專利名稱：轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機及其提高反電勢正弦度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁通切換電機及方法，尤其涉及一種轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機及
其提高反電勢正弦度的方法，屬于特種電機領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在電機領(lǐng)域中，永磁電機在效率、功率密度、轉(zhuǎn)矩密度方面具有絕對的優(yōu)勢，在對 體積和功率要求苛刻的場合比較適用。但是其永磁體置于轉(zhuǎn)子上，大功率/寬轉(zhuǎn)速運行時 存在如下問題1、高速旋轉(zhuǎn)時離心力較大，須對永磁體進行防護；2、永磁體散熱困難；3、永 磁體磁場與電樞磁場為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，永磁體受電樞磁場影響較大，嚴重時會發(fā)生不可逆退磁。
開關(guān)磁阻電機定、轉(zhuǎn)子是雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上無永磁體也無繞組，它的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是 最為簡單的。高壓直流開關(guān)磁阻電機起動/發(fā)電系統(tǒng)也一直是國內(nèi)外學者關(guān)注和研究的熱 點，在美國空軍的資助下美國GE和Sund strand公司1985年開始聯(lián)合研制270V高壓直流 開關(guān)磁阻電機起動/發(fā)電系統(tǒng)(30kw)，該系統(tǒng)現(xiàn)應(yīng)用在美國開發(fā)的最新聯(lián)合攻擊機F35中， 它是目前國際上認為性能最好的270V高壓直流起動/發(fā)電系統(tǒng)。 開關(guān)磁阻電機由于是半周期工作，電機功率密度要低于永磁電機。永磁雙凸極電 機、電勵磁雙凸極電機通過加入第二套磁場可以實現(xiàn)電機的全周期運行，提高了電機的功 率密度。但是雙凸極電機的磁鏈波形是單極性，電機材料的利用率不高，另外，雙凸極電機 的反電勢波形不夠規(guī)則，工作在發(fā)電狀態(tài)時若采用二極管不控整流電路，功率因數(shù)較低。
與永磁雙凸極電機同屬于定子永磁式電機的永磁開關(guān)磁鏈電機從結(jié)構(gòu)上來看，可 以看成是普通的開關(guān)磁阻電機在定子齒上開槽，插入永磁體。它的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與開關(guān)磁阻電 機相同；從反電勢波形來看，雙極性正弦波形反電勢與BLAC電機相同，因此它的功率密度 要大于開關(guān)磁阻電機；從磁鏈波形來看，永磁開關(guān)磁鏈電機磁鏈波形為雙極性，電機材料的 利用率要高于永磁雙凸極電機、電勵磁雙凸極電機。 綜上所述，永磁開關(guān)磁鏈電機的特點如下1、永磁體置于定子上，易于冷卻，不受 離心力；2、特有的"聚磁"效應(yīng)使得電機在采用矯頑力較低的永磁體時也可獲得較高的氣隙 磁密；3、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，易于高速運行；4、永磁體磁場與電樞磁場為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，永磁體受電 樞磁場影響小，弱磁能力優(yōu)于轉(zhuǎn)子永磁式電機；5、電機采用集中式繞組，結(jié)構(gòu)簡單，端部銅 損小，電機效率高；6、轉(zhuǎn)矩密度和功率密度要優(yōu)于永磁雙凸極電機和轉(zhuǎn)子永磁式電機。
但由于磁通切換電機本體結(jié)構(gòu)的不完全對稱，其單個線圈的反電勢諧波較大，若 使用轉(zhuǎn)子斜槽，不僅結(jié)構(gòu)復雜，而且反電勢基波幅值減小，電機的轉(zhuǎn)矩密度、功率密度降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決磁通切換電機本體結(jié)構(gòu)不完全對稱，其單個線圈的反電勢諧波較 大的問題而提出一種具有單個線圈反電勢幅值高、反電勢正弦度高的磁通切換電機及其提 高反電勢正弦度的方法。 轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機，包括凸極定子、電樞繞組、凸極轉(zhuǎn)子，其特征在于還包括電勵磁繞組，每兩個凸極定子之間的空隙依次嵌入永磁體，上述與永磁體相連的兩個凸 極定子臂上纏繞電樞繞組，與電樞繞組垂直方向上在永磁體上纏繞電勵磁繞組，且相鄰永 磁體上的勵磁方向相反，凸極轉(zhuǎn)子以空間機械角度a沿軸向分段，空間機械角度a滿足式
