一种双速绕组定子表面贴装式双凸极永磁电机

摘要

本发明公开了一种采用模块化转子的双速绕组定子表面贴装式双凸极永磁电机，该电机由定子铁心（1）、高速集中电枢绕组（2）、低速集中电枢绕组（3）、永磁体（4）、转子铁心（5）和隔磁机构（6）组成，高速集中式电枢绕组各线圈分别横跨在一个定子铁心齿上，所述的低速集中式电枢绕组各线圈分别横跨在各定子永磁齿上。通过控制信号的分配，可以使该电机实现在低速运行与高速运行之间的通电绕组切换，使得本采用模块化转子的双速绕组定子表面贴装式双凸极永磁电机能够同时满足低速区及高速区的性能要求，以使恒转矩区的大转矩输出与恒功率区的宽调速运行在本双速绕组磁通切换型电机上均可以实现。

说明书

技术领域

本发明涉及电机制造的技术领域，尤其涉及一种双速绕组和模块化转子的定子表面贴装式双凸极永磁电机。

背景技术

随着能源危机的不断加剧，研究开发和推广应用新型结构的高效能稀土永磁电机以节省能源，具有重要的理论意义和实用价值。特别是目前广泛研究的混合动力汽车，要求其中的电机驱动系统体积小、重量轻、效率高、转矩出力大、调速范围宽等。定子表面贴装式双凸极永磁电机作为一种典型的定子永磁型双凸极无刷电机，其转子上既无永磁体也无绕组，永磁体和集中电枢绕组均位于定子上，依据“磁通反向”原理工作，具有接近方波或正弦波的空载感应电势、转子结构简单坚固、适合高速运行、功率密度高等优点，在工业驱动、电气调速、搅拌系统、电动汽车、家用电器、纺织机械等领域中已显示出强大的竞争力与广阔的应用前景。

以电动汽车驱动系统为代表的应用场合要求电机系统能够实现恒转矩区的大转矩输出与恒功率区的宽调速运行。然而，对常规的电机驱动系统而言，这两个要求很难同时满足。其原因在于低速区的大转矩输出与高速区的恒功率弱磁运行是一对无法调和的矛盾，在设计电机与控制器时通常只能兼顾两个区域的性能需求，而无法充分发挥各自区域的最大能力。具体而言，传统的定子表面贴装式双凸极（双凸极指定子和转子均为凸极结构）永磁电机定子上若干个齿均匀分布，齿形完全相同，绕组采用均匀绕法，即每个定子齿上都套有匝数相同且线径相同的集中式线圈，将一个定子槽分为两半，分属于不同相的两个线圈的圈边并列排布在同一个定子槽中。多相对称绕组线圈沿定子圆周均匀分布，若干个线圈根据性能需求串联、并联或者混联组成一相绕组，且电机某相工作时组成该相的所有线圈均通电。采用上述传统绕组结构的定子表面贴装式双凸极永磁电机只能在低速区或者高速区中的某一个运行区域内呈现出较好的性能，很难同时满足整个运行范围内的高性能要求，限制了其在电动汽车等要求短时低速大转矩输出能力强、高速恒功率区范围宽的应用场合的进一步推广和发展。因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种可以同时实现恒转矩区的大转矩输出与恒功率区的宽调速运行的定子表面贴装式双凸极永磁电机。

本发明的采用模块化转子的双速绕组定子表面贴装式双凸极永磁电机包括：该电机由定子铁心、高速集中式电枢绕组（也称高速绕组）、低速集中式电枢绕组（也称低速绕组）、永磁体、U型转子导磁铁心和隔磁机构；其特征在于：所述定子铁心和转子铁心均为凸极结构；所述定子齿分为两组，分别是在定子齿面向气隙的表面贴有永磁体的定子永磁齿和在定子齿面向气隙的表面无永磁体的定子铁心齿；所述定子永磁齿和定子铁心齿沿圆周交替分布成环状，所述高速集中式电枢绕组的各线圈分别横跨在各定子铁心齿上，所述的低速集中式电枢绕组的各线圈分别横跨在一个定子永磁齿上；所述径向充磁的永磁体分别贴装于一个定低速定子齿面向转子的表面，且相邻两块永磁体的充磁方向相反；所述转子由U型转子导磁铁心和隔磁机构组成，且各U型转子导磁铁心的下端分别嵌于隔磁机构中；所述转子U形导磁单元之间可以通过连接桥连接在一起，连接桥内部磁场高度饱和，磁阻较大，可以有效的防止漏磁。

