專利名稱：定子永磁型變磁阻電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種關(guān)于新型變磁阻永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，屬于電機(jī)設(shè)計(jì)的
背景技術(shù)：
雙凸極電機(jī)包括開關(guān)磁阻電機(jī)(Switch reluctance machine，SRM)、雙凸極永磁電機(jī)(Doubly salient permanent magnet machine，DSPM machine)、磁通反向電機(jī)(Flux reversal machine，F(xiàn)RM)以及開關(guān)磁通電機(jī)(Fluxswitching machine，F(xiàn)SM)均是利用電機(jī)氣隙處磁阻發(fā)生周期性變化的原理來工作的，是目前國(guó)際電機(jī)界研究的熱點(diǎn)。開關(guān)磁阻電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，工作可靠性高，調(diào)速范圍寬，而且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)具有很高的工作效率，因此，在迅猛發(fā)展的調(diào)速電機(jī)領(lǐng)域掙得了一席之地，并在許多場(chǎng)合得到了實(shí)際應(yīng)用。但是開關(guān)磁阻電機(jī)同時(shí)具有一些固有缺陷，首先，開關(guān)磁阻電機(jī)只有在繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置角增大時(shí)給繞組通電才能產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，材料利用率相對(duì)較低；其次，開關(guān)磁阻電機(jī)本質(zhì)上是一種單邊勵(lì)磁電機(jī)，繞組電流中不僅包含轉(zhuǎn)矩分量，還有勵(lì)磁分量，這樣不僅增大了繞組和功率變換器的伏安容量，還會(huì)產(chǎn)生額外的附加損耗；再則，繞組電感較大，關(guān)斷后電流衰減慢，為避免繞組關(guān)斷后電流延續(xù)到負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)，必須將繞組提前關(guān)斷，因而消弱了電機(jī)出力。為了克服開關(guān)磁阻電機(jī)的缺點(diǎn)，同時(shí)又保持雙凸極這一極其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式，上世紀(jì)90年代以后國(guó)際上出現(xiàn)了將永磁體和開關(guān)磁阻電機(jī)相結(jié)合的電機(jī)型式，比較典型的為雙凸極永磁電機(jī)、磁通反向電機(jī)和開關(guān)磁通電機(jī)。三相12/8(定子極數(shù)/轉(zhuǎn)子極數(shù))雙凸極永磁電機(jī)有四塊永磁體分別位于定子軛部，定子永磁型雙凸極永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)上保留了開關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn)，即定、轉(zhuǎn)子均為凸極，轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁、電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，高速運(yùn)行能力強(qiáng)；定子齒上安放集中繞組，繞組的端部短，節(jié)省用銅導(dǎo)體，損耗小，效率高。磁通反向電機(jī)的永磁體位于定子齒極弧表面，定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，磁通反向電機(jī)相電樞繞組匝鏈的磁通是雙向的，降低了電機(jī)內(nèi)部磁通密度，提高了電機(jī)的材料利用率。由于磁通反向電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，這種電機(jī)漏磁比較大，電機(jī)氣隙磁密較低，而且永磁體被去磁的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)較其他種類的雙凸極永磁類電機(jī)大。開關(guān)磁通電機(jī)相對(duì)前兩種電機(jī)出現(xiàn)得最晚，1997年法國(guó)學(xué)者Emmanuel Hoang在第7屆歐洲電力電子及應(yīng)用年會(huì)上發(fā)表了開關(guān)磁通永磁電機(jī)的論文，此后英國(guó)Sheffield大學(xué)、Leicester大學(xué)和東南大學(xué)的研究人員先后對(duì)開關(guān)磁通電機(jī)進(jìn)行了研究。開關(guān)磁通電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒寬等于定子U型鐵芯的寬度，U型鐵芯的開口(也是定子齒與齒間的空氣間隔)近似等于轉(zhuǎn)子齒寬，是一種定轉(zhuǎn)子均為凸極的雙凸極結(jié)構(gòu)。
