專利名稱：具有串激特性的高啟動轉矩永磁電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及永磁電機的技術，特別是涉及一種具有串激特性的高啟動轉矩永磁電 機的技術。
背景技術：
永磁直流(伺服)電機作為快速響應驅動元件廣泛應用于自動控制系統中，而自 動控制系統有很多場合都要求永磁直流(伺服)電機具有較大的啟動轉矩和快速響應能 力。另外為了滿足啟動、加速的需要，永磁直流(伺服)電機還必須具有較高的過載能力。永磁直流(伺服)電機中，電機的轉矩與電樞直徑的平方、電樞長度、線負荷及氣 隙磁密成正比；在特定條件下，電機的機械時間常數與電機電樞的轉動慣量成正比，與氣隙 磁密的平方成反比；電機的加速度和轉矩成正比，與轉動慣量成反比。綜上所述，要提高轉矩、提高加速度和減小時間常數(即提高啟動轉矩、過載能力 和快速響應能力)，都必須提高氣隙磁密。目前的永磁直流(伺服)電機最大的缺點之一是 其永磁磁通為一恒定值，僅具有并激(并勵)、他激(他勵)特性，不能像串激(串勵)電機 那樣利用大電流產生足夠大的氣隙磁密。因此，為了提高其啟動轉矩、過載能力和快速響應 能力，必須增大電機體積，使其用途大受限制，特別是不能用于要求高啟動轉矩的場合。
發明內容
針對上述現有技術中存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種能利用 大電流產生足夠大的氣隙磁密，從而提高其啟動轉矩、過載能力和快速響應能力的具有串 激特性的高啟動轉矩永磁電機。為了解決上述技術問題，本發明所提供的一種具有串激特性的高啟動轉矩永磁電 機，包括定子、轉子、至少一對永磁磁極，所述轉子套設于定子內，由同軸套接的電樞鐵芯和 轉軸組成，所述電樞鐵芯設有徑向向外開口的電樞槽，用于嵌放電樞繞組，各永磁磁極軸對 稱固定于所述定子的內壁，且與所述轉子之間具有氣隙，其特征在于所述永磁磁極由一塊 高導磁率的附加磁極和一塊磁鋼接合而成，其整體呈弧形，所述附加磁極的導磁率遠大于 所述磁鋼的導磁率。本發明提供的具有串激特性的高啟動轉矩永磁電機，由于永磁磁極由磁鋼和附加 磁極組成，而且附加磁極的導磁率遠大于磁鋼的導磁率，利用電樞反應對磁鋼去磁作用的 同時所產生的增磁效應對附加磁極產生增磁磁勢，使得永磁磁極的總磁通隨著負載的增加 而顯著增加，從而使電機獲得與串勵式電機類似的串激特性，使得電機能利用大電流產生 足夠大的氣隙磁密，從而提高其啟動轉矩、過載能力和快速響應能力。
圖1是本發明實施例的永磁電機的剖面結構示意圖；圖2是本發明實施例的永磁電機空載、負載去磁和負載增磁的磁鋼特性曲線；
圖3是本發明實施例的永磁電機電樞反應磁勢的分布圖；圖4是本發明實施例的永磁電機附加磁極的飽和曲線圖；圖5是本發明實施例的永磁電機對應電樞電流的各部分磁通圖。
具體實施例方式以下結合
對本發明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例并不用于限 制本發明，凡是采用本發明的相似結構及其相似變化，均應列入本發明的保護范圍。如圖1所示，本發明實施例所提供的一種具有串激特性的高啟動轉矩永磁電機， 包括定子1、轉子、至少一對永磁磁極，所述轉子套設于定子1內，由同軸套接的電樞鐵芯7 和轉軸8組成，所述電樞鐵芯7設有徑向向外開口的電樞槽5，用于嵌放電樞繞組，各永磁磁 極軸對稱固定于所述定子1的內壁，且與所述轉子之間具有氣隙4，其特征在于所述永磁 磁極由一塊附加磁極3和一塊磁鋼2接合而成，其整體呈弧形，所述附加磁極3由高導磁率 材料制成，其導磁率遠大于所述磁鋼2的導磁率。