專利名稱：一種混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種電樞線圈匝鏈雙極性永磁磁鏈，永磁體利用率高、采用模塊化轉(zhuǎn)子的雙凸極無刷電機，尤其是一種具有混合勵磁功能的電機，屬于電機制造的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著能源危機的不斷加劇，采用永磁勵磁取代電勵磁以節(jié)省能源消耗已成為全世界的共識，同時由于我國是世界上稀土資源最豐富的國家，開發(fā)研究和推廣應(yīng)用新型結(jié)構(gòu)的稀土永磁電機，具有重要的理論意義和實用價值。特別是目前廣泛研究的混合動力汽車，要求其中的電機驅(qū)動系統(tǒng)體積小、重量輕、效率高、可靠性強，免維護、轉(zhuǎn)矩出力大、調(diào)速范圍寬。然而，由于永磁電機自身存在氣隙磁場無法調(diào)節(jié)的瓶頸，限制了其在混合動力汽車中的應(yīng)用。絕大多數(shù)的永磁電機空載永磁磁鏈都大于直軸電感與額定電流的乘積，永磁電機在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩和恒功率區(qū)的最高運行轉(zhuǎn)速之間是一對無法調(diào)和的矛盾:一方面，增大永磁磁鏈固然可以提高電機的最大轉(zhuǎn)矩輸出能力，同時會限制電機的高速運行(由于不斷增大的空載反電動勢)；另一方面，當逆變器的電流限額和電機的直軸電感固定時，減小永磁磁鏈有利于提高電機的恒功率運行范圍但會限制轉(zhuǎn)矩出力。因此，上述永磁電機的缺點成了限制其應(yīng)用推廣的瓶頸。而目前出現(xiàn)的以轉(zhuǎn)子永磁型電機為原型的混合勵磁電機大部分都將直流勵磁繞組放置定子。為了給電勵磁磁通提供一條不論是徑向還是軸向與永磁磁通并行的路徑，所提出的電機結(jié)構(gòu)都非常復雜，不論從制造工藝還是成品化大規(guī)模生產(chǎn)而言，都面臨巨大的挑戰(zhàn)?；旌蟿畲判偷碾姍C如果為了實現(xiàn)磁場的調(diào)節(jié)而從結(jié)構(gòu)復雜度上需要做出重大犧牲，其競爭力將會大打折扣。另一方面，上個世紀90年代國際上陸續(xù)出現(xiàn)了三種新型結(jié)構(gòu)的定子永磁型電機，即磁通脈動永磁電機、磁通切換永磁電機和磁通反向永磁電機,其結(jié)構(gòu)共性為將永磁體和電樞繞組都置于定子，轉(zhuǎn)子僅由硅鋼片等軟磁材料組成。其中，磁通反向電機的結(jié)構(gòu)原理是在每個凸極定子齒上并排安裝兩塊極性相反的永磁體，其目的是為了獲得雙極性的永磁磁鏈，但該結(jié)構(gòu)直接導致兩塊磁 鋼和定子齒形成短路，漏磁嚴重，降低了單位磁鋼的利用率。而傳統(tǒng)的定子表貼式電機中，電樞磁鏈呈單極性變化，降低了永磁體的利用率，而本發(fā)明正是在定子表貼式永磁電機結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，提出了一種模塊化轉(zhuǎn)子的混合勵磁型定子表面貼裝式無刷電機，力圖在保持純永磁式電機基礎(chǔ)之上不做重大修改即可實現(xiàn)混合勵磁功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種模塊化轉(zhuǎn)子的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極無刷電機，該電機可合理安排電勵磁繞組空間，在不額外增加原純永磁型電機的體積條件下可進一步提高電機的功率密度，同時通過對電勵磁電流和電樞電流的靈活調(diào)節(jié)全方面提高各項性能，包括最大轉(zhuǎn)矩、恒功率最高運行轉(zhuǎn)速和整個運行區(qū)范圍內(nèi)的高效率。