一種軸向勵磁的磁通切換電的制造方法
【專利摘要】本發明提出了一種軸向勵磁的磁通切換電機，包括軸(1)、電機外殼(3)、N極爪極(4)、磁軛(5)、S極爪極(9)、電樞繞組、勵磁元件(7)和轉子鐵心(8)，勵磁元件可以為永磁體，也可以為電勵磁繞組。電機總的定子極數為12n，轉子極數為5n，n為自然數。電機定子上的兩個N極與兩個S極間隔排列，相鄰的一對N極定子極和S極定子極上繞有一個電樞線圈，相鄰的電樞線圈繞向相反。本發明的電機能夠實現集中勵磁，可以有效利用電機內部空間提供足夠的勵磁繞組的匝數或永磁體；具備外轉子結構，十分適合作為汽車的輪轂式電機。
【專利說明】一種軸向勵磁的磁通切換電機
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種軸向勵磁的磁通切換電機，屬于特種電機本體設計【技術領域】。
【背景技術】
[0002]磁通切換電機是一種新型無刷結構的定子永磁型雙凸極電機，克服了傳統轉子永磁型電機的諸多缺點，具有較好的應用前景。近幾年隨著控制技術的發展，越來越多的學者開始對磁通切換電機進行比較系統的研究，其中研究比較多的有東南大學和浙江大學坐寸ο
[0003]相對于傳統的轉子型永磁電機來說,本發明提出的磁通切換電機勵磁兀件位于定子上，不會產生不可逆退磁。磁通切換電機的轉子與開關磁阻電機轉子相似，既無永磁體也無繞組，機械強度高，適合高速或者超高速運行，且對環境的要求較低，適合運行于較惡劣的環境。磁通切換電機的每相永磁磁鏈為雙極性，且磁鏈和反電勢波形都接近正弦分布，電機出力大，轉矩密度和功率密度較高。
[0004]目前國內外已有部分磁通切換電機的研究，例如申請號為:201410019112.1的發明專利申請:一種同軸雙永磁式磁通切換電機，提出了一種減小定位力矩的方法，即同軸安裝兩個永磁式磁通切換電機的兩個定子和兩個轉子，并規定了其安裝角度。公開的發明專利申請:定子聚磁式磁通切換橫向磁通永磁風力發電機，申請號:201310580833.5,公開了一種可以提高電機永磁體的利用率的聚磁式磁通切換電機。
[0005]上述磁通切換電機的專利申請有效提高了這方面的研究水平，但卻是使用永磁材料勵磁的，這樣的勵磁方式使得該電機作為發電機運行時難以調節輸出電壓，作為電動機運行時又存在一定的弱磁擴速困難。而采用電勵磁的磁通切換電機能較好的解決調節輸出電壓的問題。但是為了提高勵磁效率，通常電勵磁電機的勵磁繞組匝數非常多，因此勵磁繞組占據空間非常大。因此有限的槽部空間很難安裝上足夠的電勵磁繞組。
[0006]為了解決這一問題，本發明提出了一種新型的磁通切換電機，該電機將勵磁元件安裝于兩個爪極中間，因此勵磁繞組的匝數將可以足夠大，以提供足夠的勵磁磁場；將電機轉子外置，以實現集中勵磁；另外，爪極上的極采用每隔兩個N極有兩個S極的特殊技術以使該電機的反電勢為正弦波；在繞組方面，將勵磁元件安裝于爪極中間，將電樞繞組繞一對N、S極安裝于定子極上。這些技術經 申請人:檢索，目前國內外尚未檢索到本發明提出的鐵心、勵磁元件以及繞組配置方面的申請。
【發明內容】
[0007]為了發明一種高效勵磁的磁通切換電機，本發明提出了一種軸向勵磁的磁通切換電機。本發明采用如下技術方案:
一種軸向勵磁的磁通切換電機，其特征在于:
包括軸(I)、電機外殼(3)、N極爪極(4)、磁軛(5)、S極爪極(9)、電樞繞組、勵磁元件
(7)和轉子鐵心⑶； 所述軸(I)、N極爪極(4)、S極爪極(9)、電樞繞組和勵磁元件(7)組成電機的定子，所述電機的單元電機的定子極數為12，即電機總的定子極數為12η，η為自然數，表示單元電機個數；N極爪極(4)和S極爪極(9)的極數皆為6η ；Ν極爪極(4)上的第一個極與第二個極相差360° /12η，第三個極與第二個極相差360° /4η，第四個極與第三個極相差360° /12η，第五個極與第四個極相差360° /4η，第六個極與第五個極相差360° /12η；S極爪極(9)上的第一個極與第二個極相差360° /12η，第三個極與第二個極相差360° /4η，第四個極與第三個極相差360° /12η，第五個極與第四個極相差360° /4η，第六個極與第五個極相差360° /12η ;以此類推；Ν極爪極(4)和S極爪極(9)在電機的圓周方向上每隔兩個N極有兩個S極，即兩個N極與兩個S極間隔排列；
