非对称交错混合励磁同步电动机

摘要

非对称交错混合励磁同步电动机属于变速驱动用电动机等技术领域，其所要解决的技术问题是：提供一种改进的效率较高、低速启动转矩较大和调速范围较为宽广的新型混合励磁同步电动机。其技术要点是：采用外定子和内定子结构，定子外设置导磁的定子背轭(15)用于定子轴向导磁，采用独特的易于加工制造的瓦片状爪极结构。外定子与普通电机定子相同，环形励磁绕组(7)通过导磁的磁轭托架(12)固定在电机端盖(14)上构成内定子。N极爪极(5)与S极爪极(11)厚度一致，N极永磁极(1)和N极铁心极(2)贴在N极爪极(5)表面上，中间用隔磁气隙(9)隔开；S极永磁极(8)和S极铁心极(10)贴在S极爪极(11)表面上，中间用隔磁气隙(9)隔开。

说明书

技术领域

本发明涉及一种改进的电动机，特别是一种高效率、低速与启动转矩大、宽调速和直接驱动等领域的混合励磁同步电动机，属于电动机制造的技术领域。

背景技术

永磁电机转子上没有绕组，无励磁损耗，因此工作可靠，效率高，但永磁磁场调节困难限制了它的应用。将永磁与电励磁进行合理的有机结合，研究开发既综合电励磁电机与永磁励磁电机的优点，又能克服各自缺陷的混合励磁电机，从而最大限度地发挥两者的优势，成为电机领域的一项重要研究课题。

混合励磁电机由于其磁通可调，在作为电动机使用时可以通过增磁和弱磁来实现宽调速，合理设计永磁和电励磁的磁路拓扑结构以及各自磁通比例，对于提高电机综合性能特别是调速范围至关重要。日本T.Mixuno博士早在1994年提出了轴向/径向磁路混合励磁同步电机，很多学者对该电机进行了理论研究，并在工程中得到初步应用。该电机永磁极与铁心极交错排列，结构简单新颖，无附加气隙，电励磁效率较高。但是，其励磁绕组安装在外定子上，导致每匝长度较长，绕组电阻较大，电励磁损耗较多；其次，其励磁绕组安装空间极为有限，要增大电励磁比例，需较多地增加电机轴向长度，降低材料的利用率。为克服该电机的缺点，提出本发明结构，以充分利用转子内部空间，采用易于加工的瓦片状爪极结构，将电励磁绕组移到内定子上，构成非对称交错混合励磁同步电动机。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是提供一种改进的、高效率、大启动转矩、低速转矩可调和调速范围较为宽广的非对称交错混合励磁同步电动机。

技术方案：本发明的非对称交错混合励磁同步电动机由转子、定子、所组成，其特征是：该电机由定子铁心和电枢绕组构成外定子，由环形励磁绕组和磁轭托架构成内定子，由N极爪极、S极爪极、N极永磁极、S极永磁极、N极铁心极、S极铁心极、转子磁轭和电机轴构成电机转子；其中，定子铁心固定在导磁的定子背轭上，励磁绕组套在圆筒形磁轭托架上，磁轭托架固定在电机端盖上。

电机轴采用非导磁钢。N极永磁极和N极铁心极贴在N极爪极表面上，中间用隔磁气隙隔开；S极永磁极和S极铁心极贴在S极爪极表面上，中间用隔磁气隙隔开。N极永磁极与S极永磁极轴向长度相等，N极铁心极与S极铁心极轴向长度相等。永磁极(包括N极永磁极和S极永磁极)与铁心极(包括N极铁心极和S极铁心极)轴向长度可相等也可不等。爪极上的永磁极与铁心极在轴向上可分成左右两部分，一边是N极永磁极与S极铁心极相间安装，另一边是S极永磁极与N极铁心极相间安装，且左右两边的N极铁心极与S极铁心极错开一个爪极。各N极爪极和S极爪极厚度相同为瓦片形状，N极爪极和S极爪极沿圆周均匀分布。各相邻N极爪极与导磁的转子圆盘紧密相连接固定，各相邻S极爪极与导磁的转子圆环紧密相连接固定。各N极爪极与相邻的转子圆环之间以及S极爪极与相邻的转子圆盘之间用隔磁铝块隔磁连接并固定成一个整体，共同构成转子的一部分。转子外用非导磁不锈钢紧圈封装。