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種模塊化轉(zhuǎn)子的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極電機，該電機包括:定子、集中電樞繞組、轉(zhuǎn)子導磁鐵心、永磁體、單相集中勵磁繞組和隔磁機構(gòu)；其特征在于:所述定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心均為凸極結(jié)構(gòu)；定子齒分為兩組，分別是貼有永磁體的永磁齒和套有電樞繞組線圈的電樞齒，且所述電樞齒和永磁齒交替分布；所述集中電樞繞組各線圈分別套在一個定子電樞齒上；所述永磁體分別貼裝于一個定子永磁齒面向轉(zhuǎn)子的表面，各永磁體均為徑向充磁，且相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反；所述集中勵磁繞組的各線圈分別套在一個定子勵磁齒上，且各勵磁線圈串聯(lián)成為單相勵磁繞組；所述轉(zhuǎn)子由U型導磁轉(zhuǎn)子鐵心和隔磁機構(gòu)組成，且各U型導磁轉(zhuǎn)子鐵心分別嵌于隔磁機構(gòu)中；所述轉(zhuǎn)子U形導磁鐵心單元之間可以通過連接橋連接在一起，由于連接橋內(nèi)部磁場高度飽和，磁阻較大，可以有效的防止漏磁。所述定子鐵心和轉(zhuǎn)子導磁鐵心均為凸極結(jié)構(gòu)，所述定子包括定子鐵心、集中式電樞繞組、永磁體和集中式勵磁繞組，所述轉(zhuǎn)子包括U型轉(zhuǎn)子導磁鐵心和隔磁機構(gòu)。勵磁繞組通入電流方向不同，電勵磁磁通與永磁磁通方向相同或相反，其中，當通入增磁性質(zhì)的勵磁電流時，各勵磁線圈產(chǎn)生的電勵磁磁通與其所在定子永磁齒下貼裝的永磁體所產(chǎn)生的永磁磁通方向相同，電勵磁到增磁作用；當通入去磁性質(zhì)的勵磁電流時，各勵磁線圈產(chǎn)生的電勵磁磁通與其所在定子永磁齒下貼裝的永磁體所產(chǎn)生的永磁磁通方向相反，電勵磁到去磁作用。組成一相的電樞繞組線圈之間具有繞組互補性，電樞感應(yīng)電勢是正弦波或方波。根據(jù)特定的定轉(zhuǎn)子齒槽配合，所述的集中式電樞繞組的各線圈可連接成單相或多相電樞繞組；所述集中式電樞繞組可采用分布繞組的形式。所述各永磁鐵均為徑向充磁，且相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反；所述永磁體是鐵氧體或者釹鐵硼的永磁材料。所述轉(zhuǎn)子鐵心可以通過連接橋連接成為一個整體。轉(zhuǎn)子鐵心和隔磁機構(gòu)位于定子的外部，變成外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。所述定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心和連接橋的材料均為硅鋼片的導磁材料。所述隔磁機構(gòu)的材料是銅、鋁的不導磁材料。

所述電機可作為發(fā)電機或電動機運行。另一方面，由于該電機定轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)雙凸極結(jié)構(gòu)的特點，使得該混合勵磁型定子表面貼裝式無刷電機可較易獲得非常接近于梯形波或正弦波的永磁磁鏈、空載感應(yīng)電勢等靜態(tài)特性，此外，也可以通過轉(zhuǎn)子斜槽一定角度，獲得更為正弦的反電動勢，使本發(fā)明適合于作為無刷交流驅(qū)動方式的交流調(diào)速系統(tǒng)元件。此外，該電機結(jié)構(gòu)上的特點導致其空載氣隙磁通密度較大，電機具有較強的轉(zhuǎn)矩輸出能力，功率密度較高；同時，電樞繞組與勵磁繞組都是集中繞組，端部短，電阻較小，效率較高。本發(fā)明的技術(shù)方案所取得的有益效果；
1、由于本發(fā)明的電機中，集中式電樞繞組、集中式勵磁繞組和永磁體均位于定子側(cè)，有利于改善電機運行時的冷卻條件，便于電機散熱；
2、本發(fā)明電機保留了傳統(tǒng)雙凸極電機定轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)的特性，可通過不同的定轉(zhuǎn)子齒槽配合，較容易得到接近方波或正弦波的每相繞組感應(yīng)電勢波形，控制方式較為靈活，適應(yīng)不同的交流調(diào)速與伺服驅(qū)動場合；3、本發(fā)明電機增加的一套電勵磁繞組在無需增加電機體積的條件下即可安放；
4、在磁通反向雙凸極永磁電機中，每個定子齒下貼有兩塊充磁方向相反的永磁體，永磁體間漏磁較為嚴重，而本發(fā)明電機中每個定子永磁齒上只貼有一塊永磁，顯著削弱了永磁體漏磁，提高了永磁體利用率；
