专利摘要

本发明公开了双环形绕组无源转子横向磁通单相电机，属于横向磁通电机的技术领域，包括：E形定子铁心和E形永磁体组成的定子、T形转子铁心、L形转子铁心以及转子环形导磁结构组成的转子、环形电枢绕组。E形永磁体沿周向磁化且相邻两个E形永磁体的磁化方向相反，环形电枢绕组绕制在E形定子铁心与E形永磁体交替排列后形成的凹槽内，轴向放置的两个转子环形导磁结构的外侧面都开有均匀分布的供L形转子铁心插入的槽和放置T形转子铁心的槽，在电枢绕组交链最大永磁磁链时，定子磁极和转子磁极完全重合，E形定子铁心和E形永磁体沿圆周交替放置，与定子铁心相邻的永磁体同时沿周向往定子磁极聚磁，形成聚磁作用各永磁体均提供有效磁动势，提高了永磁体利用率，减小了电机轴向长度，提高了转矩密度。

权利要求

1.双环形绕组无源转子横向磁通单相电机，其特征在于，包括：2n 块E形定子铁心（1）和2n 块E形永磁体（2）组成的定子、n块T形转子铁心（3）、2n 块L形转子铁心（4）以及两个转子环形导磁结构（5）组成的转子、环形电枢绕组（6），所述E形定子铁心（1）与E形永磁体（2）沿圆周交替排列，E形永磁体（2）沿周向磁化且相邻两个E形永磁体的磁化方向相反，环形电枢绕组（6）绕制在E形定子铁心（1）与E形永磁体（2）交替排列后形成的凹槽内，轴向放置的两个转子环形导磁结构（5）的外侧面都开有均匀分布的供n块L形转子铁心（3）插入的槽，两个转子环形导磁结构（5）的内侧面都开有均匀分布的用于放置n块T形转子铁心（3）的槽，转子环形导磁结构（5）两侧面上相邻的槽错开180/n度的机械角度，环形电枢绕组（6）在转子、气隙、定子间形成的主励磁路径（7）经过转子轭部时交链最大永磁磁链，2n为单相电机的极数，n为正整数。

2.根据权利要求1所述的双环形绕组无源转子横向磁通单相电机，其特征在于，所述T形转子铁心（3）齿部的轴向长度小于L形转子铁心（4）轴向长度的2倍。

3.根据权利要求2所述的双环形绕组无源转子横向磁通单相电机，其特征在于，所述环形电枢绕组（6）由绕制在E形定子铁心（1）与E形永磁体（2）交替排列后形成的两凹槽内的电枢线圈反向串联而成。

4.根据权利要求1或2或3所述的双环形绕组无源转子横向磁通单相电机，其特征在于，所述E形永磁体（2）的截面面积小于或等于E形定子铁心（1）的截面面积。

5.根据权利要求1或2或3所述的双环形绕组无源转子横向磁通单相电机，其特征在于，所述E形定子铁心（1）由硅钢片沿轴向叠压而成。

6.根据权利要求1或2或3所述的双环形绕组无源转子横向磁通单相电机，其特征在于，所述T形转子铁心（3）、L形转子铁心（4）由硅钢片沿切向叠压而成。

7.根据权利要求1或2或3所述的双环形绕组无源转子横向磁通单相电机，其特征在于，所述转子环形导磁结构（5）采用硅钢片沿轴向进行叠压或采用硅钢片卷绕而成。

说明书

技术领域

本发明公开了双环形绕组无源转子横向磁通单相电机，属于横向磁通电机的技术领域。

背景技术

横向磁通永磁电机是由德国H.Web教授于二十世纪八十年代提出的一种新型电机，相比于传统永磁电机，该电机磁场呈三维分布，与绕组处于不同平面，可以兼顾绕组的横截面积与定子齿极的横截面积，提高了电机的转矩密度。他提出的原型电机和后面的几种改型电机均是属于表贴永磁体结构，永磁体数量多，而且利用率不高。

罗-罗公司的双边聚磁结构TFM[A. Mitcham, Transverse flux motors for electric propulsion of ships, in 1997 IEE Colloquium on New Topologies for Permanent Magnet Machines, 3/1-3/6]采用了C形定子铁心，设计的电机力密度达到120kN/m²。

