繞組互補型轉子永磁磁通切換電的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種繞組互補型轉子永磁磁通切換電機，包括定子鐵心和轉子模塊；所述定子鐵心與轉子齒模塊均為凸極結構；定子鐵心上設置有電樞繞組和容錯齒，所述電樞繞組為集中式繞組，采用半齒繞結構，相鄰兩個電樞繞組之間有容錯齒；轉子模塊包括轉子齒模塊和軸，轉子齒模塊固定于軸上；轉子齒模塊包括表面永磁體、內置永磁體和若干組轉子導磁齒。本發明的繞組采用互補型結構，有效抑制空載感應電勢中高次諧波的產生，提高空載感應電勢波形的正弦特性，在定子鐵心中加入容錯齒，改變主磁路結構，有效抑制定位力矩，減小輸出轉矩波動。
【專利說明】繞組互補型轉子永磁磁通切換電機
【技術領域】
[0001]本發明涉及電機領域，具體涉及繞組互補型轉子永磁磁通切換電機。
【背景技術】
[0002]傳統的轉子永磁型同步電機轉子磁路結構一般分為表面式與內置式兩種，電樞繞組布置方式一般分為集中式繞組或分布式繞組。采用集中式繞組能夠有效減小端部繞組長度，降低銅耗，提高效率，但空載感應電勢波形諧波含量較大，不易采用正弦波控制；采用分布式繞組空載感應電勢正弦特性較好，但繞組端部較長，銅耗較大。
[0003]近年來受到廣泛關注的定子永磁型磁通切換電機，其結構特點是永磁體與電樞繞組均位于定子側，轉子上既無永磁體也無電樞繞組，結構簡單，適合高轉速運行，且具有轉矩密度高，輸出功率大，在采用直槽轉子的條件下反電勢正弦特性好等優點。
[0004]但是，定子永磁型磁通切換電機的缺點在于永磁體用量較大，在定子側永磁體漏磁嚴重,降低了永磁體的利用率；永磁體與電樞繞組均置于定子側，導致永磁體與電樞繞組必然構成空間競爭關系，減小了電樞繞組的槽面積，影響電機輸出功率密度；電樞磁場與永磁磁場共同作用，使定子鐵心內的磁密過飽和，在影響轉矩密度的同時產生較大鐵耗，溫升過高，引起永磁體退磁；此外，轉子側即無永磁體也無電樞繞組，僅由硅鋼片構成凸極結構，降低了轉子側的空間利用率，影響了轉矩密度與功率密度。
[0005]文件CN103219849A中，提出一種轉子永磁型雙凸極電機，其結構特點在于將永磁體置于轉子側，電樞繞組置于定子側，有效的提高了電機轉子側與定子側的空間利用率，具有較高的轉矩密度和功率密度，且與傳統轉子永磁電機相比，空載感應電勢更接近正弦。
[0006]但是，文件CN103219849A所提出的轉子永磁型雙凸極電機也有一些明顯的缺點:
[0007](I)永磁磁鏈與空載感應電勢正弦特性雖然優于傳統轉子永磁電機，但諧波含量依然較大，對輸出轉矩脈動以及交流調速系統產生影響；
[0008](2)轉子結構采用U型導磁單元，使得轉子鐵心軛部中形成與主磁路并聯的磁路，削弱了主磁通大小，在一定程度上減小了轉矩密度與功率密度。
[0009](3)在轉子運動過程中，轉子齒與線圈201的相對位置與轉子齒和線圈204的相對位置相同，引起氣隙中的磁場能量對定轉子相對位置的導數相同，因此產生較大定位力矩。
【發明內容】
[0010]發明目的:為了現有轉子永磁型同步電機空載感應電勢諧波含量較大，端部繞組較長的缺點，以及定子永磁型磁通切換電機定子側與轉子側空間利用率較低的不足，本發明提供一種繞組互補型轉子永磁磁通切換電機，解決了現有技術的不足。
[0011 ] 技術方案:繞組互補型轉子永磁磁通切換電機，其特征在于，包括定子鐵心和轉子模塊；所述定子鐵心與轉子齒模塊均為凸極結構；
[0012]定子鐵心上設置有電樞繞組和容錯齒，所述電樞繞組為集中式繞組，采用半齒繞結構，相鄰兩個電樞繞組之間有容錯齒；
