绕组互补型转子永磁磁通切换电机.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104201852 A (43)申请公布日 2014.12.10 CN 104201852 A (21)申请号 201410462477.1 (22)申请日 2014.09.11 H02K 21/14(2006.01) H02K 1/27(2006.01) H02K 1/24(2006.01) H02K 1/14(2006.01) H02K 3/28(2006.01) (71)申请人 东南大学 地址 211189 江苏省南京市江宁区东南大学 路 2 号 (72)发明人 花为 苏鹏 张淦 程明 (74)专利代理机构 南京瑞弘专利商标事务所 ( 普通合伙 ) 32249 。

2、代理人 杨晓玲 (54) 发明名称 绕组互补型转子永磁磁通切换电机 (57) 摘要 本发明公开了一种绕组互补型转子永磁磁通 切换电机， 包括定子铁心和转子模块 ； 所述定子 铁心与转子齿模块均为凸极结构 ； 定子铁心上设 置有电枢绕组和容错齿， 所述电枢绕组为集中式 绕组， 采用半齿绕结构， 相邻两个电枢绕组之间有 容错齿 ； 转子模块包括转子齿模块和轴， 转子齿 模块固定于轴上 ； 转子齿模块包括表面永磁体、 内置永磁体和若干组转子导磁齿。本发明的绕组 采用互补型结构， 有效抑制空载感应电势中高次 谐波的产生， 提高空载感应电势波形的正弦特性， 在定子铁心中加入容错齿， 改变主磁路结构， 有。

3、效 抑制定位力矩， 减小输出转矩波动。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104201852 A CN 104201852 A 1/1 页 2 1. 绕组互补型转子永磁磁通切换电机， 其特征在于， 包括定子铁心 (1) 和转子模块 ； 所 述定子铁心 (1) 与转子齿模块 (4) 均为凸极结构 ； 定子铁心 (1) 上设置有电枢绕组 (2) 和容错齿 (3)， 所述电枢绕组 (2) 为集中式绕组， 采用半齿绕结构， 相邻两个电枢绕组。

4、 (2) 之间有容错齿 (3) ； 转子模块包括转子齿模块 (4) 和轴 (8)， 转子齿模块 (4) 固定于轴 (8) 上 ； 转子齿模块 (4) 包括表面永磁体 (5)、 内置永磁体 (6) 和若干组转子导磁齿 (7) ； 每组转子导磁齿 (7) 包括两个转子导磁齿 (7)， 所述内置永磁体 (6) 嵌入两个转子导磁齿 (7) 之间 ； 内置永磁体 (6) 均采用切向充磁， 且充磁方向一致 ； 每组两个转子导磁齿 (7) 表面均贴装一块表面永磁 体 (5)， 该两块表面永磁体 (5) 采用径向充磁， 充磁方向相反 ； 表面永磁体 (5) 在磁路上与 内置永磁体 (6) 构成串联结构。 2.。

5、 如权利要求 1 所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机， 其特征在于， 每相电枢绕组 (2)均包括四个线圈， 分别为1号线圈、 2号线圈、 3号线圈和4号线圈 ； 各相电枢绕组(2)中 1 号线圈与 3 号线圈径向相对 ； 2 号线圈与 4 号线圈径向相对 ； 1 号线圈与 2 号线圈空间位 置相差 90 ； 且各相电枢绕组 (2) 之间空间位置相差 60。 3. 如权利要求 1 所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机， 其特征在于， 每相电枢绕组 (2) 中空间位置相差 90的两个线圈如 1 号线圈与 2 号线圈内匝链的永磁磁链具有互补特 性， 因此顺向串联， 构成 1 个线圈组， 每相下的两个线。

6、圈组可依据工况顺向串联或者并联， 共同构成一相电枢绕组 (2)。 4.如权利要求1所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机， 其特征在于， 容错齿(3)位于 相邻两个线圈之间 ； 定子铁心 (1) 包括定子铁心轭部和定子齿， 定子铁心轭部、 定子齿、 容 错齿 (3)、 表面永磁体 (5)、 内置永磁体 (6) 与转子导磁齿 (7) 共同构成主磁通闭合回路。 5.如权利要求1所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机， 其特征在于， 如权利要求1所 述绕组互补型转子永磁磁通切换电机， 其特征在于所述定子铁心 (1) 为直槽结构。 6. 如权利要求 1 所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机， 其特征在于， 所述。