上海大学设计的横向磁通电机[李永斌,袁琼,江建中. 一种新型聚磁式横向磁通永磁电机研究. 电工技术学报. 2003,18(5):46~49]是对定子C形铁心的改进，其定子具有环形公共联接铁心，其内、外定子铁心可以插入到环形公共联接铁心中，便于加工。该电机的永磁体利用率高，但定子铁心为悬臂梁结构，需要设置足够的气隙来保证转子不扫膛。

华中科技大学辜承林教授提出的新拓扑结构横向磁通电机为外转子结构[陈金涛，辜承林．新型横向磁通永磁电机研究[J]．中国电机工程学报，2005，25(15)：155-160]，轴向充磁的永磁体沿转子内表面均匀分布，定子铁心为U 型，主气隙为轴向，位于定子铁心与永磁体磁极之间。U 形定子铁心以两倍极距均匀分布，固定在非磁性支架上。该拓扑结构具有磁路短，气隙磁密高的优点，但是永磁体的利用率没有得到提高。而且，转子上固定永磁体的套环需要是非金属材料以减小涡流损耗。

哈尔滨工业大学寇宝泉教授提出的双向交链横向磁通永磁同步电机[G. Yang , D. Cheng , H. Zhang , and B. Kou, “Bidirectional Cross-Linking Transverse Flux Permanent Magnet Synchronous Motor,” IEEE Trans. Magn., vol. 49, no. 3, pp. 1242–1248, Mar. 2013.]，其转子采用了表贴永磁体结构，定子上通过铁心结构与绕组的巧妙设计，提高了永磁体的利用率。其不足之处在于定子铁心结构的加工与安装均较复杂，而且曲折走向的铁心占用了绕组位置。

清华大学的横向磁通电机[陶果，邱阿瑞，李大雷．新型聚磁式横向磁场永磁推进同步电动机[J]．清华大学学报( 自然科学版)，2007，47(10)：1562 -1565]转子采用轴向背靠背内埋式永磁体三面墙结构，以减小永磁体漏磁，实现更大的气隙磁场。该结构很好利用了三块永磁体的聚磁作用，但永磁体用量偏多，转子的结构较复杂。

以上几种横向磁通电机的转子上均有永磁体，在一些应用场合，永磁体的振动与散热问题比较严重。于是人们又提出了无源转子横向磁通电机。

加拿大Alberta 大学的B.E.Hasubek教授等提出的一种无源转子横向磁通电机[Hasubek, B.E. ; Nowicki, E.P.  Two dimensional finite element analysis of passive rotor transverse flux motors with slanted rotor design [C]．Proc. IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, Alberta, Canada, 1999(2)：1199-1204]，永磁体和绕组均在定子上，其转子上只有铁心，而且转子铁心采用分块结构，每块铁心倾斜一个极距。以达到了简化转子加工工艺的目的。该电机定子内径部分制约了励磁磁通，故只适合应用在电机内外径均较大的场合。此外，转子各导磁结构没有导磁材料相连接，使得磁路磁阻较大，限制了磁路磁通。

东南大学林鹤云教授等提出了新型结构磁通切换型横向磁通永磁电机[J. Yan, H. Lin, Y. Feng, Z.Q. Zhu, P. Jin, and Y. Guo, “Cogging Torque Optimization of Flux-Switching Transverse Flux Permanent Magnet Machine,” IEEE Trans. Magn., vol. 49, no. 5, pp. 2169–2172, May 2013.]，定子由均匀分布的若干铁心及电枢绕组构成，每个U 型定子铁心中嵌有轴向磁化的2块永磁体，相邻两个定子铁心中的永磁体磁极相反；转子也采用分块铁心，相邻两块转子铁心分别按左、右对齐间隔排列。该结构大大简化了定转子铁心的加工，可以采用常规的硅钢片制作。但是它存在和Alberta大学结构电机一样永磁体利用率不高的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了双环形绕组无源转子横向磁通单相电机，实现了各永磁体同时向主磁路提供磁动势，减小了轴向长度，解决了现有无源转子横向磁通电机永磁体利用率不高、转矩密度不高的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

