CN101277053A - 混合励磁型磁通切换电机 - Google Patents

Abstract

混合励磁型磁通切换电机，一方面定子部分采用了集中电枢绕组与励磁绕组，直槽转子，永磁体放置于定子；另一方面转子部分为凸极，既无永磁体也无绕组，结构非常简单而坚固。设计组成一相电枢绕组的四个集中电枢线圈的电磁性能由相应的励磁绕组线圈通过励磁电流进行控制。在结构上保留了永磁式磁通切换电机紧凑、简单、鲁棒性好、适于高速运行的优势，无需额外增加电机体积就可以实现混合励磁功能，保证了该电机具有较强的转矩输出能力和较高的功率密度，特别适合于要求体积小出力大的应用场合，能够实现恒转矩区的大转矩和恒功率区的宽调速功能。

Description

混合励磁型磁通切换电机

技术领域

本发明是一种结构简单、坚固，具有较强的转矩输出能力和较高功率密度的电机，尤其是一种能够实现混合励磁功能的电机，属于电机制造的技术领域。

背景技术

随着能源危机的不断加剧，采用永磁励磁取代电励磁以节省能源消耗已成为全世界的共识，同时由于我国是世界上稀土资源最丰富的国家，开发研究和推广应用新型结构的稀土永磁电机，具有重要的理论意义和实用价值。特别是目前广泛研究的混合动力汽车，要求其中的电机驱动系统体积小、重量轻、效率高、可靠性强，免维护、转矩出力大、调速范围宽。然而，由于永磁电机自身存在气隙磁场无法调节的瓶颈，限制了其在混合动力汽车中的应用。绝大多数的永磁电机空载永磁磁链都大于直轴电感与额定电流的乘积，永磁电机在恒转矩区的最大转矩和恒功率区的最高运行转速之间是一对无法调和的矛盾：一方面，增大永磁磁链固然可以提高电机的最大转矩输出能力，同时会限制电机的高速运行(由于不断增大的空载反电动势)；另一方面，当逆变器的电流限额和电机的直轴电感固定时，减小永磁磁链有利于提高电机的恒功率运行范围但会限制转矩出力。因此，上述永磁电机的缺点成了限制其应用推广的瓶颈。而目前出现的以转子永磁型电机为原型的混合励磁电机大部分都将直流励磁绕组放置定子。为了给电励磁磁通提供一条不论是径向还是轴向与永磁磁通并行的路径，所提出的电机结构都非常复杂，不论从制造工艺还是成品化大规模生产而言，都面临巨大的挑战。混合励磁型的电机如果为了实现磁场的调节而从结构复杂度上需要做出重大牺牲，其竞争力将会大打折扣。因此，本发明提出了一种新型结构的混合励磁型磁通切换电机，以避免出现复杂结构，而力图在保持纯永磁式电机基础之上不做重大修改即可实现混合励磁功能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种结构紧凑、简单、鲁棒性好的混合励磁型磁通切换电机。该电机可合理安排电励磁绕组空间，在不额外增加体积的条件下可进一步提高电机的功率密度，同时通过电励磁电流和电枢电流的灵活调节全方面提高各项性能，包括最大转矩、恒功率最高运行转速和整个运行区范围内的高效率。

技术方案：本发明的混合励磁型磁通切换电机包括：定子，永磁体，三相集中电枢绕组，单相集中励磁绕组和转子；每两个定子齿之间设有一个永磁体，在永磁体的内侧空出一块面积安置励磁绕组，三相集中电枢绕组的各线圈均横跨在两个定子齿上，其中，三相集中电枢绕组一共有12个集中电枢线圈，第一集中电枢线圈、第三集中电枢线圈径向相对，第二集中电枢线圈、第四集中电枢线圈径向相对，顺序串连后组成A相电枢绕组；第五集中电枢线圈、第六集中电枢线圈径向相对，第七集中电枢线圈、第八集中电枢线圈径向相对，顺序串连后组成B相电枢绕组；第九集中电枢线圈、第十集中电枢线圈径向相对，第十一集中电枢线圈、第十二集中电枢线圈径向相对，顺序串连后组成C相绕组。励磁绕组一共有12个集中励磁线圈，其中第一励磁绕组线圈、第二励磁绕组线圈、第三励磁绕组线圈、第四励磁绕组线圈、第五励磁绕组线圈、第六励磁绕组线圈、第七励磁绕组线圈、第八励磁绕组线圈、第九励磁绕组线圈、第十励磁绕组线圈、第十一励磁绕组线圈、第十二励磁绕组线圈均为集中绕组，横跨于相邻两块永磁体下方的槽中，每个槽中分布有两个线圈为双层，同一个槽中的两个线圈通电极性一致，上述12个线圈依次顺序首尾串联连接，组成单相励磁绕组。其中：定子为U型导磁铁心单元和永磁体相间拼装而成。转子为直槽转子，转子上既无永磁体也无绕组。永磁体是铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢。电枢绕组为集中绕组。励磁绕组亦为集中绕组，且在永磁体的下方空间中双层排布，其中：第一集中励磁线圈至第十二集中励磁线圈依次首尾相连，组成单相励磁绕组，且同一个槽中的两个励磁线圈电流方向一致。