7、表面永磁 体 (5) 和内置永磁体 (6) 均为永磁材料如钕铁硼、 铁氧体、 钐钴。 7. 如权利要求 1 所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机， 其特征在于， 定子铁心 (1)、 转子导磁齿 (7) 均为硅钢片等导磁材料 ； 所述轴 (8) 为高强度非导磁材料。 权 利 要 求 书 CN 104201852 A 2 1/4 页 3 绕组互补型转子永磁磁通切换电机 技术领域 0001 本发明涉及电机领域， 具体涉及绕组互补型转子永磁磁通切换电机。 背景技术 0002 传统的转子永磁型同步电机转子磁路结构一般分为表面式与内置式两种， 电枢绕 组布置方式一般分为集中式绕组或分布式绕组。 采用集中式绕。

8、组能够有效减小端部绕组长 度， 降低铜耗， 提高效率， 但空载感应电势波形谐波含量较大， 不易采用正弦波控制 ； 采用分 布式绕组空载感应电势正弦特性较好， 但绕组端部较长， 铜耗较大。 0003 近年来受到广泛关注的定子永磁型磁通切换电机， 其结构特点是永磁体与电枢绕 组均位于定子侧， 转子上既无永磁体也无电枢绕组， 结构简单， 适合高转速运行， 且具有转 矩密度高， 输出功率大， 在采用直槽转子的条件下反电势正弦特性好等优点。 0004 但是， 定子永磁型磁通切换电机的缺点在于永磁体用量较大， 在定子侧永磁体漏 磁严重， 降低了永磁体的利用率 ； 永磁体与电枢绕组均置于定子侧， 导致永磁体。

9、与电枢绕组 必然构成空间竞争关系， 减小了电枢绕组的槽面积， 影响电机输出功率密度 ； 电枢磁场与永 磁磁场共同作用， 使定子铁心内的磁密过饱和， 在影响转矩密度的同时产生较大铁耗， 温升 过高， 引起永磁体退磁 ； 此外， 转子侧即无永磁体也无电枢绕组， 仅由硅钢片构成凸极结构， 降低了转子侧的空间利用率， 影响了转矩密度与功率密度。 0005 文件 CN103219849A 中， 提出一种转子永磁型双凸极电机， 其结构特点在于将永磁 体置于转子侧， 电枢绕组置于定子侧， 有效的提高了电机转子侧与定子侧的空间利用率， 具 有较高的转矩密度和功率密度， 且与传统转子永磁电机相比， 空载感应电势。

10、更接近正弦。 0006 但是， 文件 CN103219849A 所提出的转子永磁型双凸极电机也有一些明显的缺点 ： 0007 (1) 永磁磁链与空载感应电势正弦特性虽然优于传统转子永磁电机， 但谐波含量 依然较大， 对输出转矩脉动以及交流调速系统产生影响 ； 0008 (2) 转子结构采用 U 型导磁单元， 使得转子铁心轭部中形成与主磁路并联的磁路， 削弱了主磁通大小， 在一定程度上减小了转矩密度与功率密度。 0009 (3)在转子运动过程中， 转子齿与线圈201的相对位置与转子齿和线圈204的相对 位置相同， 引起气隙中的磁场能量对定转子相对位置的导数相同， 因此产生较大定位力矩。 发明内容。

11、 0010 发明目的 ： 为了现有转子永磁型同步电机空载感应电势谐波含量较大， 端部绕组 较长的缺点， 以及定子永磁型磁通切换电机定子侧与转子侧空间利用率较低的不足， 本发 明提供一种绕组互补型转子永磁磁通切换电机， 解决了现有技术的不足。 0011 技术方案 ： 绕组互补型转子永磁磁通切换电机， 其特征在于， 包括定子铁心和转子 模块 ； 所述定子铁心与转子齿模块均为凸极结构 ； 0012 定子铁心上设置有电枢绕组和容错齿， 所述电枢绕组为集中式绕组， 采用半齿绕 结构， 相邻两个电枢绕组之间有容错齿 ； 说 明 书 CN 104201852 A 3 2/4 页 4 0013 转子模块包括转。

