專(zhuān)利名稱：一種轉(zhuǎn)子永磁型雙凸極電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電機(jī)，具體來(lái)說(shuō)，涉及的是一種轉(zhuǎn)子永磁型雙凸極電機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著能源危機(jī)的不斷加劇，采用永磁勵(lì)磁取代電勵(lì)磁以節(jié)省能源消耗已成為全世界的共識(shí)，開(kāi)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(jià)值。特別是目前廣泛研究的新能源電動(dòng)汽車(chē)，要求其中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積小、重量輕、效率高、出力大、可靠性高，使得永磁電機(jī)展現(xiàn)出更為廣闊的應(yīng)用前景。定子永磁型雙凸極無(wú)刷電機(jī)(stator-PMdoubly-salient brushless motor)作為一類(lèi)典型的永磁無(wú)刷電機(jī)，是伴隨著功率電子學(xué)、微電子學(xué)、控制理論等的發(fā)展在90年代末出現(xiàn)的一種新型交流調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)，其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將永磁體置于定子，轉(zhuǎn)子鐵心只是由導(dǎo)磁材料制成，轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體也無(wú)電樞繞組，不需要電刷，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、轉(zhuǎn)矩出力大、功率密度高、適合高速運(yùn)行、控制靈活等性能優(yōu)點(diǎn)。
然而，近些年的研究發(fā)現(xiàn)定子永磁型雙凸極無(wú)刷電機(jī)也存在一些明顯的缺點(diǎn)，具體包括:
(O由于將永磁體置于定子，導(dǎo)致定子側(cè)的永磁體漏磁現(xiàn)象嚴(yán)重，降低了永磁體的利用率。此外，除了磁通切換式結(jié)構(gòu)以外，其他兩種結(jié)構(gòu)的定子永磁型電機(jī)氣隙磁場(chǎng)密度較低、轉(zhuǎn)矩密度和功率密度偏小；
(2)對(duì)于定子永磁型雙凸極無(wú)刷電機(jī)而言，由于永磁體和電樞繞組均位于空間有限的定子側(cè)，即使將永磁體替換成電勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁機(jī)構(gòu)必將和電樞繞組存在定子空間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，減小了電樞繞組的槽面積，并易導(dǎo)致定子鐵心的深度飽和，從而進(jìn)一步限制電機(jī)的功率密度；
(3)另一方面，在定子永磁型雙凸極無(wú)刷電機(jī)中，轉(zhuǎn)子部分不含有任何勵(lì)磁機(jī)構(gòu)及電樞繞組，僅由導(dǎo)磁沖片壓制成凸極實(shí)心轉(zhuǎn)子，使得轉(zhuǎn)子空間的利用率較低，進(jìn)一步削弱了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種轉(zhuǎn)子永磁型雙凸極電機(jī)，該電機(jī)具有雙極性的電樞永磁磁鏈和高度正弦的每相空載感應(yīng)電勢(shì)，同時(shí)具有較高的空間利用率和永磁體利用率，以及高轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種轉(zhuǎn)子永磁型雙凸極電機(jī)，該電機(jī)包括定子鐵心、電樞線圈、轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體；定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心均為凸極結(jié)構(gòu)，定子鐵心上設(shè)有定子齒，電樞線圈中的每個(gè)線圈橫跨在一個(gè)定子齒上；轉(zhuǎn)子鐵心包括U形導(dǎo)磁單元和呈環(huán)形的導(dǎo)磁橋，U形導(dǎo)磁單元固定在導(dǎo)磁橋上，U形導(dǎo)磁單元與定子齒相對(duì)，永磁體的數(shù)量和U形導(dǎo)磁單元的數(shù)量相等，永磁體嵌于相鄰的兩個(gè)U型導(dǎo)磁單元之間；永磁體均為切向充磁，且充磁方向一致。
