磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機，氣隙設置在所述定子和模塊化轉子之間；勵磁繞組設置在相鄰的兩“U”形定子單元A、“U”形定子單元B之間、永磁體的外圍；“U”形定子單元A所圍成的槽中并排放置了兩個集中電樞繞組線圈A、集中電樞繞組線圈B；永磁體置于兩“U”形定子單元A、“U”形定子單元B之間。本發明減少了永磁體的長度，節約了因永磁材料價格高昂帶來的成本問題，也使得電機的渦流損耗減少；此外，勵磁繞組的加入，一方面彌補了永磁體減少導致的磁場削弱，另一方面實現磁鏈可調節，使得輸出轉矩可以隨應用場合的需求上下調整，具有優越的靈活性。
【專利說明】
磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機
技術領域
[0001]本發明屬于電機制造領域，涉及到磁通切換型永磁電機，特別是混合勵磁磁通切換型永磁電機，適用于要求高轉速運行、寬范圍調速的應用場合，屬于新型電機制造技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著國民生活水平和消費水平的飛速提高，我國對于自然能源的消耗大幅度上升，各種非再生能源日益減少，在此能源危機加劇的情況下，采用永磁勵磁取代電勵磁以節省能源消耗成為廣泛的選擇。與此同時，由于我國是世界上稀土資源最豐富的國家，開發研究和推廣應用新型結構的稀土永磁電機，具有重要的理論意義和實用價值。
[0003]由于永磁材料具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線等特點，永磁電機得到了廣泛研究，目前得到廣泛研究的永磁電機主要分為轉子永磁型和定子永磁型電機。法國學者E.Hoang提出的經典12/10磁通切換型永磁電機屬于定子永磁型電機，永磁體和電樞繞組都位于定子上，轉子上既無繞組也無永磁體，結構簡單，散熱方便，轉動慣量小，運行可靠而且有高功率密度、高效率、可獲得高度正弦反電勢等特點。因此，自研究以來，永磁磁通切換電機得到了很大的發展。
[0004]然而，磁通切換型永磁電機也不可避免地具有其缺點，例如只有永磁體勵磁，其調磁能力有限。為了在保留磁通切換型永磁電機各項優勢的前提下盡可能拓寬其調磁范圍以滿足調速、發電等場合的要求，并進一步應用于航空領域，近年來，國內外學者對于混合勵磁磁通切換型永磁電機進行了廣泛而深入的研究。
[0005]中國發明專利申請號201110097982.7公開了一種混合勵磁分段轉子磁通切換電機，米用分塊轉子結構，將8塊扇形導磁材料嵌入不導磁的轉子套中，將徑向充磁的永磁體添加到勵磁齒上，每個勵磁齒上既有勵磁繞組又有永磁體，且在每個勵磁齒上設計兩個導磁橋，分居永磁體兩側，使該電機除具有普通磁通切換電機的優點外，還具有一定的容錯性能和高溫高速適應性。但是，也由于導磁橋的存在，使得漏磁增加，如果只是簡單地去除導磁橋，因為永磁體的磁化方向與電樞繞組所產生的磁場方向互相垂直，永磁體在齒端會產生退磁，當電流很大時會產生不可逆退磁。中國發明專利申請號201320018334.2公開了一種分瓣轉子并列式混合勵磁磁通切換雙凸極電機，采用了勵磁繞組相串聯匝繞在電勵磁部分勵磁齒上，電樞繞組Bi繞在電勵磁部分與永磁部分對應的電勵磁部分電樞齒和永磁部分電樞齒上，分為三相，相對兩個電樞齒上匝繞的電樞繞組反向串聯組成一相，使得該電機具有寬范圍的磁場調節、較優的容錯性能和相繞組互感自感比得到了降低等優點。但是，永磁體磁場和電勵磁磁場不在同一個平面上，雖然避免了永磁體的磁化方向與電樞繞組所產生的磁場方向互相垂直所導致的永磁體退磁，卻也限制了永磁體的磁化方向與電樞繞組所產生的磁場方向互相平行所帶來的種種優點。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是，針對現有磁通切換型永磁電機的不足，提出一種磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機，其采用新型的模塊化轉子結構和混合勵磁方式，大大降低了永磁體和轉子的體積，使得轉子轉動慣量減小，動態性能得到提升，并且在大大減少電機的渦流損耗和鐵心損耗的同時節約了成本，且由于混合勵磁方式的應用，使得該電機一方面解決了磁通切換型永磁電機不能綜合高速運行和寬范圍調速的問題，另一方面彌補了永磁體體積的減少帶來的轉矩降低。
[0007]具體地說，本發明是采取以下的技術方案來實現的:磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機，包括定子和模塊化轉子；
[0008]氣隙設置在定子和模塊化轉子之間；所述模塊化轉子由“V”形轉子單元組成，呈圓周狀均等分布，開口槽向向外;所述定子包括“U”形定子單元，呈圓周狀均等分布，開口槽向向里，且定子單元兩兩之間留有間隙，每個“U”形定子單元A槽中并排放置兩個集中電樞繞組線圈A、集中電樞繞組線圈B，每個電樞繞組線圈A橫跨在兩個相鄰的定子單元A、定子單元B的齒上;永磁體置于兩“U”形定子單元A、定子單元B之間的下1/3間隙處;每兩個“U”形定子單元A、定子單元B之間縱向放置兩個集中勵磁繞組線圈A、勵磁繞組線圈B，每個勵磁繞組線圈A橫跨在一個“U”形定子單元上。
