CN107873116A - 单极复励型异步电机 - Google Patents

Abstract

公开了一种异步旋转电机，在该异步旋转电机中，所有电线圈均不旋转，且所述电机具有单极复励型。所述电机包括：包括磁通返回部件(13)的转子；以及由一对电枢(11，12)和连接所述电枢(11，12)的磁性垫片(15)构成的定子，该定子提供旋转轴方向上的磁通，环形感应线圈(14)被供应交流电且置于气隙和所述磁性垫片之间，产生交变磁通的电枢(11，12)中的一者或两者容纳有一个或多个电枢线圈(27)。

Description

单极复励型异步电机

本发明涉及一种鼠笼式异步旋转电机，在该电机中，所有电线圈均不旋转，且该电机的结构是单极复励型。

众所周知，异步感应电机包括多相定子和旋转鼠笼式转子。在某些情况下，该转子用多相绕组制成。该电机提供的转矩与电枢电流成正比，这会导致未冷却转子的急剧变热。

本发明针对转子的这种变热问题提供了一种解决方案，方案为通过将电机的包括转子笼在内的各种线圈附接到定子，由于该线圈不移动因而易于通过传导而冷却。

在本发明的描述中，术语“电磁电枢”表示产生由连续分量和/或交变分量组成的磁通的定子。所产生的磁通在关于z轴方向的大致环形面(称为气隙面)的层面上并沿垂直于z轴的x-y平面中的大致径向方向离开电磁电枢。

所述电磁电枢被馈送交流电，该交流电可选地具有直流分量。该电磁电枢可以是单个电磁电枢，或者可以包括多个电磁电枢，该多个电磁电枢相对于旋转轴以平行方式关联从而形成多相电机。所述电磁电枢形成旋转电机的定子。该电磁电枢为环形，它的中心是空心的或实心的，它可以容纳电绕组并包括数量Npp个磁极对。磁极对的数量对应于穿过电磁电枢气隙面在z轴径向上的穿入磁通(南极)和穿出磁通(北极)的交替对的数量。

在本发明的描述中，术语“气隙面”表示采用z轴的、与转子和定子之间的磁相互作用平均面对应的柱面。

在本发明的描述中，称为z的轴对应于电机的旋转轴，称为x的轴对应于以z轴为中心的圆筒的切线方向，而y轴对应于以z轴为中心的圆盘的半径方向。术语“极平面”表示与z轴正交的平面。

在本发明的描述中，术语“磁极”对应于电磁电枢11和12周边的区域(参见图1a至1c)，其中磁通在北磁极N处沿着相对于电磁电枢11和12的大致径向方向穿出，并在南磁极S处重新穿入电磁电枢11和12。磁通至少部分地穿过气隙面。

在本发明的描述中，术语“SMC粉”指一种铁的粉末，该粉末的特点在于形成它的个体颗粒的部分电绝缘，该粉末例如由赫格纳斯(Hoganas)公司销售的SMC粉。这种SMC粉是使用以下非详尽列表中多种方法中的一种方法压缩制成：冷压或热压铁粉、热固化冷或热压铁粉、铁氧体、烧结铁粉。应用到SMC粉的该方法能够获得磁路，该磁路中的涡流损耗降低并且该磁路具有同性磁特性。

本发明描述了一种单相或双相电机。显然，包括至少两相的多相电机通过沿着相同的旋转轴轴向堆叠多个符合本发明的单相电机而制成，并且适用于通过磁性部件和线圈对它们进行连接从而形成复励电机。

根据本发明，旋转电机包括至少一个定子和至少一个转子，该转子具有磁通返回部件，该磁通返回部件置于转子和定子之间的气隙中，该旋转电机的特点在于，磁通返回部件通过既不传导磁通也不导电的支撑件保持在一起，定子由以下元件构成：

-至少一对固定的电磁电枢，这些电磁电枢沿z轴方向轴向排列并大致以z轴为中心，所述至少一对固定的电磁电枢中的一个或另一个容纳至少一个电枢线圈，该电枢线圈产生在气隙中大致交替的磁通；

