專利名稱：具有串激特性的高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁電機(jī)的技術(shù)，特別是涉及一種具有串激特性的高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁電 機(jī)的技術(shù)。
背景技術(shù)：
永磁直流(伺服)電機(jī)作為快速響應(yīng)驅(qū)動(dòng)元件廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中，而自 動(dòng)控制系統(tǒng)有很多場(chǎng)合都要求永磁直流(伺服)電機(jī)具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和快速響應(yīng)能 力。另外為了滿足啟動(dòng)、加速的需要，永磁直流(伺服)電機(jī)還必須具有較高的過載能力。永磁直流(伺服)電機(jī)中，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電樞直徑的平方、電樞長(zhǎng)度、線負(fù)荷及氣 隙磁密成正比；在特定條件下，電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)與電機(jī)電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比，與氣隙 磁密的平方成反比；電機(jī)的加速度和轉(zhuǎn)矩成正比，與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成反比。綜上所述，要提高轉(zhuǎn)矩、提高加速度和減小時(shí)間常數(shù)(即提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、過載能力 和快速響應(yīng)能力)，都必須提高氣隙磁密。目前的永磁直流(伺服)電機(jī)最大的缺點(diǎn)之一是 其永磁磁通為一恒定值，僅具有并激(并勵(lì))、他激(他勵(lì))特性，不能像串激(串勵(lì))電機(jī) 那樣利用大電流產(chǎn)生足夠大的氣隙磁密。因此，為了提高其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、過載能力和快速響應(yīng) 能力，必須增大電機(jī)體積，使其用途大受限制，特別是不能用于要求高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能利用 大電流產(chǎn)生足夠大的氣隙磁密，從而提高其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、過載能力和快速響應(yīng)能力的具有串 激特性的高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的一種具有串激特性的高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁電 機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子、至少一對(duì)永磁磁極，所述轉(zhuǎn)子套設(shè)于定子內(nèi)，由同軸套接的電樞鐵芯和 轉(zhuǎn)軸組成，所述電樞鐵芯設(shè)有徑向向外開口的電樞槽，用于嵌放電樞繞組，各永磁磁極軸對(duì) 稱固定于所述定子的內(nèi)壁，且與所述轉(zhuǎn)子之間具有氣隙，其特征在于所述永磁磁極由一塊 高導(dǎo)磁率的附加磁極和一塊磁鋼接合而成，其整體呈弧形，所述附加磁極的導(dǎo)磁率遠(yuǎn)大于 所述磁鋼的導(dǎo)磁率。本發(fā)明提供的具有串激特性的高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)，由于永磁磁極由磁鋼和附加 磁極組成，而且附加磁極的導(dǎo)磁率遠(yuǎn)大于磁鋼的導(dǎo)磁率，利用電樞反應(yīng)對(duì)磁鋼去磁作用的 同時(shí)所產(chǎn)生的增磁效應(yīng)對(duì)附加磁極產(chǎn)生增磁磁勢(shì)，使得永磁磁極的總磁通隨著負(fù)載的增加 而顯著增加，從而使電機(jī)獲得與串勵(lì)式電機(jī)類似的串激特性，使得電機(jī)能利用大電流產(chǎn)生 足夠大的氣隙磁密，從而提高其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、過載能力和快速響應(yīng)能力。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的永磁電機(jī)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的永磁電機(jī)空載、負(fù)載去磁和負(fù)載增磁的磁鋼特性曲線；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例的永磁電機(jī)電樞反應(yīng)磁勢(shì)的分布圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例的永磁電機(jī)附加磁極的飽和曲線圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例的永磁電機(jī)對(duì)應(yīng)電樞電流的各部分磁通圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合