[0013]轉子模塊包括轉子齒模塊和軸，轉子齒模塊固定于軸上；轉子齒模塊包括表面永磁體、內置永磁體和若干組轉子導磁齒；每組轉子導磁齒包括兩個轉子導磁齒，所述內置永磁體嵌入兩個轉子導磁齒之間；內置永磁體均采用切向充磁，且充磁方向一致；每組兩個轉子導磁齒表面均貼裝一塊表面永磁體，該兩塊表面永磁體米用徑向充磁，充磁方向相反；表面永磁體在磁路上與內置永磁體構成串聯結構。
[0014]進一步的，每相電樞繞組均包括四個線圈，分別為I號線圈、2號線圈、3號線圈和4號線圈；各相電樞繞組中I號線圈與3號線圈徑向相對；2號線圈與4號線圈徑向相對；1號線圈與2號線圈空間位置相差90° ;且各相電樞繞組之間空間位置相差60°。這樣的結構使得三相空載感應電勢相差120°。
[0015]進一步的，每相電樞繞組中I號線圈與2號線圈具有互補性，因此順向串聯，構成一個線圈組，兩個線圈中匝鏈的永磁磁鏈相位相差180°且極性相反，能夠抵消永磁磁鏈中的高次諧波，提高永磁磁鏈的正弦性，同理，3號線圈與4號線圈也順向串聯，構成第二個線圈組，兩個線圈組依據工況順向串聯或并聯，共同構成一相電樞繞組。
[0016]進一步的，容錯齒位于相鄰兩個線圈之間；定子鐵心包括定子鐵心軛部和定子齒；定子鐵心軛部、定子齒、容錯齒、表面永磁體、內置永磁體與轉子導磁齒共同構成主磁通閉合回路。定子鐵心中設置有容錯齒，為主磁通提供通路；由于容錯齒的作用，互補的兩個線圈所在的磁通回路中的磁場能量對定轉子相對位置的導數正負相反，相互抵消，有效抑制了定位力矩，減小了運行過程中的轉矩脈動。
[0017]進一步的，所述繞組互補型轉子永磁磁通切換電機，其特征在于所述定子鐵心為直槽結構，加工方便，工序簡單。
[0018]進一步的，所述表面永磁體和內置永磁體均為釹鐵硼、鐵氧體、釤鈷等永磁材料。
[0019]進一步的，定子鐵心、轉子導磁齒均為硅鋼片等導磁材料；所述軸為高強度非導磁材料。
[0020]有益效果:本發明的繞組采用互補型結構，有效抑制空載感應電勢中高次諧波的產生，提高空載感應電勢波形的正弦特性，在定子鐵心中加入容錯齒，改變主磁路結構，有效抑制定位力矩，減小輸出轉矩波動。具體的，具有以下優點:
[0021](I)采用轉子永磁型結構，將永磁體放置于轉子側，有效提高了定轉子側空間利用率，增大了電樞繞組槽面積，有效提高了轉矩密度與功率密度。
[0022](2)采用轉子永磁型結構，將電樞繞組與永磁體分別放置于定轉子側，有效減小了定子與轉子齒的磁飽和程度，降低了鐵耗，提高了電機的運行效率和過載能力。
[0023](3)本發明定子鐵心與轉子齒模塊均為凸極結構，在電機工作過程中輸出永磁轉矩的同時，輸出由于凸極效應產生的磁阻轉矩，提高輸出轉矩密度。
[0024](4)本發明定子電樞繞組采用集中式繞組半齒繞結構，與傳統轉子永磁同步電機采用分布式繞組結構相比，有效減小了端部繞組的長度，降低的端部電阻銅耗，提高了電機效率。
[0025](5)本發明定子電樞繞組采用互補型結構，與文件CN103219849A中的電機結構相t匕，有效的抵消了單個線圈中偶次諧波對磁鏈的影響，優化了單相繞組內永磁磁鏈的正弦特性，進而減小了永磁磁鏈與空載感應電勢諧波含量，抑制了輸出轉矩脈動。
[0026](6)本發明定子鐵心中設置有容錯齒，為主磁通提供通路；由于容錯齒的作用，互補的兩個線圈所在的磁通回路中的磁場能量對定轉子相對位置的導數正負相反，相互抵消，有效抑制了定位力矩，減小了運行過程中的轉矩脈動。
[0027](7)本發明轉子導磁齒氣隙側表面永磁體徑向充磁，可通過調節表面永磁體結構參數，優化轉子極弧，改善永磁磁鏈正弦特性；內置永磁體與表面永磁體在磁路上構成串聯結構，可通過優化內置永磁體與表面永磁體體積比，增加永磁磁鏈幅值，提高空載感應電勢大小。
[0028](8)本發明轉子齒模塊中，內置永磁體與表面永磁體產生的磁動勢在磁路上構成串聯結構，有效的提高了永磁體的抗去磁能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明繞組互補型轉子永磁磁通切換電機剖面圖；