在励磁绕组不通电流时，当转子与不同的定子齿对齐，永磁体产生的永磁磁通穿过各个集中电枢线圈的方向就会不同，从而产生磁通切换效应，导致每相电枢绕组中所匝链的永磁磁链为双极性。本发明最为关键的是，在永磁体的下方空出一块面积安置单相励磁绕组，其中每个励磁绕组槽中放置双层绕组。对于组成一相的四个电枢绕组线圈而言，第一集中线圈和第三集中线圈径向相对，在任何转子位置其绕组中匝链的磁链都数量和方向相同，对第二集中线圈和第四集中线圈情况相同。

当电机转子在图1所示位置时，转子分别有一个齿与第一集中电枢线圈和第二集中电枢线圈的一个定子齿相对，根据永磁体的磁化方向，两个电枢线圈中的永磁磁通都从转子齿经过气隙穿进定子齿，且数值最大。此时，若通过第一励磁绕组线圈和第五励磁绕组线圈分别施加与永磁磁势方向相同的电励磁磁势，则可以增加匝链到第一集中电枢线圈和第二集中电枢线圈中的磁通，从而影响感应出的电势。相反，如果改变电流方向，使产生的电励磁磁通与永磁磁通方向相反，则可以减小第一集中电枢线圈和第二集中电枢线圈中的合成磁链，进而减小电枢绕组中感应的电势。可见，通过改变励磁绕组中的电励磁电流大小和方向就可以对永磁磁场进行调节，从而可以克服上述的纯永磁式电机中的缺点，使得该混合励磁型磁通切换电机能够满足不同性能的需求，特别适合于作为交流调速系统的驱动元件。

此外，该电机结构上的特点导致其具有聚磁效应，空载气隙磁通密度较大，电机具有较强的转矩输出能力，功率密度较高；同时，电枢绕组与励磁绕组都是集中绕组，端部短，电阻较小，效率较高。而且，电枢反应磁通和永磁磁通在空间上互相垂直，磁路上是并联关系，保证了该电机具有较强的抗去磁能力。

有益效果：

1.在结构上保留了永磁式磁通切换电机紧凑、简单、鲁棒性好、适于高速运行的优势；

2.在性能上保留了永磁式电机转矩出力大、功率密度高、高正弦度电势的优势；

3.增加的一套电励磁绕组在无需增加电机体积的条件下即可安放；

4.电机中的电枢和励磁两套绕组都采用集中绕组，端部较短；

5.与已有的混合励磁电机(包括转子永磁型和定子永磁型)相比结构简单，研制容易。

附图说明

图1是本发明的定子、转子、电枢绕组和励磁绕组结构示意图。其中有：定子1，永磁体2，三相集中电枢绕组3、第一集中电枢线圈311、第二集中电枢线圈312、第三集中电枢线圈313、第四集中电枢线圈314、第五集中电枢线圈321、第六集中电枢线圈322、第七集中电枢线圈323、第八集中电枢线圈324、第九集中电枢线圈331、第十集中电枢线圈332、第十一集中电枢线圈333、第十二集中电枢线圈334，单相励磁绕组4、第一集中励磁线圈401、第二集中励磁线圈402、第三集中励磁线圈403、第四集中励磁线圈404、第五集中励磁线圈405、第六集中励磁线圈406、第七集中励磁线圈407、第八集中励磁线圈408、第九集中励磁线圈409、第十集中励磁线圈410、第十一集中励磁线圈411、第十二集中励磁线圈412，转子5。

具体实施方式

如图1所示，本发明混合励磁型磁通切换电机包括定子铁心1和转子铁心5，转子5位于定子1的内部，定子1和转子5都为凸极结构，其中定子铁心部分由12个U形导磁铁心组成，在定子1上设置有三相集中绕组3、单相励磁绕组4和12块永磁体2；

集中绕组3的A相第一绕组线圈311和第三绕组线圈313径向相对，第二绕组线圈312和第四绕组线圈314径向相对，每个绕组线圈套于定子1中两个相邻的U形铁心的槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接；定子1中两个相邻的U形导磁铁心之间设置有永磁体2；

集中绕组3的B相第一绕组线圈321和第三绕组线圈323径向相对，第二绕组线圈322和第四绕组线圈324径向相对。与A相绕组相似，每个绕组线圈套于定子1中两个相邻的U形铁心的槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接；定子1中两个相邻的U形导磁铁心之间设置有永磁体2；

