CN106787307A - 转子调磁型磁通切换电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种转子调磁型磁通切换电机,包括定子和转子,所述定子和转子均采用凸极结构;所述转子包括:转子磁极模块(1)、隔磁块(4)、调磁块(5)和轴(6);所述转子磁极模块(1)包括两块转子齿(2)和一块永磁体(3),所述永磁体(3)嵌入两块转子齿(2)之间,永磁体(3)切向充磁,且相邻所述永磁体(3)充磁方向一致;相邻所述转子磁极模块(1)之间嵌入隔磁块(4)。本发明的转子调磁型磁通切换电机具有功率密度高、转矩输出能力强、磁场可调的优点,且具有多种调磁工作模式,有效扩宽了电机的工作范围与运行特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于磁通切换原理和磁场调节机理的无刷电机,特别是涉及一种转子调磁型磁通切换电机,属于电机制造技术领域。
背景技术
传统定子永磁型磁通切换电机永磁体与电枢绕组均置于定子侧,转子仅由铁心构成,结构简单、机械强度高、适合运行在高速以及环境较为恶劣的条件下。所述电机具有高转矩(功率)密度、低损耗等优点,且单相永磁磁链与空载感应电势谐波含量低,有效抑制转矩脉动。
然而,在风力发电、新能源电动汽车、工业驱动、多电飞机/舰艇等应用领域,不但要求电机具有很好的转矩输出特性,而且对电机的调速范围及工作区间具有更高的要求,以满足设备多变的运行工况。但是,定子永磁型磁通切换电机的缺点在于永磁体用量较大,永磁体利用率较低。定子侧永磁体与电枢绕构成空间竞争关系,使得电枢槽面积减小,一定程度上影响电机的转矩输出能力,且电枢磁场与永磁磁场共同作用,使定子铁心内的磁密过饱和,限制了电机的过载能力。此外,定子永磁型磁通切换电机通过永磁体励磁,励磁磁场不可调节,进而影响电机的调速范围。
近年来,定子永磁型混合励磁磁通切换电机的提出,解决了传统定子永磁型磁通切换电机励磁磁场不可调节的问题。但是,由于定子侧在原有电枢绕组和永磁体存在的结构基础上,添加励磁绕组,使得电枢绕组或永磁体空间大大减小,从而进一步限制电机的转矩输出能力。
文件CN104201852A提出了一种绕组互补型转子永磁磁通切换电机,将永磁体移植于转子侧,与电枢绕组分离,有效提高了转子侧的空间利用率,释放了定子侧电枢绕组空间,提高了电机的转矩密度和功率密度。电枢磁场与永磁磁场分离,缓解了定子齿部磁场饱和程度,改善了电机的过载能力。
但是,文件CN104201852A提出了一种绕组互补型转子永磁磁通切换电机具有如下缺点:采用单一永磁体励磁,永磁磁场不可调节,进而影响电机的弱磁调速范围;若类比定子永磁型混合励磁磁通切换电机,采用混合励磁结构,则需要在转子侧加入电刷滑环,提供直流励磁电流,而电刷滑环结构复杂,且需要定期维护。
发明内容
技术问题:本发明要解决的技术问题在于针对现有技术的不足,本发明提出了一种转矩(功率)密度高、效率高、转矩输出能力强的转子调磁型磁通切换电机,在不引入电刷滑环结构的前提下,实现了永磁磁场调节,扩宽了电机的弱磁调速范围和工作区间,且具有不同的工作模式。
技术方案:为解决上述技术问题,本发明提供了一种转子调磁型磁通切换电机,包括定子和转子,所述定子和转子均采用凸极结构;所述转子包括:转子磁极模块、隔磁块、调磁块和轴;所述转子磁极模块包括两块转子齿和一块永磁体,所述永磁体嵌入两块转子齿之间,永磁体切向充磁,且相邻所述永磁体充磁方向一致;相邻所述转子磁极模块之间嵌入隔磁块,
所述转子磁极模块与隔磁块共同构成环形转子结构,所述环形转子通过隔磁端环与电机轴固定,并与轴之间构成环形调磁气隙;所述调磁气隙内嵌入调磁块;所述调磁块在调磁气隙中相对转子磁极模块圆周滑动。
优选的,所述的定子包括定子铁心和电枢绕组,所述电枢绕组设置于定子铁心电枢齿上,采用集中绕组结构,所述每个电枢线圈与其圆心角分别相隔90°、180°和270°的三个电枢线圈构成一相电枢绕组。
优选的,所述定子铁心设置在转子磁极模块外部构成外定子结构,或者设置在转子磁极模块内部构成内定子结构。
优选的,所述的定子铁心为直槽结构或斜槽结构。
优选的,所述的转子齿、调磁块、定子铁心均为导磁材料。
优选的,所述的永磁体为钕铁硼或钐钴或铁氧体永磁材料。
有益效果:与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1)转子调磁型磁通切换电机具有传统转子永磁磁通切换电机转矩(功率)密度高、转矩过载能力强、效率高等优点。
