繞組互補型多相半齒繞磁通切換電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機，包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子由定子鐵心（1）、永磁體（4）組合而成，所述定子鐵心（1）由一個容錯齒（2）、兩個導(dǎo)磁齒（3）構(gòu)成，所述容錯齒（2）位于兩個所述導(dǎo)磁齒（3）之間構(gòu)成“E”型鐵心結(jié)構(gòu)；相鄰所述定子鐵心（1）之間嵌入所述永磁體（4），所述永磁體（4）充磁方向為切向，且充磁方向相反；在所述容錯齒（2）上設(shè)置有電樞線圈（5），電樞線圈（5）為集中繞組，采用半齒繞結(jié)構(gòu)；本發(fā)明電機電樞線圈設(shè)置在容錯齒上，定子永磁體上無電樞線圈，有效防止了電機工作過程中，由電樞線圈發(fā)熱而引起的永磁體高溫退磁，提高了電機運行的可靠性。
【專利說明】繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁通切換電機，特別是涉及一種繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機，屬于電機制造【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)定子永磁型磁通切換電機具有轉(zhuǎn)矩密度與功率密度高的特點，定子與轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，永磁體與電樞繞組均位于定子側(cè)，轉(zhuǎn)子側(cè)既無電樞繞組也無永磁體，結(jié)構(gòu)簡單，機械強度高，適合高速運行，且能夠運行于較惡劣的環(huán)境條件下。定子永磁型磁通切換電機每相永磁磁鏈為雙極性，且由于繞組具有互補特性，每相永磁磁鏈與空載感應(yīng)電勢具有較好的正弦特性，適合作為交流調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動元件。
[0003]傳統(tǒng)定子永磁型磁通切換電機的定子磁極由永磁體及相鄰的兩個定子導(dǎo)磁齒構(gòu)成，電樞繞組設(shè)置在定子磁極上。在電機工作過程中，電樞繞組內(nèi)通入交流電，產(chǎn)生銅耗，使繞組發(fā)熱；由于電樞繞組直接接觸永磁體，繞組產(chǎn)生的熱量將影響永磁體特性，甚至引起永磁體因發(fā)熱退磁。此外，每相永磁磁鏈為雙極性，永磁體相鄰的兩塊定子導(dǎo)磁齒由于磁場交變而產(chǎn)生鐵耗,產(chǎn)生的熱量也會引起永磁體升溫。
[0004]現(xiàn)有的技術(shù)手段為在定子鐵心外設(shè)計并安裝冷卻系統(tǒng)，通過空氣或冷卻液進行冷卻。但是，電樞繞組纏繞在定子磁極上，形成一個相對封閉的空間，減小了永磁體與冷卻系統(tǒng)中空氣或冷卻液間的導(dǎo)熱系數(shù)，不利于永磁體與冷卻系統(tǒng)之間的熱量傳遞。在電機工作過程中，由于定子磁極軸向中心溫度最高，且散熱困難，進而導(dǎo)致定子磁極中心部位的永磁體因溫度過高而引起退磁，減小了輸出轉(zhuǎn)矩密度與功率密度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機，有效防止繞組發(fā)熱引起永磁體溫度過高而退磁，提高了電機運行的可靠性。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機，包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，且兩者之間具有氣隙；所述定子由若干個定子鐵心、永磁體組合而成，所述定子鐵心由一個容錯齒、兩個導(dǎo)磁齒構(gòu)成，所述容錯齒位于兩個所述導(dǎo)磁齒之間構(gòu)成“E”型鐵心結(jié)構(gòu)；其特征在于，相鄰所述定子鐵心之間嵌入所述永磁體，所述永磁體充磁方向為切向，且相鄰所述永磁體的充磁方向相反；在所述容錯齒上設(shè)置有電樞線圈，電樞線圈為集中繞組，采用半齒繞結(jié)構(gòu)；每個電樞線圈與其圓心角分別相隔90°、180°和270°的三個電樞線圈構(gòu)成一相電樞繞組；各相電樞繞組中的各個電樞線圈內(nèi)的永磁磁鏈為單極性變化；各相電樞繞組中圓心角相隔180°的兩個電樞線圈內(nèi)的永磁磁鏈相位相同，且平均值相同，具有一致性，同時圓心角相隔90°的兩個電樞線圈內(nèi)的永磁磁鏈相位相差180°,且平均值相同,具有互補性；各相電樞繞組中圓心角分別為0°和90°的兩個電樞線圈順向串聯(lián)組成第一線圈組，圓心角分別為180°和270°的兩個電樞線圈順向串聯(lián)組成第二線圈組，所述第一線圈組和所述第二線圈組順向串聯(lián)或并聯(lián)。