所述N極爪極(4)和S極爪極(9)固定在軸⑴上，N極爪極(4)和S極爪極(9)中間有勵磁元件(7)，勵磁元件(7)可產生軸向磁場；
所述電樞繞組為三相電樞繞組,每相電樞繞組由同相位的電樞線圈組成；每個電樞線圈都圍繞一個N極定子極和一個S極定子極繞制，即相鄰的一對N極定子極和S極定子極上繞有一個電樞線圈，相鄰的電樞線圈繞向相反；沿圓周方向上的線圈可按照相位依次分為A相繞組、B相繞組和C相繞組。
[0008]所述轉子鐵心(8)固定在電機外殼(3)上，可繞軸(I)旋轉；轉子極數可取為5η或7η,優選為5η。
[0009]如上所述的一種軸向勵磁的磁通切換電機，其特征在于:所述勵磁元件(7)為勵磁繞組,勵磁繞組形成的圓環內部有導磁的磁軛(5)和導磁的軸(I)。
[0010]如上所述的一種軸向勵磁的磁通切換電機，其特征在于:所述勵磁元件(7)為永磁體，永磁體形成的圓環內部為非導磁的磁軛(5)和非導磁的軸(I)。
[0011]如上所述的一種軸向勵磁的磁通切換電機，其特征在于:所N極爪極(4)和S極爪極(9)上的極采用斜極結構。
[0012]本發明的技術不僅具有傳統的磁通切換電機的優點，即轉子結構簡單可靠，同時還具備以下有益效果如下:
⑴勵磁元件只有一個，能夠實現集中勵磁，可以有效利用電機內部空間提供足夠的勵磁繞組的匝數或永磁體；
⑵勵磁元件遠離電樞繞組，部分電樞反應磁場可以經轉子鐵心自行閉合，經過因此大電流時電樞繞組的去磁影響小；
⑶傳統的磁通切換電機各個極上的永磁體很難保證性能完全相同，這就會使電機的各相之間存在一定的不對稱性。本發明的技術幾乎不存在上述問題；
⑷具備外轉子結構，十分適合作為汽車的輪轂式電機；
(5)可以方便的實現斜極，以取得更好的反電勢正弦特性。
[0013]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明一種軸向勵磁的磁通切換電機電勵磁實施例的縱向剖視圖，其定轉子極數分別24極和10極。其中:1、軸；2、軸承；3、電機外殼；4、N極爪極；5、磁軛；6、電樞線圈；7、勵磁繞組；8、轉子鐵心；9、S極爪極；10、導線。
[0015]圖2是本發明一種軸向勵磁的磁通切換電機永磁勵磁實施例的縱向剖視圖,其定轉子極數分別24極和10極。其中:1、軸；2、軸承；3、電機外殼；4、N極爪極；5、磁軛；6、電樞線圈；7、勵磁繞組；8、轉子鐵心；9、S極爪極；10、導線。
[0016]圖3是本發明一種軸向勵磁的磁通切換電機N極爪極橫向剖視圖。1、軸；3、電機外殼；4、N極爪極；61、A相電樞線圈；62、B相電樞線圈；63、C相電樞線圈。
[0017]圖4是本發明一種軸向勵磁的磁通切換電機S極爪極橫向剖視圖。1、軸；3、電機外殼；9、S極爪極；61、A相電樞線圈；62、B相電樞線圈；63、C相電樞線圈。
[0018]圖5是本發明一種軸向勵磁的磁通切換電機電樞繞組示意圖。其中:4、N極爪極；6、電樞線圈；9、S極爪極。A1、A2、A3和A4分別表示A相第一個線圈、A相第二個線圈、A相第三個線圈和A相第四個線圈，B1、B2、B3和B4分別表示B相第一個線圈、B相第二個線圈、B相第三個線圈和B相第四個線圈，Cl、C2、C3和C4分別表示C相第一個線圈、C相第二個線圈、C相第三個線圈和C相第四個線圈。
[0019]圖6是本發明一種軸向勵磁的磁通切換電機的反電勢波形圖。
[0020]
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發明創造做進一步詳細說明。
[0022]圖1是本發明一種軸向勵磁的磁通切換電機電勵磁實施例的縱向剖視圖，該電機包括軸⑴、電機外殼⑶、N極爪極(4)、磁軛(5)、S極爪極(9)、電樞繞組、勵磁繞組(7)和轉子鐵心(8)。所述軸(1)、N極爪極(4)、S極爪極(9)、電樞繞組和勵磁繞組(7)組成電機的定子，所述電機的定轉子極數分別24極和10極，由于單元電機的定子極數為12，因此該電機由兩個單元電機組成，n=2。
