專利名稱：一種模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電機(jī)制造的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是是一種電樞線圈匝鏈雙極性永磁磁鏈、具有較高永磁體利用率、采用模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著能源危機(jī)的不斷加劇，采用永磁勵磁取代電勵磁以節(jié)省能源消耗已成為全世界的共識，同時由于我國是世界上稀土資源最豐富的國家，開發(fā)研究和推廣應(yīng)用新型結(jié)構(gòu)的稀土永磁電機(jī)，具有重要的理論意義和實(shí)用價值。無論作發(fā)電還是電動運(yùn)行，具有高效率、大轉(zhuǎn)矩(功率)密度和低損耗等特點(diǎn)的新型永磁電機(jī)正呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢。過去十多年來研究熱點(diǎn)一直集中于以表面貼裝式、插入式和內(nèi)嵌式為代表的轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)。然而，將永磁體放置于轉(zhuǎn)子的電機(jī)類型在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中都會產(chǎn)生一系列問題，集中體現(xiàn)為以下五點(diǎn):1、對永磁體粘貼在轉(zhuǎn)子表面或插入轉(zhuǎn)子凸極之間的結(jié)構(gòu)，為了克服高速運(yùn)行所產(chǎn)生的離心力影響，通常需要制作輔助的永磁體固定裝置，增加了工藝；并且永磁體處于定子和轉(zhuǎn)子之間，加大了氣隙長度，既增加了電機(jī)體積，又減弱了氣隙磁密，限制出力；2、對永磁體埋入轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部的內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，會影響轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，并且需要輔助磁橋，同樣會增加制作工藝和成本；3、永磁體置于轉(zhuǎn)子，不利于該類型電機(jī)的冷卻，為了散熱往往需要進(jìn)行特別的風(fēng)路或其它冷卻方式設(shè)計(jì)；4、目前廣泛采用的磁鋼都是居里溫度較低的釹鐵硼，受溫升影響導(dǎo)致永磁電機(jī)存在一定的退磁甚至完全失磁風(fēng)險；5、若期望利用定子電樞繞組對磁鋼進(jìn)行充磁或者去磁，對于轉(zhuǎn)子永磁型的結(jié)構(gòu)，定子電樞繞組磁勢需要經(jīng)過氣隙磁阻，導(dǎo)致充磁成本增加甚至不可行。另一方面，在上個世紀(jì)90年代末，國際上陸續(xù)出現(xiàn)了三種新型結(jié)構(gòu)的定子永磁型電機(jī)，即磁通脈動永磁電機(jī)、磁通切換永磁電機(jī)和磁通反向永磁電機(jī),其結(jié)構(gòu)共性為將永磁體和電樞繞組都置于定子、定轉(zhuǎn)子鐵心都為雙凸極、電樞繞組都采用集中式線圈組成、轉(zhuǎn)子上既無永磁體也無繞組，僅由硅鋼片等導(dǎo)磁材料組成。但三種結(jié)構(gòu)的定子永磁型電機(jī)區(qū)別在于永磁體的排放位置，其中，磁通反向永磁電機(jī)將永磁體貼裝于定子齒面向轉(zhuǎn)子的表面，兩塊永磁體并排位于同一個定子齒表面下，磁化方向相反。其目的是為了獲得雙極性的永磁磁鏈，但該結(jié)構(gòu)直接導(dǎo)致兩塊磁鋼和定子齒形成短路，漏磁嚴(yán)重，降低了單位磁鋼的利用率。而傳統(tǒng)的定子表面貼裝式永磁電機(jī)的電樞磁鏈呈現(xiàn)單極性變化，永磁體利用率較低。本發(fā)明的目的就是針對該類型磁通反向永磁電機(jī)的缺點(diǎn)，提出了一種新型結(jié)構(gòu)的采用模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提出一種模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，該電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，電樞線圈匝鏈的空載永磁磁鏈呈雙極性變化，具有高度近似方波或者正弦波的空載感應(yīng)電勢，較高的永磁利用率，同時具備較強(qiáng)的抗去磁能力，適用于交流調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動元件。