2)通过调磁块的位置变化,实现永磁磁场调节,改善电机弱磁调速范围。
3)调磁块放置于调磁气隙中,在空间上不与永磁体构成空间竞争关系,因此不影响电机的转矩(功率)密度。
4)通过调磁块实现调磁,与传统励磁绕组调磁方式不同,不需要电刷滑环结构,提高电机运行的可靠性与稳定性。
5)电机弱磁时,调磁磁路与主磁路并联,有效防止削弱永磁磁场的过程中,永磁体退磁。
6)具有多种调磁方式,且调磁效果不同,可依据工况需求,选择适当的调磁方式,提高电机驱动***运行特性。
7)每相电枢绕组具有互补特性。每相绕组的两套线圈组所匝链的永磁磁链中的高次谐波,特别是偶次谐波可以互相抵消,优化了永磁磁链的正弦性,抑制了空载感应电势的谐波含量。
8)本发明的转子调磁型磁通切换电机,由于互补特性使得互补的两个线圈组所在主磁路中的磁场能量与定转子相对位置的导数正负相反,相互抵消,有效减小了定位力矩的大小,抑制了输出转矩脉动。
9)本发明的转子调磁型磁通切换电机,其特征在于该电机既可以做电动运行也可以做发电运行。
附图说明
图1为本发明转子调磁型磁通切换电机结构示意图;
图2a为本发明转子调磁型磁通切换电机额定运行工况磁路图;
图2b为本发明转子调磁型磁通切换电机弱磁运行工况1磁路图;
图2c为本发明转子调磁型磁通切换电机弱磁运行工况2磁路图;
图3为本发明转子调磁型磁通切换电机正常工况与不同调磁方式下,电枢绕组中所匝链的三相永磁磁链;
图4为本发明转子调磁型磁通切换电机正常工况与弱磁工况下电机转矩转速曲线。
图中:1、转子磁极模块,2、转子齿,3、永磁体,4、隔磁块,5、调磁块,6、轴,7、调磁气隙,8、定子铁心,9、电枢绕组,10、主磁路,11、调磁磁路1,12、调磁磁路2。
具体实施方式
本发明一种转子调磁型磁通切换电机,下面以三相转子调磁型磁通切换电机为例,详细阐述本发明的具体实施方式。
本发明提供的转子调磁型磁通切换电机,包括定子和转子,所述定子和转子均采用凸极结构;所述转子包括:转子磁极模块1、隔磁块4、调磁块5和轴6;所述转子磁极模块1包括两块转子齿2和一块永磁体3,所述永磁体3嵌入两块转子齿2之间,永磁体3切向充磁,且相邻所述永磁体3充磁方向一致;相邻所述转子磁极模块1之间嵌入隔磁块4,
所述转子磁极模块1与隔磁块4共同构成环形转子结构,所述环形转子通过隔磁端环与电机轴固定,并与轴6之间构成环形调磁气隙7;所述调磁气隙7内嵌入调磁块5;所述调磁块5在调磁气隙7中相对转子磁极模块1圆周滑动。
所述的定子包括定子铁心8和电枢绕组9,所述电枢绕组9设置于定子铁心8电枢齿上,采用集中绕组结构,所述每个电枢线圈9与其圆心角分别相隔90°、180°和270°的三个电枢线圈9构成一相电枢绕组。
所述定子铁心8设置在转子磁极模块1外部构成外定子结构,或者设置在转子磁极模块1内部构成内定子结构。
所述的定子铁心8为直槽结构或斜槽结构。
所述的转子齿2、调磁块5、定子铁心8均为导磁材料。
所述的永磁体3为钕铁硼或钐钴或铁氧体永磁材料。
如图1所示,本发明转子调磁型磁通切换电机,包括定子和转子,所述定子和转子均为凸极结构,且两者之间具有气隙;所述转子由转子磁极模块1、隔磁块4、调磁块5和轴6构成。所述转子磁极模块1由两块转子齿2和一块永磁体3构成,所述永磁体3嵌入两块转子齿2之间,永磁体3切向充磁,且充磁方向一致。相邻所述转子磁极模块1之间嵌入隔磁块4,所述隔磁块4通过电机端部隔磁端环连接成为整体,其特征在于所述转子磁极模块1与隔磁块4共同构成环形转子结构,所述环形转子通过隔磁端环与电机轴固定,并与轴6之间构成环形调磁气隙8。所述环形调磁气隙8内嵌入调磁块5。调磁块5在环形调磁气隙8中可以相对转子磁极模块1滑动。每块调磁块5通过电机端部调磁端环连接,构成整体调磁部件,便于加工以及实现调磁控制。
所述的定子由定子铁心8和电枢绕组9构成。所述电枢绕组9设置于定子铁心8电枢齿上,采用集中绕组结构。所述的A相电枢绕组中电枢线圈911与电枢线圈912、913、914空间位置圆心角分别相差90°、180°和270°;电枢线圈911与913径向相对,电枢线圈内匝链的永磁磁链相位相同,磁链变化具有一致性,同理,电枢线圈912与914径向相对,电枢线圈内匝链的永磁磁链变化也具有一致性;电枢线圈911与912空间位置圆心角相差90°,电枢线圈内的永磁磁链相位相差180°,磁链变化具有互补性,因此顺向串联成为第一线圈组,同理,电枢线圈913与914空间位置圆心角相隔90°,磁链变化也具有互补性,因此顺向串联成为第二线圈组;所述第一线圈组和所述第二线圈组顺向串联或并联。类似的,电枢线圈921、922、923和924构成B相电枢绕组,电枢线圈931、932、933和934构成C相电枢绕组。
