專利名稱：轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)及其提高反電勢(shì)正弦度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁通切換電機(jī)及方法，尤其涉及一種轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)及
其提高反電勢(shì)正弦度的方法，屬于特種電機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在電機(jī)領(lǐng)域中，永磁電機(jī)在效率、功率密度、轉(zhuǎn)矩密度方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，在對(duì) 體積和功率要求苛刻的場(chǎng)合比較適用。但是其永磁體置于轉(zhuǎn)子上，大功率/寬轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí) 存在如下問(wèn)題1、高速旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力較大，須對(duì)永磁體進(jìn)行防護(hù)；2、永磁體散熱困難；3、永 磁體磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，永磁體受電樞磁場(chǎng)影響較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生不可逆退磁。
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)定、轉(zhuǎn)子是雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上無(wú)永磁體也無(wú)繞組，它的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是 最為簡(jiǎn)單的。高壓直流開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)也一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和研究的熱 點(diǎn)，在美國(guó)空軍的資助下美國(guó)GE和Sund strand公司1985年開(kāi)始聯(lián)合研制270V高壓直流 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)(30kw)，該系統(tǒng)現(xiàn)應(yīng)用在美國(guó)開(kāi)發(fā)的最新聯(lián)合攻擊機(jī)F35中， 它是目前國(guó)際上認(rèn)為性能最好的270V高壓直流起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)。 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)由于是半周期工作，電機(jī)功率密度要低于永磁電機(jī)。永磁雙凸極電 機(jī)、電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)通過(guò)加入第二套磁場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的全周期運(yùn)行，提高了電機(jī)的功 率密度。但是雙凸極電機(jī)的磁鏈波形是單極性，電機(jī)材料的利用率不高，另外，雙凸極電機(jī) 的反電勢(shì)波形不夠規(guī)則，工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)若采用二極管不控整流電路，功率因數(shù)較低。
與永磁雙凸極電機(jī)同屬于定子永磁式電機(jī)的永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，可 以看成是普通的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在定子齒上開(kāi)槽，插入永磁體。它的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與開(kāi)關(guān)磁阻電 機(jī)相同；從反電勢(shì)波形來(lái)看，雙極性正弦波形反電勢(shì)與BLAC電機(jī)相同，因此它的功率密度 要大于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；從磁鏈波形來(lái)看，永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)磁鏈波形為雙極性，電機(jī)材料的 利用率要高于永磁雙凸極電機(jī)、電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)。 綜上所述，永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)的特點(diǎn)如下1、永磁體置于定子上，易于冷卻，不受 離心力；2、特有的"聚磁"效應(yīng)使得電機(jī)在采用矯頑力較低的永磁體時(shí)也可獲得較高的氣隙 磁密；3、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于高速運(yùn)行；4、永磁體磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，永磁體受電 樞磁場(chǎng)影響小，弱磁能力優(yōu)于轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)；5、電機(jī)采用集中式繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，端部銅 損小，電機(jī)效率高；6、轉(zhuǎn)矩密度和功率密度要優(yōu)于永磁雙凸極電機(jī)和轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)。
