一種定子極不等間距雙凸極永磁同步電機的制作方法
【專利摘要】本發明屬于雙凸極永磁同步電機領域，并公開了一種定子極不等間距雙凸極永磁同步電機。其包括定子、轉子、永磁體、電樞繞組和轉軸，其中轉子設置在定子內部，且相對于定子可進行旋轉；轉軸設置在轉子的內部，并隨著該轉子一同轉動；永磁體對稱地設置在定子的軛部，為電機的氣隙磁場提供勵磁；電樞繞組纏繞在定子的定子極上，在對其通入電流后，電樞繞組的磁場與永磁體磁場相互作用，由此使得轉子轉動。通過本發明，解決了現有技術中不能雙向啟動的問題，同時定子極不等間距分布，提高了輸出轉矩，而且通過多模塊結構上的疊加可使輸出轉矩疊加，從而減小轉矩脈動，提高了容錯能力和可靠性。
【專利說明】
一種定子極不等間距雙凸極永磁同步電機
技術領域
[0001] 本發明屬于雙凸極永磁同步電機領域，更具體地，涉及一種定子極不等間距雙凸 極永磁同步電機。
【背景技術】
[0002] 近年來，定子極和轉子極均為凸極結構的雙凸極電機獲得了廣泛研究，雙凸極電 機根據有無永磁體可分為雙凸極永磁同步電機和開關磁阻電機，雙凸極永磁同步電機和開 關磁阻電機相比，僅僅在定子上增加了永磁體，從而能夠獲得更高的輸出轉矩。
[0003] 開關磁阻電機分為多相開關磁阻電機和單相開關磁阻電機兩種。多相開關磁阻電 機具有效率高、起動力矩大等優點，然而由于各相不能同時導通，即在任意時刻，只有一相 能產生電磁轉矩，其他各相均處于閑置狀態，從而使控制電路得不到充分的利用;單相開關 磁阻電機在一個電周期內只有一半的時間能輸出轉矩，從而限制了轉矩/功率密度的提升。 目前，雖然有不少學者將永磁體引入單相開關磁阻電機中，以增大其輸出轉矩，如4/6極(定 子極數為4,轉子極數為6)單相開關磁阻電機，但是，由于該結構采用均勻分布的定子極，有 一半的槽空間處于閑置狀態，得不到充分的利用，從而限制了電機轉矩密度和功率密度的 進一步提升；同時，該結構電機存在一定的轉矩死區，當轉子處于死區時，將不能實現自啟 動；雖然可通過一些輔助結構使該電機避免停在死區位置，但是大多數并不能實現雙向自 啟動，限制了其應用范圍。

【發明內容】

[0004] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種定子極不等間距雙凸極 永磁同步電機，其中通過對其關鍵組件定子極的具體結構及其設置方式進行研究和設計， 目的在于增加定子極間的槽有效面積，由此解決現有技術中電機輸出轉矩低，且不能雙向 啟動的技術問題。
[0005] 為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種定子極不等間距雙凸極永 磁同步電機，其包括定子、轉子、永磁體、電樞繞組和轉軸，其特征在于：
[0006] 所述轉子設置在所述定子內部，且相對于所述定子可進行旋轉;所述永磁體對稱 設置于所述定子的輒部;所述轉軸設置在所述轉子的內部，并隨著該轉子一同轉動;此外， 所述電樞繞組纏繞在所述定子的定子極上并通入有電流；
[0007] 對于所述定子而言，其定子極采用凸極結構，并且彼此相鄰的定子極不等間距地 設置在所述定子上，由此使得某些定子極間的槽有效面積增加;相應地，所述轉子的轉子極 同樣采用凸極結構，并且它們等間距地設置在所述轉子上，由此與所述定子極相配合地調 制磁場分布，當所述電樞繞組通入電流后，該電樞繞組產生的磁場與所述永磁體的磁場相 互作用，從而使得所述轉子和所述轉軸可相對于所述定子發生旋轉運動。
[0008] 所述轉子設置在所述定子內部，且相對于所述定子可進行旋轉;所述永磁體對稱 地放置于所述定子的輒部;所述轉軸設置在所述轉子的內部，并隨著該轉子一同旋轉；此 外，所述電樞繞組纏繞在所述定子的定子極上并通入電流，由此使得該電流產生的磁場與 所述永磁體的磁場相互作用，進而使得所述轉子轉動；