所述磁鋼2和附件磁極3均呈弧形，所述磁鋼2和附件磁極3的弧度角(機械角 度)，再乘以極對數即為磁鋼2和附件磁極3的電角度，所述永磁磁極的電角度為磁鋼2和 附件磁極3的電角度之和，通過調節磁鋼2和附件磁極3的電角度在整個永磁磁極的電角 度中所占的比例，即可調節串激特性的強弱，從而調節啟動轉矩的大小。本發明實施例的工作原理如下如圖1所示，設永磁磁極兩端中，磁鋼一端為A、附加磁極一端為C，磁鋼與附加磁 極接合處為B ；圖2為本發明實施例的永磁電機空載、負載去磁和負載增磁的磁鋼特性曲線圖， 該圖中的軸線D和H分別為磁通密度和磁場強度，交點Br和Hc分別為磁鋼剩余磁感應(剩 磁)和矯頑力，曲線D-H為磁鋼去磁曲線，曲線PC、PA和PB分別為空載、負載去磁和負載增 磁特性曲線，曲線PC、PA和PB與磁鋼去磁曲線D-H的交點分別為圖1中的C、A、B，其相應 的空載、負載去磁和負載增磁的氣隙磁通密度分別為BgO、BgA、BgB ；圖3為本發明實施例的永磁電機電樞反應磁勢的分布圖，該圖中的2、3、A、B、C分 別與圖1中標示相對應，X為電樞反應磁勢、Y為負載去磁磁勢、Z為負載增磁磁勢，箭頭方 向為磁通方向，θπκ θ a分別為磁鋼2與附加磁極3所占的電角度；圖4為本發明實施例的永磁電機附加磁板的飽和曲線圖，該圖中的軸線Bg和F分 別為氣隙磁密和磁勢；BgB和BgC分別為附加磁極B和C兩端與電樞鐵芯間的氣隙磁密；BgV 為附加磁極下的氣隙平均磁密；FB、FC分別為附加磁極B、C兩端的電樞反應增磁磁勢，其它 標示與圖3中標示相對應；圖5為本發明實施例的永磁電機對應電樞電流的各部分磁通圖，該圖中的Ot、Ia 分別為磁通和電樞繞組電流；Li、L2、L3分別為磁鋼磁通Φπκ附加磁極磁通Oa和永磁磁 極磁通Φ 隨電樞繞組電流Ia的變化曲線，其中虛線和實線分別為忽略磁路飽和和考慮磁 路飽和兩種情況；1)電機空載時磁鋼的磁通；電機空載時的磁通回路有兩條(參見圖1)，其中一條從磁鋼2起經氣隙4、電樞鐵 芯7、定子1、回至磁鋼2，另一條從磁鋼2起經氣隙4 (磁鋼2處)、電樞鐵芯7、氣隙4 (附加磁極3處)、附加磁極3、定子1回至磁鋼2 ；2)電機負載時磁鋼的磁通；如圖2、圖3所示，A、B兩端的電樞反應磁勢FA、FB分別為FA = -[(ZX Ia)/(8XaXP)] X [( θ m+ θ a)/180° ]；FB = [(ZXIa)/(4XaXP)] X { θ m-[( θ m+ θ a)/2]}/180° ；式中Z為總導體數，Ia為電樞繞組電流，a為電樞繞組并聯支路對數，P為永磁磁 極對數，θπκ θ a分別為磁鋼2與附加磁極3所占電角度。如圖3所示，電樞反應對單位長度磁鋼的去磁(A點)磁勢HA與增磁(B點)磁勢 HB分別為HA= (0. 4 3i/hm)XFA；HB = (0. 