進(jìn)一步:所述的電樞線圈采用集中式電樞線圈，各個(gè)集中式電樞線圈連接成單相或多相電樞繞組。進(jìn)一步:所述電樞線圈采用分布繞組的形式，各個(gè)電樞線圈連接成單相或多相電樞繞組。
有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明的技術(shù)方案的有益效果是:
(I)提高空間利用率，具有較高的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。本發(fā)明的電機(jī)改變了原有的電機(jī)結(jié)構(gòu)，將電樞繞組線圈置于電機(jī)的定子側(cè)，并將永磁體4置于電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)，從而避免了電樞繞組線圈與永磁體共同占用定子空間的問(wèn)題，增加了電樞繞組線圈的槽面積，同時(shí)減弱了定子鐵心的飽和程度，提高了電機(jī)整體的空間利用率，使得本發(fā)明電機(jī)具有較高的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。(2)有效提高了轉(zhuǎn)子空間的利用率。與傳統(tǒng)表貼式轉(zhuǎn)子永磁型無(wú)刷電機(jī)采用徑向充磁的永磁體相比，本發(fā)明電機(jī)中的永磁采用切向充磁，且充磁方向一致，在轉(zhuǎn)子上可以放置多塊永磁體，有效提高了轉(zhuǎn)子空間的利用率。同時(shí)，由于永磁體置于轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，無(wú)需對(duì)永磁體采取特殊防護(hù)措施，適合于高速運(yùn)行。(3)永磁體利用率高。本發(fā)明中永磁體采用切向充磁，并配合U形導(dǎo)磁單元，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)電周期時(shí)，匝鏈到電機(jī)電樞線圈中的永磁磁鏈為雙極性，提高了永磁體利用率。本發(fā)明電機(jī)僅通過(guò)對(duì)定子齒寬尺寸大小進(jìn)行調(diào)整便可以令每個(gè)電樞線圈都具有高度正弦的磁鏈和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，于是合成的每相磁鏈和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也高度正弦，無(wú)需線圈間的互補(bǔ)效應(yīng)。(4)本發(fā)明電機(jī)的定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心均為凸極結(jié)構(gòu)，對(duì)電樞繞組通入對(duì)稱交流電后，電機(jī)在輸出永磁磁鏈和電樞磁鏈相互作用所產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，得以輸出由于凸極效應(yīng)所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高了轉(zhuǎn)矩密度。(5)本發(fā)明電機(jī)的電樞反應(yīng)磁鏈需要在磁路上穿過(guò)磁阻相對(duì)很大的永磁體和氣隙區(qū)域，以及磁場(chǎng)高度飽和的導(dǎo)磁橋區(qū)域，使得電樞繞組各相自感和相間互感都較小，有利于提高電機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)和實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行。(6)本發(fā)明電機(jī)保留了集中式電樞繞組線圈，減小電樞線圈端部長(zhǎng)度，有效降低了用銅量和每相電阻，并且減小了電機(jī)整體的軸向長(zhǎng)度，降低了電機(jī)材料成本，提高了運(yùn)行效
率與功率密度。(7)該發(fā)明電機(jī)亦可根據(jù)需要，通過(guò)在相鄰的U形導(dǎo)磁單元之間添加導(dǎo)磁橋?qū)⑥D(zhuǎn)子部分制造成一塊整體，以提聞電機(jī)聞速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，并減小了轉(zhuǎn)子鐵心沖片加工的難度。由于導(dǎo)磁橋處磁場(chǎng)高度飽和，有利于削弱永磁體的漏磁，提高永磁體的利用率。