[0023]所述N極爪極⑷和S極爪極(9)固定在軸(I)上，N極爪極⑷和S極爪極(9)中間有勵磁元件(7)，勵磁繞組(7)可產生軸向磁場；
所述轉子鐵心(8)固定在電機外殼(3)上，可繞軸(I)旋轉；轉子極數可取為10或14，優選為5n。
[0024]勵磁繞組形成的圓環內部有導磁的磁軛(5)和導磁的軸(I)。
[0025]圖2是本發明一種軸向勵磁的磁通切換電機永磁勵磁實施例的縱向剖視圖，該電機包括軸⑴、電機外殼⑶、N極爪極⑷、磁軛(5)、S極爪極(9)、電樞繞組、永磁體(7)和轉子鐵心(8)。所述軸(1)、N極爪極(4)、S極爪極(9)、電樞繞組和永磁體(7)組成電機的定子，所述電機的定轉子極數分別24極和10極，由于單元電機的定子極數為12，因此該電機由兩個單元電機組成，n=2。
[0026]所述N極爪極⑷和S極爪極(9)固定在軸(I)上，N極爪極⑷和S極爪極(9)中間有永磁體(7),永磁體(7)可產生軸向磁場；永磁體形成的圓環內部為非導磁的磁軛
(5)和非導磁的軸(I)。
[0027]所述轉子鐵心(8)固定在電機外殼(3)上，可繞軸(I)旋轉；所述勵磁元件(7)為勵磁繞組，勵磁繞組形成的圓環內部有導磁的磁軛(5)和導磁的軸(I)。
[0028]圖3是本發明一種軸向勵磁的磁通切換電機N極爪極橫向剖視圖。
[0029]N極爪極⑷的極數為6n ;N極爪極⑷上的第一個極與第二個極相差360° /12η，第三個極與第二個極相差360° /4η，第四個極與第三個極相差360° /12η，第五個極與第四個極相差360° /4η，第六個極與第五個極相差360° /12η；
所述電機的轉子極數可取為10或14，本實施例中優選為5η=10。
[0030]圖4是本發明一種軸向勵磁的磁通切換電機S極爪極橫向剖視圖。S極爪極(9)的極數為6n ;S極爪極(9)上的第一個極與第二個極相差360° /12η，第三個極與第二個極相差360° /4η，第四個極與第三個極相差360° /12η，第五個極與第四個極相差360° /4η，第六個極與第五個極相差360° /12η;以此類推。
[0031]所述電機的轉子極數可取為10或14，本實施例中優選為5η=10。
[0032]在電機的圓周方向上，每隔兩個N極有兩個S極，兩個N極與兩個S極間隔排列；每個電樞線圈都圍繞一個N極定子極和一個S極定子極繞制，即相鄰的一對N極定子極和S極定子極上繞有一個電樞線圈，相鄰的電樞線圈繞向相反；沿圓周方向上的線圈可按照相位依次分為A相繞組、B相繞組和C相繞組。
[0033]圖5是本發明一種軸向勵磁的磁通切換電機電樞繞組示意圖。所述電樞繞組為三相電樞繞組，每相電樞繞組由同相位的電樞線圈組成；每個電樞線圈都圍繞一個N極定子極和一個S極定子極繞制，即相鄰的一對N極定子極和S極定子極上繞有一個電樞線圈,相鄰的電樞線圈繞向相反；沿圓周方向上的線圈可按照相位依次分為A相繞組、B相繞組和C相繞組。
[0034]如上所述的一種軸向勵磁的磁通切換電機，其特征在于:所N極爪極(4)和S極爪極(9)上的極采用斜極結構。
[0035]圖6是本發明一種軸向勵磁的磁通切換電機的反電勢波形圖。可以看出其反電勢為正弦波，因此作為電動機運行時，該電機可以使用電勵磁或永磁同步電機的控制方法進行控制；作為發電機運行時，可以作為電勵磁或永磁同步發電機進行控制。。
[0036]下面對本發明提出的起動發電機進行工作原理的說明。
[0037]本發明的磁通切換電機工作在發電狀態時，由于勵磁繞組或永磁體可提供軸向磁場，因此電樞繞組有磁鏈通過。當外轉子旋轉時，磁路的磁阻發生變化，因此電樞繞組的磁鏈就會發生變化，從而產生感應電動勢。
[0038]本發明的磁通切換電機工作在電動狀態時，也由勵磁繞組或永磁體提供磁場。由于一相電樞繞組的磁鏈會隨著轉子的變化而變化，若給磁鏈增加的一相繞組通以正向電流，給磁鏈減小的一相繞組通以正向電流，則電機會產生正的轉矩，驅動電機正轉。這種工作原理與永磁同步電機相似。