4 3i/hm) XFB ；式中hm為磁鋼厚度；設A、B兩點氣隙磁密為BgA與BgB，磁鋼截面為Am，則負載時磁鋼的磁通Φπι為Om = [ (BgA+BgB) /2] X Am ；3)電機負載時附加磁極的磁通；如圖2、圖3所示，B、C兩端的電樞反應磁勢FB、FC分別為FB = [(ZXIa)/(4XaXP)] X { θ m-[( θ m+ θ a)/2]}/180° ；FC =-FA = [(ZXIa)/(8XaXP)] X [( θ m+θ a)/180° ]；以上式求得的電樞反應磁勢為增磁磁勢，該增勢磁勢與圖4中的附加磁極飽和曲 線的交點，即為B、C兩點與電樞鐵芯間的氣隙磁密BgB、BgC，從而得到附加磁極下的氣隙平 均磁密BgV與附加磁極的磁通Oa為BgV = (BgB+BgC) /2 ；Oa = BgVXAga ；式中Aga為附加磁極下的氣隙截面。4)磁鋼的總磁通；如圖5所示，附加磁極與磁鋼組合成永磁磁極的總磁通Φ ，為磁鋼磁通Φπι與附 加磁極磁通Oa的疊加，S卩Φ = Φπι+Φει，空載時Φπι為最大值，由于電樞反應的去磁作 用，隨著電樞繞組電流Ia的增加，Φπι將減少(參見圖5的曲線Li)；相反，由于電樞反應 的增磁作用，Oa將增加(參見圖5的曲線L2)；永磁磁極的總磁通Φ 為磁鋼磁通Φπι與 附加磁極磁通Oa的疊加(參見圖5的曲線L3)，永磁磁極的總磁通Φ 隨著電樞繞組電 流Ia的增加而顯著增加。圖5中虛線和實線分別表示忽略磁路飽和和考慮磁路飽和兩種 情況。可見如果磁路不飽和，Ot隨Ia的增加更為顯著。綜上所述，可得出以下結論1)電機在空載、輕載和穩態時，電樞繞組在電流的作用下產生的電樞反應影響較 小，其磁路不飽和，因此定子磁阻和電樞鐵芯磁阻很小，附加磁極與電樞鐵芯間的氣隙的磁 阻遠大于定子與電樞鐵芯的合成磁阻，流進附加磁極磁通很小，大部分磁通由磁鋼產生，因 而不會影響電機效率。2)電機在有負載時，電樞繞組在電流的作用下產生電樞反應，此時永磁磁極中心 的電樞磁勢為零，由于電樞反應對磁鋼去磁作用的同時也伴隨有增磁效應，使得電樞反應
5對磁鋼產生去磁磁勢的同時對附加磁極產生增磁磁勢；由于附加磁極由磁阻小的高導磁率 材料制成，因此能提供較大的磁通，附加磁極的磁通與磁鋼的磁通疊加使總磁通隨著負載 的增加而顯著增加，從而使電機獲得與串勵式電機類似的串激特性，使得電機能在大電流 下輸出大轉矩，采用此結構可使磁鋼用量減少三分之一。 本發明可替代交直流兩用電機或串激直流電機，應用于要求高啟動轉矩的場合， 例如電動工具等。
權利要求
1. 一種具有串激特性的高啟動轉矩永磁電機，包括定子、轉子、至少一對永磁磁極，所 述轉子套設于定子內，由同軸套接的電樞鐵芯和轉軸組成，所述電樞鐵芯設有徑向向外開 口的電樞槽，用于嵌放電樞繞組，各永磁磁極軸對稱固定于所述定子的內壁，且與所述轉子 之間具有氣隙，其特征在于所述永磁磁極由一塊附加磁極和一塊磁鋼接合而成，其整體呈 弧形，所述附加磁極的導磁率大于所述磁鋼的導磁率。
全文摘要
一種具有串激特性的高啟動轉矩永磁電機，涉及永磁電機技術領域，所解決的是現有技術不具有串激特性的技術問題。該永磁電機包括定子、轉子、至少一對永磁磁極，所述轉子套設于定子內，由同軸套接的電樞鐵芯和轉軸組成，所述電樞鐵芯設有徑向向外開口的電樞槽，用于嵌放電樞繞組，各永磁磁極軸對稱固定于所述定子的內壁，且與所述轉子之間具有氣隙，其特征在于所述永磁磁極由一塊附加磁極和一塊磁鋼接合而成，其整體呈弧形，所述附加磁極的導磁率遠大于所述磁鋼的導磁率。本發明提供的永磁電機，具有串激特性。
文檔編號H02K1/17GK102035273SQ20091019641
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月25日 優先權日2009年9月25日
發明者林德芳 申請人:上海特波電機有限公司