圖1為本發(fā)明的剖視圖。圖2為本發(fā)明的電機(jī)運(yùn)行到位置A時(shí)的工作原理圖。圖3為本發(fā)明的電機(jī)運(yùn)行到位置B時(shí)的工作原理圖。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(shì)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、導(dǎo)磁橋5、第一線圈201、第二線圈202、第三線圈203、第四線圈204、第五線圈205、第六線圈206、第七線圈207、第八線圈208、第九線圈209、第十線圈210、第i^一線圈211、第十二線圈212。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。本發(fā)明的一種轉(zhuǎn)子永磁型雙凸極電機(jī)，包括定子鐵心1、電樞線圈2、轉(zhuǎn)子鐵心3和永磁體4。整個(gè)電機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子。定子包括定子鐵心I和電樞線圈2。轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心3和永磁體4。定子鐵心I和轉(zhuǎn)子鐵心3均采用凸極結(jié)構(gòu)。定子鐵心I上設(shè)有定子齒。電樞線圈2中的每個(gè)線圈橫跨在一個(gè)定子齒上。電樞線圈2可采用集中式電樞線圈，各個(gè)集中式電樞線圈連接成單相或多相電樞繞組；電樞線圈2也可采用分布繞組的形式，各個(gè)電樞線圈連接成單相或多相電樞繞組。本發(fā)明優(yōu)選采用集中式電樞線圈。轉(zhuǎn)子鐵心3包括U形導(dǎo)磁單元和呈環(huán)形的導(dǎo)磁橋5，U形導(dǎo)磁單元固定在導(dǎo)磁橋5上。U形導(dǎo)磁單元與定子齒相對(duì)，永磁體4的數(shù)量和U形導(dǎo)磁單元的數(shù)量相等。作為優(yōu)選，定子齒數(shù)及和轉(zhuǎn)子齒數(shù)A的關(guān)系滿足Ws=Z7r±2。永磁體4嵌于相鄰的兩個(gè)U型導(dǎo)磁單元之間。永磁體4固定連接在相鄰的兩個(gè)U型導(dǎo)磁單元的壁面上。永磁體4均為切向充磁，且充磁方向一致。各永磁體4均為逆時(shí)針充磁或均為順時(shí)針充磁。進(jìn)一步:所述的定子鐵心1、轉(zhuǎn)子鐵心3和導(dǎo)磁橋5均為導(dǎo)磁材料制成。作為優(yōu)選，所述的導(dǎo)磁材料為 硅鋼片。硅鋼片的導(dǎo)磁性能佳。所述的永磁體4為永磁材料制成。作為優(yōu)選，該永磁材料為釹鐵硼。本發(fā)明的電機(jī)，由于定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心均為凸極結(jié)構(gòu)，對(duì)電樞繞組通入對(duì)稱交流電后，電機(jī)在輸出永磁磁鏈和電樞磁鏈相互作用所產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，得以輸出由于凸極效應(yīng)所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高了轉(zhuǎn)矩密度。將電樞繞組線圈2置于電機(jī)的定子側(cè)，并將永磁體4置于電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)，有效緩解了定子側(cè)空間緊張的矛盾，增加了電樞繞組的槽面積，提高了空間利用率。由于永磁體4采用切向充磁，且充磁方向一致，使得電機(jī)在采用集中式電樞繞組和轉(zhuǎn)子不斜槽的條件下，就可獲得高度正弦的每相電樞永磁磁鏈和空載感應(yīng)電勢(shì)，同時(shí)保證了電機(jī)具有較高的永磁體利用率。從磁路的角度講，由于導(dǎo)磁橋5緊貼永磁體4，為永磁體4的漏磁磁通提供磁路，永磁體4的磁勢(shì)直接加載在導(dǎo)磁橋5兩端，而由于導(dǎo)磁橋5的厚度很小，因此磁導(dǎo)較小，而承受一塊永磁體4提供的磁勢(shì)，所以導(dǎo)磁橋5內(nèi)部磁場(chǎng)高度飽和，磁導(dǎo)率也會(huì)降低至接近空氣。由于導(dǎo)磁橋5內(nèi)磁場(chǎng)高度飽和，磁阻較大，導(dǎo)磁橋5的磁導(dǎo)率接近空氣，所以導(dǎo)磁橋5可以顯著削弱永磁體4的漏磁，有效防止端部漏磁。下面例舉一具體實(shí)施例。如圖1所示，該電機(jī)采用本發(fā)明的技術(shù)方案，且該電機(jī)中包含12個(gè)定子齒，12個(gè)電樞線圈，8個(gè)U形導(dǎo)磁單元和8個(gè)永磁體4。