[0009]進一步，所述的永磁體占兩“U”形定子單元A、定子單元B間隙體積的I/3，沿切向充磁，相鄰放置的兩個永磁體充磁方向相反。
[0010]進一步，施加在勵磁繞組A上的電流可以根據實際的需要及散熱條件選擇電流方向以及幅值的大小。
[0011 ]進一步，永磁體的磁化方向與電樞繞組所產生的磁場方向相互平行，解決了永磁體在齒端易于退磁的缺點。
[0012]進一步，永磁體的放置方式可以是在兩“U”形定子單元A、定子單元B的上、中和下1/3 處。
[0013]進一步，定子和模塊化轉子由導磁材料制成，永磁體可以根據實際的需要選用高磁能積的釹鐵硼或適于高溫環境下的釤鈷。
[0014]進一步，模塊化轉子的制作方式可根據實際的需要選擇0.5mm硅鋼片疊壓而成或者整塊硅鋼片切割而成。
[0015]進一步，定子內外徑之比為0.52?0.58 ；轉子齒寬與定子極弧之比為0.95?1.05。
[0016]有益效果:
[0017]1.本發明中的模塊化轉子結構大大降低了轉子的體積，使得轉子轉動慣量減小，動態性能得到提升。
[0018]2.本發明中的混合勵磁方式，減少了永磁體的體積，在大大減少電機的渦流損耗的同時節約了成本。
[0019]3.本發明中的模塊化轉子結構和混合勵磁方式，使得該電機一方面解決了磁通切換電機不能綜合高速運行和寬范圍調速的問題，另一方面彌補了永磁體體積的減少帶來的轉矩降低。
[0020]4.本發明中的集中式的繞組結構，增強了各相繞組間的獨立性，提升了電機的容?昔f生會K O
[0021 ] 5.本發明利用新型的模塊化轉子結構，使得轉子體積減少了 11 %左右，定子內外徑之比為0.52?0.58;轉子齒寬與定子極弧之比為0.95?1.05，相較于傳統磁通切換型永磁電機的轉子質量減輕，使得轉動慣量減少，電機的動態性能較佳，電機鐵耗得到降低，提升了電機的工作效率;減少了永磁體的長度，永磁體僅剩傳統磁通切換型永磁電機所用永磁體的1/3，節約了因永磁材料價格高昂帶來的成本問題，也使得電機的渦流損耗減少;此夕卜，勵磁繞組的加入，一方面彌補了永磁體減少導致的磁場削弱，另一方面實現磁鏈可調節，使得輸出轉矩可以隨應用場合的需求上下調整，具有優越的靈活性。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明實施例電機的結構示意圖。
[0023]圖2為本發明實施例電機的磁場分布圖。
[0024]圖3為本發明實施例電機與傳統磁通切換型永磁電機的鐵心損耗、永磁體渦流損耗對比圖。
[0025]圖1中標號名稱:1、定子，11、永磁體，12、定子單元A，13、定子單元B，2、模塊化轉子，21、轉子單元，3、電樞繞組，31、電樞繞組線圈A，32、電樞繞組線圈B，4、勵磁繞組，41、勵磁繞組線圈A，42、勵磁繞組線圈B。
【具體實施方式】
[0026]下面以一個具體的12/10三相電機，參照附圖，對本發明電機的結構特點和有益效果進行詳細描述。
[0027]如圖1所示，本發明公開了磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機，氣隙5設置在定子I和模塊化轉子2之間;所述模塊化轉子2由5個“V”形轉子單元21按照每72°—塊呈圓周狀均等分布，開口槽向向外；12個“U”形定子單元A12按照每30°—塊呈圓周狀均等分布，開口槽向向里，兩兩之間留有7.5°的間隙，定子I內外徑之比為0.52?0.58;轉子2齒寬與定子I極弧之比為0.95?1.05;每個“U”形定子單元A12槽中并排放置兩個集中電樞繞組線圈A31、集中電樞繞組線圈B32，每個電樞繞組線圈A31橫跨在兩個相鄰的定子單元A12、定子單元B13的齒上;永磁體置于兩“U”形定子單元A12、定子單元B13之間的下1/3間隙處;每兩個“U”形定子單元A12、定子單元B13之間縱向放置兩個集中勵磁繞組線圈A41、勵磁繞組線圈B42，每個勵磁繞組線圈A41橫跨在一個“U”形定子單元Al 2上。
[0028]為了清楚闡述本發明的【具體實施方式】，下面將結合附圖中的三相電機對本發明加以說明，可以看到，轉子2由5個“V”形轉子單元21按照每72°—塊呈圓周狀均等分布，體積相對于傳統的磁通切換型永磁電機減少了約11% ; “U”形定子單元A12內側和兩“U”形定子單元A12、定子單元B13間隙匝繞有兩套繞組線圈，電樞繞組線圈A31匝繞在“U”形定子單元12內側，勵磁繞組線圈A41匝繞在兩“U”形定子單元A12、定子單元B13間隙處;永磁體11的用量相對于磁通切換型永磁電機減少了 2/3，切向內嵌入兩“U”形定子單元A12、定子單元B13間隙的下1/3，沿切向充磁，相鄰放置的永磁體11充磁方向相反。