對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本實(shí)施例并不用于限 制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種具有串激特性的高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)， 包括定子1、轉(zhuǎn)子、至少一對(duì)永磁磁極，所述轉(zhuǎn)子套設(shè)于定子1內(nèi)，由同軸套接的電樞鐵芯7 和轉(zhuǎn)軸8組成，所述電樞鐵芯7設(shè)有徑向向外開口的電樞槽5，用于嵌放電樞繞組，各永磁磁 極軸對(duì)稱固定于所述定子1的內(nèi)壁，且與所述轉(zhuǎn)子之間具有氣隙4，其特征在于所述永磁 磁極由一塊附加磁極3和一塊磁鋼2接合而成，其整體呈弧形，所述附加磁極3由高導(dǎo)磁率 材料制成，其導(dǎo)磁率遠(yuǎn)大于所述磁鋼2的導(dǎo)磁率。所述磁鋼2和附件磁極3均呈弧形，所述磁鋼2和附件磁極3的弧度角(機(jī)械角 度)，再乘以極對(duì)數(shù)即為磁鋼2和附件磁極3的電角度，所述永磁磁極的電角度為磁鋼2和 附件磁極3的電角度之和，通過調(diào)節(jié)磁鋼2和附件磁極3的電角度在整個(gè)永磁磁極的電角 度中所占的比例，即可調(diào)節(jié)串激特性的強(qiáng)弱，從而調(diào)節(jié)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小。本發(fā)明實(shí)施例的工作原理如下如圖1所示，設(shè)永磁磁極兩端中，磁鋼一端為A、附加磁極一端為C，磁鋼與附加磁 極接合處為B ；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的永磁電機(jī)空載、負(fù)載去磁和負(fù)載增磁的磁鋼特性曲線圖， 該圖中的軸線D和H分別為磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，交點(diǎn)Br和Hc分別為磁鋼剩余磁感應(yīng)(剩 磁)和矯頑力，曲線D-H為磁鋼去磁曲線，曲線PC、PA和PB分別為空載、負(fù)載去磁和負(fù)載增 磁特性曲線，曲線PC、PA和PB與磁鋼去磁曲線D-H的交點(diǎn)分別為圖1中的C、A、B，其相應(yīng) 的空載、負(fù)載去磁和負(fù)載增磁的氣隙磁通密度分別為BgO、BgA、BgB ；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的永磁電機(jī)電樞反應(yīng)磁勢(shì)的分布圖，該圖中的2、3、A、B、C分 別與圖1中標(biāo)示相對(duì)應(yīng)，X為電樞反應(yīng)磁勢(shì)、Y為負(fù)載去磁磁勢(shì)、Z為負(fù)載增磁磁勢(shì)，箭頭方 向?yàn)榇磐ǚ较颍圈笑?θ a分別為磁鋼2與附加磁極3所占的電角度；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的永磁電機(jī)附加磁板的飽和曲線圖，該圖中的軸線Bg和F分 別為氣隙磁密和磁勢(shì)；BgB和BgC分別為附加磁極B和C兩端與電樞鐵芯間的氣隙磁密；BgV 為附加磁極下的氣隙平均磁密；FB、FC分別為附加磁極B、C兩端的電樞反應(yīng)增磁磁勢(shì)，其它 標(biāo)示與圖3中標(biāo)示相對(duì)應(yīng)；圖5為本發(fā)明實(shí)施例的永磁電機(jī)對(duì)應(yīng)電樞電流的各部分磁通圖，該圖中的Ot、Ia 分別為磁通和電樞繞組電流；Li、L2、L3分別為磁鋼磁通Φπκ附加磁極磁通Oa和永磁磁 極磁通Φ 隨電樞繞組電流Ia的變化曲線，其中虛線和實(shí)線分別為忽略磁路飽和和考慮磁 路飽和兩種情況；1)電機(jī)空載時(shí)磁鋼的磁通；電機(jī)空載時(shí)的磁通回路有兩條(參見圖1)，其中一條從磁鋼2起經(jīng)氣隙4、電樞鐵 芯7、定子1、回至磁鋼2，另一條從磁鋼2起經(jīng)氣隙4 (磁鋼2處)、電樞鐵芯7、氣隙4 (附加磁極3處)、附加磁極3、定子1回至磁鋼2 ；2)電機(jī)負(fù)載時(shí)磁鋼的磁通；如圖2、圖3所示，A、B兩端的電樞反應(yīng)磁勢(shì)FA、FB分別為FA = -[(ZX Ia)/(8XaXP)] X [( θ m+ θ a)/180° ]；FB = [(ZXIa)/(4XaXP)] X { θ m-[( θ m+ θ a)/2]}/180° ；式中Z為總導(dǎo)體數(shù)，Ia為電樞繞組電流，a為電樞繞組并聯(lián)支路對(duì)數(shù)，P為永磁磁 極對(duì)數(shù)，θπκ θ a分別為磁鋼2與附加磁極3所占電角度。如圖3所示，電樞反應(yīng)對(duì)單位長(zhǎng)度磁鋼的去磁(A點(diǎn))磁勢(shì)HA與增磁(B點(diǎn))磁勢(shì) HB分別為HA= (0. 