-磁性垫片，该磁性垫片连接所述电磁电枢，且在该磁性垫片中，磁通大致在电磁电枢中每个的所有沿z轴方向相互面对的磁极之间，沿z轴方向在所述电磁电枢之间进行循环，所述磁性垫片被放置成在电磁电枢11、12的在气隙对面的环形面上，与所述电磁电枢接触；和

-直的或扭曲的环形感应线圈，该环形感应线圈设置在所述气隙和所述磁性垫片之间。

根据一种可能的构造，所述电磁电枢中的至少一个可包括磁轭，该磁轭上设有突出部，所述突出部的自由端位于气隙的一侧，并且所述突出部上缠绕有电枢线圈。

该电枢线圈可以例如交替地从一个突出部改变侧面绕到另一个突出部，或者缠绕在每个突出部上然后连接到下一个突出部。

根据一种可能性，电磁电枢中的至少一个可包括由布置在极平面x-y中并沿z方向以大致平行的方式堆叠的叠片形成的磁轭。

突出部可构造成大致规则地位于柱面上的蘑菇状部件，该柱面是磁轭的最靠近气隙的采用z轴的柱面，蘑菇状部件由布置在y-z平面上且沿旋转极方向θ彼此大致平行地堆叠的叠片33构成，或由布置在y-z平面上且沿切线方向x彼此大致平行地堆叠的叠片33构成，或由布置在y-z平面上且沿大致垂直于旋转轴z的可变方向彼此大致平行地堆叠的叠片构成，所述蘑菇状部件设置在磁轭和气隙之间，并且在采用z轴的大致为环形机械相互作用面上位于磁轭上，所述蘑菇状部件包括容纳电枢线圈的凹槽。

根据一种可能的构造，环形感应线圈被馈送直流电。

根据一种可能性，所述磁性垫片还可以由接受交变磁通的磁性材料制成，该磁通材料例如为SMC粉，或者由排列在大致的极平面中且沿极方向θ堆叠的叠片构成，以便形成能够传导z轴方向的交变磁通的环，所述电磁电枢的所述电枢线圈独立短路连接、或串联并短路连接，接着环形感应线圈被馈送交流电。

可选地，所述电枢线圈由短路笼代替。

最后，本发明还涉及一种旋转电机，该旋转电机包括组件，所述组件为多个如上所述的旋转电机在z轴方向上的组件。

现在将参照以下附图更详细地描述本发明，在这些附图中：

图1a至图1c示出了单极复励电机；

图2示出了使用蘑菇(mushroom)齿的单极复励电机的一个具体实施例；

图3示出了使用爪齿的单极复励电机的一个具体实施例。

图1a至图1c示出的单极复励电机10构成了所谓的反转(inverted)版本(即具有外部转子)中所示出的非限制性示例，该单极复励电机10包括至少一个定子和至少一个转子。该转子包括磁通返回部件13，磁通返回部件13置于转子和定子之间的气隙中。根据本发明，这些磁通返回部件通过既不传导磁通又不导电的支撑件保持在一起。

可以在图1a至图1c中看出，该定子由以下元件构成，：

-至少一对固定的电磁电枢11和12，其沿z轴方向轴向排列并大致以z轴为中心，该至少一对固定的电磁电枢11和12中的一个或另一个容纳至少一个电枢线圈(参见所附附图)，电枢线圈产生在气隙中基本上交替的磁通；

-磁性垫片15，其连接电磁电枢11和12，在该磁性垫片中，磁通大致在电枢11和12中每个的所有沿z轴方向相互面对的磁极之间，沿z轴方向在电磁电枢11和12之间、进行循环，优选地，磁性垫片15被放置在电磁电枢11、12的在与气隙对面的环形面上与该电磁电枢接触；