[0029]磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機由于存在轉子模塊化，因此相對于磁通切換型永磁電機而言轉軸需要一定的改進措施，如添加轉子套結構等。
[0030]磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機的勵磁繞組4可根據實際需要施加不同幅值及極性的電流，由于勵磁繞組4位于定子上，電流幅值較高時帶來的熱量可以采用多種方式解決且簡單易行，如空氣冷卻、水冷卻和蒸發冷卻等。
[0031]圖2為本發明實施例電機的磁場分布圖。如圖所示，通過轉子鐵心的磁力線長度較短，分布稀疏，使得渦流損耗在由永磁體體積減少之外得到了更進一步的減少。
[0032]圖3比較了傳統磁通切換型永磁電機和本發明實施例電機，在相同轉速1500r/min情況下的電機的鐵心損耗和永磁體渦流損耗。如圖所示，本發明實施例電機的渦流損耗大大降低了，且鐵心損耗相較于傳統磁通切換型永磁電機降低了 1/3，在一定程度上提高了電機的運行效率。
[0033]綜上，本發明中的混合勵磁方式和模塊化轉子結構大大減小了永磁體和娃鋼片的用量，使得電機在保持轉矩不變的情況下大大減少了永磁體渦流損耗和鐵心損耗，且該種結構使得轉子質量小，轉動慣量小，動態性能得到了很大的提升。
[0034]在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示意性實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0035]盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由權利要求及其等同物限定。
【主權項】
1.磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機，其特征在于:包括定子(I)和模塊化轉子(2)； 氣隙(5)設置在定子(I)和模塊化轉子(2)之間；所述模塊化轉子(2)由“V”形轉子單元(21)組成，呈圓周狀均等分布，開口槽向向外;所述定子(I)包括“U”形定子單元，呈圓周狀均等分布，開口槽向向里，且定子單元兩兩之間留有間隙，每個“U”形定子單元A(12)槽中并排放置兩個集中電樞繞組線圈A(31)、集中電樞繞組線圈B(32)，每個電樞繞組線圈A(31)橫跨在兩個相鄰的定子單元A(12)、定子單元B(13)的齒上;永磁體(11)置于兩“U”形定子單元A(12)、定子單元B(13)之間的下1/3間隙處;每兩個“U”形定子單元A(12)、定子單元B(13)之間縱向放置兩個集中勵磁繞組線圈A(41)、勵磁繞組線圈B(42)，每個勵磁繞組線圈A(41)橫跨在一個“U”形定子單元上。2.根據權利要求1所述的磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機，其特征在于:所述的永磁體(11)占兩“U”形定子單元A( 12)、定子單元B( 13)間隙體積的1/3，沿切向充磁，相鄰放置的兩個永磁體(11)充磁方向相反。3.根據權利要求1所述的磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機，其特征在于:施加在勵磁繞組A(41)上的電流可以根據實際的需要及散熱條件選擇電流方向以及幅值的大小。4.根據權利要求1所述的磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機，其特征在于:永磁體(11)的磁化方向與電樞繞組所產生的磁場方向相互平行。5.根據權利要求1所述的磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機，其特征在于:永磁體(11)的放置方式可以是在兩“U”形定子單元A(12)、定子單元B(13)的上、中和下1/3處。6.根據權利要求1所述的磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機，其特征在于:定子(I)和模塊化轉子(2)由導磁材料制成，永磁體(11)可以根據實際的需要選用高磁能積的釹鐵硼或適于高溫環境下的釤鈷。7.根據權利要求1所述的磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機，其特征在于:模塊化轉子(2)的制作方式可根據實際的需要選擇0.5mm硅鋼片疊壓而成或者整塊硅鋼片切割而成。8.根據權利要求1所述的磁鏈可調節及低渦流損耗模塊化轉子永磁電機，其特征在于:定子(I)內外徑之比為0.52?0.58;轉子(2)齒寬與定子(I)極弧之比為0.95?1.05。
【文檔編號】H02K1/16GK105871093SQ201610285343
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月29日
【發明人】王亞琦, 姚甜, 趙文祥
【申請人】江蘇大學