(1):
360°式(1)中Pr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。 2、一種基于權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機的提高反電勢正弦度的 方法，其特征在于采用所述轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機，凸極定子A、凸極轉(zhuǎn)子A在電樞繞組 中產(chǎn)生的反電勢和凸極定子B、凸極轉(zhuǎn)子B在電樞繞組中產(chǎn)生的反電勢相位相差180°電 角度，相對應(yīng)的凸極定子與凸極轉(zhuǎn)子的相對永磁體勵磁方向相反，則合成的單線圈反電勢 波形形狀在0。 90° 、90° 180° 、180° 270° 、270° 360°電角度區(qū)間內(nèi)完全一 致，反電勢波形諧波系數(shù)減小，從而提高反電勢正弦度，且合成的單線圈反電勢波形幅值為 每部分反電勢波形幅值的2倍。 本發(fā)明方法具有通用性，適用于多種類型磁通切換電機，包括傳統(tǒng)永磁磁通切換 電機、傳統(tǒng)混合勵磁磁通切換電機、隔齒勵磁永磁磁通切換電機、隔齒混合勵磁磁通切換電 機，任意定子極對數(shù)Ps和轉(zhuǎn)子極對數(shù)Pr，都可使得電機的單線圈反電勢具有高正弦度，且合 成系數(shù)為l，反電勢幅值高，電機功率密度高。 本發(fā)明轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機及其提高反電勢正弦度的方法，合理設(shè)計分段式 轉(zhuǎn)子的錯開角度，兩部分永磁體勵磁方向相反，保證了單線圈反電勢的高正弦度和高幅值， 使得電機運行相數(shù)可以靈活設(shè)計，保持了磁通切換電機的高效率、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密 度。本發(fā)明適用在對磁通切換電機有不同相數(shù)運行要求的場合。


圖l是本發(fā)明中轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機總體結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標號名稱1、凸 極定子A，2、凸極轉(zhuǎn)子A，3、凸極定子B，4、凸極轉(zhuǎn)子B，5，電機轉(zhuǎn)軸，6，機殼，7，電樞繞組。
圖2是本發(fā)明中轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機A部分截面示意圖，圖中標號名稱7，電 樞繞組，8、電勵磁繞組，9、隔磁齒，10，永磁體A。 圖3是本發(fā)明中轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機B部分截面示意圖，圖中標號名稱7，電 樞繞組，8 、電勵磁繞組，9 、隔磁齒，10 ，永磁體B 。 圖4是本發(fā)明中轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機凸極轉(zhuǎn)子A和B錯開角度示意圖。
圖5是本發(fā)明中提高反電勢正弦度方法應(yīng)用機型1 :傳統(tǒng)永磁磁通切換電機。
圖6是本發(fā)明中提高反電勢正弦度方法應(yīng)用機型2 :傳統(tǒng)混合勵磁磁通切換電機。
圖7是本發(fā)明中提高反電勢正弦度方法應(yīng)用機型3 :隔齒勵磁永磁磁通切換電機。
圖8是本發(fā)明中提高反電勢正弦度方法應(yīng)用機型4 :隔齒混合勵磁磁通切換電機。
圖9是本發(fā)明凸極定子1、凸極轉(zhuǎn)子2在電樞繞組中產(chǎn)生的永磁磁鏈、凸極定子3、 凸極轉(zhuǎn)子4在電樞繞組中產(chǎn)生的永磁磁鏈及合成的單線圈永磁磁鏈示意圖。
具體實施例方式
如圖1、圖2、圖3、圖4所示， 一種轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機，包括凸極定子A、凸極 定子B和凸極轉(zhuǎn)子A、凸極轉(zhuǎn)子B，凸極轉(zhuǎn)子A和凸極轉(zhuǎn)子B同轉(zhuǎn)軸連接，凸極定子A和凸極 定子B共用一套電樞繞組。兩部分定子截面幾何形狀和軸向長度完全一致，兩部分定子的 空間角度一致。不同的是兩部分定子相對的永磁體勵磁方向相反。兩部分轉(zhuǎn)子截面幾何形 狀和軸向長度完全一致，兩部分轉(zhuǎn)子的空間角度相差a， a必須滿足式(1)