5、相比較于傳統(tǒng)的定子表面貼裝式雙凸極永磁電機，該發(fā)明電機中米用模塊化轉(zhuǎn)子，且只有一半數(shù)目的定子齒下貼有永磁體，電樞繞組各線圈匝鏈的永磁磁通為雙極性，具有較高的永磁體利用率；
6、由于本發(fā)明電機的電樞和勵磁繞組都采用集中式繞組，因此繞組端部較短，有利于提聞電機效率和降低制造成本。


圖1為本發(fā)明電機的橫向剖視圖。圖2為本發(fā)明電機添加連接橋的橫向剖視圖。圖3為本發(fā)明電機工作原理 圖4為本發(fā)明電機在不同勵磁工況下的A相電樞繞組單匝磁鏈波形 圖5為本發(fā)明電機在不同勵磁工況下的A相電樞繞組單匝感應(yīng)電勢波形 附圖標記:1-定子鐵心，2-集中式電樞繞組，3-轉(zhuǎn)子鐵心，4-永磁體，5-集中勵磁繞組，6-隔磁機構(gòu)，7-連接橋。
具體實施方式
·下面將參照附圖對本發(fā)明進行說明。如圖1所示，本發(fā)明公開了一種模塊化轉(zhuǎn)子的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極電機，包括定子鐵心1、三相集中式電樞繞組2、轉(zhuǎn)子鐵心3、永磁體4、單相集中式勵磁繞組5和隔磁機構(gòu)6。本發(fā)明的采用模塊化轉(zhuǎn)子的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極電機包括定子和轉(zhuǎn)子兩個部分，根據(jù)不同的應(yīng)用場合可以采取內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子兩種形式。所述定子鐵心I和轉(zhuǎn)子鐵心3都為凸極結(jié)構(gòu)，在定子I上設(shè)置有集中式電樞繞組2、永磁鐵4和集中式勵磁繞組5。所述定子齒分為兩組，分別是貼有永磁體的定子齒(稱為永磁齒)和套有電樞線圈的定子齒(稱為電樞齒)，且電樞齒和永磁齒交替分布。所述永磁體均為徑向充磁，各永磁體分別貼裝于一個定子永磁齒面向轉(zhuǎn)子的表面，且相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反，即第一個定子永磁齒下永磁體極性分布若為N-S,則隔開一個電樞齒后與之相鄰的定子永磁齒下的永磁體極性為S-N,依次交錯分布于定子表面。所述永磁體的材料是鐵氧體或釹鐵硼等其他永磁材料。所述轉(zhuǎn)子由U型轉(zhuǎn)子鐵心3和隔磁機構(gòu)6組成，且各U型導磁鐵心的下端分別嵌于隔磁機構(gòu)中，轉(zhuǎn)子部分既無永磁鐵也無繞組。所述轉(zhuǎn)子鐵心3是硅鋼片等導磁材料，所述隔磁機構(gòu)可以是銅、鋁等不導磁材料。三相集中式電樞繞組2的各線圈分別套在一個定子電樞齒上，由線圈201和線圈204串聯(lián)成為A相電樞繞組；由線圈202、線圈205串聯(lián)成為B相電樞繞組；由線圈203和線圈206串聯(lián)成為C相電樞繞組。隨電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在電樞繞組的各線圈中會匝鏈雙極性變化的磁鏈，進而產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動勢。集中式勵磁繞組5—共有六個集中線圈，分別置于六個定子永磁齒上。其中第一勵磁繞組線圈501、第二勵磁繞組線圈502、第三勵磁繞組線圈503、第四勵磁繞組線圈504、第五勵磁繞組線圈505、第六勵磁繞組線圈506均為集中式線圈串聯(lián)連接，組成單相勵磁繞組。因此，每個定子槽中分布有電樞繞組2和勵磁繞組5兩個線圈各自一個圈邊。需要說明的是，本發(fā)明電機中，每個定子永磁齒下只貼有一塊永磁體，且電樞磁鏈呈雙極性變化，使得永磁體利用率顯著高于磁通反向雙凸極永磁電機和傳統(tǒng)的定子表面貼裝式永磁電機。由U型轉(zhuǎn)子鐵心3和隔磁機構(gòu)6組成的轉(zhuǎn)子可以是直槽轉(zhuǎn)子，保證了本發(fā)明電機可獲得非常接近于梯形波或正弦波分布的每相永磁磁鏈和空載感應(yīng)電勢等靜態(tài)特性。此夕卜，也可以對轉(zhuǎn)子斜槽一定角度，獲得更加正弦的電樞感應(yīng)電勢，使得本發(fā)明電機的控制方式較為靈活，適應(yīng)不同的交流調(diào)速與伺服驅(qū)動場合。