但由于磁通切換電機(jī)本體結(jié)構(gòu)的不完全對(duì)稱，其單個(gè)線圈的反電勢(shì)諧波較大，若 使用轉(zhuǎn)子斜槽，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且反電勢(shì)基波幅值減小，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度、功率密度降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決磁通切換電機(jī)本體結(jié)構(gòu)不完全對(duì)稱，其單個(gè)線圈的反電勢(shì)諧波較 大的問(wèn)題而提出一種具有單個(gè)線圈反電勢(shì)幅值高、反電勢(shì)正弦度高的磁通切換電機(jī)及其提 高反電勢(shì)正弦度的方法。 轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)，包括凸極定子、電樞繞組、凸極轉(zhuǎn)子，其特征在于還包括電勵(lì)磁繞組，每?jī)蓚€(gè)凸極定子之間的空隙依次嵌入永磁體，上述與永磁體相連的兩個(gè)凸 極定子臂上纏繞電樞繞組，與電樞繞組垂直方向上在永磁體上纏繞電勵(lì)磁繞組，且相鄰永 磁體上的勵(lì)磁方向相反，凸極轉(zhuǎn)子以空間機(jī)械角度a沿軸向分段，空間機(jī)械角度a滿足式
(1):
360°式(1)中Pr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。 2、一種基于權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)的提高反電勢(shì)正弦度的 方法，其特征在于采用所述轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)，凸極定子A、凸極轉(zhuǎn)子A在電樞繞組 中產(chǎn)生的反電勢(shì)和凸極定子B、凸極轉(zhuǎn)子B在電樞繞組中產(chǎn)生的反電勢(shì)相位相差180°電 角度，相對(duì)應(yīng)的凸極定子與凸極轉(zhuǎn)子的相對(duì)永磁體勵(lì)磁方向相反，則合成的單線圈反電勢(shì) 波形形狀在0。 90° 、90° 180° 、180° 270° 、270° 360°電角度區(qū)間內(nèi)完全一 致，反電勢(shì)波形諧波系數(shù)減小，從而提高反電勢(shì)正弦度，且合成的單線圈反電勢(shì)波形幅值為 每部分反電勢(shì)波形幅值的2倍。 本發(fā)明方法具有通用性，適用于多種類型磁通切換電機(jī)，包括傳統(tǒng)永磁磁通切換 電機(jī)、傳統(tǒng)混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)、隔齒勵(lì)磁永磁磁通切換電機(jī)、隔齒混合勵(lì)磁磁通切換電 機(jī)，任意定子極對(duì)數(shù)Ps和轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)Pr，都可使得電機(jī)的單線圈反電勢(shì)具有高正弦度，且合 成系數(shù)為l，反電勢(shì)幅值高，電機(jī)功率密度高。 本發(fā)明轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)及其提高反電勢(shì)正弦度的方法，合理設(shè)計(jì)分段式 轉(zhuǎn)子的錯(cuò)開(kāi)角度，兩部分永磁體勵(lì)磁方向相反，保證了單線圈反電勢(shì)的高正弦度和高幅值， 使得電機(jī)運(yùn)行相數(shù)可以靈活設(shè)計(jì)，保持了磁通切換電機(jī)的高效率、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密 度。本發(fā)明適用在對(duì)磁通切換電機(jī)有不同相數(shù)運(yùn)行要求的場(chǎng)合。


圖l是本發(fā)明中轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標(biāo)號(hào)名稱1、凸 極定子A，2、凸極轉(zhuǎn)子A，3、凸極定子B，4、凸極轉(zhuǎn)子B，5，電機(jī)轉(zhuǎn)軸，6，機(jī)殼，7，電樞繞組。
圖2是本發(fā)明中轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)A部分截面示意圖，圖中標(biāo)號(hào)名稱7，電 樞繞組，8、電勵(lì)磁繞組，9、隔磁齒，10，永磁體A。 圖3是本發(fā)明中轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)B部分截面示意圖，圖中標(biāo)號(hào)名稱7，電 樞繞組，8 、電勵(lì)磁繞組，9 、隔磁齒，10 ，永磁體B 。 圖4是本發(fā)明中轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)凸極轉(zhuǎn)子A和B錯(cuò)開(kāi)角度示意圖。
圖5是本發(fā)明中提高反電勢(shì)正弦度方法應(yīng)用機(jī)型1 :傳統(tǒng)永磁磁通切換電機(jī)。
圖6是本發(fā)明中提高反電勢(shì)正弦度方法應(yīng)用機(jī)型2 :傳統(tǒng)混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)。
圖7是本發(fā)明中提高反電勢(shì)正弦度方法應(yīng)用機(jī)型3 :隔齒勵(lì)磁永磁磁通切換電機(jī)。
圖8是本發(fā)明中提高反電勢(shì)正弦度方法應(yīng)用機(jī)型4 :隔齒混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)。
圖9是本發(fā)明凸極定子1、凸極轉(zhuǎn)子2在電樞繞組中產(chǎn)生的永磁磁鏈、凸極定子3、 凸極轉(zhuǎn)子4在電樞繞組中產(chǎn)生的永磁磁鏈及合成的單線圈永磁磁鏈?zhǔn)疽鈭D。
具體實(shí)施例方式
如圖1、圖2、圖3、圖4所示， 一種轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)，包括凸極定子A、凸極 定子B和凸極轉(zhuǎn)子A、凸極轉(zhuǎn)子B，凸極轉(zhuǎn)子A和凸極轉(zhuǎn)子B同轉(zhuǎn)軸連接，凸極定子A和凸極 定子B共用一套電樞繞組。兩部分定子截面幾何形狀和軸向長(zhǎng)度完全一致，兩部分定子的 空間角度一致。不同的是兩部分定子相對(duì)的永磁體勵(lì)磁方向相反。兩部分轉(zhuǎn)子截面幾何形 狀和軸向長(zhǎng)度完全一致，兩部分轉(zhuǎn)子的空間角度相差a， a必須滿足式(1)