所述定子铁心和转子导磁铁心均为凸极结构；所述永磁体、高速集中电枢绕组和低速集中电枢绕组均位于定子侧；所述转子包括U型转子导磁铁心和隔磁机构。

所述高速集中式电枢绕组线圈或所述低速集中式电枢绕组线圈可根据需要连接成三相或多相结构。

所述径向充磁的永磁体分别贴装于一个定低速定子齿面向转子的表面，且相邻两块永磁体的充磁方向相反，相邻两块永磁体之间间隔有一个定子铁心齿，所述永磁体的材料是铁氧体或者钕铁硼的永磁材料。

电机两套绕组相互独立，且每套绕组各相之间的互感都较小。

所述转子U型转子导磁铁心通过连接桥连接成为一个整体，所述的连接桥内部磁场高度饱和，无导磁效果，只起到将各U转子导磁铁心连接成一个整体的作用。

转子U型导磁铁心和隔磁机构可以位于定子的外部，变成外转子结构。

所述定子铁心、转子铁心和连接桥的材料均为硅钢片等导磁材料。

所述的永磁体可以是电励磁机构，或者由电励磁和永磁励磁组成的混合励磁机构。

所述隔磁机构的材料是铜、铝或其他不导磁材料。

所述电机可作为发电机或电动机运行。

与现有技术相比，本发明双速绕组定子表面贴装式双凸极永磁电机的定子上设有低速定子齿及高速定子齿，通过控制信号的分配，可以使该电机实现在低速运行与高速运行之间的通电绕组切换，使得本双速绕组定子表面贴装式双凸极永磁电机能够同时满足低速区及高速区的性能要求，以使恒转矩区的大转矩输出与恒功率区的宽调速运行在本双速绕组定子表面贴装式双凸极永磁电机上均可以实现。

进一步的，所述定子和转子均为凸极结构，永磁体、低速集中式电枢绕组和高速集中式电枢绕组均位于定子上，转子上既无绕组也无永磁体。所述转子由U型导磁铁心和隔磁机构组成，且各U型导磁铁心分别嵌于隔磁机构中，导磁铁心可以是硅钢片等导磁材料。所述隔磁机构在固定转子U型导磁铁心的同时，也可以减小风阻，隔磁机构可以是铜、铝等非导磁材料。

进一步的，所述低速绕组与高速绕组彼此独立工作，低速恒转矩范围内低速绕组单独通电，高速恒功率范围内高速绕组单独通电。随着转子旋转，在高速绕组的各线圈匝链的磁通大小经历最大值—最小值—最大值的一个电周期的变化时，低速绕组各线圈匝链的磁通大小经历最大值—最小值—最大值—最小值—最大值的两个电周期的变化，因此低速绕组各线圈的感应电势交变频率是高速绕组各线圈的感应电势交变频率的两倍，采用此种方式选择高速绕组和低速绕组的配置，可以均衡控制电路的开关频率。由于存在两套电枢绕组，即使当其中一套绕组各相都发生故障状态下，仍然可以利用剩余的一套正常绕组输出一定的功率与转矩，保证电机驱动系统的安全可靠。

进一步的，可通过分别优化设计定子永磁齿与定子铁心齿的齿宽，进而优化低速绕组与高速绕组的匝数与线径，使得电机分别单独工作于低速绕组和高速绕组下的机械特性曲线无缝连接，实现整个运行范围内的高性能输出。

有益效果:

1．由于本发明的电机中，永磁体、低速集中式电枢绕组和高速集中式电枢绕组均位于定子侧，有利于改善电机运行时的冷却条件，便于电机散热；

2．由于本发明电机定转子均为凸极结构，使得更容易获得接近梯形波或正弦波的每相永磁磁链和空载感应电势，也可以通过转子斜槽来获得更为正弦的每相绕组空载感应电势，控制方式较为灵活，适应不同的交流调速与伺服驱动场合；

3．本发明电机采用该新型绕组结构，在不增加成本和制造难度的条件下，可分别控制每相低速绕组和高速绕组的电流，以使电机既能在低速运行时输出大转矩，又能在高速运行时具有宽广的调速范围；