[0039]本發明提出的磁通切換電機磁鏈路徑比較復雜，其中勵磁元件離電樞繞組的距離較遠，電樞繞組產生的電樞反應磁場大部分經過定子極和轉子極閉合，因此電樞反應對該電機的磁鏈和反電勢影響較小，電機的反電勢畸變和抗去磁能力強。
[0040]本發明提出的磁通切換電機集中勵磁，其勵磁磁勢完全相等，因此解決了傳統的分布勵磁時各永磁體材料均一'I"生不佳的問題。
[0041]本發明提出的特殊結構十分適合作為汽車的輪轂式電機，而且所提出的結構使得爪極加工成所需要的斜極時工藝比較簡單。而傳統的硅鋼片疊加成的斜極在固定工藝上較為復雜。
[0042]需要指出的是，本發明的磁通切換電機的極數并非是個有限組合內的選擇問題，而是只有在這種極數的匹配下才能取得所述性能的特殊結構。當轉子極嚙入某定子極，該定子極上繞組的磁阻逐漸減小；當轉子極滑出某定子極，該定子極上繞組的磁阻逐漸增加。從圖3和圖4可以看出，假設電機順時針旋轉，此時A相電樞繞組的磁阻由最大值正開始減小、B相電樞繞組的磁阻即將達到最大值、而C相電樞繞組的磁阻正在由最小值逐漸增加。因此只有在這種極數匹配下才能使三相電樞繞組的磁阻周期性變化且電位角相差120°電角度。
[0043]需要指出的是，以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化和替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種軸向勵磁的磁通切換電機,其特征在于: 包括軸(I)、電機外殼(3)、N極爪極(4)、磁軛(5)、S極爪極(9)、電樞繞組、勵磁元件(7)和轉子鐵心⑶； 所述軸(I)、N極爪極(4)、S極爪極(9)、電樞繞組和勵磁元件(7)組成電機的定子，所述電機的單元電機的定子極數為12，即電機總的定子極數為12η，η為自然數，表示單元電機個數；N極爪極(4)和S極爪極(9)的極數皆為6η ；Ν極爪極(4)上的第一個極與第二個極相差360° /12η，第三個極與第二個極相差360° /4η，第四個極與第三個極相差360° /12η，第五個極與第四個極相差360° /4η，第六個極與第五個極相差360° /12η；S極爪極(9)上的第一個極與第二個極相差360° /12η，第三個極與第二個極相差360° /4η，第四個極與第三個極相差360° /12η，第五個極與第四個極相差360° /4η，第六個極與第五個極相差360° /12η ;以此類推；Ν極爪極(4)和S極爪極(9)在電機的圓周方向上每隔兩個N極有兩個S極，即兩個N極與兩個S極間隔排列； 所述N極爪極(4)和S極爪極(9)固定在軸⑴上，N極爪極(4)和S極爪極(9)中間有勵磁元件(7)，勵磁元件(7)可產生軸向磁場； 所述電樞繞組為三相電樞繞組,每相電樞繞組由同相位的電樞線圈組成；每個電樞線圈都圍繞一個N極定子極和一個S極定子極繞制，即相鄰的一對N極定子極和S極定子極上繞有一個電樞線圈，相鄰的電樞線圈繞向相反；沿圓周方向上的線圈可按照相位依次分為A相繞組、B相繞組和C相繞組； 所述轉子鐵心(8)固定在電機外殼(3)上，可繞軸(I)旋轉；轉子極數可取為5η或7η，優選為5η。
2.如權利要求1所述的一種軸向勵磁的磁通切換電機，其特征在于:所述勵磁元件(7)為勵磁繞組，勵磁繞組形成的圓環內部有導磁的磁軛(5)和導磁的軸(I)。
3.如權利要求1所述的一種軸向勵磁的磁通切換電機，其特征在于:所述勵磁元件(7)為永磁體，永磁體形成的圓環內部為非導磁的磁軛(5)和非導磁的軸(I)。
4.如權利要求1所述的一種軸向勵磁的磁通切換電機，其特征在于:所N極爪極(4)和S極爪極(9)上的極采用斜極結構。
【文檔編號】H02K1/14GK104505962SQ201510020925
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月16日 優先權日:2015年1月16日
【發明者】劉從臻, 史立偉, 沈法鵬, 閆曉亮, 王昭鵬, 陳正強, 陳志朋 申請人:山東理工大學