專利名稱：一種新型永磁無刷直流四象限電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所屬的技術(shù)領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)電一體化工程，提供一種新型永磁無刷大功率直流四象限電機(jī)。
背景技術(shù)：
直流電機(jī)以其優(yōu)良的特性而得到廣泛的應(yīng)用。但是直流電機(jī)由于需要機(jī)械式換向器，可靠性差，需要經(jīng)常維護(hù)。而且換向時(shí)產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，因而影響了其進(jìn)一步的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，以電子換向取代機(jī)械式換向的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用而生。與其它電動(dòng)機(jī)相比，無刷直流電動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)是以轉(zhuǎn)子位置信號控制的開關(guān)變換器替代了有刷直流電機(jī)中的機(jī)械換向裝置，使其既有直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的調(diào)速和控制特性，又有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)筒單，運(yùn)行可靠。維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。常規(guī)轉(zhuǎn)子永磁體采用瓦片形體，如

圖1所示，需用線切割加工費(fèi)用昂貴，且磁場波形為梯形。其定子結(jié)構(gòu)任何一相線圈都跨三個(gè)槽，相間端部相互交叉，如圖2所示。永磁無刷電動(dòng)機(jī)由于采用永磁鋼而不需要?jiǎng)?lì)磁繞組，可以縮小電機(jī)體積，減小損耗，提高電機(jī)效率。所以目前無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域并日趨廣泛，特別是在電動(dòng)汽車、家用電器、航天航空等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用。尤其是在節(jié)能已經(jīng)成為時(shí)代主題的今天，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的高效率的特點(diǎn)更顯示其巨大應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種永磁無刷直流四象限電機(jī)。本發(fā)明采用3∶2齒極比的雙邊凸極結(jié)構(gòu)。定子結(jié)構(gòu)中每對極下各相僅一個(gè)槽，每一個(gè)線圈的兩條線圈邊分別在相鄰槽中，各繞組端部互不交錯(cuò)，用銅只有常規(guī)永磁電機(jī)的1/4。本發(fā)明轉(zhuǎn)子采用矩形磁鋼，不需要線切割，在磁鋼上安放鋼制極靴，磁場波形為正弦波，為制造交流伺服電機(jī)創(chuàng)造條件。也可單獨(dú)作為交流正弦波無刷發(fā)電機(jī)使用本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種新型永磁無刷直流四象限電機(jī)，包括具有四象限變換的電機(jī)本體和全數(shù)字化控制器，電機(jī)本體的定子和轉(zhuǎn)子磁極均采用3∶2齒極比，雙邊凸極的幾何結(jié)構(gòu)。定子用硅鋼片沖制而成，在定子相對稱的兩個(gè)凸極上安裝有集中勵(lì)磁繞組，其相互串聯(lián)，構(gòu)成一相；所述的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、軟磁鐵芯、永磁體、磁靴(導(dǎo)護(hù)磁塊)和隔磁套環(huán)組成圓柱體；轉(zhuǎn)子具有多個(gè)凸磁極，采用高性能稀土永磁(釹鐵硼)材料制成。磁路結(jié)構(gòu)為徑向式，隔磁套環(huán)將磁靴、永磁體、鐵芯和轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)部件緊緊地固定在相應(yīng)的位置，構(gòu)成圓柱形轉(zhuǎn)子。
