專利名稱：兩向混合勵磁無刷電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種永磁體和電勵磁相結(jié)合的混合勵磁調(diào)速電機(jī)，采用軸向和徑向共同勵磁的雙凸極結(jié)構(gòu)，屬于無刷直流電機(jī)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的異步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、不需要維護(hù)和可靠性高的優(yōu)點，在普通電機(jī)傳動領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但其調(diào)速性能不佳。雖然可以采用變頻技術(shù)或采用其他控制技術(shù)來實現(xiàn)調(diào)速，但是其成本往往相對較高，且無法獲得和直流電機(jī)相媲美的效果。普通直流電動機(jī)，電樞繞組電流和勵磁繞組電流可以分別控制，調(diào)速性能好，但是由于有電刷和換向器，因此維護(hù)工作量大，且不適合高轉(zhuǎn)速大電流運行，電機(jī)制造成本也高。近年來研究較多的無刷直流電動機(jī)，由于取消了電刷和換向器間的滑動接觸，因此具有壽命長、可靠性高、效率和功率密度高等優(yōu)點，但由于永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，因此對環(huán)境溫度和機(jī)械振動敏感，機(jī)械強(qiáng)度偏低，不適合高速運行，且有時會因電樞反應(yīng)導(dǎo)致永磁體的退磁。開關(guān)磁阻電機(jī)定轉(zhuǎn)子均呈凸極形式，轉(zhuǎn)子上沒有繞組和永磁體，結(jié)構(gòu)簡單可靠、機(jī)械強(qiáng)度高。但開關(guān)磁阻電機(jī)可用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的兩個區(qū)域只有一個得到利用，且本質(zhì)是一種單邊勵磁機(jī)，繞組電流包含轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，這樣增大了繞組和功率變換器的伏安容量，因此效率和功率密度較低。九十年代美國學(xué)者T.A.Lipo教授提出的高性能雙凸極永磁電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、免維護(hù)、轉(zhuǎn)子上無繞組、效率高等優(yōu)點。但由于其激磁磁場僅采用永磁體，使得電機(jī)的氣隙磁場大小調(diào)節(jié)困難，因而電機(jī)弱磁調(diào)速很不方便，難以廣泛應(yīng)用在需要無級和頻繁調(diào)速的場合。雖然可以通過改變電樞繞組的匝數(shù)實現(xiàn)調(diào)速，但是只能實現(xiàn)有級調(diào)速，無法實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、免維護(hù)、轉(zhuǎn)子上無繞組、效率高的兩向混合勵磁無刷電機(jī)，同時解決了雙凸極永磁電機(jī)平滑調(diào)速困難的問題。
技術(shù)方案本發(fā)明兩向混合勵磁無刷電機(jī)的定子軛部和轉(zhuǎn)子軛部采用雙軛結(jié)構(gòu)；用來軸向?qū)Т诺亩ㄗ油廛椇娃D(zhuǎn)子內(nèi)軛為環(huán)形柱體，其中定子外軛被永磁體隔斷成均等的幾部分，定子外軛和轉(zhuǎn)子內(nèi)軛的長度與硅鋼片疊壓的鐵芯長度相同；定子外軛在電機(jī)外殼的內(nèi)側(cè)，定子內(nèi)軛位于定子外軛的內(nèi)側(cè)，定子內(nèi)軛與定子外軛共同構(gòu)成雙軛結(jié)構(gòu)的定子軛部；轉(zhuǎn)子內(nèi)軛緊套在轉(zhuǎn)軸外，轉(zhuǎn)子內(nèi)軛外面包有轉(zhuǎn)子外軛，在轉(zhuǎn)子外軛上設(shè)有轉(zhuǎn)子齒，由轉(zhuǎn)子內(nèi)軛、轉(zhuǎn)子外軛共同構(gòu)成雙軛結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子軛部。