[0007]所述轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心和軸構(gòu)成，所述轉(zhuǎn)子鐵心設(shè)置在定子鐵心內(nèi)部構(gòu)成內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，或者設(shè)置在定子鐵心外部構(gòu)成外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
[0008]所述轉(zhuǎn)子鐵心為直槽或斜槽結(jié)構(gòu)。
[0009]所述定子鐵心、容錯齒、導(dǎo)磁齒與轉(zhuǎn)子鐵心均為硅鋼片導(dǎo)磁材料。
[0010]所述永磁體為釹鐵硼、釤鈷、鐵氧體永磁材料。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
I)本發(fā)明的繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機具有高轉(zhuǎn)矩密度，高功率密度，低損耗的優(yōu)點。
[0012]2)本發(fā)明的繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機電樞繞組采用集中繞組，有效減小了端部繞組長度；與傳統(tǒng)定子永磁型磁通切換電機相比，電樞繞組設(shè)置在容錯齒上，端部繞組跨度減小，降低了端部電阻大小，提高了電機效率。
[0013]3)本發(fā)明的繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機每相電樞繞組各線圈內(nèi)永磁磁鏈單極性變化，且每相電樞繞組中空間位置相差90°的兩個線圈所匝鏈的永磁磁鏈極性相反，且磁鏈變化具有互補特性，抵消了每相繞組中各線圈所匝鏈的永磁磁鏈的高次諧波尤其是偶次諧波以及永磁磁鏈中的直流分量，優(yōu)化了永磁磁鏈的正弦特性，抑制了空載感應(yīng)電動勢的諧波含量。
[0014]4)本發(fā)明的繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機與傳統(tǒng)定子永磁型磁通切換電機相比，定子鐵心上設(shè)置有定子導(dǎo)磁齒與容錯齒，電樞繞組設(shè)置在容錯齒上，永磁體與電樞繞組分離，有效防止電機工作過程中，電樞繞組發(fā)熱而引起定子磁極端部永磁體高溫退磁。
[0015]5)本發(fā)明的繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機與傳統(tǒng)定子永磁型磁通切換電機相比，在相同的冷卻系統(tǒng)條件下，由于電樞繞組設(shè)置在容錯齒上，永磁體散熱面積增加且提高了永磁體表面的表面散熱系數(shù)以及永磁體與冷卻系統(tǒng)中空氣或冷卻液間的導(dǎo)熱系數(shù)，有效抑制了永磁體的溫升；電樞繞組產(chǎn)生的熱量通過容錯齒、定子軛部及導(dǎo)磁齒傳遞，由于冷卻系統(tǒng)的作用，定子鐵心與空氣或冷卻液發(fā)生熱量傳遞，使得傳遞給永磁體的熱量減小，抑制了永磁體溫度上升，提高了電機運行的可靠性。
[0016]6)本發(fā)明的繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機定子鐵心由定子導(dǎo)磁齒與容錯齒構(gòu)成“E”型結(jié)構(gòu)，定子鐵心兩側(cè)相鄰的兩塊永磁體切向充磁，且充磁方向相反，即容錯齒所在的磁極下的磁通由相鄰兩塊永磁體并聯(lián)提供，具有聚磁特性，有效提高了永磁體的利用率，增加了輸出轉(zhuǎn)矩密度與功率密度。
[0017]7)本發(fā)明的繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機，由于互補特性，互補的兩個線圈所在磁路中的磁場能量與定轉(zhuǎn)子相對位置的導(dǎo)數(shù)正負相反，相互抵消，有效減小了定位力矩的大小，抑制了輸出轉(zhuǎn)矩脈動。
