一種分區(qū)定子式混合勵(lì)磁電機(jī)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種電工、電機(jī)領(lǐng)域中的分區(qū)定子式混合勵(lì)磁電機(jī)，轉(zhuǎn)軸外部是由內(nèi)而外依次同軸設(shè)置的內(nèi)定子、中間轉(zhuǎn)子和外定子，外定子沿圓周方向均勻設(shè)有36個(gè)外定子齒，外定子齒上繞有電樞繞組；內(nèi)定子沿圓周方向均勻設(shè)有36個(gè)內(nèi)定子齒，內(nèi)定子齒上繞有集中式勵(lì)磁繞組，中間轉(zhuǎn)子由16個(gè)導(dǎo)磁塊和16個(gè)永磁體沿圓周方向交替均勻放置組成，導(dǎo)磁塊和永磁體的內(nèi)徑、外徑分別相同，導(dǎo)磁塊和永磁體側(cè)面緊密貼合在一起，相鄰兩塊永磁體的充磁方向相差90o，沿順時(shí)針的圓周方向上的16塊永磁體的N極依次沿逆時(shí)針反向旋轉(zhuǎn)90o，有效增加了永磁體單獨(dú)勵(lì)磁時(shí)電樞繞組側(cè)的永磁磁通，改善了電機(jī)功率密度的同時(shí)減小了永磁磁場對勵(lì)磁繞組側(cè)的影響。
【專利說明】
一種分區(qū)定子式混合勵(lì)磁電機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電工、電機(jī)領(lǐng)域，具體涉及一種具有永磁體和電勵(lì)磁繞組兩種勵(lì)磁源 的混合勵(lì)磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 相比傳統(tǒng)電勵(lì)磁同步電機(jī)，永磁電機(jī)具有高功率密度和高效率等優(yōu)點(diǎn)。但是由于 采用永磁磁鋼勵(lì)磁，永磁電機(jī)存在氣隙磁場不易調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍受限等問題?；旌蟿?lì)磁同步 電機(jī)具有永磁體和電勵(lì)磁繞組兩種勵(lì)磁源，其中永磁體產(chǎn)生永磁磁場作為電機(jī)主磁場，并 與電勵(lì)磁磁場共同作用產(chǎn)生電機(jī)氣隙總磁場。當(dāng)調(diào)節(jié)電勵(lì)磁電流幅值和方向時(shí)能對電機(jī)氣 隙總磁場產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)混合勵(lì)磁同步電機(jī)氣隙磁場可調(diào)并拓寬調(diào)速范圍的目 的。
[0003] 中國專利公開號為CN101594040A的文獻(xiàn)中提出了一種使用Halbach永磁體的混合 勵(lì)磁式直線同步電機(jī)，由于Halbach永磁體的單側(cè)磁場增強(qiáng)特性，使得該電機(jī)氣隙磁密明顯 增強(qiáng)，且氣隙磁密更接近正弦波，減少了一般永磁體設(shè)置方式所產(chǎn)生的諧波磁場，既降低了 諧波漏抗，又提高了電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。但是該電機(jī)的電樞繞組和勵(lì)磁繞組分別安裝在直 線電機(jī)的動(dòng)子和定子空間上，勵(lì)磁電流通過滑環(huán)引入，降低了電機(jī)的可靠性，增加了維護(hù)成 本。
[0004] 中國專利公開號為CN102820755A的文獻(xiàn)中提出了一種三維磁路結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁 同步電機(jī)，該電機(jī)的勵(lì)磁繞組置于電機(jī)轉(zhuǎn)子端部，勵(lì)磁磁場通過旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)磁橋進(jìn)入轉(zhuǎn)子，進(jìn) 而實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁磁場和永磁磁場的疊加。借助于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁橋的作用，該電機(jī)取消了滑環(huán)電刷裝 置，實(shí)現(xiàn)混合勵(lì)磁同步電機(jī)無刷化。然而，該電機(jī)具有的三維磁路結(jié)構(gòu)增加了電機(jī)設(shè)計(jì)、分 析和制造的難度。