12個(gè)電樞線圈沿著定子周向依次順序橫跨在一個(gè)定子齒上，分別為第一線圈201、第二線圈202、第三線圈203、第四線圈204、第五線圈205、第六線圈206、第七線圈207、第八線圈208、第九線圈209、第十線圈210、第i^一線圈211和第十二線圈212。將第一線圈201、第四線圈204、第七線圈207和第十線圈210依次串聯(lián)成為A相電樞繞組；將第二線圈202、第五線圈205、第八線圈208和第i^一線圈211依次串聯(lián)成為B相電樞繞組；將第三線圈203、第六線圈206、第九線圈209和第十二線圈212依次串聯(lián)成為C相電樞繞組。如圖2和圖3所示，本發(fā)明電機(jī)的工作原理是:隨著轉(zhuǎn)子位置的不同，電樞繞組線圈2中會(huì)匝鏈交變的磁鏈。因此，隨著轉(zhuǎn)子位置不同，電樞繞組線圈2中將產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)轉(zhuǎn)子位于如圖2所示的位置A時(shí)(即永磁體4與一個(gè)定子齒左邊的定子槽相對(duì))，永磁磁鏈順時(shí)針通過(guò)圖中所示的電樞繞組線圈2 (如圖2中所示的永磁磁鏈箭頭所指方向)，定義此時(shí)的電樞繞組線圈2匝鏈的永磁磁鏈為正向最大值。而當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)到圖3所示的位置B時(shí)(即該永磁體4與該定子齒右邊的定子槽相對(duì))，永磁磁鏈逆時(shí)針通過(guò)電樞繞組線圈2，此時(shí)電樞繞組線圈2匝鏈的永磁磁鏈為負(fù)向最大值。因此隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電樞繞組線圈2匝鏈的磁鏈將呈現(xiàn)正向最大值一負(fù)向最大值一正向最大值的周期性變化。于是將在電樞繞組線圈2中感應(yīng)出交變的電動(dòng)勢(shì)。對(duì)上述實(shí)施例的電機(jī)，分別進(jìn)行電樞繞組三相永磁磁鏈和空載感應(yīng)電勢(shì)波形的電磁性能仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4和圖5所示。從圖4和圖5可見(jiàn)，三相永磁磁鏈和感應(yīng)電勢(shì)波形均高度正弦。這將有利于提高電源利用率，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，非常適合交流調(diào)速和伺服驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。另外，當(dāng)保持電機(jī)體積和永磁體用量相同時(shí)，本發(fā)明電機(jī)的電勢(shì)線圈單匝感應(yīng)電勢(shì)幅值要明顯高于傳統(tǒng)的定子永磁型雙凸極電機(jī)。同時(shí)由于本發(fā)明電機(jī)中將永磁體4置于轉(zhuǎn)子側(cè)，使得定子側(cè)具有更大的空間來(lái)放置電勢(shì)繞組，因此本發(fā)明電機(jī)具有更高的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。同時(shí)，由于電樞反應(yīng)磁鏈在磁路上需穿過(guò)磁阻較大的氣隙和永磁體4,以及磁場(chǎng)高度飽和的導(dǎo)磁橋5區(qū)域，所以使得電樞相間互感較小，有利于實(shí)現(xiàn)電樞繞組的相間隔離和電機(jī)的容錯(cuò)帶故障運(yùn)行，同時(shí)也使得相間磁路磁阻較大，電樞繞組線圈相間互感較小，有利于提高電機(jī)的功率因數(shù)和實(shí)現(xiàn)電機(jī)的容錯(cuò)運(yùn)行。需要說(shuō)明的是，相對(duì)于傳統(tǒng)的定子永磁型雙凸極電機(jī)，本發(fā)明電機(jī)具有較高的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度，即在電機(jī)體積和永磁體用 量相同時(shí)，加載相同的電樞電流密度，本發(fā)明電機(jī)可以輸出更大的電磁轉(zhuǎn)矩，于是具有較高的永磁體利用率。由于本發(fā)明電機(jī)的永磁體4利用率較高，導(dǎo)致電樞繞組線圈2空載感應(yīng)電勢(shì)的幅值較高。