[0009] 作為進一步優選地，對于所述定子極的數量A而言，其優選采用以下關系式(一)來 設定，其中k為任意正整數：
[0010] A = 4k
[0011] 對于所述轉子極的數量而言，其優選采用以下關系式(二）：
[0012] B = 4k 或者 6k
[0013] 此外，對于所述定子極而言，相鄰較近的兩個定子極被劃分為一組，共有2k組，并 且同一組的兩個定子極間的夾角as優選采用以下關系式(三)來設定：
[0014]
[0015] 而對于所述轉子極而言，相鄰兩個轉子極間的夾角ar優選采用以下關系式（四）來 設定：
[0016]
[0017] 作為進一步優選地，對t上還被劃分為一組的定子極而言，優選將所述電樞繞組 相對于其來進行纏繞，然后置于該組定子極與相鄰的另一組定子極之間的槽內，由此更為 充分地利用上述槽的有效面積。
[0018] 作為進一步優選地，當所述定子極的總數量配置為4個且所述轉子極的總數量配 置也為4個時，則所述定子極被劃分為2組，并且同一組內兩個定子極的夾角優選設定為45 度，不同組之間相鄰兩個定子極的夾角為135度，所述相鄰轉子極之間所形成的夾角為90 度；當所述定子極的總數量配置為4個且所述轉子極的總數量配置為6個時，則所述定子極 被劃分為2組，并且同一組內兩個定子極的夾角優選設定為30度，不同組之間相鄰兩個定子 極的夾角為150度，所述相鄰轉子極之間所形成的夾角為60度。
[0019] 作為進一步優選地，所述的定子極不等間距雙凸極永磁同步電機為模塊化的單相 電機，由此，通過多個模塊的軸向組合可構成兩相以及多相電機。
[0020] 作為進一步優選地，所述的多相電機的各相相互獨立設置，且可進行獨立控制，各 相之間的相位角與相數的關系按照下列表達式設定：
[0021]
[0022] 其中，Θ表示相鄰兩相之間的機械角度;m表示相數;B表示轉子極的總數。
[0023] 總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，由于定子極在定 子圓周上的不均勻分布，能夠取得下列有益效果：
[0024] 1、通過對其關鍵組件定子極和轉子極分布采用不同的設置，其中定子極不均勻分 布在定子上，轉子極均勻分布在轉子上，當在電樞繞組中通入正向電流時，轉子能逆時針啟 動，反之通入反向電流能順時針啟動，從而使得電機具備雙向啟動的能力；
[0025] 2、通過對其定子極的不均勻分布設計，使得不同組定子極間槽有效面積增加，能 夠容納的電樞繞組匝數增加，從而能獲得更高的輸出轉矩；
[0026] 3、本發明所述電機是一種模塊化單相電機，可通過多個模塊沿著軸向疊加組合成 兩相及多相電機，各相可獨立控制。通過多模塊結構的軸向疊加，能夠使得各模塊的輸出轉 矩得到疊加，從而使電機整體的輸出轉矩更大，同時轉矩脈動更小，提高了電機的容錯能力 和可靠性；
[0027] 4、通過將定子、轉子、轉軸、永磁體和電樞繞組集成設計成一體，簡化了產品結構， 使得電機的整體結構更為緊湊，并且具備整體布局巧妙，便于操控和使用方便等特點。
【附圖說明】
[0028] 圖1是現有技術中定子極均勻分布的4/6(定子極數/轉子極數)雙凸極永磁同步電 機結構示意圖；
[0029] 圖2是按照本發明優選實施例所構建的定子極不等間距4/4(定子極數/轉子極數） 雙凸極永磁同步電機電機結構示意圖；
[0030] 圖3是圖2中轉子逆時針旋轉45度時的結構示意圖；
[0031]圖4是按照本發明優選實施例所構建的三相定子極不等間距4/4(定子極數/轉子 極數)雙凸極永磁同步電機三維結構示意圖.