       双环形绕组无源转子横向磁通单相电机，包括：2n 块E形定子铁心和2n 块E形永磁体组成的定子、n块T形转子铁心、2n 块L形转子铁心以及两个转子环形导磁结构组成的转子、环形电枢绕组，所述E形定子铁心与E形永磁体沿圆周交替排列，E形永磁体沿周向磁化且相邻两个E形永磁体的磁化方向相反，环形电枢绕组绕制在E形定子铁心与E形永磁体交替排列后形成的凹槽内，轴向放置的两个转子环形导磁结构的外侧面都开有均匀分布的供n块L形转子铁心插入的槽，两个转子环形导磁结构的内侧面都开有均匀分布的用于放置n块T形转子铁心的槽，转子环形导磁结构两侧面上相邻的槽错开180/n度的机械角度，环形电枢绕组在转子、气隙、定子间形成的主励磁路径经过转子轭部时交链最大永磁磁链，2n为单相电机的极数，n为正整数。

作为所述双环形绕组无源转子横向磁通单相电机的进一步优化方案，T形转子铁心齿部的轴向长度小于L形转子铁心轴向长度的2倍。

进一步的，所述双环形绕组无源转子横向磁通单相电机中，环形电枢绕组由绕制在E形定子铁心与E形永磁体交替排列后形成的两凹槽内的电枢线圈反向串联而成。

再进一步的，所述双环形绕组无源转子横向磁通单相电机中，E形永磁体的截面面积小于或等于E形定子铁心的截面面积。

再进一步的，所述双环形绕组无源转子横向磁通单相电机中，E形定子铁心由硅钢片沿轴向叠压而成。

再进一步的，所述双环形绕组无源转子横向磁通单相电机中，T形转子铁心、L形转子铁心由硅钢片沿切向叠压而成。

再进一步的，所述双环形绕组无源转子横向磁通单相电机中，转子环形导磁结构采用硅钢片沿轴向进行叠压或采用硅钢片卷绕而成。

本发明采用上述技术方案，具有如下有益效果：

（1）本发明提出的无源转子结构简化了铁心结构；

（2）在电枢绕组交链最大永磁磁链时，定子磁极和转子磁极完全重合，E形定子铁心和E形永磁体沿圆周交替放置，与定子铁心相邻的永磁体同时沿周向往定子磁极聚磁，形成聚磁作用各永磁体均提供有效磁动势，与现有无源转子结构横向磁通电机相比提高了永磁体利用率；

（3）T形转子铁心的齿部轴向长度小于L形转子铁心轴向长度的2倍，电机轴向长度减小，提高了转矩密度；

（4）2个环形电枢线圈反向串联，它们之间的互感抵消了部分自感，有利于减小总的等效电感，提高功率因数；

（5）E形永磁体的截面面积小于或等于E形定子铁心的截面面积可以减少永磁体的用量，达到减小漏磁通的效果；

（6）永磁体位于定子上，振动小且易于散热；

（7）无端部的环形电枢绕组减小了铜损。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明16极双环形绕组无源转子横向磁通电机单体的1/8剖视图。

图2为本发明16极双环形绕组无源转子横向磁通电机单体从图1位置逆时针旋转1/2极距（11.25度）的1/8剖视图。

图3为本发明16极双环形绕组无源转子横向磁通电机单体从图1位置逆时针旋转1个极距（22.5度）的1/8剖视图。

图4（a）为T形转子铁心，图4（b）、图4（c）分别为L形转子铁心，图4（d）为环形导磁结构。

图5为16极双环形绕组无源转子横向磁通电机单体在图1位置对应的等效磁路图。

图6为16极双环形绕组无源转子横向磁通电机单体在图3位置对应的等效磁路图。

图7（a）、图7（b）分别为绕组磁通与反电势随转子位置角变化的波形。

图8为2个环形电枢线圈的反向连接示意图。

图9为2个环形电枢线圈的反向连接时的等效电路。

图10为图9电路的简化电路。

图中标号说明：1、E形定子铁心；2、E形永磁体；3、T形转子铁心；4、L形转子铁心；5、转子环形导磁结构；6、环形电枢绕组；7、主励磁路径（仅画出靠外侧环形绕组的对应磁路）。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。下面以16极双环形绕组无源转子横向磁通电机单体为例阐述本发明技术方案，16极双环形绕组无源转子横向磁通电机单体这个例子不是对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本申请记载的技术方案可以得到其它实施例，凡是符合本申请发明宗旨的实施例均落入本发明的保护范围。