-直的或扭曲的环形感应线圈14，其设置在气隙和磁性垫片15之间。

在一个特别经济的实施例中，磁性垫片15由固体软钢或一些其它固体铁磁材料制成。

根据一个具体实施例，用于磁通返回部件13的支撑件由无磁性不锈钢或磁性不锈钢制成。

所述磁通返回部件13传导由交变分量和/或连续分量组成的磁通，该传导利用了特定的实现方式。例如，在具有叠片的第一实施例中，所述磁通返回部件13设置在极平面x-y中，并且通过大致沿旋转方向θ移动而环状堆叠。根据第二实施例，所述磁通返回部件13使用SMC粉制成。这些磁通返回部件的特点在于在极平面中的部分适于传导由电磁电枢11和12发射的磁通，优选地不会在电磁电枢11和12中引起过度的磁饱和。磁通返回部件13的数量等于电磁电枢11和12的磁极数量的一半，并且磁通返回部件13以基本恒定的方式彼此成角度地偏移。

优选地，电磁电枢11和12相同且包含相同数量的磁极。电磁电枢中的北极和南极的交替产生来自于电磁电枢的图1中未示出的线圈和特定几何形状。该几何形状的特点在于，在第一实施例中为凸极(电磁电枢产生单相磁通)，在第二实施例中为平滑极(电磁电枢产生对应于等效的旋转电磁场的三相磁通)。

如图1c中的10a所示，电磁电枢11和12相对于彼此成角度地偏移角θa(在极平面内)。该角θa定义为，x-y平面中的锁定到电磁电枢11南磁极S上的标记与x-y平面中的锁定到电磁电枢12的最近南磁极S上的标记之间的角度偏移。

根据第一实施例，电磁电枢11和12相反，这对应于角θa＝180°。在第二实施例中，电磁电枢11和12不再是相反的，而是以除180°之外的角度偏移。如果电磁电枢11和12是凸极类型，则θa＝180°的情况对应于例如单相同步电机。如果电磁电枢11和12是凸极类型，则θa＝90°或θa＝270°的情况对应于例如两相同步电机。

电磁电枢11和12的励磁线圈(图1c中未示出)被馈送大致的交流电，该交流电的频率大致等于转子的旋转频率乘以相同磁极对的数量Npp，该磁极对的相对于转子机械位置的时间相位被计算出以优化所产生的转子转矩。

单极复励电机尤其值得关注，这是因为它不包括旋转线圈且没有磁铁。由于感应线圈的去磁减少了感应线圈14的励磁电流，因此该单极复励电机允许在BLDC(无刷直流)同步模式下进行具有高超速能力的操作。

在一个具体实施例中，磁性垫片15由在z轴方向上产生磁通的环形磁体替代或补充。然后可选地可以去除励磁线圈14。

形成单极电机10的所有磁性部件都可以由切割并堆叠的铁磁叠片构成或由SMC粉制成。在一个经济的实施例中，磁性垫片15可以替代地由诸如钢或软铁的固体磁性材料制成。

在电磁电枢11和/或12的一个具体实施例20中，如图2所示，电磁电枢11或12中的一个和/或另一个由磁轭28组成，磁轭28上设有突出部26，突出部26的自由端位于气隙的一侧，并且突出部26的周围缠绕有电枢线圈27。电枢线圈27交替地从一个突出部26改变侧面绕到另一个突出部26，或者在每个突出部26上缠绕然后连接到下一个突出部26。

在图2所示的该实施例20中，磁通返回部件13优选地具有沿极角方向θ的极长度，该极长度基本上等于极性突出部26的与气隙一致的角长度。在该具体实施例20中，优选地，磁通返回部件13具有极性截平面中的截面，该截面基本上等于极性突出部26在与气隙一致的柱平面中的截面。

