[12]发明专利申请公开说明书
[21]申请号97111948.1
[51]Int.CI6
H02K 57/00H02K 16/00
[43]公开日1998年5月20日[22]申请日97.7.7
[71]申请人中国航天工业总公司
地址100830北京市海淀区阜成路八号共同申请人哈尔滨工业大学[72]发明人程树康 刘宝廷 崔树梅 郑萍 宋立伟
宋凯 李传宝
[11]公开号CN 1182302A
[74]专利代理机构航空航天工业部航天专利事务所
代理人童晓琳
权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 9 页
[54]发明名称
高效多态电动机
[57]摘要
一种高效多态电动机,包括轴、机壳、定子铁心、转子铁心、定子轭、径向励磁绕阻、轴向励磁线圈、端盖和笼型绕阻等零部件,既可以为外转子结构,也可以为内转子结构。通过合理变换电动机的相数、驱动电源的频率、波形及轴向励磁线圈的电流大小和方向,本发明的电动机在低速和高速时分别工作于混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机和异步电动机状态,具有较高的高低速综合性能,并具有较宽的运行速度范围,同时可抑制振动,具有较大的转矩体积比。
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权 利 要 求 书
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1.一种高效多态电动机，包括轴(1)、机壳(2)、定子铁心(3)、转子铁心(4)、定子轭(5)、径向励磁绕阻(6)、轴向励磁线圈(7)、端盖(8)和笼型绕阻等零部件，其特征在于：当电动机为外转子结构时，两个定子轭(5)装在轴(1)上，两个定子轭(5)之间放置轴向励磁线圈(7)，两段定子铁心(3)分别装在两个定子轭(5)上，两定子铁心(3)外表面开有大极或齿槽，在大极间的窗口内或槽内放置径向励磁绕阻(6)，机壳(2)内装有两段转子铁心(4)，两段转子铁心(4)分别与两段定子铁心(3)相对，定子铁心(3)与转子铁心(4)间有很小的气隙，转子铁心(4)表面亦开有齿槽，转子铁心(4)上配置有笼型绕组，笼形绕阻包括导条(19)和端环(18)等，两段转子铁心(4)沿圆周方向互相错开二分之一转子齿距，即两段转子铁心(4)齿对槽，两段转子铁心(4)表面的一些槽内放有导条(19)，两段转子铁心(4)之间放置一个共用短路环(17)，两端各放置一个端环(18)将各导条(19)短接，电动机两端各装一个端盖(8)，端盖(8)与机壳(2)间有螺钉(11)、螺栓等紧固件连接，端盖(8)与轴(1)之间放置轴承(12)，径向励磁绕阻(6)和轴向励磁线圈(7)的引出线由轴(1)表面或轴(1)中间引出。 2.一种高效多态电动机，包括轴(1)、机壳(2)、定子铁心(3)、转子铁心(4)、定子轭(5)、径向励磁绕阻(6)、轴向励磁线圈(7)、端盖(8)和笼型绕阻等零部件，其特征在于：当电动机为内转子结构时，机壳(2)内装有两个定子轭(5)，两个定子轭(5)之间放置轴向励磁线圈(7)，两段定子铁心(3)分别装在两个定子轭(5)上，两定子铁心(3)内表面开有大极或齿槽，在大极间的窗口内或槽内放置径向励磁绕阻(6)，轴(1)上装有两段转子铁心(4)，两段转子铁心(4)分别与两段定子铁心(3)相对，定子铁心(3)与转子铁心(4)间有很小的气隙，转子铁心(4)表面亦开有齿槽，转子铁心(4)上配置有笼型绕组，笼形绕阻包括导条(19)和端环(18)等，两段转子铁心(4)沿圆周方向互相错开二分之一转子齿距，即两段转子铁心(4)齿对槽，两段转子铁心(4)表面的一些槽内放有导条(19)，两段转子铁心(4)之间放置一个共用短路环(17)，两端各放置一个端环(18)将各导条(19)短接，电动机两端各装一个端盖(8)，端盖(8)与机壳(2)间有螺钉(11)、螺栓等紧固件连接，端盖(8)与轴(1)之间放置轴承(12)，径向励磁绕阻(6)和轴向励磁线圈(7)的引出线由端盖(8)端面或端盖(8)圆面或
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端盖(8)与机壳(2)间的孔引出。
3.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于：两定子铁心(3)之间放置轴向充磁的永磁体(14)，轴(1)与轴向励磁线圈(7)之间装有磁芯(9)，磁芯(9)的形状为内表面或外表面带有阶梯或斜度的圆环形，轴(1)为不导磁材料。