4．在本发明电机中，设置有高速集中式电枢绕组的定子铁心齿和设置有低速集中式电枢绕组的定子永磁齿沿圆周交替分布，电机两套电枢绕组相互独立工作，且每套绕组各相之间的互感都很小，具有较强的容错能力，提高了电机的运行可靠性；

5．本发明电机由于存在两套电枢绕组，即使当其中一套绕组各相都发生故障状态下，仍然可以利用剩余的一套正常绕组输出一定的功率与转矩，保证电机驱动系统的安全可靠；

6．在传统磁通反向双凸极永磁电机中，每个定子齿下贴有两块充磁方向相反的永磁体，永磁体间漏磁较为严重，而本发明电机中每个定子永磁齿上只贴有一块永磁，显著削弱了永磁体漏磁，提高了永磁体利用率；

7．相比较于传统的定子表面贴装式双凸极永磁电机，该发明电机中采用模块化转子，且只有一半数目的定子齿下贴有永磁体，高速集中式电枢绕组各线圈匝链的永磁磁通为双极性，单位永磁体的转矩（功率）较大；

8．由于本发明电机的高速电枢绕组和低速电枢绕组均采用了集中式绕组方式，线圈端部较短，有利于提高电机效率和降低制造成本；

9．通过合理的选择定转子齿槽配合，使得组成一相电枢绕组的各线圈具有绕组互补性，可以显著降低合成磁链的谐波含量，提高系统运行可靠性和降低转矩脉动。

附图说明

图1为本发明电机的横向剖视图；

图2为本发明电机添加连接桥的横向剖视图；

图3为本发明电机高速集中式电枢绕组三相感应电势波形；

图4为本发明电机低速集中式电枢绕组三相感应电势波形。

附图标记：1-定子铁心，2-高速集中式电枢绕组，3-低速集中式电枢绕组，4-永磁体，5-转子铁心，6-隔磁机构，7-连接桥。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行进一步地解释说明。

如图1所示，根据本发明的采用模块化转子的双速绕组定子表面贴装式双凸极永磁电机，其包括凸极结构定子铁心1、凸极结构的转子铁心5、高速集中式电枢绕组2、低速集中式电枢绕组3、永磁体4和隔磁机构6。本发明的采用模块化转子的双速绕组定子表面贴装式双凸极永磁电机的定子铁心1和转子铁心5都可以采用硅钢冲片压叠制成，所述定子铁心1和转子铁心5都为凸极结构；在定子上设置有高速集中式电枢绕组2、低速集中式电枢绕组3和永磁体4，所述定子齿分为两组，分别是定子永磁齿（即在定子齿面向气隙的表面贴有永磁体4）和定子铁心齿（即在定子齿面向气隙的表面无永磁体4）；所述定子永磁齿和定子铁心齿沿圆周交替分布成环状；所述的高速集中式电枢绕组2的各线圈分别横跨在各定子铁心齿上，所述的低速集中式电枢绕组3的各线圈分别横跨在各定子永磁齿上。其中三相高速集中式电枢绕组2共有六个线圈，三相低速集中式电枢绕组3也有六个低速集中式电枢绕组线圈。并且高速集中式电枢绕组2的各线圈和低速集中式电枢绕组3的各线圈沿圆周交替分布。

三相高速集中式电枢绕组2的第一高速集中电枢绕组线圈201与第四高速集中电枢绕组线圈204，两者串联组成A相高速集中式电枢绕组，且要保证两绕组线圈通电后的磁链流向相顺。

三相高速集中式电枢绕组2的第二高速集中电枢绕组线圈202与第五高速集中电枢绕组线圈205，两者串联组成B相高速集中式电枢绕组，且要保证两绕组线圈通电后的磁链流向相顺。

三相高速集中式电枢绕组2的第三高速集中电枢绕组线圈203与第六高速集中电枢绕组线圈206，两者串联组成C相高速集中式电枢绕组，且要保证两绕组线圈通电后的磁链流向相顺。

三相低速集中式电枢绕组3的第一低速集中电枢绕组线圈301与第四低速集中电枢绕组线圈304，两者顺序串联组成a相低速集中式电枢绕组，且要保证两绕组线圈通电后的磁链流向相顺。