在電機(jī)兩端面的電機(jī)外殼的內(nèi)側(cè)設(shè)有側(cè)面導(dǎo)磁鋼板，在該側(cè)面導(dǎo)磁鋼板靠軸心的一端與轉(zhuǎn)子內(nèi)軛之間留有軸向氣隙，在該側(cè)面導(dǎo)磁鋼板的外圓靠定子外軛的部分設(shè)有磁極極靴，軸向勵磁線圈位于側(cè)面導(dǎo)磁鋼板的外邊上，位置傳感器位于側(cè)面導(dǎo)磁鋼板上。
電機(jī)采用永磁體和電勵磁相結(jié)合的混合勵磁，氣隙主磁通由永磁體和軸向勵磁線圈共同產(chǎn)生，永磁體磁場是徑向磁場，電勵磁場是軸向磁場。電機(jī)在額定工況運行時，由永磁體提供勵磁，當(dāng)電機(jī)需要運行在低速大轉(zhuǎn)矩或高速恒功率狀態(tài)時，通過控制軸向勵磁線圈電流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)增磁或弱磁控制，增磁控制有利于提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，滿足低速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載要求；弱磁控制可以實現(xiàn)電機(jī)高速恒功率寬調(diào)速。定子和轉(zhuǎn)子軛部都采用雙軛結(jié)構(gòu)，定子外軛和轉(zhuǎn)子內(nèi)軛主要用來軸向?qū)Т?，防止軸向磁場垂直穿過鐵芯疊片時磁場強(qiáng)度的衰減；定子內(nèi)軛和轉(zhuǎn)子外軛主要用來徑向?qū)Т?。由于軸向電勵磁磁場不經(jīng)過磁阻很大的永磁體，因而電勵磁磁場的磁阻較小，這就保證了不需要很大的勵磁磁勢就可以獲得所需要的氣隙磁場，也不會由于施加了電勵磁磁場而導(dǎo)致永磁體的退磁。
有益效果本電機(jī)具有雙凸極永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單可靠、免維護(hù)、轉(zhuǎn)子上無繞組、效率高等一系列優(yōu)點，同時對雙凸極永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運行原理上都作了一定的改進(jìn)，有效解決了雙凸極永磁電機(jī)難以實現(xiàn)弱磁控制、恒功率調(diào)速范圍較小的不足。在保留了定、轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了軸向電勵磁磁場，使氣隙合成磁場調(diào)節(jié)方便，因而電機(jī)具有寬廣的無級調(diào)速范圍，即使在高轉(zhuǎn)速下也能較好的達(dá)到恒功率調(diào)速，具有較好的科研價值和利用前景。
電機(jī)采用永磁體和電勵磁相結(jié)合的混合勵磁，氣隙主磁通由永磁體和軸向勵磁線圈共同產(chǎn)生，永磁體磁場是徑向磁場，直流電勵磁是軸向磁場。定子繞組和勵磁繞組均安裝在定子上，且其電流均可獨立控制，調(diào)節(jié)方便、控制靈活。電機(jī)在額定工況運行時，由永磁體提供勵磁，當(dāng)電機(jī)需要運行在低速大轉(zhuǎn)矩或高速恒功率狀態(tài)時，通過控制軸向勵磁線圈電流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)增磁或弱磁控制，增磁控制有利于提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，滿足低速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載要求；弱磁控制可以實現(xiàn)電機(jī)高速恒功率寬調(diào)速。轉(zhuǎn)子上沒有線圈和永磁體，可用于高轉(zhuǎn)速場合。
電機(jī)端蓋外側(cè)由鋁合金或其他不導(dǎo)磁材質(zhì)做成；內(nèi)側(cè)鑲嵌由鑄鋼加工的軸向勵磁的構(gòu)件。軸向勵磁磁極加工成極靴形式，這樣，可確保有足夠的空間來安裝勵磁繞組，使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，并可減少用銅量。