本發(fā)明的技術(shù)方案是:模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，包括:定子，轉(zhuǎn)子，永磁體，集中式電樞繞組和隔磁材料；其特征在于定子和轉(zhuǎn)子都為雙凸極結(jié)構(gòu)，在定子上設(shè)置有集中式電樞繞組和永磁體；凸極結(jié)構(gòu)的定子齒分為兩組，分別是貼有永磁體的定子齒即永磁齒和套有電樞繞組線圈的定子齒即電樞齒，且電樞齒和永磁齒交替分布成環(huán)狀；集中式電樞繞組的各線圈分別套在定子各電樞齒上，電樞繞組各線圈匝鏈的磁鏈呈雙極性變化；組成每一相電樞繞組的各線圈為串聯(lián)或串并聯(lián)連接，各徑向充磁的永磁體分別貼裝于一個定子永磁齒面向轉(zhuǎn)子的表面，且相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反；凸極結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子由若干U型導(dǎo)磁鐵心和隔磁機(jī)構(gòu)組成環(huán)形，且各U型導(dǎo)磁鐵心的下端分別嵌于隔磁環(huán)中；相鄰的U型導(dǎo)磁鐵心由導(dǎo)磁橋間隔并組裝。隔磁機(jī)構(gòu)在固定轉(zhuǎn)子U型導(dǎo)磁鐵心的同時，也可以減小風(fēng)阻。隔磁機(jī)構(gòu)可以是銅、鋁等非導(dǎo)磁材料。所述轉(zhuǎn)子U形導(dǎo)磁單元之間通過導(dǎo)磁橋(6)連接在一起,導(dǎo)磁橋(6)材料采用內(nèi)部磁場高度飽和，磁阻較大，可以有效的防止漏磁。永磁體可以是鐵氧體、釤鈷或者釹鐵硼等其他類型永磁材料。組成一相的電樞繞組線圈具有繞組互補(bǔ)性，即使組成一相的各電樞繞組線圈匝鏈的磁通的高次諧波可以相互削弱甚至抵消。本發(fā)明的有益效果:1、本發(fā)明的電機(jī)中，集中式電樞繞組和永磁體均位于定子側(cè)，有利于改善電機(jī)運(yùn)行時的冷卻條件，便于電機(jī)散熱；2、本發(fā)明的電機(jī)保留了傳統(tǒng)雙凸極電機(jī)的定轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)的特性，因此較容易得到接近方波或正弦波的每相繞組感應(yīng)電勢波形，控制方式較為靈活，適應(yīng)不同的交流調(diào)速與伺服驅(qū)動場合。3、在磁通反向雙凸極永磁電機(jī)中，每個定子齒下貼有兩塊充磁方向相反的永磁體，永磁體間漏磁較為嚴(yán)重，而本發(fā)明電機(jī)中每個定子永磁齒上只貼有一塊永磁體，顯著削弱了永磁體漏磁，提高了永磁體利用率。4、相比較于傳統(tǒng)的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，該發(fā)明電機(jī)中只有一半數(shù)目的定子齒下貼有永磁體，電樞繞組各線圈匝鏈的磁通為雙極性，在永磁體用量相同時，輸出轉(zhuǎn)矩要顯著高于傳統(tǒng)的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)。5、在本發(fā)明電機(jī)中，由于放置電樞繞組的定子齒和貼裝永磁體的定子齒交替分布，電樞繞組磁路和永磁體所在磁路非直接耦合，因此永磁體具有較高的抗去磁能力，提高了電機(jī)的運(yùn)行可靠性。6、由于本發(fā)明電機(jī)的電樞繞組采用了集中繞組方式，線圈端部較短，有利于提高電機(jī)效率和降低制造成本。由于電機(jī)自身結(jié)構(gòu)的特征，使得組成一相電樞繞組的各線圈具有繞組互補(bǔ)性，可以顯著降低合成磁鏈的諧波含量，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和降低轉(zhuǎn)矩脈動。7、相比較于傳統(tǒng)的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，由于本發(fā)明電機(jī)采用了模塊化轉(zhuǎn)子，使得在減小永磁體用量的同時，令電機(jī)電樞繞組各線圈的磁鏈呈現(xiàn)雙極性變化，提高了永磁體的利用率。本發(fā)明電機(jī)中電樞繞組磁鏈呈雙極性，組成一相繞組的線圈之間具有繞組互補(bǔ)性，可以得到近似方波或者正弦波的空載感應(yīng)電勢，適用于交流調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動元件。


圖1為本發(fā)明電機(jī)的橫向剖視圖，圖中有定子鐵心1、電樞繞組線圈2、轉(zhuǎn)子鐵心3、永磁體4和隔磁機(jī)構(gòu)5 ；圖2為本發(fā)明電機(jī)添加導(dǎo)磁橋的橫向剖視圖，圖中有定子鐵心1、電樞繞組線圈2、轉(zhuǎn)子鐵心3、永磁體4、隔磁機(jī)構(gòu)5和導(dǎo)磁橋6 ；圖3為本發(fā)明電機(jī)工作原理圖；圖3a和圖3b對應(yīng)轉(zhuǎn)子二個位置；隨著轉(zhuǎn)子位置的不同，電樞線圈中會匝鏈交變的磁鏈，因此隨著轉(zhuǎn)子位置不同，電樞線圈中將產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動勢；圖4為本發(fā)明電機(jī)三相電樞繞組空載永磁磁鏈圖；圖5為本發(fā)明電機(jī)三相電樞繞組空載感應(yīng)電勢圖；圖6為本發(fā)明電機(jī)電樞繞組互補(bǔ)性說明圖。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明。