雙凸極永磁電機(jī)、磁通反向電機(jī)和開關(guān)磁通電機(jī)雖然具有一系列優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也很顯著，首先這種電機(jī)由于定轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很大，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大噪聲，而且大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)限制了其使用場(chǎng)合；其次定轉(zhuǎn)子齒尖存在明顯的局部飽和、邊緣效應(yīng)；另外，為了和其他永磁電機(jī)如永磁同步電機(jī)、無刷直流電機(jī)相競(jìng)爭(zhēng)，有必要進(jìn)一步提高電機(jī)的能量密度。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提出一種定子永磁型變磁阻電機(jī)，一方面保留了雙凸極電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)；另一方面通過將定子的凸極結(jié)構(gòu)變?yōu)辇X槽結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)氣隙面可以用于產(chǎn)生工作轉(zhuǎn)矩的區(qū)域增大，從而提高電機(jī)的輸出功率，減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
技術(shù)方案定子永磁型變磁阻電機(jī)的定子為齒槽結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)，電樞繞組為集中式繞組，位于定子槽中，永磁體內(nèi)嵌于定子槽間及定子軛部區(qū)域，其縱截面圖如圖1和圖2所示。圖1為12槽/12極單相電機(jī)，圖2為12槽/10極三相電機(jī)。
定子永磁型變磁阻電機(jī)的工作原理類似于雙凸極類電機(jī)，由于永磁體的磁導(dǎo)率很低，因而具有很強(qiáng)的隔磁作用，當(dāng)凸極轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)將會(huì)引起定轉(zhuǎn)子之間工作氣隙處的磁阻發(fā)生周期性變化，從而引起氣隙磁場(chǎng)分布的周期變化。定子永磁型變磁阻電機(jī)巧妙利用了永磁體的隔磁作用來設(shè)計(jì)電機(jī)內(nèi)部磁路，使得氣隙磁場(chǎng)的周期變化在電樞繞組匝鏈的磁鏈變化最大化，從而產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩。圖3所示為當(dāng)轉(zhuǎn)子角分別處于0°、7.5°、15°和22.5°時(shí)電機(jī)磁場(chǎng)分布圖，從圖中可見，由于永磁體的隔磁作用，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)引起的磁鏈變化大部分經(jīng)過電樞繞組耦合，小部分經(jīng)過漏磁回路。
與開關(guān)磁通電機(jī)的聚磁結(jié)構(gòu)不同的是，定子永磁型變磁阻電機(jī)聚磁結(jié)構(gòu)的定子為齒槽結(jié)構(gòu)，齒與齒之間的槽開口比較小，因而就相同尺寸的永磁體作用于氣隙磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度而言，后者要小得多，由電機(jī)的凸極或齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可以得到改善。定子永磁型變磁阻電機(jī)定子齒部的局部如圖6所示，圖6(a)顯示的是具有附加氣隙和連接橋的齒槽結(jié)構(gòu)，若采用鐵氧體永磁，永磁體的厚度相對(duì)要取得大一些以抵抗對(duì)永磁的去磁作用，這時(shí)采用如圖6(a)的結(jié)構(gòu)可以增加氣隙處產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的區(qū)間，從而增大電機(jī)的功率。針對(duì)小型電機(jī)，考慮到裝配的方便性，可以利用連接橋?qū)⒍ㄗ記_片聯(lián)成一個(gè)整體，如果出于減少漏磁的考慮，此處連接橋可以用空氣隙代替。圖6(b)最大程度上利用了電機(jī)定子內(nèi)外徑的幾何尺寸，采用具有高矯頑力的稀土類永磁材料，電機(jī)永磁體的聚磁結(jié)構(gòu)使得電機(jī)工作氣隙磁場(chǎng)大大增強(qiáng)，這樣電機(jī)將具有很高的電磁轉(zhuǎn)矩，尤其適用于低速大轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。