定子铁心外设置有导磁的定子背轭。电机转子爪极包括N极爪极和S极爪极对数至少是4。所述的N极永磁极和S极永磁极选用钕铁硼永磁材料。电机轴采用非导磁钢。

电机具体调磁原理如下：

无励磁电流时，气隙磁场只由永磁极产生，绝大部分工作磁通从N极永磁极出发，经气隙和定子铁心分别回到S极永磁极和N极铁心极，这部分磁路参与电机的能量转换，为电机的主磁通。

当电机通以直流励磁电流时，根据磁阻最小的原则，电机的电励磁磁通绝大多数通过铁心极闭合，此时，电励磁磁通有2条磁路：磁路1需经定子铁心轴向和定子背轭导磁，磁路磁阻较大；磁路2为相邻铁心极交错部分形成的回路，不经定子轴向导磁，磁路磁阻较小。因此，磁路2可使电机在同样的电励磁安匝下获得更宽的调磁范围。此外，为减小电励磁磁路1的定子部分轴向导磁磁阻，在定子铁心外设置导磁定子背轭，进一步提高电励磁调磁效率。

当励磁电流大于零时，气隙有效磁场增强，当励磁电流增大到一定值时，同一极上永磁极和铁心极磁场同方向，对电枢绕组而言，同一线圈下磁场极性相同，气隙合成磁场增强；当励磁电流小于零时，同一极上永磁极和铁心极磁场方向相反。对电枢绕组而言，同一线圈下既有N极又有S极，气隙有效磁场减弱。特别当电流增大到一定值时，气隙合成磁场变为零。

有益效果：由于直流励磁绕组置于由瓦片状爪极的内、外单元所形成的区域内，空间利用率高，结构紧凑。励磁绕组置于转子内部，使得每匝励磁线圈大大缩短，从而使励磁绕组电阻和励磁损耗减小，电机效率得以提高。此外，由于转子内部空间较大，可容纳较多的励磁线圈匝数。

采用瓦片状爪极结构，可大大简化制造工艺。

通过设置独特的非对称交错永磁极铁心极结构和定子背轭，可实现宽广的调磁范围。当励磁绕组通以不同大小和方向的直流励磁电流时，永磁极上气隙磁通基本不变，避免了永磁极不可逆退磁的风险。通过设置导磁定子背轭，励磁电流所产生的绝大多数励磁磁通得以经铁心极形成回路，回路磁阻大大减小，铁心极成为独立的调磁磁极，电励磁效率得以大大提高。

因此，控制励磁电流的大小和方向就可实现气隙磁场经济而自由的调节。而且可根据实际调磁需要合理安排永磁极及铁心极的轴向长度比例和厚度，在保证低速力矩及高速应有功率的基础上，实现所需的调磁和调速范围。

本发明通过增加前面所述的电励磁磁路2，使该部分电励磁回路不受定子部分轴向磁阻的影响，磁路中磁阻较小，可使电机在相同的电励磁安匝下获得更大的调磁范围。此外，定子铁心外设置导磁定子背轭可使前面所述的电励磁磁路1的定子部分轴向磁阻减小，进一步提高电励磁调磁效率。

综上所述，本发明由于采用了导磁定子背轭，内定子上设励磁绕组，以及转子爪极上设调磁铁心极和永磁极两种交错磁极的结构，成功解决了永磁同步电机调磁困难的缺陷，其调磁效果十分明显，有效地提高了电机转矩及转速的调节性能。本发明是一种效率高，启动、低速力矩大，转矩可调和调速范围宽广的新型混合励磁同步电动机。