[0030]圖2為本發明電機空載三相永磁磁鏈波形圖；
[0031]圖3為本發明電機空載三相空載感應電勢波形圖；
[0032]圖4為本發明電機定位力矩波形圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
[0034]如圖1所示，本發明公開了一種繞組互補型轉子永磁磁通切換電機，其特征在于，包括定子鐵心I和轉子模塊；所述定子鐵心I與轉子齒模塊4均為凸極結構。
[0035]定子鐵心I為直槽結構，定子鐵心I上設置有電樞繞組2和容錯齒3，所述電樞繞組2為集中式繞組，采用半齒繞結構，相鄰兩個電樞繞組2之間有容錯齒3。
[0036]每相電樞繞組2均包括四個線圈,分別為I號線圈、2號線圈、3號線圈和4號線圈；圖1中，三位數編號表不各相線圈，前兩位21表不第一相,22表不第二相,23表不第三相。最后一位表示線圈號，I為I號線圈，2為2號線圈，以此類推。例如211號線圈表示第一相I號線圈，234線圈表示第三相4號線圈，以此類推。A相電樞繞組中211號線圈與213號線圈徑向相對；212號線圈與214號線圈徑向相對；211號線圈與212號線圈空間位置相差90° ;且ABC三相電樞繞組2之間空間位置相差60°，保證各相永磁磁鏈相位相差120°。
[0037]各相下空間位置相差90°的兩個線圈中匝鏈的永磁磁鏈具有互補性，因此順向串聯，構成一個線圈組，每相下的兩個線圈組依據工況順向串聯或者并聯，共同構成單相電樞繞組。以A相為例:211號線圈與212號線圈空間位置相差90°，匝鏈的永磁磁鏈具有互補性，因此順向串聯，共同構成一個線圈組，同理，213號線圈與214號線圈順向串聯，構成第二個線圈組，兩個線圈組可以依據工況順向串聯或者并聯，共同構成A相電樞繞組。由于繞組具有互補性，211號線圈中匝鏈的永磁磁鏈與212號線圈中匝鏈的永磁磁鏈相位相差180°，且極性相反，因此能夠抵消永磁磁鏈中的高次諧波，特別是偶次諧波，提高永磁磁鏈與空載反電動勢的正弦性，如圖2和圖3所示。轉子模塊采用模塊化設計，包括轉子齒模塊4和軸8，每個轉子齒模塊4固定于軸8上；具體是通過軸8上的燕尾槽固定。每個轉子齒模塊4包括表面永磁體5、內置永磁體6和若干組轉子導磁齒7。每組轉子導磁齒7包括兩個轉子導磁齒7,所述內置永磁體6嵌入兩個轉子導磁齒7之間；內置永磁體6均米用切向充磁，且充磁方向一致；每組兩個轉子導磁齒7靠近氣隙側的表面均貼裝一塊表面永磁體5,該兩塊表面永磁體5米用徑向充磁,充磁方向相反；表面永磁體5在磁路上與內置永磁體6構成串聯結構。
[0038]所述的轉子齒模塊4中兩個轉子導磁齒7可通過厚度很小的導磁橋連接，內置永磁體6嵌入兩個轉子導磁齒7與導磁橋構成的U型凹槽中，簡化了轉子齒模塊加工工藝；由于導磁橋厚度很小，內部磁場高度飽和，磁阻接近空氣，抑制了內置永磁體導磁橋側端部漏磁。
[0039]所述容錯齒3位于相鄰兩個線圈之間；定子鐵心I包括定子鐵心軛部和定子齒，定子鐵心軛部、定子齒、容錯齒3、表面永磁體5、內置永磁體6與轉子導磁齒7共同構成主磁通閉合回路。
[0040]所述的轉子齒模塊4中，表面永磁體5與內置永磁體6均采用釹鐵硼、鐵氧體等永磁磁鋼。
[0041]所述的定子鐵心1、轉子導磁齒7均采用硅鋼片等導磁材料；軸8采用高強度非導磁材料，如不銹鋼。
[0042]本發明所提出的繞組互補型轉子永磁磁通切換電機，其特點在于電樞繞組放置于定子側，永磁體放置于轉子側，有效提高了定子側與轉子側的空間利用率，增大了槽面積，提高了電機的轉矩密度與功率密度；電樞繞組采用集中式繞組，減小了端部繞組長度，降低了端部電阻大小，提高了電機效率；每相電樞繞組中I號線圈與2號線圈具有互補特性，有效抑制了永磁磁鏈與空載感應電勢中的諧波含量，使永磁磁鏈與空載感應電勢具有高度正弦特性，使得電機特別適合于做交流調速系統的驅動元件。