[0018]8)本發(fā)明的繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機既可以做發(fā)電運行，又可以做電動運行。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2 Ca)為本發(fā)明繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機轉(zhuǎn)子位置為0°工作原理示意圖；
圖2 (b)為本發(fā)明繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機轉(zhuǎn)子位置為16.36。工作原理示意圖；
圖2 (c)為本發(fā)明繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機轉(zhuǎn)子位置為32.73°工作原理示意圖；
圖2 Cd)為本發(fā)明繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機轉(zhuǎn)子位置為49.09°工作原理示意圖；
圖3為本發(fā)明繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機三相永磁磁鏈?zhǔn)疽鈭D；
圖4為本發(fā)明繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機線圈內(nèi)永磁磁鏈?zhǔn)疽鈭D；
圖5為本發(fā)明繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機定位力矩示意圖。
[0020]圖中:1、定子鐵心,2、容錯齒,3、導(dǎo)磁齒,4、永磁體,5、電樞線圈,6、轉(zhuǎn)子鐵心,7、軸。

【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機，包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，且兩者之間具有氣隙；所述定子由若干個定子鐵心、永磁體組合而成，所述定子鐵心由一個容錯齒、兩個導(dǎo)磁齒構(gòu)成，所述容錯齒位于兩個所述導(dǎo)磁齒之間構(gòu)成“E”型鐵心結(jié)構(gòu)；其特征在于，相鄰所述定子鐵心之間嵌入所述永磁體，所述永磁體充磁方向為切向，且相鄰所述永磁體的充磁方向相反；在所述容錯齒上設(shè)置有電樞線圈，電樞線圈為集中繞組，采用半齒繞結(jié)構(gòu)；每個電樞線圈與其圓心角分別相隔90°、180°和270°的三個電樞線圈共同構(gòu)成一相電樞繞組；各相電樞繞組中的各個電樞線圈內(nèi)的永磁磁鏈為單極性變化；各相電樞繞組中圓心角相隔180°的兩個電樞線圈內(nèi)的永磁磁鏈相位相同，且平均值相同，同時圓心角相隔90°的兩個電樞線圈內(nèi)的永磁磁鏈相位相差180°,且平均值相同；各相電樞繞組中圓心角分別為0°和90°的兩個電樞線圈順向串聯(lián)組成第一線圈組，圓心角分別為180°和270°的兩個電樞線圈順向串聯(lián)組成第二線圈組，所述第一線圈組和所述第二線圈組順向串聯(lián)或并聯(lián)；轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心和軸。由于不同相數(shù)的繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機結(jié)構(gòu)相似，下面以繞組互補型三相半齒繞磁通切換電機結(jié)構(gòu)為例，詳細闡述本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0022]參見圖1，本發(fā)明的繞組互補型三相半齒繞磁通切換電機，包括定子鐵心1，容錯齒2，導(dǎo)磁齒3，永磁體4，多相電樞繞組5，轉(zhuǎn)子鐵心6和軸7。定子鐵心I與轉(zhuǎn)子鐵心6均為凸極結(jié)構(gòu)，定子鐵心I上設(shè)置有容錯齒2和導(dǎo)磁齒3，容錯齒2與兩導(dǎo)磁齒3共同構(gòu)成“E”型鐵心結(jié)構(gòu)，容錯齒2上設(shè)置有三相電樞繞組5 ;相鄰兩個定子鐵心I之間嵌入永磁體4，永磁體4切向充磁,且相鄰兩塊永磁體4充磁方向相反；轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心6和軸7構(gòu)成,轉(zhuǎn)子鐵心上既無永磁體也無電樞繞組。