本發(fā)明公開了一種模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，包括定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、集中式電樞線圈、永磁體和隔磁機(jī)構(gòu)，如圖1所示。本發(fā)明的模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子兩個部分，根據(jù)不同的應(yīng)用場合可以采取內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子兩種形式，所述定子和轉(zhuǎn)子都為凸極結(jié)構(gòu)，定子槽數(shù)Ns和轉(zhuǎn)子凸極極數(shù)已有多種配合，電機(jī)相數(shù)m可以為單相、兩相、三相或多相；在定子上設(shè)置有集中電樞繞組和永磁鐵，所述定子齒分為兩組，分別是貼有永磁體的定子齒(稱為永磁齒)和套有電樞線圈的定子齒(稱為電樞齒)，且電樞齒和永磁齒交替分布構(gòu)成環(huán)狀。所述集中電樞繞組的各線圈分別套在一個定子電樞齒上，即繞在電樞齒兩側(cè)的齒槽內(nèi)；其中，任何一相集中繞組由(Ns/2m)個線圈組成，屬于同相的(Ns/2m)個繞組線圈可以根據(jù)需要串聯(lián)或串并聯(lián)連接，例如三相共24個電樞齒和永磁齒時，電樞齒和永磁齒各有12個，12個電樞齒上各套有一個電樞線圈，因此共有12個電樞線圈。由處在空間相互垂直位置的一組4個電樞線圈串聯(lián)成一相電樞繞組，即此組四個線圈在空間上呈第一個“十”字形，12個電樞線圈的另外二組各4個電樞線圈串聯(lián)成一相電樞繞組亦在空間上呈分別第二、三個十”字形與第一個“十”字形形成30°和60°，按照此方法分別連接成三相對稱電樞繞組)。所述永磁體均為徑向充磁，各永磁體分別貼裝于一個定子永磁齒面向轉(zhuǎn)子的表面，且相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反；所述永磁體的材料可以是鐵氧體或釹鐵硼等其他永磁材料。所述轉(zhuǎn)子由U型導(dǎo)磁鐵心和隔磁機(jī)構(gòu)組成，且各U型導(dǎo)磁鐵心分別嵌于隔磁機(jī)構(gòu)(環(huán)狀，均勻開槽)中，轉(zhuǎn)子部分既無永磁鐵也無繞組。所述的轉(zhuǎn)子U形導(dǎo)磁鐵心之間可以通過導(dǎo)磁橋連接在一起，使得電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心成為一個整體，如圖2所示。所述導(dǎo)磁橋和轉(zhuǎn)子U型導(dǎo)磁鐵心材料相同，均是硅鋼片等導(dǎo)磁材料，但由于導(dǎo)磁橋內(nèi)部磁場高度飽和，使得導(dǎo)磁橋的磁導(dǎo)率接近空氣，可以顯著削弱漏磁，令導(dǎo)磁橋無導(dǎo)磁效果，只起到將轉(zhuǎn)子U型導(dǎo)磁鐵心連接為一體的作用。圖3A和3B為本發(fā)明電機(jī)的工作原理圖，由圖3A和3B可見，對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)子位置，隨著轉(zhuǎn)子位置的不同，電樞線圈中會匝鏈交變的雙極性磁鏈，因此隨著轉(zhuǎn)子位置不同，電樞線圈中將產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動勢。充磁方向4 - 1、電樞磁鏈7。圖4和圖5所示分別是電樞繞組三相永磁磁鏈和空載感應(yīng)電勢波形(如圖1中所示，由線圈201和線圈204串聯(lián)成為A相電樞繞組；由線圈202、線圈205串聯(lián)成為B相電樞繞組；由線圈203和線圈206串聯(lián)成為C相電樞繞組)。圖6所示為本發(fā)明電機(jī)繞組互補(bǔ)性說明圖。如圖所示，組成A相電樞繞組的線圈201和線圈204各自均含有大量的高次諧波，而由線圈201和線圈204合成的A相電樞繞組磁鏈中諧波含量顯著降低，可見本發(fā)明電機(jī)中組成一相的電樞線圈之間具有繞組互補(bǔ)性。需要說明的是，本發(fā)明電機(jī)中，每個定子永磁齒下只貼有一塊永磁體，且電樞磁鏈呈雙極性變化，使得永磁體利用率要顯著高于磁通反向雙凸極永磁電機(jī)和傳統(tǒng)的定子表面貼裝式永磁電機(jī)。電樞感應(yīng)電勢可以是正弦波或方波。轉(zhuǎn)子U型導(dǎo)磁鐵心3和隔磁機(jī)構(gòu)可以位于定子的外部，變成外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。所述定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心和導(dǎo)磁橋的材料均為硅鋼片或其他導(dǎo)磁材料。所述隔磁機(jī)構(gòu)(6)的材料是銅等其他不導(dǎo)磁材料。所述電機(jī)可作為發(fā)電機(jī)或電動機(jī)運(yùn)行。