360° 式(1)，^為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。 圖5是本發(fā)明中提高反電勢正弦度方法應(yīng)用機型1 :傳統(tǒng)永磁磁通切換電機。
圖6是本發(fā)明中提高反電勢正弦度方法應(yīng)用機型2 :傳統(tǒng)混合勵磁磁通切換電機。
圖7是本發(fā)明中提高反電勢正弦度方法應(yīng)用機型3 :隔齒勵磁永磁磁通切換電機。
圖8是本發(fā)明中提高反電勢正弦度方法應(yīng)用機型4 :隔齒混合勵磁磁通切換電機。
從圖9可以看出凸極定子A、凸極轉(zhuǎn)子A在電樞繞組中產(chǎn)生的永磁磁鏈和凸極定子 B、凸極轉(zhuǎn)子B產(chǎn)生的永磁磁鏈在每90。電角度內(nèi)波形并不完全一致。 在a滿足式(1)的條件下，兩部份磁鏈相位相差180。電角度，具有互補優(yōu)勢，同 時兩部分電機相對永磁體勵磁方向相反，所以兩部分磁鏈相加后，單個線圈磁鏈在每90。
電角度內(nèi)波形完全一致，磁鏈電勢正弦度高，磁鏈合成系數(shù)為l，單個線圈磁鏈幅值為每部 分磁鏈幅值的2倍。 因此，凸極定子A、凸極轉(zhuǎn)子A在電樞繞組中產(chǎn)生的反電勢和凸極定子B、凸極轉(zhuǎn)子 B產(chǎn)生的反電勢相位相差180°電角度，以及兩部分電機相對永磁體勵磁方向相反，其合成 的單線圈反電勢具有高正弦度，且合成系數(shù)為l，反電勢幅值高，電機功率密度高。
該方法具有通用性，適用于多種類型磁通切換電機，包括傳統(tǒng)永磁磁通切換電機、 傳統(tǒng)混合勵磁磁通切換電機、隔齒勵磁永磁磁通切換電機、隔齒混合勵磁磁通切換電機，任 意定子極對數(shù)Ps和轉(zhuǎn)子極對數(shù)Pr，都可使得電機的單線圈反電勢具有高正弦度，且合成系 數(shù)為l，反電勢幅值高，電機功率密度高。
權(quán)利要求
一種轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機，包括凸極定子、電樞繞組、凸極轉(zhuǎn)子，其特征在于還包括電勵磁繞組，每兩個凸極定子之間的空隙依次嵌入永磁體，上述與永磁體相連的兩個凸極定子臂上纏繞電樞繞組，與電樞繞組垂直方向上在永磁體上纏繞電勵磁繞組，且相鄰永磁體上的勵磁方向相反，凸極轉(zhuǎn)子以空間機械角度α沿軸向分段，空間機械角度α滿足式(1)式(1)中Pr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。F2009101850271C0000011.tif
2. —種基于權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機的提高反電勢正弦度的方法，其特征在于采用所述轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機，凸極定子A、凸極轉(zhuǎn)子A在電樞繞組中產(chǎn) 生的反電勢和凸極定子B、凸極轉(zhuǎn)子B在電樞繞組中產(chǎn)生的反電勢相位相差180°電角度， 相對應(yīng)的凸極定子與凸極轉(zhuǎn)子的相對永磁體勵磁方向相反，則合成的單線圈反電勢波形形 狀在O。 90° 、90° 180° 、180° 270° 、270° 360°電角度區(qū)間內(nèi)完全一致，反電 勢波形諧波系數(shù)減小，從而提高反電勢正弦度，且合成的單線圈反電勢波形幅值為每部分 反電勢波形幅值的2倍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機及其提高反電勢正弦度的方法，屬于定子永磁式電機領(lǐng)域。本發(fā)明電機包括凸極定子、電樞繞組、凸極轉(zhuǎn)子，還包括電勵磁繞組，每兩個凸極定子之間的空隙依次嵌入永磁體，上述與永磁體相連的兩個凸極定子臂上纏繞電樞繞組，與電樞繞組垂直方向上在永磁體上纏繞電勵磁繞組，且相鄰永磁體上的勵磁方向相反，凸極轉(zhuǎn)子以空間機械角度α沿軸向分段。本發(fā)明所述方法，凸極定子A、凸極轉(zhuǎn)子A在電樞繞組中產(chǎn)生的反電勢和凸極定子B、凸極轉(zhuǎn)子B在電樞繞組中產(chǎn)生的反電勢相位相差180°電角度，相對應(yīng)的凸極定子齒中嵌入的永磁體勵磁方向相反，則合成的單線圈反電勢具有高正弦度及合成系數(shù)為1的高幅值。
文檔編號H02K1/14GK101699713SQ20091018502
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者王宇, 王曉琳, 鄧智泉 申請人:南京航空航天大學