在電樞槽滿率和電樞導(dǎo)線內(nèi)電流密度相同的條件下，本發(fā)明電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度要遠(yuǎn)高于已有的定子永磁型雙凸極無(wú)刷電機(jī)，同時(shí)也高于一般的傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)，使得本發(fā)明電機(jī)在需要體積小、出力大的場(chǎng)合具有顯著優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明的電機(jī)可作為發(fā)電機(jī)或者電動(dòng)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(shū)中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種轉(zhuǎn)子永磁型雙凸極電機(jī)，其特征在于:該電機(jī)包括定子鐵心(I)、電樞線圈(2)、轉(zhuǎn)子鐵心(3)和永磁體(4);定子鐵心(I)和轉(zhuǎn)子鐵心(3)均為凸極結(jié)構(gòu)，定子鐵心(I)上設(shè)有定子齒，電樞線圈(2)中的每個(gè)線圈橫跨在一個(gè)定子齒上；轉(zhuǎn)子鐵心(3)包括U形導(dǎo)磁單元和呈環(huán)形的導(dǎo)磁橋(5)，U形導(dǎo)磁單元固定在導(dǎo)磁橋(5)上，U形導(dǎo)磁單元與定子齒相對(duì)，永磁體(4)的數(shù)量和U形導(dǎo)磁單元的數(shù)量相等，永磁體(4)嵌于相鄰的兩個(gè)U型導(dǎo)磁單元之間；永磁體(4 )均為切向充磁，且充磁方向一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子永磁型雙凸極電機(jī)，其特征在于:所述的電樞線圈(2)采用集中式電樞線圈，各個(gè)集中式電樞線圈連接成單相或多相電樞繞組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子永磁型雙凸極電機(jī)，其特征在于:所述電樞線圈(2)采用分布繞組的形式，各個(gè)電樞線圈連接成單相或多相電樞繞組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子永磁型雙凸極電機(jī)，其特征在于:所述的定子鐵心(I)、轉(zhuǎn)子鐵心(3)和導(dǎo)磁橋(5)均為導(dǎo)磁材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)子永磁型雙凸極電機(jī)，其特征在于:所述的導(dǎo)磁材料為硅鋼片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1一 5中任何一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子永磁型雙凸極電機(jī)，其特征在于，所述的永磁體(4 )為永磁材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)子永磁型雙凸極電機(jī)，其特征在于:所述的永磁材料為釹鐵硼。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種轉(zhuǎn)子永磁型雙凸極電機(jī)，該電機(jī)包括定子鐵心、電樞線圈、轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體；定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心均為凸極結(jié)構(gòu)，定子鐵心上設(shè)有定子齒，電樞線圈中的每個(gè)線圈橫跨在一個(gè)定子齒上；轉(zhuǎn)子鐵心包括U形導(dǎo)磁單元和呈環(huán)形的導(dǎo)磁橋，U形導(dǎo)磁單元固定在導(dǎo)磁橋上，U形導(dǎo)磁單元與定子齒相對(duì)，永磁體的數(shù)量和U形導(dǎo)磁單元的數(shù)量相等，永磁體嵌于相鄰的兩個(gè)U型導(dǎo)磁單元之間；永磁體均為切向充磁，且充磁方向一致。該電機(jī)具有雙極性的電樞永磁磁鏈和高度正弦的每相空載感應(yīng)電勢(shì)，同時(shí)具有較高的空間利用率和永磁體利用率，以及高轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。
文檔編號(hào)H02K21/14GK103219849SQ20131016091
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月6日
發(fā)明者花為, 張淦, 程明 申請(qǐng)人:東南大學(xué)