如圖2所示，所述的轉(zhuǎn)子U形鐵心3之間可以通過連接橋7連接在一起，使得電機轉(zhuǎn)子鐵心成為一個整體。所述連接橋7內(nèi)部磁場高度飽和，使得連接橋的磁導率接近空氣，可以顯著削弱漏磁，令連接橋無導磁效果，只起到將轉(zhuǎn)子U型導磁鐵心單元連接為一體的作用。圖3A和圖3B為本發(fā)明電機的工作原理圖。由3A和圖3B可見，在圖中所示的轉(zhuǎn)子位置，對勵磁繞組通入的勵磁電流后，各勵磁線圈所產(chǎn)生的勵磁磁鏈和其所在永磁齒下貼裝的永磁體所產(chǎn)生的永磁磁鏈方向相同時，此時電勵磁磁場起到增強永磁勵磁磁場的作用，進而增大了電樞繞組中匝鏈的勵磁磁鏈和感應(yīng)電動勢，即為增磁性質(zhì)的電勵磁磁鏈；而更改勵磁繞組的電流方向后，各勵磁線圈所產(chǎn)生的勵磁磁鏈和其所在永磁齒下貼裝的永磁體所產(chǎn)生的永磁磁鏈方向相反，電勵磁磁場起到削弱永磁勵磁磁場的作用，進而減小了電樞繞組中匝鏈的勵磁磁鏈和·感應(yīng)電動勢,即為去磁性質(zhì)的電勵磁磁鏈。通過更改通入勵磁繞組的電流的方向和大小，可以起到調(diào)節(jié)勵磁磁場的效果，此即為混合勵磁原理。充磁方向4— 1、永磁磁鏈8、增磁性質(zhì)電勵磁磁鏈9、去磁性質(zhì)電勵磁磁鏈10。圖3A中電勵磁繞組通入增磁性質(zhì)的電流時，各集中式勵磁線圈產(chǎn)生的電勵磁磁通與所在定子永磁齒上貼裝的永磁體所產(chǎn)生的永磁磁通方向相同,此時電勵磁磁場增強永磁磁場，圖3B中改變勵磁電流方向，則各集中式勵磁線圈產(chǎn)生的電勵磁磁通與所在定子永磁齒上貼裝的永磁體所產(chǎn)生的永磁磁通方向相反,此時電勵磁磁場削弱永磁磁場。圖4和圖5分別是A相電樞繞組在純永磁(即純永磁勵磁)、增磁(即增磁性質(zhì)電勵磁和永磁勵磁共同作用)和去磁(即去磁性質(zhì)電勵磁和永磁勵磁共同作用)三種勵磁工況下的空載單匝磁鏈波形和感應(yīng)電勢波形。隨著勵磁繞組通入電流方向不同，電勵磁磁通與永磁勵磁磁通方向相同或相反，分別起到增強勵磁磁場(即增磁)或削弱勵磁磁場(即去磁)作用。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種模塊化轉(zhuǎn)子的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極電機，該電機包括:定子(I)、集中電樞繞組(2 )、轉(zhuǎn)子導磁鐵心(3 )、永磁體(4 )、單相集中勵磁繞組(5 )和隔磁機構(gòu)(6 );其特征在于:所述定子鐵心(I)和轉(zhuǎn)子鐵心(3)均為凸極結(jié)構(gòu)；定子齒分為兩組，分別是貼有永磁體的永磁齒和套有電樞繞組線圈的電樞齒，且所述電樞齒和永磁齒交替分布；所述集中電樞繞組(2)各線圈分別套在一個定子電樞齒上；所述永磁體(4)分別貼裝于一個定子永磁齒面向轉(zhuǎn)子的表面，各永磁體均為徑向充磁，且相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反；所述集中勵磁繞組(5)的各線圈分別套在一個定子勵磁齒上，且各勵磁線圈串聯(lián)成為單相勵磁繞組；所述轉(zhuǎn)子由U型導磁轉(zhuǎn)子鐵心(3)和隔磁機構(gòu)(6)組成，且各U型導磁轉(zhuǎn)子鐵心(3)分別嵌于隔磁機構(gòu)(6)中；所述轉(zhuǎn)子U形導磁鐵心單元之間可以通過連接橋(7)連接在一起，由于連接橋(7)內(nèi)部磁場高度飽和，磁阻較大，可以有效的防止漏磁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極永磁電機，其特征在于，所述定子鐵心(I)和轉(zhuǎn)子導磁鐵心(3)均為凸極結(jié)構(gòu)，所述定子包括定子鐵心(I)、集中式電樞繞組(2)、永磁體(4)和集中式勵磁繞組(5)，所述轉(zhuǎn)子包括U型轉(zhuǎn)子導磁鐵心(3)和隔磁機構(gòu)(6 