[0023]所述的容錯齒2上設(shè)置有電樞繞組5，電樞繞組5為集中繞組，采用半齒繞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)磁齒3與永磁體4上無電樞繞組。
[0024]所述的繞組互補型三相半齒繞磁通切換電機，A相電樞繞組的511號線圈與513號線圈徑向相對，空間位置圓心角相差180°，512號線圈與514號線圈徑向相對，空間位置圓心角也相差180°，511號線圈與512號線圈在空間位置上圓心角相差90°，A相下的511號線圈與512號線圈中匝鏈的永磁磁鏈具有互補性，因此順向串聯(lián)組成一個線圈組，同理，513號線圈與514號線圈順向串聯(lián)組成另一個線圈組，兩個線圈組可依據(jù)工況順向串聯(lián)或者并聯(lián)，構(gòu)成A相電樞繞組，抵消永磁磁鏈的直流分量；B相與C相下的各線圈空間位置的設(shè)置與A相相同，三相電樞繞組之間空間位置相差60°，使三相永磁磁鏈相位相差120°。
[0025]所述的永磁體4嵌入兩塊相鄰的定子鐵心I之間；永磁體4切向充磁，且相鄰兩塊永磁體4充磁方向相反。所述的永磁體4兩側(cè)的定子導(dǎo)磁齒3可以通過厚度較小的導(dǎo)磁橋連接，永磁體4嵌入由定子導(dǎo)磁齒3和導(dǎo)磁橋構(gòu)成的凹槽中，簡化定子鐵心加工工藝；由于導(dǎo)磁橋厚度很小，易磁飽和，可以有效抑制漏磁。
[0026]所述的轉(zhuǎn)子鐵心6設(shè)置在定子鐵心I內(nèi)部，構(gòu)成內(nèi)轉(zhuǎn)子電機結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心上既無電樞繞組也無永磁體結(jié)構(gòu)簡單，適合高速運行；所述的定子鐵心1、容錯齒2、導(dǎo)磁齒3與轉(zhuǎn)子鐵心6均為硅鋼片等導(dǎo)磁材料；所述的永磁體4為釹鐵硼、釤鈷、鐵氧體等永磁材料。
[0027]本發(fā)明磁通切換電機工作原理如圖2 (a) -2 (d)和圖3所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子運動到圖
2(a)與2 (c)位置時，511號線圈內(nèi)匝鏈的永磁磁鏈為最大值，對應(yīng)圖3中的A點，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置運動到圖2(b)與2(d)位置時，511號線圈內(nèi)匝鏈的永磁磁鏈為最小值，對應(yīng)圖3中的B點，轉(zhuǎn)子運動過程中，循環(huán)依次經(jīng)過圖2中(a)、(b)、(c)、(d)四個特殊位置；隨著轉(zhuǎn)子與定子相對位置的不斷變化，在511號線圈內(nèi)匝鏈出單極性正弦變化的永磁磁鏈波形，由于511號線圈與513號線圈具有一致性，因此線圈內(nèi)匝鏈的永磁磁鏈波形相同，同理，512號線圈與514號線圈中匝鏈的永磁磁鏈波形也相同；由于511號線圈與512號線圈具有互補特性，且永磁磁鏈極性相反，串聯(lián)后能夠抵消永磁磁鏈中的高次諧波特別是偶次諧波，因此，可得到正弦特性較好的A相永磁磁鏈，如圖3所示。由于ABC三相空間位置相差60°，因此三相電樞繞組內(nèi)匝鏈的永磁磁鏈相位相差120°，如圖4所示。
[0028]本發(fā)明所提出的繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機具有高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、低損耗的優(yōu)點。電樞繞組采用集中繞組，有效減小了端部繞組長度；與傳統(tǒng)定子永磁型磁通切換電機相比，電樞繞組設(shè)置在容錯齒上，端部繞組跨度減小，提高了電機運行效率；每相電樞繞組具有互補特性，抵消了每相電樞繞組中兩套線圈組所匝鏈的永磁磁鏈的高次諧波，優(yōu)化了永磁磁鏈的正弦特性，抑制了空載感應(yīng)電動勢的諧波含量。