12、子齿模块和轴， 转子齿模块固定于轴上 ； 转子齿模块包括表面永 磁体、 内置永磁体和若干组转子导磁齿 ； 每组转子导磁齿包括两个转子导磁齿， 所述内置永 磁体嵌入两个转子导磁齿之间 ； 内置永磁体均采用切向充磁， 且充磁方向一致 ； 每组两个 转子导磁齿表面均贴装一块表面永磁体， 该两块表面永磁体采用径向充磁， 充磁方向相反 ； 表面永磁体在磁路上与内置永磁体构成串联结构。 0014 进一步的， 每相电枢绕组均包括四个线圈， 分别为 1 号线圈、 2 号线圈、 3 号线圈和 4 号线圈 ； 各相电枢绕组中 1 号线圈与 3 号线圈径向相对 ； 2 号线圈与 4 号线圈径向相对 ； 1 号线圈与。

13、 2 号线圈空间位置相差 90； 且各相电枢绕组之间空间位置相差 60。这样的结 构使得三相空载感应电势相差 120。 0015 进一步的， 每相电枢绕组中 1 号线圈与 2 号线圈具有互补性， 因此顺向串联， 构成 一个线圈组， 两个线圈中匝链的永磁磁链相位相差 180且极性相反， 能够抵消永磁磁链中 的高次谐波， 提高永磁磁链的正弦性， 同理， 3 号线圈与 4 号线圈也顺向串联， 构成第二个线 圈组， 两个线圈组依据工况顺向串联或并联， 共同构成一相电枢绕组。 0016 进一步的， 容错齿位于相邻两个线圈之间 ； 定子铁心包括定子铁心轭部和定子齿 ； 定子铁心轭部、 定子齿、 容错齿、 。

14、表面永磁体、 内置永磁体与转子导磁齿共同构成主磁通闭 合回路。定子铁心中设置有容错齿， 为主磁通提供通路 ； 由于容错齿的作用， 互补的两个线 圈所在的磁通回路中的磁场能量对定转子相对位置的导数正负相反， 相互抵消， 有效抑制 了定位力矩， 减小了运行过程中的转矩脉动。 0017 进一步的， 所述绕组互补型转子永磁磁通切换电机， 其特征在于所述定子铁心为 直槽结构 , 加工方便， 工序简单。 0018 进一步的， 所述表面永磁体和内置永磁体均为钕铁硼、 铁氧体、 钐钴等永磁材料。 0019 进一步的， 定子铁心、 转子导磁齿均为硅钢片等导磁材料 ； 所述轴为高强度非导磁 材料。 0020 有益。

15、效果 ： 本发明的绕组采用互补型结构， 有效抑制空载感应电势中高次谐波的 产生， 提高空载感应电势波形的正弦特性， 在定子铁心中加入容错齿， 改变主磁路结构， 有 效抑制定位力矩， 减小输出转矩波动。具体的， 具有以下优点 ： 0021 (1) 采用转子永磁型结构， 将永磁体放置于转子侧， 有效提高了定转子侧空间利用 率， 增大了电枢绕组槽面积， 有效提高了转矩密度与功率密度。 0022 (2) 采用转子永磁型结构， 将电枢绕组与永磁体分别放置于定转子侧， 有效减小了 定子与转子齿的磁饱和程度， 降低了铁耗， 提高了电机的运行效率和过载能力。 0023 (3) 本发明定子铁心与转子齿模块均为凸。