4.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于：两转子铁心(4)之间放置轴向充磁的永磁体(14)，机壳(2)为不导磁材料。
5.根据权利要求2所述的电动机，其特征在于：两定子铁心(3)之间放置轴向充磁的永磁体(14)，机壳(2)与轴向励磁线圈(7)之间装有磁芯(9)，磁芯(9)的形状为内表面或外表面带有阶梯或斜度的圆环形，机壳(2)为不导磁材料。
6.根据权利要求2所述的电动机，其特征在于：两转子铁心(4)之间放置轴向充磁的永磁体(14)，轴(1)为不导磁材料。
7.根据权利要求1或2所述的电动机，其特征在于：两定子铁心(3)之间放置隔磁环(13)，两转子铁心(4)之间放置导磁环(10)，定子铁心(3)和转子铁心(4)由硅钢片叠成或由整块软磁材料制成，定子轭(5)用导磁材料制成。
8.根据权利要求1或2所述的电动机，其特征在于：两个定子轭(5)之间放置导磁的滑块(15)，滑块(15)的形状为内表面或外表面带有阶梯或斜度的圆环形，在一个定子轭(5)侧面与滑块(15)侧面间放置弹簧(16)，两个定子轭(5)用螺钉(11)连接。
9.根据权利要求1～6中任一项所述的电动机，其特征在于：在电动机的笼形绕阻部分中将两段转于铁心(4)槽内的导条(19)一一对应连接或用整根导条(19)直接贯通于两段转子铁心(4)的槽内，两端各用一个端环(18)将各导条(19)短接。
10.根据权利要求1～6中任一项所述的电动机，其特征在于：在电动机的笼形绕阻部分中在每段转子铁心(4)的两端各用一个端环(18)将该段铁心槽内的导条(19)短接。
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说 明 书
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高效多态电动机
本发明涉及一种电动机，尤其是一种将同步电动机与异步电动机结构结合在一起、具有两种电动机的优点的高效多态电动机。
传统的混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机工作在低速时输出转矩很大，而在高速时由于转矩很快下降使带载能力迅速下降；传统的异步电动机工作在高速时效率很高，在低速时由于铜损的增加效率下降，也就是说混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机有较好的低速特性，而异步电动机有较好的高速特性。若能将两种电动机的结构有机地结合起来，利用它们各自的优点，则必将得到一种高低速性能都很好的电动机。
本发明的目的在于提供一种将混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机与异步电动机的结构有机地结合在一起、高低速性能都很好的电动机。
本发明的电动机包括轴、机壳、定子铁心、转子铁心、定子轭、径向励磁绕阻、轴向励磁线圈、端盖和笼型绕阻等零部件。电动机既可以为外转子结构，也可以为内转子结构。
当电动机为外转子结构时，两个定子轭装在轴上，两个定子轭之间放置轴向励磁线圈，两段定子铁心分别装在两个定子轭上，两定子铁心外表面开有大极或齿槽，在大极间的窗口内或槽内放置径向励磁绕阻，机壳内装有两段转子铁心，两段转子铁心分别与两段定子铁心相对，定、转子铁心间有很小的气隙，转子铁心表面亦开有齿槽，转子铁心上配置有笼型绕组，笼形绕阻包括导条和端环等，两段转子铁心沿圆周方向互相错开二分之一转子齿距，即两段转子铁心齿对槽，两段转子铁心表面的一些槽内放有导条，两段转子铁心之间放置一个共用短路环，两端各放置一个端环将各导条短接，电动机两端各装一个端盖，端盖与机壳间有螺钉、螺栓等紧固件连接，端盖与轴之间放置轴承，径向励磁绕阻和轴向励磁线圈的引出线由轴表面或轴中间引出。
当电动机为内转子结构时，机壳内装有两个定子轭，两个定子轭之间放置轴向励磁线圈，两段定子铁心分别装在两个定子轭上，两定子铁心内表面开有大极或齿槽，在大极间的窗口内或槽内放置径向励磁绕阻，轴上
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装有两段转子铁心，两段转子铁心分别与两段定子铁心相对，定、转子铁心间有很小的气隙，转子铁心表面亦开有齿槽，转子铁心上配置有笼型绕组，笼形绕阻部分与外转子结构时相同，电动机两端各装一个端盖，端盖与机壳间有螺钉、螺栓等紧固件连接，端盖与轴之间放置轴承，径向励磁绕阻和轴向励磁线圈的引出线由端盖端面或端盖圆面或端盖与机壳间的孔引出。 本发明的电动机中的笼形绕阻部分也可以将两段转子铁心槽内的导条一一对应连接或用整根导条直接贯通于两段转子铁心的槽内，两端各用一个端环将各导条短接，也可以在每段转子铁心的两端各用一个端环将该段铁心槽内的导条短接。