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，包括定子，轉(zhuǎn)子，永磁體，集中式電樞繞組和隔磁材料；其特征在于定子和轉(zhuǎn)子都為雙凸極結(jié)構(gòu)，在定子上設(shè)置有集中式電樞繞組和永磁體；凸極結(jié)構(gòu)的定子分為兩組，分別是貼有永磁體的定子齒即永磁齒和套有電樞繞組線圈的定子齒即電樞齒，且電樞齒和永磁齒交替分布成環(huán)狀；集中式電樞繞組的各線圈分別套在定子各電樞齒上，電樞繞組各線圈匝鏈的磁鏈呈雙極性變化；組成每一相電樞繞組的各線圈為串聯(lián)或串并聯(lián)連接，各徑向充磁的永磁體分別貼裝于一個定子永磁齒面向轉(zhuǎn)子的表面，且相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反；凸極結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子由若干U型導(dǎo)磁鐵心和隔磁機(jī)構(gòu)組成環(huán)形，且各U型導(dǎo)磁鐵心的下端分別嵌于隔磁環(huán)中；相鄰的U型導(dǎo)磁鐵心由導(dǎo)磁橋間隔并組裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，導(dǎo)磁橋(6)和轉(zhuǎn)子U型導(dǎo)磁鐵心材料相同，均是硅鋼片等導(dǎo)磁材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，所述集中電樞線圈(2)的每個線圈分別套在一個定子電樞齒上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，組成一相的電樞繞組線圈之間具有繞組互補(bǔ)性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，根據(jù)特定的定轉(zhuǎn)子齒槽配合，所述的各個集中式電樞繞組(2)的各線圈連接成單相或多相電樞繞組；所述集中電樞(2)也可以采用分布繞組的形式，電樞感應(yīng)電勢可以是正弦波或方波。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，所述各永磁鐵(4 )均為徑向充磁，且相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反；所述永磁體(4 )是鐵氧體或者釹鐵硼等其他類型的永磁材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子鐵心(3 )通過導(dǎo)磁橋(6 )連接成為一個整體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，轉(zhuǎn)子U型導(dǎo)磁鐵心(3)和隔磁機(jī)構(gòu)(5)可以位于定子(I)的外部，變成外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1一 8之一所述的模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，所述定子鐵心(I)、轉(zhuǎn)子鐵心(3)和導(dǎo)磁橋(6)的材料均為硅鋼片或其他導(dǎo)磁材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1一 8之一所述的模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，其特征在于，所述隔磁機(jī)構(gòu)(6)的材料是銅等其他不導(dǎo)磁材料。
全文摘要
一種模塊化轉(zhuǎn)子的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機(jī)，包括定子，轉(zhuǎn)子，永磁體，集中式電樞繞組和隔磁材料；定子和轉(zhuǎn)子都為雙凸極結(jié)構(gòu)，在定子上設(shè)置有集中式電樞繞組和永磁體；凸極結(jié)構(gòu)的定子分為兩組，分別是貼有永磁體的定子齒即永磁齒和套有電樞繞組線圈的定子齒即電樞齒，且電樞齒和永磁齒交替分布成環(huán)狀；集中式電樞繞組的各線圈分別套在定子各電樞齒上，電樞繞組各線圈匝鏈的磁鏈呈雙極性變化；組成每一相電樞繞組的各線圈為串聯(lián)或串并聯(lián)連接，各徑向充磁的永磁體分別貼裝于一個定子永磁齒面向轉(zhuǎn)子的表面，且相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反；凸極結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子由若干U型導(dǎo)磁鐵心和隔磁機(jī)構(gòu)組成環(huán)形；相鄰的U型導(dǎo)磁鐵心由導(dǎo)磁橋間隔并組裝。
文檔編號H02K21/04GK103178672SQ201310119939
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月8日
發(fā)明者花為, 張淦, 程明 申請人:東南大學(xué)