4 3i/hm)XFA；HB = (0. 4 3i/hm) XFB ；式中hm為磁鋼厚度；設(shè)A、B兩點(diǎn)氣隙磁密為BgA與BgB，磁鋼截面為Am，則負(fù)載時(shí)磁鋼的磁通Φπι為Om = [ (BgA+BgB) /2] X Am ；3)電機(jī)負(fù)載時(shí)附加磁極的磁通；如圖2、圖3所示，B、C兩端的電樞反應(yīng)磁勢(shì)FB、FC分別為FB = [(ZXIa)/(4XaXP)] X { θ m-[( θ m+ θ a)/2]}/180° ；FC =-FA = [(ZXIa)/(8XaXP)] X [( θ m+θ a)/180° ]；以上式求得的電樞反應(yīng)磁勢(shì)為增磁磁勢(shì)，該增勢(shì)磁勢(shì)與圖4中的附加磁極飽和曲 線的交點(diǎn)，即為B、C兩點(diǎn)與電樞鐵芯間的氣隙磁密BgB、BgC，從而得到附加磁極下的氣隙平 均磁密BgV與附加磁極的磁通Oa為BgV = (BgB+BgC) /2 ；Oa = BgVXAga ；式中Aga為附加磁極下的氣隙截面。4)磁鋼的總磁通；如圖5所示，附加磁極與磁鋼組合成永磁磁極的總磁通Φ ，為磁鋼磁通Φπι與附 加磁極磁通Oa的疊加，S卩Φ = Φπι+Φει，空載時(shí)Φπι為最大值，由于電樞反應(yīng)的去磁作 用，隨著電樞繞組電流Ia的增加，Φπι將減少(參見圖5的曲線Li)；相反，由于電樞反應(yīng) 的增磁作用，Oa將增加(參見圖5的曲線L2)；永磁磁極的總磁通Φ 為磁鋼磁通Φπι與 附加磁極磁通Oa的疊加(參見圖5的曲線L3)，永磁磁極的總磁通Φ 隨著電樞繞組電 流Ia的增加而顯著增加。圖5中虛線和實(shí)線分別表示忽略磁路飽和和考慮磁路飽和兩種 情況。可見如果磁路不飽和，Ot隨Ia的增加更為顯著。綜上所述，可得出以下結(jié)論1)電機(jī)在空載、輕載和穩(wěn)態(tài)時(shí)，電樞繞組在電流的作用下產(chǎn)生的電樞反應(yīng)影響較 小，其磁路不飽和，因此定子磁阻和電樞鐵芯磁阻很小，附加磁極與電樞鐵芯間的氣隙的磁 阻遠(yuǎn)大于定子與電樞鐵芯的合成磁阻，流進(jìn)附加磁極磁通很小，大部分磁通由磁鋼產(chǎn)生，因 而不會(huì)影響電機(jī)效率。2)電機(jī)在有負(fù)載時(shí)，電樞繞組在電流的作用下產(chǎn)生電樞反應(yīng)，此時(shí)永磁磁極中心 的電樞磁勢(shì)為零，由于電樞反應(yīng)對(duì)磁鋼去磁作用的同時(shí)也伴隨有增磁效應(yīng)，使得電樞反應(yīng)
5對(duì)磁鋼產(chǎn)生去磁磁勢(shì)的同時(shí)對(duì)附加磁極產(chǎn)生增磁磁勢(shì)；由于附加磁極由磁阻小的高導(dǎo)磁率 材料制成，因此能提供較大的磁通，附加磁極的磁通與磁鋼的磁通疊加使總磁通隨著負(fù)載 的增加而顯著增加，從而使電機(jī)獲得與串勵(lì)式電機(jī)類似的串激特性，使得電機(jī)能在大電流 下輸出大轉(zhuǎn)矩，采用此結(jié)構(gòu)可使磁鋼用量減少三分之一。 本發(fā)明可替代交直流兩用電機(jī)或串激直流電機(jī)，應(yīng)用于要求高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合， 例如電動(dòng)工具等。
權(quán)利要求
1. 一種具有串激特性的高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子、至少一對(duì)永磁磁極，所 述轉(zhuǎn)子套設(shè)于定子內(nèi)，由同軸套接的電樞鐵芯和轉(zhuǎn)軸組成，所述電樞鐵芯設(shè)有徑向向外開 口的電樞槽，用于嵌放電樞繞組，各永磁磁極軸對(duì)稱固定于所述定子的內(nèi)壁，且與所述轉(zhuǎn)子 之間具有氣隙，其特征在于所述永磁磁極由一塊附加磁極和一塊磁鋼接合而成，其整體呈 弧形，所述附加磁極的導(dǎo)磁率大于所述磁鋼的導(dǎo)磁率。
全文摘要
一種具有串激特性的高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)，涉及永磁電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，所解決的是現(xiàn)有技術(shù)不具有串激特性的技術(shù)問題。該永磁電機(jī)包括定子、轉(zhuǎn)子、至少一對(duì)永磁磁極，所述轉(zhuǎn)子套設(shè)于定子內(nèi)，由同軸套接的電樞鐵芯和轉(zhuǎn)軸組成，所述電樞鐵芯設(shè)有徑向向外開口的電樞槽，用于嵌放電樞繞組，各永磁磁極軸對(duì)稱固定于所述定子的內(nèi)壁，且與所述轉(zhuǎn)子之間具有氣隙，其特征在于所述永磁磁極由一塊附加磁極和一塊磁鋼接合而成，其整體呈弧形，所述附加磁極的導(dǎo)磁率遠(yuǎn)大于所述磁鋼的導(dǎo)磁率。本發(fā)明提供的永磁電機(jī)，具有串激特性。
文檔編號(hào)H02K1/17GK102035273SQ20091019641
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者林德芳 申請(qǐng)人:上海特波電機(jī)有限公司