所述的转子齿2、调磁块5、定子铁心10均为导磁材料。永磁体3为钕铁硼、钐钴及铁氧体永磁材料。
三相转子调磁型磁通切换电机具有传统转子永磁磁通切换电机转矩(功率)密度高、转矩过载能力强、效率高等优点。每相电枢绕组具有互补特性,抵消了每相绕组中两套线圈组所匝链的永磁磁链高次谐波特别是偶次谐波,优化了永磁磁链的正弦性,抑制了空载感应电动势的谐波含量。
通过三相转子调磁型磁通切换电机调磁块的位置变化,实现永磁磁场调节,改善电机弱磁调速范围。具有多种调磁方式,且调磁效果不同,可依据工况选择适当的调磁方式,改善电机驱动***特性。调磁块放置于调磁气隙中,在空间上不与永磁体构成空间竞争关系,因此不影响电机的转矩(功率)密度。该调磁方式与传统励磁绕组调磁方式不同,不需要电刷滑环结构,提高电机运行的可靠性与稳定性。当电机弱磁时,调磁磁路与主磁路并联,如图2所示,有效防止削弱永磁磁场的过程中,永磁体退磁。
由于互补特性使得互补的两个线圈组所在主磁路中的磁场能量与定转子相对位置的导数正负相反,相互抵消,有效减小了定位力矩的大小,抑制了输出转矩脉动。
转子调磁型磁通切换电机在不同工况运行时具有以下特点:
1、纯永磁工况运行:此时电机依靠永磁体产生励磁磁场,通过控制电枢电流调节电机的输出转矩、功率密度与调速性能。
2、调磁方式1运行:调磁块位于转子磁极模块底部,在主磁路上构成并联支路,使得主磁路磁通减小,实现弱磁扩速。由于直接改变主磁路结构,因此能够获得最大的弱磁能力,如图3和图4所示。
3、调磁方式2运行:调磁块位于隔磁块底部,增大相邻转子磁极模块之间的极间漏磁,进而削弱主磁路磁通,实现弱磁扩速,调磁特性如图3和图4所示。
以上仅是本发明的具体应用范例,对本发明的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外,本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案,均落在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (6)
1.一种转子调磁型磁通切换电机,包括定子和转子,所述定子和转子均采用凸极结构;所述转子包括:转子磁极模块(1)、隔磁块(4)、调磁块(5)和轴(6);所述转子磁极模块(1)包括两块转子齿(2)和一块永磁体(3),所述永磁体(3)嵌入两块转子齿(2)之间,永磁体(3)切向充磁,且相邻所述永磁体(3)充磁方向一致;相邻所述转子磁极模块(1)之间嵌入隔磁块(4),其特征在于,
所述转子磁极模块(1)与隔磁块(4)共同构成环形转子结构,所述环形转子通过隔磁端环与电机轴固定,并与轴(6)之间构成环形调磁气隙(7);所述调磁气隙(7)内嵌入调磁块(5);所述调磁块(5)在调磁气隙(7)中相对转子磁极模块(1)圆周滑动。
2.根据权利要求1所述的转子调磁型磁通切换电机,其特征在于,所述的定子包括定子铁心(8)和电枢绕组(9),所述电枢绕组(9)设置于定子铁心(8)电枢齿上,采用集中绕组结构,所述每个电枢线圈(9)与其圆心角分别相隔90°、180°和270°的三个电枢线圈(9)构成一相电枢绕组。
3.根据权利要求2所述的转子调磁型磁通切换电机,其特征在于,所述定子铁心(8)设置在转子磁极模块(1)外部构成外定子结构,或者设置在转子磁极模块(1)内部构成内定子结构。
4.根据权利要求1所述的转子调磁型磁通切换电机,其特征在于,所述的定子铁心(8)为直槽结构或斜槽结构。
5.根据权利要求1所述的转子调磁型磁通切换电机,其特征在于,所述的转子齿(2)、调磁块(5)、定子铁心(8)均为导磁材料。
6.根据权利要求1所述的转子调磁型磁通切换电机,其特征在于,所述的永磁体(3)为钕铁硼或钐钴或铁氧体永磁材料。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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