[0029]繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機與傳統(tǒng)定子永磁型磁通切換電機相比，電樞繞組設(shè)置在容錯齒上，永磁體與電樞繞組分離，有效防止電機工作過程中，電樞繞組發(fā)熱而引起定子磁極端部永磁體高溫退磁。在相同的冷卻系統(tǒng)條件下，由于電樞繞組設(shè)置在容錯齒上，永磁體散熱面積增加，且提高了永磁體的表面散熱系數(shù)，以及永磁體與冷卻系統(tǒng)中空氣或冷卻液間的導(dǎo)熱系數(shù)，有效抑制了永磁體的溫升；電樞繞組產(chǎn)生的熱量通過容錯齒、定子軛部及導(dǎo)磁齒傳遞，由于冷卻系統(tǒng)的作用，定子鐵心與空氣或冷卻液發(fā)生熱量交換，使得傳遞給永磁體的熱量減小，抑制了永磁體的溫度變化。
[0030]定子鐵心兩側(cè)相鄰的兩塊永磁體切向充磁,且充磁方向相反，即一個磁極下的磁通由相鄰兩塊永磁體并聯(lián)提供，具有聚磁特性，有效提高了永磁體的利用率，增加了輸出轉(zhuǎn)矩密度與功率密度。容錯齒上互補的兩個線圈所在主磁路中的磁場能量與定轉(zhuǎn)子相對位置的導(dǎo)數(shù)正負相反，相互抵消，有效減小了定位力矩的大小，抑制了輸出轉(zhuǎn)矩脈動，如圖5所
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[0031]以上僅是本發(fā)明的具體應(yīng)用范例，對本發(fā)明的保護范圍不構(gòu)成任何限制。除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明所要求保護的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機，包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，且兩者之間具有氣隙；所述定子由定子鐵心(I)、永磁體(4)組合而成，所述定子鐵心(I)由一個容錯齒(2)、兩個導(dǎo)磁齒(3)構(gòu)成，所述容錯齒(2)位于兩個所述導(dǎo)磁齒(3)之間構(gòu)成“E”型鐵心結(jié)構(gòu)；相鄰所述定子鐵心(I)之間嵌入所述永磁體(4)，所述永磁體(4)充磁方向為切向，且相鄰所述永磁體(4)的充磁方向相反；其特征在于，所述電樞線圈(5)米用半齒繞結(jié)構(gòu)，所述電樞線圈(5 )設(shè)置于所述容錯齒(2 )上，且所述電樞線圈(5 )為集中繞組；每個電樞線圈(5)與其圓心角分別相隔90°、180°和270°的三個電樞線圈(5)構(gòu)成一相電樞繞組；各相電樞繞組中的各個電樞線圈(5)內(nèi)的永磁磁鏈為單極性變化；各相電樞繞組中圓心角相隔180°的兩個電樞線圈(5)內(nèi)的永磁磁鏈相位相同，且平均值相同，磁鏈變化具有一致性，同時圓心角相隔90°的兩個電樞線圈(5)內(nèi)的永磁磁鏈相位相差180°,且平均值相同，磁鏈變化具有互補性；各相電樞繞組中圓心角分別為0°和90°的兩個電樞線圈(5)順向串聯(lián)組成第一線圈組，圓心角分別為180°和270°的兩個電樞線圈(5)順向串聯(lián)組成第二線圈組，所述第一線圈組和所述第二線圈組順向串聯(lián)或并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心(6)和軸(7)構(gòu)成，所述轉(zhuǎn)子鐵心(6)設(shè)置在定子鐵心(I)內(nèi)部構(gòu)成內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，或者設(shè)置在定子鐵心(I)外部構(gòu)成外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子鐵心(6)為直槽或斜槽結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機，其特征在于所述定子鐵心(I)、容錯齒(2)、導(dǎo)磁齒(3)與轉(zhuǎn)子鐵心(6)均為硅鋼片導(dǎo)磁材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組互補型多相半齒繞磁通切換電機，其特征在于所述永磁體(4)為釹鐵硼、釤鈷、鐵氧體等永磁材料。
【文檔編號】H02K1/22GK104283353SQ201410594571
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】花為, 蘇鵬, 張淦, 程明, 王寶安 申請人:東南大學(xué)