[0032]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：
[0033] 1-定子2-轉子3-永磁體4,5-電樞繞組6-轉軸1'1，了2，了3，了4-定子極？1，卩2， 卩3，？4-轉子極（：1，02,03,04-繞組中的導體84相9-8相10-(：相
【具體實施方式】
[0034]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0035] 圖1是現有技術中定子極均勻分布的4/6(定子極數/轉子極數)雙凸極永磁同步電 機結構示意圖。本發明的電機結構與現有技術中定子極均勻分布的電機結構的主要差別在 于，定子極在定子上不等間距分布，從而使得不同組定子極之間的槽有效面積增加，從而使 能夠容納的電樞繞組的匝數增加，最終能獲得更高的輸出轉矩；由于不等間距定子極結構， 本發明的電機具有雙向自啟動能力。
[0036] 圖2是按照本發明優選實施例所構建的定子極不等間距4/4(定子極數/轉子極數） 雙凸極永磁同步電機電機結構示意圖。該電機由定子1、轉子2、永磁體3、電樞繞組4，5和轉 軸6構成。下面將對這些組件逐一進行說明。
[0037] 如圖2和3所示，轉子2設置于定子1內部，且可相對于定子1進行旋轉;轉軸6設置在 轉子2的內部，并隨著該轉子一同轉動；定子極T1，T2，T3和T4沿定子圓周不等間距分布，相 鄰較近的兩定子極構成一組;轉子極PI，P2，P3和P4等間距分布在轉子2外圓周上;永磁體3 設置在定子極T1和T2，T3和T4間的定子輒部上，且在定子1上鏡像對稱，左右兩組永磁體產 生的磁動勢相同，磁場方向相反；電樞繞組4,5分別纏繞在同組定子極Τ1和Τ2，Τ3和Τ4上，分 別由兩個正向串聯的線圈組成，可通入雙向交變的直流電。
[0038]按照本發明的一個優選實施例，定子極個數為4，分別是ΤΙ，Τ2，Τ3和Τ4，相鄰最近 的兩定子極Τ1和Τ2，Τ3和Τ4構成一組，共兩組，同組Τ1和Τ2，Τ3和Τ4間夾角為45度，不同組Τ1 和Τ4，Τ2和Τ3間的夾角是135度;轉子極個數為4,各轉子間的夾角均為90度。
[0039]下面將對上述組件的工作過程進行說明：
[0040] 對于本發明所述的4/4不等間距雙凸極永磁同步電機，當轉子極Ρ1，Ρ2，Ρ3和?4與 定子極ΤΙ，Τ2，Τ3和Τ4均不重合時，電機處于非平衡狀態，此時，在永磁體3磁場的作用下，電 機轉子2會轉動，最終穩定在定子極與轉子極重合的位置。
[0041 ] 若電機轉子處于圖2所示位置，永磁體磁通在定子極Τ2內由圓心流向圓周，在Τ4內 由圓周流向圓心。當給電樞繞組4，5持續通入正向電流時，即導體C1和C2電流方向為流出紙 面，導體C3和C4電流方向為流入紙面，此時，電樞繞組產生磁通的方向在定子極Τ1和Τ2內為 由圓周指向圓心，在定子極Τ3和Τ4內為由圓心指向圓周。所以，電樞繞組磁場和永磁體磁場 的相互作用，將會使通過定子極Τ1和Τ3的磁通增加，通過Τ2和Τ4的磁通減少，從而使定子極 Τ1與轉子極Ρ4、Τ3與Ρ2趨于重合，產生逆時針方向的轉矩，使轉子2逆時針旋轉，最終穩定在 圖3所示位置;若電機處于圖3所示位置，當給電樞繞組4,5持續通入正向電流時，電機轉子2 將不會旋轉。所以，在電樞繞組4,5中持續通入正向電流，將會使電機轉子2穩定停在圖3所 示位置。同理，可分析出，當在電樞繞組中持續通入反向電流時，電機會穩定停在圖2所示位 置。
[0042]當希望電機轉子2逆時針方向旋轉時，首先在電樞繞組中持續通入反向電流，使轉 子穩定在圖2所示位置。然后，再向繞組中通入正向電流，使轉子逆時針旋轉，當轉子恰好逆 時針轉過45度，即恰好越過圖3所示位置時，將繞組中電流反向，此時電機中將會繼續產生 逆時針方向轉矩，使轉子繼續逆時針旋轉，從而實現電機的逆時針方向運行。
[0043]當希望電機順時針方向旋轉時，首先在電樞繞組中持續通入正向電流，使轉子穩 定在圖3所示位置。然后，再向繞組中通入反向電流，使轉子順時針旋轉，當轉子恰好順時針 轉過45度，即恰好越過圖2所示位置時，將繞組中電流反向，此時電機中將會繼續產生順時 針方向轉矩，使轉子繼續順時針旋轉，從而實現電機的順時針方向運行。