三相低速集中式电枢绕组3的第二低速集中电枢绕组线圈302与第五低速集中电枢绕组线圈305，两者顺序串联组成b相低速集中式电枢绕组，且要保证两绕组线圈通电后的磁链流向相顺。

三相低速集中式电枢绕组3的第三低速集中电枢绕组线圈303与第六低速集中电枢绕组线圈306，两者顺序串联组成c相低速集中式电枢绕组，且要保证两绕组线圈通电后的磁链流向相顺。

如图1所示，图中箭头所指方向为其所在的永磁体4的充磁方向，各永磁体4均为径向充磁均为径向充磁，各永磁体4分别贴装于各定子永磁齿面向转子的表面，相邻两块永磁体4的充磁方向相反（相邻两块永磁体4之间间隔有一个定子铁心齿）；定子表面贴装式双凸极永磁电机工作遵循最小磁阻原理，随着转子旋转，高速集中式电枢绕组2的各线圈中匝链的永磁磁链呈双极性变化，在高速集中式电枢绕组2的各线圈中感应出接近梯形波变化的空载感应电势，而随着转子旋转，低速集中式电枢绕组3的各线圈匝链的永磁磁链呈现单极性变化，并感应出交变的空载感应电势，在高速集中式电枢绕组2各线圈磁链经历最大值—最小值—最大值的一个电周期的变化时，低速集中式电枢绕组3各线圈磁链经历最大值—最小值—最大值—最小值—最大值的两个电周期的变化，因此低速集中式电枢绕组3的各线圈感应电势的交变频率是高速集中式电枢绕组2的各线圈感应电势交变频率的两倍。所以，当给三相集中式低速电枢绕组3通入三相对称交变电流时，电机具有稳定的转速和电磁转矩输出，此时电机工作于低速大转矩输出状态；同理，给三相集中式高速电枢绕组2通入三相对称交变电流时，电机具也有稳定的转速和电磁转矩输出，此时电机工作于高速低转矩输出状态。

本发明在不改变电机定转子铁心和磁体的条件下，仅通过改变绕组结构即可使电机既能在低速运行时输出大转矩，又能在高速运行时具有宽广的调速范围，符合下一代驱动电机功能的要求。

除了本实施方式中的三相12/10极电机，本发明电机还可以根据需要设计成三相6/4极电机、单相或多相电机等。

采用该新型绕组结构，在不增加成本和制造难度的条件下，可以分别控制每相低速绕组和高速绕组的电流，使电机既能在低速运行时输出大转矩，又能在高速运行时具有宽广的调速范围。

电机永磁齿上套有适合低速运行的低速绕组线圈，铁心齿上套有适合高速运行的高速绕组线圈，故永磁齿和铁心齿可以分别对待，优化各自形状和尺寸，进一步提高电机性能。

所述永磁体4的材料可以是铁氧体或钕铁硼等其他永磁材料。所述转子由U型导磁铁心5和隔磁机构6组成，且各U型导磁铁心5的下端分别嵌于隔磁机构6中，转子部分既无永磁铁也无绕组。所述的转子U形导磁铁心5之间可以通过连接桥7连接在一起，使得电机转子铁心5成为一个整体，如图2所示。所述连接桥7内部磁场高度饱和，连接桥7的磁导率接近空气，可以显著削弱漏磁，使得连接桥7无导磁效果，只起到将转子U型导磁铁心5连接为一体的作用。

图3是本发明电机在一个转子机械周期下的高速集中式电枢绕组2的空载三相感应电势波形，由图可见，随转子旋转，在高速集中式电枢绕组2中将产生接类似梯形波的三相对称空载感应电势。图4是本发明电机在一个转子机械周期下的低速集中式电枢绕组3的空载三相感应电势波形，对比图3和图4的电势波形可见，随着转子旋转，低速集中式电枢绕组3的感应电势交变频率是高速集中式电枢绕组2的感应电势交变频率的2倍，而低速集中式电枢绕组3的感应电势和高速集中式电枢绕组2的感应电势具有相同的幅值，因此通过合理配置高速绕组2和低速绕组3，可以平衡控制电路的开关频率。

需要说明的是，本发明电机中，由于存在两套电枢绕组，即使当其中一套绕组各相都发生故障状态下，仍然可以利用剩余的一套正常绕组输出一定的功率与转矩，保证电机驱动系统的安全可靠。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。