在具体实施例20中，电磁电枢11和12还可用金属板爪或SMC粉爪制成。

在电磁电枢11和/或12的另一实施例30中，如图3所示，电磁电枢11或12中的一个和/或另一个包括：

-电磁轭38，其由布置在x-y极平面中并沿方向z以大致平行的方式堆叠的叠片36构成，

-蘑菇状部件35，该蘑菇状部件35以大致规则的方式位于电磁轭38的最靠近气隙的采用z轴的柱面上。蘑菇状部件35由布置在y-z平面中且沿旋转极方向θ以大体平行的方式堆叠的叠片33构成，或由布置在y-z平面中且沿切线方向x以大体平行的方式堆叠的叠片33构成，或由布置在y-z平面中且沿大体上垂直于旋转轴z的可变方向以大体平行的方式堆叠的叠片33构成。所述蘑菇状部件35设置在电磁轭38和气隙之间，并且在采用z轴的大致为环形机械相互作用面上位于电磁轭38上。优选地，这些蘑菇状部件35包括容纳电枢线圈27的凹槽39。

在该具体实施例30中，为了简化本发明的描述并与其他实施例的描述相一致，角θa是从蘑菇状部件35的径向对称中心开始测量的，该蘑菇状部件35在极平面中的平表面朝向于坐标z的降低方向。与该定义一致的对θa的任何其他定义仍然有效。

显然在该具体实施例30中，旋转电机中的磁通的类型为同时横向于转子和定子。

在具体实施例20和30中，磁轭28和/或38在第一种情况下是环形的，在第二种情况下是盘形的。

本发明实际上提出了将单极复励电机10或20或30变换为单极异步电机，该单极复励电机以BLDC同步模式操作且其感应线圈14被馈送直流电。本发明使用与单极复励电机10在其具体实施例20或30中的结构相同的结构。本发明的特点在于，与具体实施例10、20和30中的结构明显不同的以下结构：

-磁性垫片15由接受交变磁通的磁性材料制成或由布置在大致的极平面中并沿着角方向θ堆叠的叠片制成，以便形成能够在z轴方向上传导交变磁通的环，该磁性材料诸如为SMC粉末，

-实施例10中的电磁电枢11和12的电枢线圈或实施例20或30中的电枢线圈27独立短路连接；在另一个实施例中，它们串联连接并短路连接；在再一个实施例中，每个电枢线圈27由与现有技术的感应电机的短路笼相似的短路笼代替，

-向电机馈送电能，励磁或感应线圈14被馈送交流电。

所获得的电机是以与现有技术中感应电机完全相同的方式工作的异步感应电机。如已经提到的，通过轴向组合多个根据本发明的电机而构成多相电机。双电源异步电机的工作模式是通过向电枢和励磁线圈同时馈入交流电而获得的。

本发明的描述自始至终涉及旋转电机，该旋转电机中的气隙面是以其旋转轴z为中心的柱面。对本领域技术人员而言使用适当的设计对称性，将本发明变换到气隙面是以旋转轴为中心的环形或实心盘的圆盘式电机是显而易见的，例如将径向磁通转换成切向磁通，反之亦然。

此外，本发明的上述描述还扩展到所描述的旋转电机在轴扭矩-速度曲线的四个操作象限中的所有操作模式，并因此延伸到电机、发电机和制动模式以及正向、反向旋转方向的所有操作模式。

本发明不仅涵盖外部转子结构，如图所示，还覆盖具有内部转子的结构。通过如现有技术中所描述的利用以气隙面为中心的径向对称的、关于气隙面的镜面效应，影响从内部转子和外部转子中一个到另一个的通道。

应当注意的是，通过应用将沿极轴x的尺寸演变成线性尺寸的适当变换，根据本发明的旋转电机的描述可以扩展到线性电机。

构成本发明的部分铁磁性部件或全部铁磁性部件在任何情况下都可以由SMC粉制成。

本发明的电机可以包括金属板爪电枢或可移除齿电枢。本发明的电机可以通过开环电压控制算法进行控制，并且可选地，可以结合一种减少电机编码器噪声的方法。本发明的电机可以使用基于硅的高温绝缘工艺进行绝缘。