圖1是本發(fā)明電機(jī)的軸向剖視圖。
圖2是本發(fā)明電機(jī)截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明電機(jī)側(cè)面導(dǎo)磁導(dǎo)磁板的結(jié)構(gòu)圖。
其中有軸向勵磁線圈1、徑向氣隙2、軸向氣隙3、電機(jī)外殼4、側(cè)面導(dǎo)磁鋼板5、磁極極靴6、位置傳感器7、轉(zhuǎn)軸8、定子外軛9、定子內(nèi)軛10、定子齒11、定子繞組12、轉(zhuǎn)子齒13、轉(zhuǎn)子外軛14、轉(zhuǎn)子內(nèi)軛15、永磁體16。
以上的附圖是以定子12齒，轉(zhuǎn)子8齒(簡稱12/8極)的電機(jī)為例來說明，根據(jù)電機(jī)的運行原理，同樣適用于6/4極、8/6極或其他極數(shù)的兩向混合勵磁無刷電機(jī)。
具體實施例方式
1、雙向混合勵磁無刷電機(jī)和其他旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)一樣(如圖1)，有一個固定部分定子，有一個轉(zhuǎn)動部分轉(zhuǎn)子，定、轉(zhuǎn)子之間有一個很小的徑向氣隙2。定子由定子繞組12、定子鐵芯(含硅鋼片疊壓部分和電工純鐵部分)、永磁體16、位置傳感器7、勵磁磁極極靴6、勵磁繞組1、側(cè)面導(dǎo)磁鋼板5組成。其中硅鋼片疊壓部分的鐵芯的內(nèi)圓上沖有定子齒11和槽，且齒的極弧為齒距的1/2，槽內(nèi)繞組由絕緣銅線繞制；定子側(cè)端蓋上還固定有轉(zhuǎn)子位置傳感器7，由霍爾傳感器構(gòu)成。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯(含硅鋼片疊壓部分和電工純鐵部分)和轉(zhuǎn)軸8組成，其中硅鋼片疊壓部分鐵芯的外圓上沖有轉(zhuǎn)子齒13和槽，形成凸極。
2、因軸向磁場垂直穿過鐵芯疊片時磁場強(qiáng)度有較大幅度的衰減，定子和轉(zhuǎn)子軛部采用雙軛結(jié)構(gòu)，定子外軛9和轉(zhuǎn)子內(nèi)軛15主要用來軸向?qū)Т?，都采用電工純鐵加工為環(huán)形柱體(其中定子外軛被永磁體隔斷成均等的幾部分，如圖2)，柱體長度與鐵芯長度相同。轉(zhuǎn)子內(nèi)軛15緊套在轉(zhuǎn)軸8上，其外面是包含轉(zhuǎn)子外軛14和轉(zhuǎn)子齒13的轉(zhuǎn)子鐵芯疊壓件。定子外軛9在電機(jī)外殼4的內(nèi)側(cè)，定子內(nèi)軛10為0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，緊貼著定子外軛9，并與定子外軛共同構(gòu)成定子軛部。
3、電機(jī)端蓋外側(cè)由鋁合金或其他不導(dǎo)磁材質(zhì)做成；內(nèi)側(cè)鑲嵌有軸向勵磁的構(gòu)件，由鑄鋼加工而成，作為軸向磁路的一部分。定子側(cè)磁極極靴6與定子外軛9在軸向緊密接觸，轉(zhuǎn)子側(cè)的導(dǎo)磁磁極與轉(zhuǎn)子內(nèi)軛之間的軸向氣隙較小為宜，以減小軸向磁路的磁阻。為降低電機(jī)制造成本，同時使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，軸向勵磁磁極加工成極靴形式，這樣，可確保有足夠的空間來安裝勵磁繞組，并可減少用銅量，提高電機(jī)運行效率。為了保證軸向磁場在定、轉(zhuǎn)子鐵芯疊片中分配的均勻程度，電機(jī)的軸向尺寸不宜過長，并且電機(jī)兩側(cè)都需軸向勵磁，每側(cè)軸向勵磁線圈1的數(shù)目同永磁體數(shù)目，磁極極靴6的外邊緣與永磁體16之間應(yīng)有足夠的距離，以防漏磁。
4、永磁體(釹鐵硼永磁材料)16和定子繞組12安裝在定子上，勵磁繞組1安裝在勵磁磁極上，轉(zhuǎn)子上無繞組無永磁體，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單可靠，這樣電機(jī)可以無刷運行和高速運行。永磁體16均勻的安裝在定子軛部，且永磁體間的N-N極相向，S-S極相向(如圖2)，這樣在氣隙磁場處產(chǎn)生聚磁效果；每個定子齒11上都套裝有定子繞組12，定子繞組采用集中繞組，空間位置相對應(yīng)的兩個線圈按照電勢相加或同向的原則經(jīng)串連或并聯(lián)構(gòu)成電樞繞組的一相。