16、极结构， 在电机工作过程中输出永磁转 矩的同时， 输出由于凸极效应产生的磁阻转矩， 提高输出转矩密度。 0024 (4) 本发明定子电枢绕组采用集中式绕组半齿绕结构， 与传统转子永磁同步电机 采用分布式绕组结构相比， 有效减小了端部绕组的长度， 降低的端部电阻铜耗， 提高了电机 效率。 0025 (5) 本发明定子电枢绕组采用互补型结构， 与文件 CN103219849A 中的电机结构相 比， 有效的抵消了单个线圈中偶次谐波对磁链的影响， 优化了单相绕组内永磁磁链的正弦 特性， 进而减小了永磁磁链与空载感应电势谐波含量， 抑制了输出转矩脉动。 0026 (6) 本发明定子铁心中设置有容错齿， 。

17、为主磁通提供通路 ； 由于容错齿的作用， 互 说 明 书 CN 104201852 A 4 3/4 页 5 补的两个线圈所在的磁通回路中的磁场能量对定转子相对位置的导数正负相反， 相互抵 消， 有效抑制了定位力矩， 减小了运行过程中的转矩脉动。 0027 (7) 本发明转子导磁齿气隙侧表面永磁体径向充磁， 可通过调节表面永磁体结构 参数， 优化转子极弧， 改善永磁磁链正弦特性 ； 内置永磁体与表面永磁体在磁路上构成串联 结构， 可通过优化内置永磁体与表面永磁体体积比， 增加永磁磁链幅值， 提高空载感应电势 大小。 0028 (8) 本发明转子齿模块中， 内置永磁体与表面永磁体产生的磁动势在磁路。

18、上构成 串联结构， 有效的提高了永磁体的抗去磁能力。 附图说明 0029 图 1 为本发明绕组互补型转子永磁磁通切换电机剖面图 ； 0030 图 2 为本发明电机空载三相永磁磁链波形图 ； 0031 图 3 为本发明电机空载三相空载感应电势波形图 ； 0032 图 4 为本发明电机定位力矩波形图。 具体实施方式 0033 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。 0034 如图 1 所示， 本发明公开了一种绕组互补型转子永磁磁通切换电机， 其特征在于， 包括定子铁心 1 和转子模块 ； 所述定子铁心 1 与转子齿模块 4 均为凸极结构。 0035 定子铁心 1 为直槽结构， 定子铁心 1 上设置。

19、有电枢绕组 2 和容错齿 3， 所述电枢绕 组 2 为集中式绕组， 采用半齿绕结构， 相邻两个电枢绕组 2 之间有容错齿 3。 0036 每相电枢绕组2均包括四个线圈， 分别为1号线圈、 2号线圈、 3号线圈和4号线圈 ； 图 1 中， 三位数编号表示各相线圈， 前两位 21 表示第一相， 22 表示第二相， 23 表示第三相。 最后一位表示线圈号， 1 为 1 号线圈， 2 为 2 号线圈， 以此类推。例如 211 号线圈表示第一相 1 号线圈， 234 线圈表示第三相 4 号线圈， 以此类推。A 相电枢绕组中 211 号线圈与 213 号 线圈径向相对 ； 212 号线圈与 214 号线圈。

20、径向相对 ； 211 号线圈与 212 号线圈空间位置相差 90 ； 且 ABC 三相电枢绕组 2 之间空间位置相差 60， 保证各相永磁磁链相位相差 120。 0037 各相下空间位置相差 90的两个线圈中匝链的永磁磁链具有互补性， 因此顺向串 联， 构成一个线圈组， 每相下的两个线圈组依据工况顺向串联或者并联， 共同构成单相电枢 绕组。以 A 相为例 ： 211 号线圈与 212 号线圈空间位置相差 90， 匝链的永磁磁链具有互 补性， 因此顺向串联， 共同构成一个线圈组， 同理， 213 号线圈与 214 号线圈顺向串联， 构成 第二个线圈组， 两个线圈组可以依据工况顺向串联或者并联， 。