本发明中描述的所有元件可扩展到包括任何数量的电相和任何数量的电磁磁极的、其它旋转或静止的电机。本发明不限于所描述的实施例，而是在保持在由所附权利要求限定的保护范围内的同时，扩展到对本领域技术人员而言显而易见的任何修改和变型。

Claims (9)

1.一种旋转电机，包括至少一个定子和至少一个转子，所述转子具有磁通返回部件(13)，所述磁通返回部件(13)置于所述转子和所述定子之间的气隙中，其特征在于，所述磁通返回部件(13)通过既不传导磁通也不导电的支撑件保持在一起，所述定子由以下元件构成：

-至少一对固定的电磁电枢(11，12)，所述电磁电枢(11，12)沿z轴方向轴向排列并大致以z轴为中心，所述至少一对固定的电磁电枢(11，12)中的一个或另一个容纳至少一个电枢线圈(27)，所述电枢线圈(27)产生在气隙中大致交替的磁通；

-磁性垫片(15)，所述磁体垫片(15)连接所述电磁电枢(11，12)，且在所述磁性垫片中，所述磁通大致在所述电磁电枢(11，12)中每个的所有沿z轴方向相互面对的磁极之间，沿z轴方向在所述电磁电枢(11，12)之间进行循环，所述磁性垫片(15)被放置成在所述电磁电枢(11，12)的在所述气隙对面的环形面上，与所述电磁电枢(11，12)接触；和

-直的或扭曲的环形感应线圈(14)，所述环形感应线圈设置在所述气隙和所述磁性垫片(15)之间。

2.根据前述权利要求所述的旋转电机，其特征在于，所述电磁电枢(11，12)中的至少一个包括磁轭(28，38)，所述磁轭上设有突出部(26，35)，所述突出部的自由端位于气隙的一侧，并且所述突出部上缠绕有电枢线圈(27)。

3.根据前述权利要求所述的旋转电机，其特征在于，所述电枢线圈(27)交替地从一个突出部(26)改变侧面绕到另一个突出部，或缠绕在每个突出部(26)上然后连接到下一个突出部(26)。

4.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，所述突出部构造成大致规则地位于柱面上的蘑菇状部件(35)，所述柱面是磁轭(38)的最靠近气隙的采用z轴的柱面，所述蘑菇状部件由布置在y-z平面上且沿旋转极方向θ彼此大致平行地堆叠的叠片(33)构成，或由布置在y-z平面上且沿切线方向x彼此大致平行地堆叠的叠片(33)构成，或由布置在y-z平面上且沿大致垂直于旋转轴z的可变方向彼此大致平行地堆叠的叠片(33)构成，所述蘑菇状部件(35)设置在所述磁轭(38)和所述气隙之间，并且在采用z轴的大致成环形的机械相互作用面上位于磁轭(38)上，所述蘑菇状部件(35)包括容纳所述电枢线圈(27)的凹槽(39)。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的旋转电机，其特征在于，所述电磁电枢(11，12)中的至少一个包括由布置在平面x-y上并沿z方向以大致平行的方式堆叠的叠片(36)形成的磁轭(28，38)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的旋转电机，其特征在于，所述环形感应线圈(14)被馈送直流电。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的旋转电机，其特征在于，所述磁性垫片(15)由接受交变磁通的磁性材料制成，所述磁性材料例如为SMC粉，或由排列在大致的极平面中且沿极方向θ堆叠的叠片构成，以便形成能够在内部传导(z)轴方向的交变磁通的环，

-所述电磁电枢(11，12)的所述电枢线圈(27)独立短路连接、或串联并短路连接，或

-所述环形感应线圈(14)被馈送交流电。

8.根据前述权利要求所述的旋转电机，其特征在于，每个电枢线圈(27)均由短路笼代替。

9.一种旋转电机，其包括组件，所述组件为多个如前述权利要求中任一项所述的旋转电机在z轴方向上的组件。