[0043]轉子側永磁體米用表面內置混合結構，表面永磁體貼裝在轉子導磁齒表面，可通過調節表面永磁體結構參數調節轉子極弧，優化永磁磁鏈與空載感應電勢正弦特性；表面永磁體產生的磁動勢與內置永磁體產生的磁動勢在磁路上構成串聯,可通過改變表面永磁體與內置永磁體結構參數，優化表面永磁體與內置永磁體體積配比，提高永磁磁鏈與空載感應電勢幅值。
[0044]表面永磁體與內置永磁體在磁路上構成串聯，有效提高了電機的抗去磁能力。
[0045]容錯齒與定子軛部、定子鐵心齒、表面永磁體、轉子導磁齒以及內置永磁體共同構成主磁通回路；由附圖1中繞組互補型轉子永磁磁通切換電機機械結構可知，在轉子運行過程中，由于容錯齒的作用，互補的兩個線圈所在的磁通回路中的磁場能量對定轉子相對位置的導數正負相反，相互抵消，有效抑制了定位力矩的產生，減小了運行過程中的轉矩脈動，定位力矩波形如附圖4所示。
[0046]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.繞組互補型轉子永磁磁通切換電機，其特征在于，包括定子鐵心(I)和轉子模塊；所述定子鐵心(I)與轉子齒模塊(4)均為凸極結構； 定子鐵心⑴上設置有電樞繞組(2)和容錯齒(3)，所述電樞繞組⑵為集中式繞組，采用半齒繞結構，相鄰兩個電樞繞組(2)之間有容錯齒(3)； 轉子模塊包括轉子齒模塊(4)和軸(8)，轉子齒模塊(4)固定于軸(8)上；轉子齒模塊(4)包括表面永磁體(5)、內置永磁體(6)和若干組轉子導磁齒(7);每組轉子導磁齒(7)包括兩個轉子導磁齒(7)，所述內置永磁體(6)嵌入兩個轉子導磁齒(7)之間；內置永磁體(6)均米用切向充磁,且充磁方向一致；每組兩個轉子導磁齒(7)表面均貼裝一塊表面永磁體(5),該兩塊表面永磁體(5)米用徑向充磁,充磁方向相反；表面永磁體(5)在磁路上與內置永磁體(6)構成串聯結構。
2.如權利要求1所述繞組互補型轉子永磁磁通切換電機，其特征在于，每相電樞繞組(2)均包括四個線圈，分別為I號線圈、2號線圈、3號線圈和4號線圈；各相電樞繞組(2)中I號線圈與3號線圈徑向相對；2號線圈與4號線圈徑向相對；1號線圈與2號線圈空間位置相差90° ;且各相電樞繞組(2)之間空間位置相差60°。
3.如權利要求1所述繞組互補型轉子永磁磁通切換電機，其特征在于，每相電樞繞組(2)中空間位置相差90°的兩個線圈如I號線圈與2號線圈內匝鏈的永磁磁鏈具有互補特性，因此順向串聯，構成I個線圈組，每相下的兩個線圈組可依據工況順向串聯或者并聯，共同構成一相電樞繞組(2)。
4.如權利要求1所述繞組互補型轉子永磁磁通切換電機，其特征在于，容錯齒(3)位于相鄰兩個線圈之間；定子鐵心(I)包括定子鐵心軛部和定子齒，定子鐵心軛部、定子齒、容錯齒(3)、表面永磁體(5)、內置永磁體￠)與轉子導磁齒(7)共同構成主磁通閉合回路。
5.如權利要求1所述繞組互補型轉子永磁磁通切換電機，其特征在于，如權利要求1所述繞組互補型轉子永磁磁通切換電機，其特征在于所述定子鐵心(I)為直槽結構。
6.如權利要求1所述繞組互補型轉子永磁磁通切換電機，其特征在于，所述表面永磁體(5)和內置永磁體(6)均為永磁材料如釹鐵硼、鐵氧體、釤鈷。
7.如權利要求1所述繞組互補型轉子永磁磁通切換電機，其特征在于，定子鐵心(I)、轉子導磁齒(7)均為硅鋼片等導磁材料；所述軸(8)為高強度非導磁材料。
【文檔編號】H02K1/24GK104201852SQ201410462477
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月11日 優先權日:2014年9月11日
【發明者】花為, 蘇鵬, 張淦, 程明 申請人:東南大學