯、轴（2）、位置传感器、励磁元件和电枢绕组，定子铁芯和转子铁芯采用凸极式结构，定子铁芯在内、转子铁芯在外套装在轴（2）上，端部设有电机端盖（4），转子铁芯外设有电机外壳(15)；其特征在于：

该电机相数为m，m为自然数，每相电机的定子极和转子极沿电机轴向等距离对应分布，形成m个轴向分布的子电机；

轴向方向上的定子极之间在有间隙用于安装电枢绕组，各子电机的定子极数和转子极数都为2n个，n为自然数表示该子电机的单元电机个数；

各子电机的转子极之间相差360°/2nm机械角，定子极与对应的转子极在电机圆周方向上对齐；

各子电机的定子极上分别缠绕有集中式电枢绕组，电枢绕组的外侧靠近圆周处设有励磁元件（6），在圆周方向上共有2n个励磁元件（6）。

2.根据权利要求1所述的一种轴向分布的双凸极无刷直流电机，其特征在于：所述励磁元件（6）为励磁绕组，相邻的励磁绕组绕向相反，每个定子极的电枢绕组的绕制方向与所在定子极上的励磁绕组绕制方向一致。

3.根据权利要求1所述的一种轴向分布的双凸极无刷直流电机，其特征在于：所述励磁元件（6）为永磁体，永磁体安装在每相的各定子极之间的磁轭上，电机利用永磁双凸极电机单相通电模式或双相通电模式工作。

4.根据权利要求1所述的一种轴向分布的双凸极无刷直流电机，其特征在于：所述励磁元件（6）包括励磁绕组和永磁体，相邻励磁绕组绕向相反，每相定子极的电枢绕组的绕制方向与所在定子极上的励磁绕组绕制方向一致；永磁体安装在每相的各定子极之间的磁轭上；电机利用混合励磁双凸极电机单相通电模式或双相通电模式工作。