5、主磁通的路徑徑向主磁通路徑的順序為永磁體N極；定子軛部；定子齒；徑向氣隙；轉(zhuǎn)子齒；轉(zhuǎn)子軛部；轉(zhuǎn)子齒；徑向氣隙；定子齒；定子軛部；永磁體S極；軸向主磁通路徑的順序為電勵磁磁極N極(或S極，取決于勵磁電流方向，下同)；勵磁磁極極靴；定子外軛；定子內(nèi)軛；定子齒；徑向氣隙；轉(zhuǎn)子齒；轉(zhuǎn)子外軛；轉(zhuǎn)子內(nèi)軛；軸向氣隙；導(dǎo)磁磁極；側(cè)面導(dǎo)磁鋼板；電勵磁磁極S極(或N極)。
權(quán)利要求
1.一種兩向混合勵磁無刷電機(jī)，其特征在于該無刷電機(jī)的定子軛部和轉(zhuǎn)子軛部采用雙軛結(jié)構(gòu)；用來軸向?qū)Т诺亩ㄗ油廛?9)和轉(zhuǎn)子內(nèi)軛(15)為環(huán)形柱體，其中定子外軛(9)被永磁體(16)隔斷成均等的幾部分，定子外軛(9)和轉(zhuǎn)子內(nèi)軛(15)的長度與硅鋼片疊壓的鐵芯長度相同；定子外軛(9)在電機(jī)外殼(4)的內(nèi)側(cè)，定子內(nèi)軛(10)位于定子外軛(9)的內(nèi)側(cè)，定子內(nèi)軛(10)與定子外軛(9)共同構(gòu)成雙軛結(jié)構(gòu)的定子軛部；轉(zhuǎn)子內(nèi)軛(15)緊套在轉(zhuǎn)軸(8)外，轉(zhuǎn)子內(nèi)軛(15)外面包有轉(zhuǎn)子外軛(14)，在轉(zhuǎn)子外軛(14)上設(shè)有轉(zhuǎn)子齒(13)，由轉(zhuǎn)子內(nèi)軛(15)、轉(zhuǎn)子外軛(14)共同構(gòu)成雙軛結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子軛部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩向混合勵磁無刷電機(jī)，其特征在于在電機(jī)兩端面的電機(jī)外殼(4)的內(nèi)側(cè)設(shè)有側(cè)面導(dǎo)磁鋼板(5)，在該側(cè)面導(dǎo)磁鋼板(5)靠軸心的一端與轉(zhuǎn)子內(nèi)軛(15)之間留有軸向氣隙(3)，在該側(cè)面導(dǎo)磁鋼板(5)的外圓靠定子外軛(9)的部分設(shè)有磁極極靴(6)，軸向勵磁線圈(1)位于側(cè)面導(dǎo)磁鋼板(5)的外邊上，位置傳感器(7)位于側(cè)面導(dǎo)磁鋼板(5)上。
全文摘要
兩向混合勵磁無刷電機(jī)是一種永磁體和電勵磁相結(jié)合的混合勵磁調(diào)速電機(jī)，該無刷電機(jī)的定子軛部和轉(zhuǎn)子軛部采用雙軛結(jié)構(gòu)；用來軸向?qū)Т诺亩ㄗ油廛?9)和轉(zhuǎn)子內(nèi)軛(15)為環(huán)形柱體，其中定子外軛(9)被永磁體(16)隔斷成均等的幾部分，定子外軛(9)和轉(zhuǎn)子內(nèi)軛(15)的長度與硅鋼片疊壓的鐵芯長度相同；定子外軛(9)在電機(jī)外殼(4)的內(nèi)側(cè)，定子內(nèi)軛(10)位于定子外軛(9)的內(nèi)側(cè)，定子內(nèi)軛(10)與定子外軛(9)共同構(gòu)成雙軛結(jié)構(gòu)的定子軛部；轉(zhuǎn)子內(nèi)軛(15)緊套在轉(zhuǎn)軸(8)外，轉(zhuǎn)子內(nèi)軛(15)外面包有轉(zhuǎn)子外軛(14)，在轉(zhuǎn)子外軛(14)上設(shè)有轉(zhuǎn)子齒(13)，由轉(zhuǎn)子內(nèi)軛(15)、轉(zhuǎn)子外軛(14)共同構(gòu)成雙軛結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子軛部。
文檔編號H02K29/06GK1688083SQ200510038808
公開日2005年10月26日 申請日期2005年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月11日
發(fā)明者胡虔生, 易龍芳 申請人:東南大學(xué)