[0005] 中國專利公開號為CN101277053A的文獻(xiàn)中提出了一種磁通切換混合勵(lì)磁電機(jī)，基 于該電機(jī)的單邊勵(lì)磁特點(diǎn)，將勵(lì)磁繞組、電樞繞組和永磁體一起安裝在電機(jī)的定子上，而其 轉(zhuǎn)子僅為設(shè)為凸極的鐵心，因此避免了滑環(huán)電刷的使用，簡化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，增加了運(yùn)行可靠 性。然而，由于該電機(jī)的所有勵(lì)磁源均位于電機(jī)定子上，不可避免的導(dǎo)致勵(lì)磁繞組與電樞繞 組之間在安裝空間上的矛盾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有混合勵(lì)磁電機(jī)存在的問題，提出了一種新型拓 撲結(jié)構(gòu)的Halbach永磁陣列轉(zhuǎn)子的分區(qū)定子式混合勵(lì)磁電機(jī)，避免現(xiàn)有混合勵(lì)磁電機(jī)使用 滑環(huán)電刷裝置的同時(shí)，提高電機(jī)空間利用率，有效緩解勵(lì)磁繞組、電樞繞組和永磁體三者安 裝空間的矛盾。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:本發(fā)明具有一根轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸外部是由 內(nèi)而外依次同軸設(shè)置的內(nèi)定子、中間轉(zhuǎn)子和外定子，外定子內(nèi)壁和中間轉(zhuǎn)子外壁之間具有 外氣隙，中間轉(zhuǎn)子內(nèi)壁和內(nèi)定子外壁之間具有內(nèi)氣隙；外定子沿圓周方向均勻設(shè)有36個(gè)外 定子齒，外定子齒上繞有電樞繞組；內(nèi)定子沿圓周方向均勾設(shè)有36個(gè)內(nèi)定子齒，內(nèi)定子齒上 繞有集中式勵(lì)磁繞組，一個(gè)內(nèi)定子齒和一個(gè)外定子齒在徑向上 正對；中間轉(zhuǎn)子由16個(gè) 導(dǎo)磁塊和16個(gè)永磁體沿圓周方向交替均勻放置組成，導(dǎo)磁塊和永磁體的內(nèi)徑、外徑分別相 同，導(dǎo)磁塊和永磁體側(cè)面緊密貼合在一起，相鄰兩塊永磁體的充磁方向相差90°，沿順時(shí)針 的圓周方向上的16塊永磁體的N極依次沿逆時(shí)針反向旋轉(zhuǎn)90°。
[0008] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后具有的技術(shù)效果為： 1、本發(fā)明將勵(lì)磁繞組與電樞繞組分別安裝于內(nèi)外定子上，分區(qū)式的定子結(jié)構(gòu)分別繞制 電樞繞組和勵(lì)磁繞組，而永磁體則位于轉(zhuǎn)子上，避免了現(xiàn)有混合勵(lì)磁電機(jī)使用的滑環(huán)電刷 裝置的同時(shí)，有效利用了電機(jī)內(nèi)部空間，提高了電機(jī)空間利用率，且有利于保留永磁電機(jī)的 高功率密度特點(diǎn)；同時(shí)可以有效避免現(xiàn)有混合勵(lì)磁同步電機(jī)勵(lì)磁繞組、電樞繞組和永磁體 三者之間安裝空間上的矛盾。
[0009] 2、本發(fā)明中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由具有Halbach陣列特點(diǎn)永磁體和調(diào)磁導(dǎo)磁塊相結(jié)合，并 通過合理設(shè)置永磁體的徑向、切向充磁方向，充分利用其單邊聚磁效應(yīng)，有效增加了永磁體 單獨(dú)勵(lì)磁時(shí)電樞繞組側(cè)的永磁磁通，改善了電機(jī)功率密度的同時(shí)，減小了永磁磁場對勵(lì)磁 繞組側(cè)的影響。
[0010] 3、本發(fā)明利用轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)磁鐵心，基于磁齒輪原理對交流勵(lì)磁磁場進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn) 生與永磁磁場極對數(shù)和旋轉(zhuǎn)速度相同、且相位可調(diào)的諧波磁場分量，避免了現(xiàn)有混合勵(lì)磁 同步電機(jī)基于復(fù)雜三維磁路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無刷化的問題，降低了電機(jī)設(shè)計(jì)和分析的難度。