定子铁心和转子铁心由硅钢片叠成或由整块软磁材料制成，定子轭用导磁材料制成，轴、机壳和端盖可为导磁或不导磁材料。无论电动机为外转子结构还是内转子结构，均可以在两段定子铁心或两段转子铁心之间放置轴向充磁的永磁体。对于外转子结构，当永磁体放在两段定子铁心之间时，轴为不导磁材料；当永磁体放在两段转子铁心之间时，机壳为不导磁材料。对于内转子结构，当永磁体放在两段定子铁心之间时，机壳为不导磁材料；当永磁体放在两段转子铁心之间时，轴为不导磁材料。
当电动机内不放置轴向充磁的永磁体时，电动机是这样工作的：低速时，轴向励磁线圈通以直流电，给径向励磁绕阻按混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机方式供电，则电动机作为混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机运行。这时调节轴向励磁线圈或径向励磁绕阻中电流的大小，则可改变电动机的输出转矩，改变轴向励磁线圈中电流的方向，电动机转向不变；高速时，轴向励磁线圈不通电，给径向励磁绕阻按异步电动机方式供电，则电动机作为异步电动机运行。
当电动机内放置轴向充磁的永磁体时，电动机是这样工作的：低速时，轴向励磁线圈不通电或通直流电，使它产生的气隙磁通方向与永磁体产生的气隙磁通方向一致，即处于增磁状态，给径向励磁绕阻按混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机方式供电，则电动机作为混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机运行。这时调节轴向励磁线圈或径向励磁绕阻中电流的大小，则可改变电动机的输出转矩，当在一定范围内增加二者之一中的电流或同时增加二者中的电流时，电动机的输出转矩增大，超过一定范围则转矩变化不明显；高速时，给轴向励磁线圈通直流电，使它
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产生的气隙磁通方向与永磁体产生的气隙磁通方向相反，即处于去磁状态，调节轴向励磁线圈中的电流，并用传感器测量气隙磁通，当气隙磁通比较小，即接近于零但又大于零时，给径向励磁绕阻按异步电动机方式供电，则电动机作为异步电动机运行。
通过合理变换电动机的相数、驱动电源的频率、波形及轴向励磁线圈的电流大小和方向，本发明的电动机在低速和高速时分别工作于混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机和异步电动机状态，其有较高的高低速综合性能，并具有较宽的运行速度范围。本发明与传统的混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机相比，振动减小，因此可获得较大的转矩体积比，可用于电动车及其它频繁起动和加减速控制的设备。 下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。
图1～图8分别是本发明高效多态电动机的八个实施例的纵剖面示意图；
图9是本发明高效多态电动机中笼型绕阻部分的配置示意图。 如图1所示本发明的第一个实施例为外转子结构，两个导磁的定子轭5装在轴1上，两个定子轭5之间装有轴向励磁线圈7和导磁的磁芯9，轴向励磁线圈7套在磁芯9的外面，磁芯9的形状可为内表面或外表面带有阶梯或斜度的圆环形，两段定子铁心3分别装在两个定子轭5上，两定子铁心3外表面开有大极，大极表面开有小的齿槽，在大极间的窗口内放置径向励磁绕阻6，两段定子铁心3之间放置隔磁环13，导磁的机壳2内装有两段转子铁心4，两段转子铁心4分别与两段定子铁心3相对，定、转子铁心间有很小的气隙，转子铁心：表面亦开有齿槽，其形状可为圆弧形、三角形、反三角形、矩形或梨形等，转子铁心4上配置有笼形绕阻，如图9(a)所示，笼形绕阻包括导条19和端环18等，两段转子铁心4沿圆周方向互相错开二分之一转子齿距，即两段转子铁心齿20对槽，两段转子铁心4表面的一些槽内放有导条19，这些槽的深度可以相同，也可以不同，两段转子铁心4之间放置一个共用短路环17，两端各放置一个端环18将各导条19短接，共用短路环17与机壳2间可放置导磁环10。电动机两端各装有一个端盖8，端盖8与机壳2之间用螺钉11连接，端盖8与轴1之间放置轴承12，径向励磁绕阻6和轴向励磁线圈7的引出线由轴1表面所开的凹槽中引出。