該電機(jī)的磁通量集中于磁極區(qū)，定子通過電流勵(lì)磁，各組磁路的磁阻是隨轉(zhuǎn)子位置的不同而變化。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)是依靠定子交變旋轉(zhuǎn)磁場運(yùn)轉(zhuǎn)。由于定子磁場軸可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，這正是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電流轉(zhuǎn)矩特性。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比繞組平均電流Tm＝Ktiav(n。M)。電動(dòng)機(jī)兩相繞組反電勢的差正比于電動(dòng)機(jī)的角速度ELL＝kew(V)，所以電動(dòng)機(jī)繞組中平均電流為Iav＝(Vm-ELL)/2Ra(A)。定子鐵芯采用冷軋取向硅鋼片0.27mm沖制，其換極渦流小，槽面積利用率高，繞組端部短，用銅省，合適的磁靴起到導(dǎo)磁、護(hù)磁的作用。負(fù)載時(shí)交軸電樞反應(yīng)影響較小，轉(zhuǎn)子磁極永磁體為凸極，磁通集中于磁靴的頂端，相鄰的兩磁極由空氣隔離一定的距離，所以漏磁系數(shù)小，電與磁之間轉(zhuǎn)換效率高，電機(jī)效率大于95％，功率因素高于0.95。
本發(fā)明所提供新型永磁直流四象限電機(jī)具有如下特點(diǎn)一、3∶2齒極比的雙邊凸極結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)軸、鐵芯、幾對凸極充磁永磁體、磁靴、無磁性套環(huán)構(gòu)成圓柱體形轉(zhuǎn)子。其兩磁極間由于空氣隔離一定的距離所以漏磁系數(shù)小，磁靴作用使磁通成正弦狀態(tài)，起到護(hù)磁作用。
二、定子鐵芯采用冷軋取向硅鋼片沖制，每對極下每相僅有一個(gè)集中線圈，跨繞一個(gè)齒，各個(gè)線圈端部相互不交疊，結(jié)構(gòu)工藝簡單，工作可靠、維修方便。
三、這種結(jié)構(gòu)電機(jī)體積小、功率大、槽面積利用率高，由于線圈端部短，因此用線省，可以節(jié)省大量戰(zhàn)備物資銅，銅耗小，效率提高。
四、基于電控制專用(DSP)數(shù)字信號外理的智能型自過應(yīng)控制方法，具有在線參數(shù)辮識能力，在線故障自檢測能力，采用寬溫度范圍設(shè)計(jì)，應(yīng)用”三防”工藝，系統(tǒng)性好，可靠性高。
五、該電機(jī)系統(tǒng)具有四象限轉(zhuǎn)換運(yùn)行能力，利用慣量可再生能源向儲能單元充電，或向用電單元發(fā)電。
六、為交流伺服電動(dòng)機(jī)創(chuàng)造條件。
圖1是常規(guī)永磁電機(jī)磁瓦及磁通密度分布示意圖。
圖2是常規(guī)永磁電機(jī)繞組相間端部交叉分布示意圖。
圖3是本新型永磁無刷直流四象限電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本新型永磁無刷直流四象限電機(jī)矩形磁鋼與極靴及正弦波磁場分布示意圖。
圖5是本新型永磁無刷直流四象限電機(jī)創(chuàng)新繞組示意圖。
圖6是本新型永磁無刷直流四象限電機(jī)采用的雙三相12/8極繞組結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本新型永磁無刷直流四象限電機(jī)發(fā)電正弦波形圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步說明。
如圖3所示，該電機(jī)本體的定子和轉(zhuǎn)子磁極均采用3∶2齒極比，雙邊凸極的幾何結(jié)構(gòu)。定子2用硅鋼片沖制而成，在定子相對稱的兩個(gè)凸極上安裝有集中勵(lì)磁繞組1，其相互串聯(lián)，構(gòu)成一相；所述的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸6、轉(zhuǎn)子鐵芯4、矩形磁鋼5、磁靴3(導(dǎo)護(hù)磁塊)和隔磁套環(huán)7組成圓柱體；轉(zhuǎn)子具有多個(gè)凸磁極，采用高性能稀土永磁(釹鐵硼)材料制成。磁路結(jié)構(gòu)為徑向式，隔磁套環(huán)將磁靴、永磁體、鐵芯和轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)部件緊緊地固定在相應(yīng)的位置，構(gòu)成圓柱形轉(zhuǎn)子。本發(fā)明轉(zhuǎn)子采用矩形磁鋼，不需要線切割，在磁鋼上安放鋼制極靴，磁場波形為正弦波，如圖4所示。定子鐵芯采用冷軋取向硅鋼片沖制，每對極下每相儀有一個(gè)集中線圈，跨繞一個(gè)齒，各個(gè)線圈端部相互不交疊，參見圖5。
該電機(jī)定子繞組采用集中整矩單繞結(jié)構(gòu)，采用Y型聯(lián)結(jié)方法，構(gòu)成雙三相永磁無刷直流四象限電機(jī)，如圖6所示。這種繞組結(jié)構(gòu)實(shí)際上是兩臺并聯(lián)的三相12/8極無刷直流電機(jī)，定子槽數(shù)為沿圓勻布的12個(gè)槽，勻布12個(gè)集中繞組構(gòu)成雙三相，轉(zhuǎn)子磁極為8極。