[0011] 4、本發(fā)明工作時(shí)，其電勵(lì)磁磁場主要經(jīng)過轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心進(jìn)入電機(jī)氣隙，而不需要 經(jīng)過磁阻較大的永磁材料，因此可以顯著提升其調(diào)磁能力，同時(shí)，有效降低了永磁體因電勵(lì) 磁磁場造成的不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明一種分區(qū)定子式混合勵(lì)磁電機(jī)的徑向截面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1所示電機(jī)的四分之一內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及三相繞組分布放大示意圖； 圖3為本發(fā)明電機(jī)中永磁磁通和電勵(lì)磁磁通示意圖； 圖4為本發(fā)明電機(jī)勵(lì)磁磁場增磁時(shí)合成磁場加強(qiáng)示意圖； 圖5為本發(fā)明電機(jī)勵(lì)磁磁場去磁時(shí)合成磁場減弱示意圖。
[0013] 圖中：1.外定子;2.外定子槽;3.中間轉(zhuǎn)子;4.內(nèi)定子;5.內(nèi)定子槽;6.轉(zhuǎn)軸;7.電樞 繞組;8.導(dǎo)磁塊;9.永磁體;10.勵(lì)磁繞組；11.永磁磁通;12.電勵(lì)磁磁通。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 參見圖1，本發(fā)明提供一種分區(qū)定子式混合勵(lì)磁電機(jī)由外向內(nèi)依次是外定子1、中 間轉(zhuǎn)子3、內(nèi)定子4和轉(zhuǎn)軸6。轉(zhuǎn)軸6外部是由內(nèi)而外依次同軸設(shè)置的內(nèi)定子4、中間轉(zhuǎn)子3和外 定子1。中間轉(zhuǎn)子3同軸安裝在外定子1內(nèi)部，外定子1內(nèi)壁和中間轉(zhuǎn)子3外壁之間具有一層外 氣隙；內(nèi)定子4同軸安裝在中間轉(zhuǎn)子3內(nèi)部，中間轉(zhuǎn)子3內(nèi)壁和內(nèi)定子4外壁之間同樣具有一 層內(nèi)氣隙。內(nèi)定子4的中心有開槽，用于安裝轉(zhuǎn)軸6。中間轉(zhuǎn)子3由轉(zhuǎn)軸6帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。內(nèi)、外氣隙 的厚度與電機(jī)的功率等級、所選取的永磁材料以及內(nèi)定子4、外定子1、中間轉(zhuǎn)子3加工和裝 配工藝有關(guān)。
[0015] 參見圖1和圖2，外定子1由外定子輒13、36個(gè)外定子齒14和36個(gè)外定子槽2組成，相 鄰兩個(gè)外定子齒14之間形成外定子槽2。外定子齒14徑向橫截面為T型，T型的頂部靠近中間 轉(zhuǎn)子3，T型的底部和外定子輒13連為一體。在外定子齒14上繞有短距電樞繞組7。36個(gè)外定 子槽2中的每個(gè)外定子槽2中放置有內(nèi)、外兩層電樞繞組7。電樞繞組7節(jié)距為4,極對數(shù)為P= 4。圖2中的"+"為電樞繞組7的進(jìn)線方向，為電樞繞組7的出線方向，A、B、C為電機(jī)三相電 樞繞組。
[0016] 中間轉(zhuǎn)子3由16個(gè)導(dǎo)磁塊8和16個(gè)永磁體9沿圓周方向緊密地交替均勻放置組成， 導(dǎo)磁塊8和永磁體9的內(nèi)徑、外徑分別相同，側(cè)面緊密地貼合在一起，形成整體結(jié)構(gòu)為常規(guī)環(huán) 形的中間轉(zhuǎn)子3;其中相鄰兩塊永磁體9的充磁方向相差90°，沿順時(shí)針的圓周方向上，16塊 永磁體9的N極依次沿逆時(shí)針反向旋轉(zhuǎn)90°，反之，沿逆時(shí)針的圓周方向上，16塊永磁體9的N 極依次沿順時(shí)針反向旋轉(zhuǎn)90°，這樣就在中間轉(zhuǎn)子3的內(nèi)、外兩側(cè)形成了兩個(gè)強(qiáng)度不同的磁 場，其外側(cè)磁場強(qiáng)度被增強(qiáng)，而內(nèi)側(cè)的磁場強(qiáng)度被削弱。圖1和圖2中的箭頭表示永磁體9的 充磁方向。