附图说明

图1是非对称交错混合励磁同步电动机结构示意图；

图2是非对称交错混合励磁同步电动机转子剖面图；

图3是非对称交错混合励磁同步电动机转子展开图；

图4是非对称交错混合励磁同步电动机转子圆盘和转子磁轭图；

图5是非对称交错混合励磁同步电动机转子圆环图；

图6是非对称交错混合励磁同步电动机转子模型图；

以上的图中有：N极永磁极1，N极铁心极2，定子铁心3，电枢绕组4，N极爪极5，电机轴6，励磁绕组7，S极永磁极8，隔磁气隙9，S极铁心极10，S极爪极11，磁轭托架12，转子磁轭13，端盖14，定子背轭15，紧圈16，隔磁铝块17，转子圆盘18，转子圆环19，螺孔20。

具体实施方式

该电机的外定子与普通电机的定子类似，槽中嵌有多相对称电枢绕组4，在电机内定子上放有环形励磁绕组7。励磁绕组7通过导磁的磁轭托架12固定在电机端盖14上。由于励磁绕组7置于由瓦片状爪极的内、外单元所形成的区域内，空间利用率高，结构紧凑。励磁绕组7置于转子内部，使得每匝励磁线圈大大缩短，从而使励磁绕组7电阻和励磁损耗减小，电机效率得以提高。此外，由于转子内部空间较大，可容纳较多的励磁线圈。

采用瓦片状爪极，方便加工，可大大简化制造工艺。

通过设置独特的非对称交错永磁极铁心极结构和定子背轭15，可实现宽广的调磁范围。当励磁绕组7通不同大小和方向的直流电流时，永磁极上气隙磁通基本不变，避免了永磁不可逆退磁的风险。通过设置导磁定子背轭15，励磁电流所产生的励磁磁通得以经铁心极形成回路，使得电励磁回路磁阻大大减小，提高了电励磁效率。铁心极和永磁极上的气隙磁通在磁路上呈并联关系，两者共同作用形成合成气隙磁通。

因此，通过控制励磁电流的大小和方向可实现气隙磁场的自由调节。而且可根据实际需要合理安排永磁极及铁心极的轴向长度比例和厚度，在保证低速力矩及高速应有功率的基础上，实现所需的调磁范围和调速范围。如图1-6所示，非对称交错混合励磁同步电动机主要由以下几个部分组成：定子铁心3、电枢绕组4、定子背轭15、转子爪极、转子磁轭13、电机轴6、永磁极、铁心极和励磁绕组7等。

定子包括外定子和内定子二部分，外定子包括定子铁心3和电枢绕组4，内定子由励磁绕组7和磁轭托架12构成；内定子由磁轭托架12通过螺丝固定于电机端盖14上。

定子铁心3外设圆筒形定子背轭15，用于轴向导磁，材料可选用10号钢。

将10号钢圆筒切割形成瓦片状爪极，各爪极通过螺丝固定于转子端部的导磁转子圆环19和导磁转子圆盘18形成转子整体，爪极、转子圆环19、转子圆盘18和隔磁铝块17上都打有螺孔20，如图2、4、5所示。爪极在转子圆周上交错排列，均匀分布。各爪极与相邻的转子圆环19或转子圆盘18之间用隔磁铝块17通过螺丝连接固定。

为保证爪极、转子圆盘18、转子圆环19和隔磁铝块17之间的可靠牢固连接，可在隔磁铝块17一端、转子圆盘18和转子圆环19的螺孔20部位加工一圆环形浅凹槽，隔磁铝块17另一端和爪极两端部加工一圆环形凸极。装配时，爪极的凸极分别插入对应的隔磁铝块17、转子圆盘18和转子圆环19的凹槽内。

为简化工艺，铁心极可作为爪极的一部分和爪极整体加工，爪极一端加工一合适轴向长度的凹槽，永磁极贴于该凹槽内。

转子用非导磁不锈钢紧圈16封装，以增强转子高速旋转工作时的坚固性和可靠性，保证电动机在高速运转过程中的平稳运行。

此外，从提高电机气隙磁密和磁钢的热稳定性考虑，选择具有较高内禀矫顽力的钕铁硼永磁材料作为电机永磁极的材料。