[0044]所以，通過控制電樞繞組電流的方向，可方便實現所述電機的正反向運行。本發明 所述的4/6不等間距永磁同步電機的工作原理與4/4類似，這里不再贅述。
[0045]按照本發明的另一個優選實施例，圖4為本發明所述的不等間距三相雙凸極永磁 同步電機三維模型，該電機由三個模塊化單相電機沿軸向疊加組成，9，10相定子鐵芯相對 于8相定子鐵芯在空間上依次逆時針旋轉30度和60度，8、9、10三相共用同一個轉子鐵芯。8、 9、10三相繞組通入依次相差120度電角度的交變直流電。三相電機的工作原理與實施例2中 所述的單相電機完全一樣，只是三相電機的輸出轉矩是三個模塊化單相電機輸出轉矩的疊 加，從而使電機的輸出轉矩更大，同時轉矩脈動更小。
[0046]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以 限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含
【主權項】
1. 一種定子極不等間距雙凸極永磁同步電機，其包括定子（I)、轉子(2)、永磁體(3)、電 樞繞組(4,5)和轉軸(6)，其特征在于： 所述轉子(2)設置在所述定子（1)內部，且相對于所述定子（1)可進行旋轉;所述永磁體 (3)對稱設置于所述定子（1)的輒部;所述轉軸(6)設置在所述轉子(2)的內部，并隨著該轉 子一同轉動;此外，所述電樞繞組(4,5)纏繞在所述定子(1)的定子極上并通入有電流； 對于所述定子（1)而言，其定子極采用凸極結構，并且彼此相鄰的定子極不等間距地設 置在所述定子(1)上，由此使得某些定子極間的槽有效面積增加;相應地，所述轉子(2)的轉 子極同樣采用凸極結構，并且它們等間距地設置在所述轉子(2)上，由此與所述定子極相配 合地調制磁場分布，當所述電樞繞組(4,5)通入電流后，該電樞繞組產生的磁場與所述永磁 體(3)的磁場相互作用，從而使得所述轉子(2)和所述轉軸(6)可相對于所述定子（1)發生旋 轉運動。2. 如權利要求1所述的一種定子極不等間距雙凸極永磁同步電機，其特征在于，對于所 述定子極的數量A而言，其優選采用以下關系式(一)來設定，其中k為任意正整數： A = 4k 對于所述轉子極的數量而言，其優選采用以下關系式(二）： B = 4k或者6k 此外，對于所述定子極而言，相鄰較近的兩個定子極被劃分為一組，共有2k組，并且同 一組的兩個定子極間的夾角as優選采用以下關系式(三)來設定：而對于所述轉子極而言，相鄰兩個轉子極間的夾角優選采用以下關系式（四）來設定：3. 如權利要求2所述的一種定子極不等間距雙凸極永磁同步電機，其特征在于，對于上 述被劃分為一組的定子極而言，優選將所述電樞繞組相對于其來進行纏繞，然后置于該組 定子極與相鄰的另一組定子極之間的槽內，由此更為充分地利用上述槽的有效面積。4. 如權利要求1-3任意一項所述的一種定子極不等間距雙凸極永磁同步電機，其特征 在于，當所述定子極的總數量配置為4個且所述轉子極的總數量配置也為4個時，則所述定 子極被劃分為2組，并且同一組內兩個定子極的夾角優選設定為45度，不同組之間相鄰兩個 定子極的夾角為135度，所述相鄰轉子極之間所形成的夾角為90度；當所述定子極的總數量 配置為4個且所述轉子極的總數量配置為6個時，則所述定子極被劃分為2組，并且同一組內 兩個定子極的夾角優選設定為30度，不同組之間相鄰兩個定子極的夾角為150度，所述相鄰 轉子極之間所形成的夾角為60度。5. 如權利要求1-4任意一項所述的一種定子極不等間距雙凸極永磁同步電機，其特征 在于，所述的定子極不等間距雙凸極永磁同步電機為模塊化的單相電機，由此，通過多個模 塊的軸向組合可構成兩相以及多相電機。6.如權利要求5所述的一種定子極不等間距雙凸極永磁同步電機，其特征在于，所述的 多相電機的各相相互獨立設置，且可進行獨立控制，各相之間的相位角與相數的關系按照 下列表達式設定：其中，Θ表示相鄰兩相之間的機械角度;m表示相數;B表示轉子極的總數。
【文檔編號】H02K21/02GK105932793SQ201610401783
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】葉才勇, 何明杰, 徐偉
【申請人】華中科技大學