一种磁通切换永磁电机的制作方法

1.本发明涉及电机制造技术领域，具体涉及一种磁通切换永磁电机。


背景技术：

2.大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种新型永磁电机，具有重要的理论意义和应用价值。无论作发电还是电动运行，具有高效率、大转矩(功率)密度和低损耗等特点的新型永磁电机正呈现出加速发展的趋势。过去十多年来研究热点一直集中于以表面贴装式、插入式和内嵌式为代表的转子永磁型电机。然而，将永磁体放置于转子类型的电机在设计和运行过程中都会产成一系列问题，集中体现为以下三点：1.对永磁体粘贴在转子表面或插入转子凸极之间的结构，为了克服高速运行所产生的离心力影响，通常需要制作辅助的永磁体固定装置，并且永磁体处于定子和转子之间，加大了气隙长度，既增加了电机体积，又会导致气隙磁密减弱，影响出力；2.对永磁体埋入转子铁心内部的内嵌式结构，会影响转子的机械强度，并且需要辅助磁桥，同样会增加制作工艺；3.永磁体安放在转子上不利于该类型电机的冷却。
3.对转子永磁型电机而言，由于定子绕组产生的电枢反应磁通都会进入转子，与永磁体相互耦合，存在一定程度上的去磁危险；另一方面，无论是作为发电机还是电动机，为了获得正弦度较高的空载反电动势，通常在定子上安装分布绕组，会直接导致绕组端部较长，增加了导线长度和电阻，铜耗较大，降低了电机效率，更会使得电机体积增大，限制了转子永磁型结构在航天、航空、航海、电动汽车等对电机体积有严格要求领域的应用。因此，研究出能够克服上述缺点的新型结构永磁电机就成为电机工作者义不容辞的一个关键任务。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种磁通切换永磁电机，使得该电机结构简单、坚固，具有高度正弦的空载反电动势、较强的转矩输出能力和较大的功率密度，同时具备较强的抗去磁能力，特别适合于作为交流调速系统的驱动元件，以解决上述背景中问题。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种磁通切换永磁电机，包括转子，所述转子的外部呈环形阵列设置有若干定子，相邻所述定子之间设置有永磁体，所述定子和转子均为双凸极结构，所述定子上设置有集中绕组；
7.所述集中绕组中的任何一相的第一绕组线圈和第三绕组线圈径向相对，第二绕组线圈和第四绕组线圈径向相对，所述集中绕组中的任何一相的第一绕组线圈和第二绕组线圈的电势在磁路上存在相位差，第二绕组线圈和第四绕组线圈的电势在磁路上存在相位差。
8.作为本发明进一步的方案：所述集中绕组中的每个绕组线圈绕接设置于相邻的定子上，所述集中绕组中的任何一相线圈中的四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接。
9.作为本发明进一步的方案：所述定子为u型导磁铁芯。
10.作为本发明进一步的方案：所述转子为直槽结构。
11.作为本发明进一步的方案：所述永磁体是铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢。
12.作为本发明进一步的方案：所述集中绕组包括a相绕组线圈、b相绕组线圈和c相绕组线圈。
13.作为本发明进一步的方案：所述a相绕组线圈包括设置于定子上的若干a相第一绕组线圈、a相第二绕组线圈、a相第三绕组线圈和a相第四绕组线圈；
14.所述b相绕组线圈包括设置于定子上的若干b相第一绕组线圈、b相第二绕组线圈、b相第三绕组线圈和b相第四绕组线圈；
15.所述c相绕组线圈包括设置于定子上的若干c相第一绕组线圈、c相第二绕组线圈、c相第三绕组线圈和c相第四绕组线圈。
16.本发明的有益效果：
17.(1)本发明的集中绕组和永磁体都设于定子上，所以本发明结构非常简单而坚固，而且有利于改善该电机的冷却条件；由于采用了集中绕组方式，可以减小端部长度，尽可能地减小电阻和铜耗，也保证了电机的结构紧凑，功率密度较大，效率较高；
18.(2)由于集中绕组任何一相的第一绕组线圈和第三绕组线圈径向相对，第二绕组线圈和第四绕组线圈径向相对，所以在四个固定的转子位置(分别对应着匝链的永磁磁链正向最大、负向最大和两个过零点)，组成一相的两套线圈绕组中匝链的永磁磁链数量和方向都相同；另一方面，由于组成一相的两套集中绕组线圈(每一套由径向相对的两个线圈串联而成)在磁路上存在180
°
的相位差，在顺序串联连接时，可以利用线圈在磁路上具备互补的特点，使得匝链的一相永磁磁链和产生的空载反电动势波形中的高次谐波分量幅值相等而相位上互补，在合成为一相磁链或电势时，自动抵消了大部分谐波，只保留了基波分量，保证了该电机在采用集中绕组和直槽转子的条件下，就可获得正弦度非常高的磁链、反电动势和电感等静态特性，从而使本发明特别适合于作为交流调速系统的驱动元件；
19.(3)本发明中，由于定子两个相邻的定子齿之间设置有永磁体，所以当转子与不同的定子齿对齐时，永磁体产生的永磁磁通穿过线圈的方向就会不同，从而产生磁通切换效应，使线圈中匝链的永磁磁链为双极性；
20.(4)本发明中，转子为直槽转子，保证了本发明在采用集中绕组和转子不斜槽的条件下，就可获得正弦度非常高的磁链、反电动势和电感等静态特性，从而使本发明更加适合于作为交流调速系统的驱动元件。
附图说明
21.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
22.图1是本发明整体结构及线圈径向示意图；