21、共同构成 A 相电枢绕组。由于 绕组具有互补性， 211 号线圈中匝链的永磁磁链与 212 号线圈中匝链的永磁磁链相位相差 180， 且极性相反， 因此能够抵消永磁磁链中的高次谐波， 特别是偶次谐波， 提高永磁磁链 与空载反电动势的正弦性， 如图 2 和图 3 所示。转子模块采用模块化设计， 包括转子齿模块 4 和轴 8， 每个转子齿模块 4 固定于轴 8 上 ； 具体是通过轴 8 上的燕尾槽固定。每个转子齿 模块 4 包括表面永磁体 5、 内置永磁体 6 和若干组转子导磁齿 7。每组转子导磁齿 7 包括两 个转子导磁齿 7， 所述内置永磁体 6 嵌入两个转子导磁齿 7 之间 ； 内置永磁体 。

22、6 均采用切向 充磁， 且充磁方向一致 ； 每组两个转子导磁齿 7 靠近气隙侧的表面均贴装一块表面永磁体 说 明 书 CN 104201852 A 5 4/4 页 6 5， 该两块表面永磁体5采用径向充磁， 充磁方向相反 ； 表面永磁体5在磁路上与内置永磁体 6 构成串联结构。 0038 所述的转子齿模块 4 中两个转子导磁齿 7 可通过厚度很小的导磁桥连接， 内置永 磁体6嵌入两个转子导磁齿7与导磁桥构成的U型凹槽中， 简化了转子齿模块加工工艺 ； 由 于导磁桥厚度很小， 内部磁场高度饱和， 磁阻接近空气， 抑制了内置永磁体导磁桥侧端部漏 磁。 0039 所述容错齿3位于相邻两个线圈之间 ；。

23、 定子铁心1包括定子铁心轭部和定子齿， 定 子铁心轭部、 定子齿、 容错齿 3、 表面永磁体 5、 内置永磁体 6 与转子导磁齿 7 共同构成主磁 通闭合回路。 0040 所述的转子齿模块 4 中， 表面永磁体 5 与内置永磁体 6 均采用钕铁硼、 铁氧体等永 磁磁钢。 0041 所述的定子铁心 1、 转子导磁齿 7 均采用硅钢片等导磁材料 ； 轴 8 采用高强度非导 磁材料， 如不锈钢。 0042 本发明所提出的绕组互补型转子永磁磁通切换电机， 其特点在于电枢绕组放置于 定子侧， 永磁体放置于转子侧， 有效提高了定子侧与转子侧的空间利用率， 增大了槽面积， 提高了电机的转矩密度与功率密度 ；。

24、 电枢绕组采用集中式绕组， 减小了端部绕组长度， 降低 了端部电阻大小， 提高了电机效率 ； 每相电枢绕组中 1 号线圈与 2 号线圈具有互补特性， 有 效抑制了永磁磁链与空载感应电势中的谐波含量， 使永磁磁链与空载感应电势具有高度正 弦特性， 使得电机特别适合于做交流调速系统的驱动元件。 0043 转子侧永磁体采用表面内置混合结构， 表面永磁体贴装在转子导磁齿表面， 可通 过调节表面永磁体结构参数调节转子极弧， 优化永磁磁链与空载感应电势正弦特性 ； 表面 永磁体产生的磁动势与内置永磁体产生的磁动势在磁路上构成串联， 可通过改变表面永磁 体与内置永磁体结构参数， 优化表面永磁体与内置永磁体体。

25、积配比， 提高永磁磁链与空载 感应电势幅值。 0044 表面永磁体与内置永磁体在磁路上构成串联， 有效提高了电机的抗去磁能力。 0045 容错齿与定子轭部、 定子铁心齿、 表面永磁体、 转子导磁齿以及内置永磁体共同构 成主磁通回路 ； 由附图 1 中绕组互补型转子永磁磁通切换电机机械结构可知， 在转子运行 过程中， 由于容错齿的作用， 互补的两个线圈所在的磁通回路中的磁场能量对定转子相对 位置的导数正负相反， 相互抵消， 有效抑制了定位力矩的产生， 减小了运行过程中的转矩脉 动， 定位力矩波形如附图 4 所示。 0046 以上所述仅是本发明的优选实施方式， 应当指出， 对于本技术领域的普通技术人 员来说， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。 说 明 书 CN 104201852 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104201852 A 7 2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104201852 A 8 。