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本实施例的电动机是这样工作的：低速时，给轴向励磁线圈7通以直流电，轴向励磁线圈7产生的磁通路径如图1中虚线所示，给径向励磁绕阻6按混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机方式供电，则电动机作为混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机运行，轴向励磁线圈7正向或反向通电对电动机的运行性能没有影响。这时，在一定范围内增大轴向励磁线圈7中的电流或增大径向励磁绕阻6中的电流或同时增大二者中的电流，均会使电动机的输出转矩增加。当作为混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机运行的电动机的输出转矩下降到一定程度时，停止给轴向励磁线圈7供电，同时给径向励磁绕阻6按异步电动机方式供电，这时径向励磁绕阻6产生的磁场与笼型绕阻相互作用，使电动机作为异步电动机运行，可按传统的鼠笼式异步电动机的控制方法进行控制。
低速运行时，切换电动机径向励磁绕阻6的相数，可改变电动机的运行速度。本实施例中，采用由15相→5相→3相的变换，当切换到3相后，可改变驱动电源的频率来调整电动机速度，改变驱动电源输出信号的波形可改变电动机的性能；高速时，通过改变径向励磁绕阻6和轴向励磁线圈7的输入信号，电动机作为三相鼠笼式异步电动机运行。
如图2所示本发明的第二个实施例也为外转子结构，它与第一个实施例基本相同，其区别在于：两定子铁心3之间不是放置隔磁环13，而是放置轴向充磁的永磁体14，轴1为不导磁材料，轴1与轴向励磁线圈7之间必须放置磁芯9。
本实施例的电动机是这样工作的：低速时，轴向励磁线圈7不通电或通直流电，使它产生的气隙磁通方向与永磁体14产生的气隙磁通方向一致，即处于增磁状态，永磁体14产生的磁通路径和轴向励磁线圈7产生的磁通路径如图2中虚线所示，其中带箭头的为永磁体14产生的磁通路径。给径向励磁绕阻6按混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机方式供电，则电动机作为混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机运行。轴向励磁线圈7通电与不通电相比，通电时电动机的输出转矩增大。在一定范围内增大轴向励磁线圈7中的电流或增大径向励磁绕阻6中的电流或同时增大二者中的电流，均会使电动机的输出转矩增加，超过该范围则转矩变化不明显。当作为混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电
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动机运行的电动机的输出转矩下降到一定程度时，给轴向励磁线圈7通以直流电，使它产生的气隙磁通方向与永磁体14产生的气隙磁通方向相反，即处于去磁状态，调节轴向励磁线圈7中的电流，并用传感器测量气隙磁通，当气隙磁通比较小，即轴向励磁线圈7产生的气隙磁通略小于永磁体14产生的气隙磁通时，给径向励磁绕阻6按异步电动机方式供电，这时径向励磁绕阻6产生的磁场与笼型绕阻相互作用，使电动机作为异步电动机运行，可按传统的鼠笼式异步电动机的控制方法进行控制。 本实施例的电动机的调整方法与第一个实施例相同。
如图3所示本发明的第三个实施例也为外转子结构，它与第一个实施例基本相同，其区别在于：两转子铁心4之间不是放置导磁环10，而是放置轴向充磁的永磁体14，机壳2为不导磁材料。
本实施例的电动机的工作原理和调整方法与第二个实施例相同。 如图4所示本发明的第四个实施例仍为外转子结构，它与第二个实施例基本相同，其区别在于：在轴向励磁线圈7与轴1之间不是放置磁芯9，而是放置导磁的滑块15，在一个定子轭5侧面与滑块15侧面间放置弹簧16，两个定子轭5用螺钉11连接起来。
本实施例的电动机是这样工作的：低速时，轴向励磁线圈7不通电或通直流电，使它产生的气隙磁通方向与永磁体14产生的气隙磁通方向一致，即处于增磁状态，永磁体14产生的磁通路径和轴向励磁线圈7产生的磁通路径如图4中虚线所示，其中带箭头的为永磁体产生的磁通路径。永磁体14产生的磁通路径有两条：一条经过气隙，一条经过滑块15，磁路设计时，使气隙磁路磁导远大于滑块磁路磁导。若轴向励磁线圈7不通电，则由于滑块磁路磁导远小于气隙磁路磁导，通过滑块15的永磁体磁通很小，滑块15与定子轭5间的磁吸力小于弹簧16的弹力，滑块15与定子轭5处于弹开状态。若给轴向励磁线圈7通以直流电，当电流较小时滑块15与定子轭5仍处于弹开状态；当电流增大到一定程度时，通过滑块15的磁通产生的磁吸力大于弹簧16的弹力，则滑块15与定子轭5处于吸合状态。这样，轴向励磁线圈7不通电时，滑块磁路磁阻较大，永磁体14产生的通过滑块15的磁通较小，而通过气隙的磁通很大，从而提高了永磁体14的利用率。轴向励磁线圈7通电且电流较大时，滑块磁路磁阻较小，轴向励磁线圈7产生的气隙磁通较大，从而提高了轴向励磁线圈7的作用效果。给
