CN101527471A - 混合励磁开关磁链电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合励磁开关磁链电机，属混合励磁电机领域。包括凸极定子、电枢绕组和凸极转子，其特征在于：上述凸极定子齿数为n，即包括n个U型定子铁块、其中每两个U型定子铁块之间沿径向依次嵌入一个条形永磁体和一个条形铝块，上述条形永磁体和条形铝块宽度相等，长度之和小于U型定子U型臂长；上述混合励磁开关磁链电机还包括与电枢绕组的集中电枢线圈轴线方向垂直的励磁绕组，具体形式如下：上述条形铝块上沿其长度方向缠绕集中式励磁线圈，n个励磁线圈首尾串联组成单相励磁绕组。本发明在维持永磁开关磁链电机励磁磁路结构不变情况下，通过引入电励磁绕组来调节气隙磁场大小，从而提高电机的转速运行范围和弱磁能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种励磁电机，尤其涉及一种新型混合励磁开关磁链电机，属于混合励磁电机领域。
背景技术
在电机领域中，永磁电机在效率、功率密度、转矩密度方面具有绝对的优势，在对体积和功率要求苛刻的场合比较适用。但是其永磁体置于转子上，大功率/宽转速运行时存在如下问题：1、高速旋转时离心力较大，须对永磁体进行防护；2、永磁体散热困难；3、永磁体磁场与电枢磁场为串联结构，永磁体受电枢磁场影响较大，严重时会发生不可逆退磁。
开关磁阻电机定、转子是双凸极结构，转子上无永磁体也无绕组，它的转子结构是最为简单的。高压直流开关磁阻电机起动/发电系统也一直是国内外学者关注和研究的热点，在美国空军的资助下美国GE和Sund strand公司1985年开始联合研制270V高压直流开关磁阻电机起动/发电系统(30kw)，该系统现应用在美国开发的最新联合攻击机F35中，它是目前国际上认为性能最好的270V高压直流起动/发电系统。
开关磁阻电机由于是半周期工作，电机功率密度要低于永磁电机。永磁双凸极电机、电励磁双凸极电机通过加入第二套磁场可以实现电机的全周期运行，提高了电机的功率密度。但是双凸极电机的磁链波形是单极性，电机材料的利用率不高，另外，双凸极电机的反电势波形不够规则，工作在发电状态时若采用二极管不控整流电路，功率因数较低。
与永磁双凸极电机同属于定子永磁式电机的永磁开关磁链电机[1]([1]Z.Q.Zhu，Y.Pang，D.Howe，et el.Analysis of electromagnetic performance of flux-switching permanent magnet machines by nonlinear adaptive lumpedparameter magnetic circuit model.IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(11)：4277-4287)从结构上来看，可以看成是普通的开关磁阻电机在定子齿上开槽，插入永磁体。它的转子结构与开关磁阻电机相同；从反电势波形来看，双极性正弦波形反电势与BLAC电机相同，因此它的功率密度要大于开关磁阻电机；从磁链波形来看，永磁开关磁链电机磁链波形为双极性，电机材料的利用率要高于永磁双凸极电机、电励磁双凸极电机。
综上所述，永磁开关磁链电机的特点如下：1、永磁体置于定子上，易于冷却，不受离心力；2、特有的“聚磁”效应使得电机在采用矫顽力较低的永磁体时也可获得较高的气隙磁密；3、转子结构简单，易于高速运行；4、永磁体磁场与电枢磁场为并联结构，永磁体受电枢磁场影响小，弱磁能力优于转子永磁式电机；5、电机采用集中式绕组，结构简单，端部铜损小，电机效率高；6、转矩密度和功率密度要优于永磁双凸极电机和转子永磁式电机。
但从本质上来讲，永磁开关磁链电机属于永磁励磁电机，气隙磁场难于调节，难于实现电机的宽转速范围运行。
发明内容
本发明为了解决永磁开关磁链电机气隙磁场调节问题而提出一种新型混合励磁开关磁链电机。
一种混合励磁开关磁链电机，包括凸极定子、电枢绕组和凸极转子，其特征在于：
上述凸极定子齿数为n，即包括n个U型定子铁块、其中每两个U型定子铁块之间沿径向依次嵌入一个条形永磁体和一个条形铝块，上述条形永磁体和条形铝块宽度相等，长度之和小于U型定子U型臂长；上述混合励磁开关磁链电机还包括与电枢绕组的集中电枢线圈轴线方向垂直的励磁绕组，具体形式如下：上述条形铝块上沿其长度方向缠绕集中式励磁线圈，n个励磁线圈首尾串联组成单相励磁绕组。