其工作原理是電流通過電子控制器的IGBT模塊給定子上的電樞各相繞組不斷地?fù)Q相通電，以使得定子磁場隨著轉(zhuǎn)子的位置在不斷地變化，使定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場在空間位置始終保持60度電角度，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
無刷直流電動(dòng)機(jī)由同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。同步電動(dòng)機(jī)的繞組多做成三相對稱星形接法，而轉(zhuǎn)子上有已充磁的永磁體。為了檢測電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器，驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成。其功能是接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速，提供保護(hù)和顯示等?？刂破髦麟娐窞榻?直-交或直-交電路。逆變器提供PWM控制的對稱交變矩形波。轉(zhuǎn)子位置永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120度的U、V、W方波?？刂破鹘Y(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生有效的6狀態(tài)編碼信號，通過邏輯組件處理產(chǎn)生T1-T4導(dǎo)通、T1-T6導(dǎo)通、T3-T6導(dǎo)通、T3-T2導(dǎo)通、T5-T2導(dǎo)通、T5-T4導(dǎo)通。這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對N-S極，T1-T6功率管即按固定組分6種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng)60度電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于60度電角度空間位置。轉(zhuǎn)子在新位置上，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進(jìn)60度電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩。
權(quán)利要求
1.一種新型永磁無刷直流四象限電機(jī)，包括具有四象限變換的電機(jī)本體和全數(shù)字化控制器，電機(jī)本體的定子和轉(zhuǎn)子磁極均采用3∶2齒極比，雙邊凸極的幾何結(jié)構(gòu)；定子用硅鋼片沖制而成，在定子相對稱的兩個(gè)凸極上安裝有集中勵(lì)磁繞組，其相互串聯(lián)，構(gòu)成一相；所述的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、矩形磁鋼、磁靴和隔磁套環(huán)組成圓柱體；轉(zhuǎn)子具有多個(gè)凸磁極，采用高性能稀土永磁材料制成；磁路結(jié)構(gòu)為徑向式，隔磁套環(huán)將磁靴、永磁體、鐵芯和轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)部件固定，構(gòu)成圓柱形轉(zhuǎn)子。
全文摘要
一種新型永磁無刷直流四象限電機(jī)，定子和轉(zhuǎn)子磁極均采用3∶2齒極比的雙邊凸極的對稱幾何結(jié)構(gòu)，定子繞組槽數(shù)為轉(zhuǎn)子的極數(shù)加2或4；在定子相對稱的兩個(gè)凸上安裝有集中勵(lì)磁繞組互相串聯(lián)，構(gòu)成一相；所述的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、軟磁鐵心、永磁體、磁靴和套環(huán)組成；永磁體安裝在轉(zhuǎn)子的軟磁鐵心表面，形成可同步旋轉(zhuǎn)的磁極；在永磁體極靴外圓處利用無磁性套環(huán)采用過盈配合方法對頂角成圓柱形轉(zhuǎn)子。該電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)均具有高效率、低損耗；可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和四象限運(yùn)行，有較強(qiáng)的再生發(fā)電能力。該電機(jī)適合應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)電氣化設(shè)備、軍工尤其是汽車驅(qū)動(dòng)裝置，可單獨(dú)作為交流正弦波無刷發(fā)電機(jī)使用。
文檔編號H02K1/27GK1933286SQ20061002008
公開日2007年3月21日 申請日期2006年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月29日
發(fā)明者趙桂標(biāo) 申請人:林祥鐘