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極電機，其特征在于，勵磁繞組通入電流方向不同，電勵磁磁通與永磁磁通方向相同或相反,其中，當通入增磁性質(zhì)的勵磁電流時，各勵磁線圈產(chǎn)生的電勵磁磁通與其所在定子永磁齒下貼裝的永磁體所產(chǎn)生的永磁磁通方向相同，電勵磁到增磁作用；當通入去磁性質(zhì)的勵磁電流時，各勵磁線圈產(chǎn)生的電勵磁磁通與其所在定子永磁齒下貼裝的永磁體所產(chǎn)生的永磁磁通方向相反，電勵磁到去磁作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極電機，其特征在于，組成一相的電樞繞組線圈之間具有繞組互補性，電樞感應(yīng)電勢是正弦波或方波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極永磁電機，其特征在于，根據(jù)特定的定轉(zhuǎn)子齒槽配合，所述的集中式電樞繞組(2)的各線圈可連接成單相或多相電樞繞組；所述集中式電樞繞組(2)可采用分布繞組的形式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極電機，其特征在于，所述各永磁鐵(4)均為徑向充磁，且相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反；所述永磁體(4)是鐵氧體或者釹鐵硼的永磁材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極永磁電機，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子鐵心(3 )可以通過連接橋(7 )連接成為一個整體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極永磁電機，其特征在于，轉(zhuǎn)子鐵心(3)和隔磁機構(gòu)(6)位于定子(I)的外部，變成外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1一 8任一項所述的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極永磁電機，其特征在于，所述定子鐵心(I)、轉(zhuǎn)子鐵心(3)和連接橋(7)的材料均為硅鋼片的導磁材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1一 8任一項所述的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極永磁電機，其特征在于，所述隔磁機構(gòu)(6)的材料是銅、鋁的不導磁材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1一 8任一項所述的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極永磁電機，其特征在于，所述電機可作為發(fā)電機或電動機運行。
全文摘要
一種采用模塊化轉(zhuǎn)子的混合勵磁型定子表面貼裝式雙凸極電機，一方面定子部分采用了集中式電樞繞組與集中式勵磁繞組，定子齒分為兩組，分別是貼有永磁體的定子齒和套有電樞繞組線圈的定子齒，且電樞齒和永磁齒交替分布。各徑向交替充磁的永磁體分別貼裝于一個定子永磁齒面向轉(zhuǎn)子的表面。電樞繞組各線圈分別套在一個定子電樞齒上，集中式勵磁繞組各線圈分別套在一個定子永磁齒上。本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上保留定子表面貼裝式雙凸極永磁電機結(jié)構(gòu)緊湊、易于散熱等優(yōu)勢，無需額外增加電機體積就可實現(xiàn)混合勵磁功能，保證電機具有較強的轉(zhuǎn)矩輸出能力和較高的功率密度，特別適合要求體積小出力大的應(yīng)用場合，能實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的大轉(zhuǎn)矩和恒功率區(qū)的寬調(diào)速功能。
文檔編號H02K1/14GK103248148SQ20131018042
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月15日
發(fā)明者花為, 張淦, 施銘, 程明 申請人:東南大學