類似于雙凸極永磁電機(jī)和開關(guān)磁通電機(jī)，定子永磁型變磁阻電機(jī)的永磁體位于定子，這種結(jié)構(gòu)便于進(jìn)行冷卻設(shè)計(jì)，對(duì)于溫度變化比較敏感的永磁電機(jī)來說是一大優(yōu)勢(shì)，能夠根據(jù)不同的冷卻條件來選取電機(jī)能量體積比，最大程度上拓展電機(jī)的功率輸出；定子永磁型變磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子和開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子相同，僅由鐵芯迭片壓疊而成，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，魯棒性好，可以適用于從低速到高速各種場(chǎng)合。由于電機(jī)具有聚磁結(jié)構(gòu)，所以位于定子的永磁體既可以采用高性能的稀土材料如釹鐵硼、釤鈷，也可采用價(jià)格低重量輕的鐵氧體永磁。
有益效果定子永磁型變磁阻電機(jī)繼承了雙凸極電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而電機(jī)的功率密度獲得了更大的拓展，其主要優(yōu)勢(shì)主要在于以下1、定子側(cè)正對(duì)氣隙面具有與傳統(tǒng)永磁同步和無刷直流電機(jī)類似的齒槽結(jié)構(gòu)，一方面可以減小電機(jī)的齒間飽和情況，降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，另一方面增大了電機(jī)氣隙面產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的區(qū)間，在保證氣隙磁密不變的情況下(依靠增加永磁用量)，可以大幅增加電機(jī)的功率。
2、定子永磁型變磁阻電機(jī)的永磁體位于定子側(cè)，易于進(jìn)行冷卻設(shè)計(jì)，可以根據(jù)電機(jī)的負(fù)荷和冷卻條件來選取電機(jī)的功率密度，可進(jìn)一步提高電機(jī)的單位體積功率比
3、凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，無繞組、無電刷、無永磁，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，適用包括高速運(yùn)轉(zhuǎn)、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高可靠性的場(chǎng)合；4、電樞繞組為集中式繞組，端部端，銅耗低，制作嵌線方便；5、由于電機(jī)具有聚磁結(jié)構(gòu)，永磁體既可以選用高性能稀土永磁，也可以選用廉價(jià)、質(zhì)輕的鐵氧體永磁。
定子永磁型變磁阻電機(jī)既可用作高功率密度的發(fā)電機(jī)，例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、航空發(fā)電機(jī)或艦艇發(fā)電機(jī)等，又可用作大轉(zhuǎn)矩輸出和寬調(diào)速范圍的電動(dòng)機(jī)，例如電動(dòng)機(jī)車、機(jī)床驅(qū)動(dòng)等。


圖1是12槽/12極單相定子永磁變磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是12槽/10極三相定子永磁變磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是定子永磁變磁阻電機(jī)在不同轉(zhuǎn)子角度下的磁場(chǎng)分布圖；其中圖3(a)是轉(zhuǎn)子角度＝0°，圖3(b)是轉(zhuǎn)子角度＝7.5°，圖3(c)是轉(zhuǎn)子角度＝15°，圖3(d)是轉(zhuǎn)子角度＝22.5°.時(shí)的示意圖。
圖4是定子永磁變磁阻電機(jī)定子局部圖.其中圖4(a)是具有附加隔磁槽和連接橋，圖4(b)是無附加隔磁槽示意圖。
以上的圖中有永磁體1，定子2，轉(zhuǎn)子極3，定子齒4，隔磁槽5，連接橋6，轉(zhuǎn)子7，定子齒8，定子槽9，電樞繞組10，定子軛部11。A1～A4為A相繞組，B1～B4為B相繞組，C1～C4為C相繞組。
具體實(shí)施例方式
以一臺(tái)單相定子12槽/轉(zhuǎn)子10極定子永磁型變磁阻電機(jī)為例，其截面圖如圖2所示，定子槽與槽之間嵌入12塊均勻分布的永磁體(1)，轉(zhuǎn)子(7)上有10個(gè)均勻分布的凸極(3)，轉(zhuǎn)子凸極(3)的極弧寬度等于定子齒(4)頂極弧寬度的一半。用厚度為0.5mm的硅鋼片按圖2所示的形狀沖成定子沖片和轉(zhuǎn)子沖片，用足夠的沖片疊壓成定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯，在定子鐵芯上均勻分布12塊永磁體。在每個(gè)定子齒上套一個(gè)線圈，將這12個(gè)線圈按每隔二個(gè)齒串聯(lián)起來構(gòu)成相繞組，12個(gè)定子凸極上的線圈共組成三相電樞繞組。