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径向励磁绕阻6按混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机方式供电，则电动机作为混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机运行。轴向励磁线圈7通电与不通电相比，通电时电动机的输出转矩增大，在一定范围内增大轴向励磁线圈7中的电流或增大径向励磁绕阻6中的电流或同时增大二者中的电流，均会使电动机的输出转矩增加。当作为混合式步进电动机或轴向励磁式低速同步电动机运行的电动机的输出转矩下降到一定程度时，给轴向励磁线圈7通以直流电，使它产生的气隙磁通方向与永磁体14产生的气隙磁通方向相反，即处于去磁状态，调节轴向励磁线圈7中的电流，并用传感器测量气隙磁通，当气隙磁通比较小，即轴向励磁线圈7产生的气隙磁通略小于永磁体14产生的气隙磁通时，给径向励磁绕阻6按异步电动机方式供电，这时径向励磁绕阻6产生的磁场与笼型绕阻相互作用，使电动机作为异步电动机运行，可按传统的鼠笼式异步电动机的控制方法进行控制。
本实施例的电动机的调整方法与第二个实施例相同。
如图5所示本发明的第五个实施例为内转子结构，两个导磁的定子轭5装在机壳2内，在两个定子轭5之间，装有轴向励磁线圈7和导磁的磁芯9，磁芯9套在轴向励磁线圈7的外面，磁芯9可为内表面或外表面带有阶梯或斜度的圆环形，两段定子铁心3分别装在两个定子轭5上，两定子铁心3内表面开有大极，大极表面开有小的齿槽，在大极间的窗口内放置径向励磁绕阻6，两段定子铁心3之间放置隔磁环13，轴1上装有两段转子铁心4，两段转子铁心4分别与两段定子铁心3相对，定、转子铁心间有很小的气隙，转子铁心4表面亦开有齿槽，两段转子铁心4沿圆周方向互相错开二分之一转子齿距，即两段转子铁心齿对槽，两段转子铁心4表面的一些槽内放有导条，两段转子铁心4之间放置一个共用短路环17，两端各放置一个端环18将各导条19短接，共用短路环17与轴1间可放置导磁环10。电动机两端各装有一个端盖8，端盖8与机壳2之间用螺钉11连接，端盖8与轴1之间放置轴承12，径向励磁绕阻6和轴向励磁线圈7的引出线由端盖8侧面的孔引出。
本实施例的电动机的工作原理和调整方法与第一个实施例相同。 如图6所示本发明的第六个实施例也为内转子结构，它与第五个实施例基本相同，其区别在于：两定子铁心3之间不是放置隔磁环13，而是放
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置轴向充磁的永磁体14，机壳2为不导磁材料，机壳2与轴向励磁线圈7之间必须放置磁芯9。
本实施例的电动机的工作原理和调整方法与第二个实施例相同。 如图7所示本发明的第七个实施例也为内转子结构，它与第五个实施例基本相同，其区别在于：两转子铁心4之间不是放置导磁环10，而是放置轴向充磁的永磁体14，轴1为不导磁材料。
本实施例的电动机的工作原理和调整方法与第三个实施例相同。 如图8所示本发明的第八个实施例仍为内转子结构，它与第六个实施例基本相同，其区别在于：在轴向励磁线圈7与机壳2之间不是放置磁芯9，而是放置导磁的滑块15，在一个定子轭5侧面与滑块15侧面间放置弹簧16，两个定子轭5用螺钉11连接起来。
本实施例的电动机的工作原理和调整方法与第四个实施例相同。 如图9(a)、(b)所示本发明高效多态电动机的笼型绕阻部分，包括导条19和端环18等，在两段转子铁心4中间放置共用短路环17将两段转子铁心槽内的导条19短路，在两段转子铁心4不相邻的两端各用一个端环18将各导条19短接；也可以如图9(c)所示，将两段转子铁心槽内的导条19一一对应连接，两端各用一个端环18将各导条19短接，或如图9(d)所示，在每段转子铁心4的两端各用一个端环18将该段铁心槽内的导条19短接。
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图3
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图4
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图8
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