[0017] 內(nèi)定子4由內(nèi)定子輒15、36個(gè)內(nèi)定子齒16和36個(gè)內(nèi)定子槽5組成，相鄰兩個(gè)內(nèi)定子 齒16之間形成內(nèi)定子槽5,內(nèi)定子齒16徑向橫截面為T型，T型的頂部靠近中間轉(zhuǎn)子3，T型的 底部和內(nèi)定子輒15連為一體。每個(gè)內(nèi)定子齒16和每個(gè)外定子齒14在徑向上正對齊，在空間 位置上一一對應(yīng)。在內(nèi)定子齒16上繞有集中式勵(lì)磁繞組10,每相鄰兩個(gè)內(nèi)定子齒16上的勵(lì) 磁繞組10分別對應(yīng)U、V、W三相，勵(lì)磁繞組10極對數(shù)為P=12。
[0018] 外定子1、導(dǎo)磁塊8和內(nèi)定子4均采用娃鋼片疊制，易于加工。永磁體9材料選擇釹鐵 硼或鐵氧體等其他類型永磁材料。
[0019] 參見圖3，永磁體9產(chǎn)生的永磁磁通11的路徑有兩條:分別是永磁磁通11-1、永磁磁 通11-2,其中永磁磁通11-1的路徑如下:依次經(jīng)過第一個(gè)永磁體9、第一個(gè)外定子齒14、外定 子輒13、第五個(gè)外定子齒14、第三個(gè)永磁體9、第五個(gè)內(nèi)定子齒16、內(nèi)定子輒、第一個(gè)內(nèi)定子 齒16;永磁磁通11-2的路徑如下：依次經(jīng)過第二個(gè)永磁體9、第一個(gè)調(diào)磁塊8、第二個(gè)外定子 齒14、外定子輒13、第四個(gè)外定子齒14。勵(lì)磁繞組10通電時(shí)由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的電勵(lì)磁磁通12 的路徑如下：依次經(jīng)過第二個(gè)內(nèi)定子齒16、第一個(gè)調(diào)磁塊8、第二個(gè)外定子齒14、外定子輒 13、第四個(gè)外定子齒14、第二個(gè)調(diào)磁塊8、第四個(gè)內(nèi)定子齒16、內(nèi)定子輒15。永磁磁通11-1、永 磁磁通11-2和電勵(lì)磁磁通12相互并聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)子極上的總磁通。
[0020] 參見圖4和圖5,當(dāng)勵(lì)磁繞組10通頻率為240Hz、極對數(shù)為P=12的交流電時(shí)，勵(lì)磁繞 組10產(chǎn)生的磁場德分別經(jīng)過勵(lì)磁繞組10、外定子1、外氣隙、調(diào)磁塊8、內(nèi)氣隙、內(nèi)定子4這些 部件，將電機(jī)在空間上平均分成八部分;永磁體9產(chǎn)生的磁場分別經(jīng)過永磁體9、調(diào)磁塊 8、外氣隙、外定子1這些部件，同樣將電機(jī)在空間上平均分成八各部分。磁場為和磁場在 電樞繞組7中相互并聯(lián)。圖4中勵(lì)磁繞組10的磁場與合成磁場同向，表示為勵(lì)磁繞組10對合 成磁場的補(bǔ)償作用，圖5中勵(lì)磁繞組10的磁場與合成磁場反向，表示為勵(lì)磁繞組10對合成磁 場的削弱作用。
[0021] 在三相勵(lì)磁繞組10不通電時(shí)，此時(shí)該電機(jī)為表貼式轉(zhuǎn)子永磁型同步電機(jī)，永磁體9 產(chǎn)生的永磁磁通穿過各個(gè)電樞繞組7的方向就會(huì)不同，導(dǎo)致每相電樞繞組7中所匝鏈的永磁 磁鏈呈周期性變化。
[0022] 在三相勵(lì)磁繞組10中通入超前三相電樞繞組7感應(yīng)電勢相位90°的三相對稱交流 電流時(shí)，可以減小匝鏈到三相集中電樞繞組7中的磁鏈，從而降低感應(yīng)出的電勢。相反，在三 相集中勵(lì)磁繞組10通入滯后電樞繞組7感應(yīng)電勢相位90°的三相對稱交流電流時(shí)，可以增加 匝鏈到三相集中電樞繞組7中的磁鏈，進(jìn)而增大感應(yīng)出的電勢?？梢?，通過改變勵(lì)磁繞組10 中的勵(lì)磁電流大小和相位就可以對永磁磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而克服純永磁型電機(jī)的缺點(diǎn)，使 得該混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)能夠滿足不同性能的需求。所述電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電樞繞組7是雙 層疊繞組，能較方便地設(shè)計(jì)所需的短距繞組，使線圈的端部連接較短，可節(jié)省銅線，又可削 弱諧波，改善電動(dòng)勢和磁動(dòng)勢的波形，勵(lì)磁繞組10是集中繞組，端部短，效率較高，電樞反應(yīng) 磁通和永磁磁通在空間上相互垂直，磁路上是并聯(lián)關(guān)系，使該電機(jī)具有較強(qiáng)的抗去磁能力。