图1至图4所示的16极双环形绕组无源转子横向磁通电机单体，包括：16块E形定子铁心1、16块E形永磁体2、8块T形转子铁心3、16块L形转子铁心4、2个转子环形导磁结构5、环形电枢绕组6。其中：16块E形定子铁心1与16块E形永磁体2在定子圆周上交替排列、均匀分布，E形永磁体沿周向磁化且相邻E形永磁体的磁化方向相反，环形电枢绕组6绕制在E形定子铁心1与E形永磁体2交替排列后形成的2个凹槽内，图4（d）所示的转子环形导磁结构5在两个端面开有沿圆周均匀分布的8个槽，图4（a）所示的8块T形转子铁心3插入轴向放置的2个转子环形导磁结构5的内侧面槽中，将2个转子环形导磁结构5连接起来，图4（b）、图4（c）所示的16个L形转子铁心4插入2个转子环形导磁结构5的外端面槽中。对一个转子环形导磁结构5来说，两个端面的开槽错开180/n度的机械角度。E形永磁体2的截面面积小于或等于E形定子铁心1的截面面积。

E形定子铁心1由硅钢片沿轴向叠压而成，T形转子铁心3、L形转子铁心4由硅钢片沿切向叠压而成，转子环形导磁结构5采用硅钢片沿轴向进行叠压或采用硅钢片卷绕而成。

当电机转子处于图1位置时，等效磁路图如图5所示，电枢绕组交链的磁通应沿轴向穿过转子轭部。因此，电枢绕组在图1位置交链的磁通达到最大，为2n?_ra1。当转子逆时针旋转，定转子齿的相对面积减小，磁路磁阻变大，电枢绕组交链的磁通减小，当旋转到图2位置，2条主励磁路径均不跨越转子轭部，即转子轴向磁通为0，电枢绕组交链的磁通也变为0。转子继续逆时针旋转到图3位置时，主励磁路径7与图1对称，等效磁路如图6所示，转子轴向磁通大小与图5相同，方向相反，即?_ra2 = -?_ra1。图5、图6中符号意义：E_PM 是一块永磁体提供的磁势，R_PM  是一块永磁体的磁阻，R_st是图1、图2、图3所示的一条主励磁路径中的定子铁心磁阻，R_rt是图1、图2、图3所示的一条主励磁路径中的转子齿部磁阻，R_g是图1、图2、图3所示的一条主励磁路径中的气隙磁阻，R_ra是图1、图2、图3所示的一条主励磁路径中的转子轭部轴向磁阻，?_ra1、?_ra2 是一条主励磁路径提供的转子轭部轴向磁通。

经过优化设计可以得到随转子角度正弦变化的磁链，对应的磁链与感应电势波形如图7（a）、图7（b）所示。若电机由原动机驱动，就可以进行发电工作，若根据反电动势波形通入相应的电流，就可以作为电动机向机械负载提供转矩。θ是转子位置角，图1位置对应于转子位置角0度。τ是极距角，对于16极双环形绕组无源转子横向磁通电机单体来说为π/8 rad或22.5度。?是绕组交链的磁通。e是反电动势，e_m是反电动势峰值。

环形电枢绕组5由绕制在E形定子铁心1与E形永磁体2交替排列后形成的两凹槽内的电枢线圈反向串联而成，当电流I流向如图8所示时，由电流I产生的磁链方向为ψ₁和ψ₂方向。图9为2个环形电枢线圈的反向连接时的等效电路，其中，L₁和L₂分别是2个环形电枢线圈的自感，当结构对称时，L₁ = L₂。M为2个环形电枢线圈之间的互感。依据图8可知，M取值为负，e₁和e₂分别是2个环形电枢线圈的感应电动势，当结构对称时，e₁ = -e₂。

由附图8，图9，图10可知，本发明双环形绕组无源转子横向磁通单相电机的2个环形绕组之间互感为负，使得L_eq = L₁+ L₂+ 2M <L₁+L₂，总的感应电动势2e = e₁-e₂，即等效电感得以减小，有利于提高电机的功率因数。

双环形绕组无源转子横向磁通单相电机专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。