本發(fā)明的特征是定子采用類式永磁同步電機(jī)和無刷直流電機(jī)的齒槽結(jié)構(gòu)，但電樞繞組為集中繞組，與永磁同步電機(jī)和無刷直流電機(jī)永磁體位于轉(zhuǎn)子側(cè)相異，定子永磁型變磁阻電機(jī)將永磁體置于定子側(cè)，而轉(zhuǎn)子采用極其簡(jiǎn)單的凸極結(jié)構(gòu)，由硅鋼片沖制迭壓而成，無繞組、無永磁、無電刷。由于電機(jī)具有的聚磁結(jié)構(gòu)，定子上的永磁體可以采用高性能的稀土永磁，也可采用廉價(jià)、比重低的鐵氧體永磁。該電機(jī)是基于凸極轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)引起氣隙磁阻周期性變化從而產(chǎn)生電樞繞組匝鏈磁鏈發(fā)生變化的原理工作的，這個(gè)氣隙磁場(chǎng)主要是由置入定子齒間的永磁體產(chǎn)生的，電樞電流只是改變了電樞磁場(chǎng)在齒槽間的分布，故該電機(jī)屬于永磁電機(jī)范疇。定子永磁型變磁阻電機(jī)具有很高的功率密度和效率，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，能適用于從低速到高速的寬廣速度范圍，調(diào)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，永磁和電樞繞組均置于定子，故電機(jī)的可靠性極高，能適應(yīng)各種惡劣的氣候和工作環(huán)境。單相電機(jī)適合用于發(fā)電機(jī)場(chǎng)合，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、航空發(fā)電機(jī)，三相電機(jī)可以用于寬廣變速范圍的大輸出轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如各種類型的電動(dòng)機(jī)車、艦艇、機(jī)床等。該電機(jī)技術(shù)的推廣應(yīng)用，將極大地促進(jìn)我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
權(quán)利要求
1.一種定子永磁型變磁阻電機(jī)，其特征在于永磁體(1)位于電機(jī)的定子(2)側(cè)，內(nèi)嵌于定子齒(4)的中間并延伸至定子軛部(11)；電機(jī)的定子(2)為齒槽結(jié)構(gòu)，即沿定子(2)內(nèi)徑的圓弧面均勻分布有用以安放電樞繞組(10)的定子槽(9)，定子槽(9)與圓弧面的開口處收縮形成尺寸較小的槽口；轉(zhuǎn)子(7)為凸極結(jié)構(gòu)，即在轉(zhuǎn)子(7)上均勻分布有若干凸極，凸極與凸極之間為轉(zhuǎn)子槽，轉(zhuǎn)子槽寬與槽開口處寬相等，而轉(zhuǎn)子凸極的極弧寬度大約等于定子齒極弧寬度的一半，轉(zhuǎn)子凸極的極弧寬度小于或等于轉(zhuǎn)子槽開口處寬度；電樞繞組為集中繞組，即電樞繞組的導(dǎo)體安放于定子槽(9)中；電機(jī)轉(zhuǎn)子無繞組、無永磁體、無電刷和滑環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子永磁型變磁阻電機(jī)，其特征在于對(duì)單相電機(jī)每個(gè)定子槽(9)只有一個(gè)線圈，每個(gè)線圈只匝鏈一個(gè)定子齒(8)，線圈的總個(gè)數(shù)為定子齒數(shù)的一半，將所有線圈按順序依次串聯(lián)起來組成電樞繞組，其定子槽數(shù)和轉(zhuǎn)子凸極數(shù)相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子永磁型變磁阻電機(jī)，其特征在于對(duì)三相電機(jī)每個(gè)定子槽(9)分布有兩個(gè)線圈，每個(gè)線圈匝鏈一個(gè)定子齒(8)，線圈數(shù)量和定子齒數(shù)量相等，將每相隔兩個(gè)定子齒(8)上的線圈串聯(lián)起來組成電樞繞組，其定子槽數(shù)和轉(zhuǎn)子凸極數(shù)之比是6/5或12/10以及12/10的整數(shù)倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子永磁型變磁阻電機(jī)，其特征在于在永磁體(1)與工作氣隙面之間保留一個(gè)附加空氣隔磁槽(5)，定子齒(4)頂部保留用以保持定子沖片完整性的連接橋(6)。
全文摘要
定子永磁型變磁阻電機(jī)是一種關(guān)于新型變磁阻永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，永磁體(1)位于電機(jī)的定子(2)側(cè)，內(nèi)嵌于定子齒(4)的中間并延伸至定子軛部(11)；電機(jī)的定子(2)為齒槽結(jié)構(gòu)，即沿定子(2)內(nèi)徑的圓弧面均勻分布有用以安放電樞繞組(10)的定子槽(9)，定子槽(9)與圓弧面的開口處收縮形成尺寸較小的槽口；轉(zhuǎn)子(7)為凸極結(jié)構(gòu)，即在轉(zhuǎn)子(7)上均勻分布有若干凸極，凸極與凸極之間為轉(zhuǎn)子槽，轉(zhuǎn)子槽寬與槽開口處寬相等，而轉(zhuǎn)子凸極的極弧寬度大約等于定子齒極弧寬度的一半，轉(zhuǎn)子凸極的極弧寬度小于或等于轉(zhuǎn)子槽開口處寬度；電樞繞組為集中繞組，即電樞繞組的導(dǎo)體安放于定子槽(9)中；電機(jī)轉(zhuǎn)子無繞組、無永磁體、無電刷和滑環(huán)。
文檔編號(hào)H02K29/00GK1848608SQ200610039358
公開日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2006年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者程明, 張建忠 申請(qǐng)人:東南大學(xué)