[0023] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分區(qū)定子式混合勵(lì)磁電機(jī)，具有一根轉(zhuǎn)軸(6)，其特征是:轉(zhuǎn)軸(6)外部是由內(nèi)而 外依次同軸設(shè)置的內(nèi)定子(4)、中間轉(zhuǎn)子(3)和外定子(1)，外定子(1)內(nèi)壁和中間轉(zhuǎn)子(3)外 壁之間具有外氣隙，中間轉(zhuǎn)子(3)內(nèi)壁和內(nèi)定子(4)外壁之間具有內(nèi)氣隙；外定子(1)沿圓周 方向均勾設(shè)有36個(gè)外定子齒（14)，外定子齒（14)上繞有電樞繞組(7);內(nèi)定子(4)沿圓周方 向均勻設(shè)有36個(gè)內(nèi)定子齒（16)，內(nèi)定子齒（16)上繞有集中式勵(lì)磁繞組（10)，一個(gè)內(nèi)定子齒 (16)和一個(gè)外定子齒（14)在徑向上 正對；中間轉(zhuǎn)子(3)由16個(gè)導(dǎo)磁塊(8)和16個(gè)永磁體 (9)沿圓周方向交替均勻放置組成，導(dǎo)磁塊(8)和永磁體(9)的內(nèi)徑、外徑分別相同，導(dǎo)磁塊 (8)和永磁體(9)側(cè)面緊密貼合在一起，相鄰兩塊永磁體(9)的充磁方向相差90°，沿順時(shí)針 的圓周方向上的16塊永磁體(9 )的N極依次沿逆時(shí)針反向旋轉(zhuǎn)90°。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種分區(qū)定子式混合勵(lì)磁電機(jī)，其特征是:所述勵(lì)磁繞組（10)中 通入頻率為240Hz、極對數(shù)為P=12的交流電。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種分區(qū)定子式混合勵(lì)磁電機(jī)，其特征是:所述勵(lì)磁繞組（10)中 通入超前電樞繞組(7)感應(yīng)電勢相位90°的三相對稱交流電流，減小匝鏈到電樞繞組(7)中 的磁鏈。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種分區(qū)定子式混合勵(lì)磁電機(jī)，其特征是:所述勵(lì)磁繞組（10)通 入滯后電樞繞組(7)感應(yīng)電勢相位90°的三相對稱交流電流，增加匝鏈到電樞繞組(7)中的 磁鏈。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種分區(qū)定子式混合勵(lì)磁電機(jī)，其特征是:所述外定子齒（14)徑 向橫截面為T型，T型的頂部靠近中間轉(zhuǎn)子(3)，T型的底部和外定子輒(13)連為一體。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種分區(qū)定子式混合勵(lì)磁電機(jī)，其特征是電樞繞組(7)有內(nèi)、外 兩層，電樞繞組(7)節(jié)距為4,極對數(shù)為Ρ=4。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種分區(qū)定子式混合勵(lì)磁電機(jī)，其特征是:所述內(nèi)定子齒（16)徑 向橫截面為T型，T型的頂部靠近中間轉(zhuǎn)子(3)，Τ型的底部和內(nèi)定子輒(15)連為一體，每相鄰 兩個(gè)內(nèi)定子齒（16)上的勵(lì)磁繞組（10)分別對應(yīng)U、V、W三相，勵(lì)磁繞組（10)極對數(shù)為Ρ=12。
【文檔編號】H02K16/04GK105958763SQ201610310845
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】杜懌, 汪奇, 全力, 朱孝勇, 肖鳳, 張超, 丁艷華
【申請人】江蘇大學(xué)