23.图2是本发明中定子结构示意图。
24.图中：1、定子；2、永磁体；3、集中绕组；31、a相绕组线圈；311、a相第一绕组线圈；312、a相第二绕组线圈；313、a相第三绕组线圈；314、a相第四绕组线圈；32、b相绕组线圈；321、b相第一绕组线圈；322、b相第二绕组线圈；323、b相第三绕组线圈；324、b相第四绕组线圈；33、c相绕组线圈；331、c相第一绕组线圈；332、c相第二绕组线圈；333、c相第三绕组线圈；334、c相第四绕组线圈；4、转子。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
26.请参阅图1和图2所示，本发明为一种磁通切换永磁电机，包括转子4，转子4为直槽结构，在转子4的外部呈环形阵列设置有12个定子1，且定子1为u型导磁铁芯，相邻定子1之间设置有永磁体2，永磁体2采用铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢，其中定子1和转子4均为双凸极结构，在定子1上设置有集中绕组3；
27.具体的，集中绕组3包括a相绕组线圈31、b相绕组线圈32和c相绕组线圈33；其中，a相绕组线圈31包括设置于定子1上的若干a相第一绕组线圈311、a相第二绕组线圈312、a相第三绕组线圈313和a相第四绕组线圈314；b相绕组线圈32包括设置于定子1上的若干b相第一绕组线圈321、b相第二绕组线圈322、b相第三绕组线圈323和b相第四绕组线圈324；c相绕组线圈33包括设置于定子1上的若干c相第一绕组线圈331、c相第二绕组线圈332、c相第三绕组线圈333和c相第四绕组线圈334；
28.其次，a相第一绕组线圈311和a相第三绕组线圈313径向相对，a相第二绕组线圈312和a相第四绕组线圈314径向相对，每个绕组线圈套于两个相邻的u形铁芯定子1的槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接；
29.b相第一绕组线圈321和b相第三绕组线圈323径向相对，b相第二绕组线圈322和b相第四绕组线圈324径向相对，每个绕组线圈套于两个相邻的u形铁芯定子1的槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接；
30.c相第一绕组线圈331和c相第三绕组线圈333径向相对，c相第二绕组线圈332和c相第四绕组线圈334径向相对，每个绕组线圈套于两个相邻的u形铁芯定子1的槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接；
31.由于采用了如图2的结构，因此，当转子4与不同的定子齿对齐时，永磁体2产生的永磁磁通穿过a相第一绕组线圈311的方向就会不同，从而产生磁通切换效应，导致匝链的永磁磁链为双极性，而最关键的是，对于组成一相的四个线圈而言，如a相第一绕组线圈311和a相第三绕组线圈313径向相对，转子4在任何位置其绕组中匝链的磁链数量和方向都相同，对a相第二绕组线圈312和a相第四绕组线圈314情况相同；但a相第一绕组线圈311和a相第二绕组线圈312在转子4运动一个周期的过程中，与转子4的相对位置却存在磁路上的差异，也直接导致其绕组中匝链的永磁磁链有180
°
的相位差，因此将具有这种特征的集中绕组3成为互补型绕组。
32.其次，当转子4有一个齿与a相第一绕组线圈311和a相第二绕组线圈312的一个定子齿相对时，根据永磁体2的磁化方向，这两个绕组线圈中的永磁磁通都从转子齿之间的气隙穿进定子齿，且数值最大。而当转子4逆时针旋转90
°
时，一个转子齿与a相第一绕组线圈311中间的永磁体2对齐，而此时有两个转子齿处在相对a相第二绕组线圈312轴线的平衡位置，尽管在该位置两个线圈中匝链的有效永磁磁通都为零，但转子4对于定子1上线圈的相对位置却不同。采用同样的方法分析可知，转子4在旋转一个机械周期360
°
范围内，相对a相第一绕组线圈311和a相第二绕组线圈312的运动方向是相反的，这也导致这两个线圈中感
应的空载反电动势高次谐波分量幅值几乎相等，相位几乎相反，在叠加合成为一相空载反电动势时互相抵消，在理论上只保留基波分量，保证该电机的永磁磁链、反电动势和电感具备高度的正弦性，使得该电机特别适合于作为交流调速系统的驱动元件。
33.此外，该电机结构上的特点导致其具有聚磁效应，空载气隙磁密较大，电机具有较强的转矩输出能力，功率密度较高，同时，电阻较小，效率较高。而且，电枢反应磁通和永磁磁通在空间上互相垂直，磁路上是并联关系，保证了该电机具有较强的抗去磁能力。
34.而集中绕组3中的b相和c相的线圈的工作原理同上，可以大大提高工作效率。
35.转子4可以是直槽转子，保证了本发明在采用集中绕组3和转子4不斜的条件下，就可获得正弦度非常高的磁链、反电动势和电感等静态特性，从而使本发明更加适合作为交流调速系统的驱动元件。
36.并且，永磁体2采用铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢，定子1和凸极转子4都可以采用硅钢片冲片压叠制成，定子1由u型结构的导磁铁心拼装组成。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”仅由于描述目的，且不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。