集中绕组3的C相第一绕组线圈331和第三绕组线圈333径向相对，第二绕组线圈332和第四绕组线圈334径向相对。与A相和B相绕组相似，每个绕组线圈套于定子1中两个相邻的U形铁心的槽中，且上述四个绕组线圈依次顺序首尾串联连接；定子1中两个相邻的U形导磁铁心之间设置有永磁体2；

励磁绕组4一共有12个线圈，置于每个永磁体下方的空间中为双层排放方式。其中第一励磁绕组线圈401、第二励磁绕组线圈402、第三励磁绕组线圈403、第四励磁绕组线圈404、第五励磁绕组线圈405、第六励磁绕组线圈406、第七励磁绕组线圈407、第八励磁绕组线圈408、第九励磁绕组线圈409、第十励磁绕组线圈410、第十一励磁绕组线圈411、第十二励磁绕组线圈412均为集中绕组，横跨于相邻两块永磁体下方的槽中，每个槽中分布有两个线圈为双层，同一个槽中的两个线圈通电极性一致。上述12个线圈依次顺序首尾串联连接，组成单相励磁绕组。

当电机转子在图1所示位置时，转子5分别有一个齿与第一集中电枢线圈311和第二集中电枢线圈312的一个定子齿相对，根据永磁体2的磁化方向，两个线圈中的永磁磁通都从转子齿经过气隙穿进定子齿，且数值最大。此时，若通过第一励磁绕组线圈401和第五励磁绕组线圈405分别施加与永磁磁势方向相同的电励磁磁势，则可以增加匝链到第一集中电枢线圈311和第二集中电枢线圈312中的磁通，从而影响感应出的电势。相反，如果改变电流方向，使产生的电励磁磁通与永磁磁通方向相反，则可以减小第一集中电枢线圈311和第二集中电枢线圈312中的合成磁链，进而减小感应的电势。集中电枢绕组3的B相和C相的线圈的工作原理同上，可以大大提高电机性能和工作效率。

转子5可以是直槽转子，保证了本发明在采用集中绕组和转子不斜槽的条件下，就可获得正弦度非常高的磁链、反电动势和电感等静态特性，从而使本发明更加适合于作为交流调速系统的驱动元件。

永磁体2是铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢，定子1和凸极转子5都可以采用硅钢片冲片压叠制成，定子1由U型结构的导磁铁心拼装组成。

Claims (6)

1.一种混合励磁型磁通切换电机，其特征在于该电机包括：定子(1)，永磁体(2)，三相集中电枢绕组(3)，单相集中励磁绕组(4)和转子(5)；每两个定子齿之间设有一个永磁体(2)，在永磁体(2)的内侧空出一块面积安置励磁绕组(4)，三相集中电枢绕组(3)的各线圈均横跨在两个定子齿上。其中，三相集中电枢绕组(3)一共有12个集中电枢线圈，第一集中电枢线圈(311)、第三集中电枢线圈(313)径向相对，第二集中电枢线圈(312)、第四集中电枢线圈(314)径向相对，顺序串连后组成A相电枢绕组；第五集中电枢线圈(321)、第六集中电枢线圈(322)径向相对，第七集中电枢线圈(323)、第八集中电枢线圈(324)径向相对，顺序串连后组成B相电枢绕组；第九集中电枢线圈(331)、第十集中电枢线圈(332)径向相对，第十一集中电枢线圈(333)、第十二集中电枢线圈(334)径向相对，顺序串连后组成C相绕组；励磁绕组(4)一共有12个集中励磁线圈，其中第一励磁绕组线圈(401)、第二励磁绕组线圈(402)、第三励磁绕组线圈(403)、第四励磁绕组线圈(404)、第五励磁绕组线圈(405)、第六励磁绕组线圈(406)、第七励磁绕组线圈(407)、第八励磁绕组线圈(408)、第九励磁绕组线圈(409)、第十励磁绕组线圈(410)、第十一励磁绕组线圈(411)、第十二励磁绕组线圈(412)均为集中绕组，横跨于相邻两块永磁体下方的槽中，每个槽中分布有两个线圈为双层，同一个槽中的两个线圈通电极性一致，上述12个线圈依次顺序首尾串联连接，组成单相励磁绕组。

2.根据权利要求1所述的混合励磁型磁通切换电机，其特征在于定子(1)为U型导磁铁心单元和永磁体(2)相间拼装而成。

3.根据权利要求1所述的混合励磁型磁通切换电机，其特征在于转子(5)为直槽转子，转子上既无永磁体也无绕组。

4.根据权利要求1所述的混合励磁型磁通切换电机，其特征在于永磁体(2)是铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢。

5.根据权利要求1所述的混合励磁型磁通切换电机，其特征在于电枢绕组(3)为集中绕组。

6.根据权利要求1所述的混合励磁型磁通切换电机，其特征在于励磁绕组(4)为集中绕组，且在永磁体(4)的下方空间中双层排布。

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