360° 式(1)，^為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。 圖5是本發(fā)明中提高反電勢(shì)正弦度方法應(yīng)用機(jī)型1 :傳統(tǒng)永磁磁通切換電機(jī)。
圖6是本發(fā)明中提高反電勢(shì)正弦度方法應(yīng)用機(jī)型2 :傳統(tǒng)混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)。
圖7是本發(fā)明中提高反電勢(shì)正弦度方法應(yīng)用機(jī)型3 :隔齒勵(lì)磁永磁磁通切換電機(jī)。
圖8是本發(fā)明中提高反電勢(shì)正弦度方法應(yīng)用機(jī)型4 :隔齒混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)。
從圖9可以看出凸極定子A、凸極轉(zhuǎn)子A在電樞繞組中產(chǎn)生的永磁磁鏈和凸極定子 B、凸極轉(zhuǎn)子B產(chǎn)生的永磁磁鏈在每90。電角度內(nèi)波形并不完全一致。 在a滿足式(1)的條件下，兩部份磁鏈相位相差180。電角度，具有互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，同 時(shí)兩部分電機(jī)相對(duì)永磁體勵(lì)磁方向相反，所以兩部分磁鏈相加后，單個(gè)線圈磁鏈在每90。
電角度內(nèi)波形完全一致，磁鏈電勢(shì)正弦度高，磁鏈合成系數(shù)為l，單個(gè)線圈磁鏈幅值為每部 分磁鏈幅值的2倍。 因此，凸極定子A、凸極轉(zhuǎn)子A在電樞繞組中產(chǎn)生的反電勢(shì)和凸極定子B、凸極轉(zhuǎn)子 B產(chǎn)生的反電勢(shì)相位相差180°電角度，以及兩部分電機(jī)相對(duì)永磁體勵(lì)磁方向相反，其合成 的單線圈反電勢(shì)具有高正弦度，且合成系數(shù)為l，反電勢(shì)幅值高，電機(jī)功率密度高。
該方法具有通用性，適用于多種類型磁通切換電機(jī)，包括傳統(tǒng)永磁磁通切換電機(jī)、 傳統(tǒng)混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)、隔齒勵(lì)磁永磁磁通切換電機(jī)、隔齒混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)，任 意定子極對(duì)數(shù)Ps和轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)Pr，都可使得電機(jī)的單線圈反電勢(shì)具有高正弦度，且合成系 數(shù)為l，反電勢(shì)幅值高，電機(jī)功率密度高。
權(quán)利要求
一種轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)，包括凸極定子、電樞繞組、凸極轉(zhuǎn)子，其特征在于還包括電勵(lì)磁繞組，每?jī)蓚€(gè)凸極定子之間的空隙依次嵌入永磁體，上述與永磁體相連的兩個(gè)凸極定子臂上纏繞電樞繞組，與電樞繞組垂直方向上在永磁體上纏繞電勵(lì)磁繞組，且相鄰永磁體上的勵(lì)磁方向相反，凸極轉(zhuǎn)子以空間機(jī)械角度α沿軸向分段，空間機(jī)械角度α滿足式(1)式(1)中Pr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。F2009101850271C0000011.tif
2. —種基于權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)的提高反電勢(shì)正弦度的方法，其特征在于采用所述轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)，凸極定子A、凸極轉(zhuǎn)子A在電樞繞組中產(chǎn) 生的反電勢(shì)和凸極定子B、凸極轉(zhuǎn)子B在電樞繞組中產(chǎn)生的反電勢(shì)相位相差180°電角度， 相對(duì)應(yīng)的凸極定子與凸極轉(zhuǎn)子的相對(duì)永磁體勵(lì)磁方向相反，則合成的單線圈反電勢(shì)波形形 狀在O。 90° 、90° 180° 、180° 270° 、270° 360°電角度區(qū)間內(nèi)完全一致，反電 勢(shì)波形諧波系數(shù)減小，從而提高反電勢(shì)正弦度，且合成的單線圈反電勢(shì)波形幅值為每部分 反電勢(shì)波形幅值的2倍。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種轉(zhuǎn)子分段式磁通切換電機(jī)及其提高反電勢(shì)正弦度的方法，屬于定子永磁式電機(jī)領(lǐng)域。本發(fā)明電機(jī)包括凸極定子、電樞繞組、凸極轉(zhuǎn)子，還包括電勵(lì)磁繞組，每?jī)蓚€(gè)凸極定子之間的空隙依次嵌入永磁體，上述與永磁體相連的兩個(gè)凸極定子臂上纏繞電樞繞組，與電樞繞組垂直方向上在永磁體上纏繞電勵(lì)磁繞組，且相鄰永磁體上的勵(lì)磁方向相反，凸極轉(zhuǎn)子以空間機(jī)械角度α沿軸向分段。本發(fā)明所述方法，凸極定子A、凸極轉(zhuǎn)子A在電樞繞組中產(chǎn)生的反電勢(shì)和凸極定子B、凸極轉(zhuǎn)子B在電樞繞組中產(chǎn)生的反電勢(shì)相位相差180°電角度，相對(duì)應(yīng)的凸極定子齒中嵌入的永磁體勵(lì)磁方向相反，則合成的單線圈反電勢(shì)具有高正弦度及合成系數(shù)為1的高幅值。
文檔編號(hào)H02K1/14GK101699713SQ20091018502
公開(kāi)日2010年4月28日 申請(qǐng)日期2009年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者王宇, 王曉琳, 鄧智泉 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)