本发明主要是在现有永磁开关磁链电机的基础上对励磁方式进行改进，电机的定子齿数、转子齿数匹配和现有永磁开关磁链电机一致。本发明新型混合励磁开关磁链电机通过适当减小永磁体的长度以放置条形铝块缠绕励磁绕组线圈，在不增加电机体积、不增加电机结构复杂性的情况下即可实现电机气隙磁场的调节。电机励磁绕组的磁通轴线与电枢绕组的磁通轴线互相垂直，永磁磁通路径与励磁磁通路径一致，励磁绕组在调节气隙磁场幅值的同时，并不会改变气隙磁场的波形形状，保证了混合励磁开关磁链电机与永磁磁链电机的定子磁链和反电势有相同的高正弦度，同时电励磁磁通对永磁体影响较小。本发明在交流宽范围调速场合有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构截面示意图。
图中标号名称：1、条形永磁体，2、U型定子铁块，3、凸极转子，4、条形铝块，A1～A4、B1～B4、C1～C4均为电枢绕组的集中电枢线圈；图中条形永磁体上的箭头表示励磁方向。
具体实施方式
如图1所示，一种新型混合励磁开关磁链电机，包括凸极定子、电枢绕组、励磁绕组和凸极转子3，其中：凸极定子由12个U型定子铁块2、12个条形永磁体1、12个条形铝块组合而成，每两个U型定子铁块2之间嵌入一个条形永磁体1，条形永磁体1和条形铝块长度之和小于U型定子铁块2的U型臂长度，以便在条形铝块上面缠绕励磁线圈；励磁线圈均为集中绕组，12个励磁线圈依次首尾串联组成单相励磁绕组；两个相邻U型定子铁块2的相邻U型臂上缠绕集中电枢线圈，第一集中电枢线圈A1与第三集中电枢线圈A3径向相对，第二集中电枢线圈A2与第四集中电枢线圈A4径向相对，第一集中电枢线圈A1、第二集中电枢线圈A2、第三集中电枢线圈A3和第四集中电枢线圈A4依次首尾串联后组成A相电枢绕组，第五集中电枢线圈B1与第七集中电枢线圈B3径向相对，第六集中电枢线圈B2与第八集中电枢线圈B4径向相对，第五集中电枢线圈B1、第六集中电枢线圈B2、第七集中电枢线圈B3和第八集中电枢线圈B4依次首尾串联后组成B相电枢绕组，第九集中电枢线圈C1与第十一集中电枢线圈C3径向相对，第十集中电枢线圈C2与第十二集中电枢线圈C4径向相对，第九集中电枢线圈C1、第十集中电枢线圈C2、第十一集中电枢线圈C3和第十二集中电枢线圈C4依次首尾串联后组成C相电枢绕组，励磁绕组线圈与电枢绕组的集中电枢线圈轴线方向相互垂直。
该电机中凸极转子3由硅钢片叠压而成，凸极转子3上既无永磁体也无绕组；励磁磁通与永磁磁通磁路相同，电励磁磁场对永磁体影响较小。
在励磁绕组不通电时，当凸极转子3在不同位置时，条形永磁体1产生的永磁磁通穿过各个集中电枢线圈的方向和大小均会改变，电枢绕组所匝链的永磁磁链为双极性，每相电枢绕组反电势为双极性且正弦度较高。由于励磁磁场和永磁体磁场磁路相同，因此，当励磁绕组通入一定的正向直流电流产生正向磁通(正向磁通是励磁线圈产生的磁通与该励磁线圈所对应的永磁体磁通方向相同)时，即可增大电枢绕组线圈所匝链的磁通和反电势而不改变反电势的正弦度；反之，当励磁绕组通入一定的反向直流电流产生反向磁通(反向磁通是励磁线圈产生的磁通与该励磁线圈所对应的永磁体磁通方向相反)时，即可减小电枢绕组线圈所匝链的磁通和反电势而不改变反电势的正弦度。
本发明可以应用于其它永磁开关磁链电机，比如凸极定子齿数n＝4，凸极转子为3；凸极定子齿数n＝4，凸极转子为5；凸极定子齿数n＝8，凸极转子为7；凸极定子齿数n＝8，凸极转子为9；凸极定子齿数n＝12，凸极转子为11；凸极定子齿数n＝12，凸极转子为13；凸极定子齿数n＝16，凸极转子为15；凸极定子齿数n＝16，凸极转子为17；凸极定子齿数n＝20，凸极转子为19；凸极定子齿数n＝20，凸极转子为21；凸极定子齿数n＝24，凸极转子为23；凸极定子齿数n＝24，凸极转子为25；凸极定子齿数n＝6，凸极转子为5；凸极定子齿数n＝6，凸极转子为7；凸极定子齿数n＝12，凸极转子为11；凸极定子齿数n＝12，凸极转子为13；凸极定子齿数n＝18，凸极转子为17；凸极定子齿数n＝18，凸极转子为19；凸极定子齿数n＝10，凸极转子为9；凸极定子齿数n＝10，凸极转子为11；凸极定子齿数n＝30，凸极转子为29；凸极定子齿数n＝30，凸极转子为31；凸极定子齿数n＝40，凸极转子为39；凸极定子齿数n＝40，凸极转子为41；凸极定子齿数n＝36，凸极转子为35；凸极定子齿数n＝36，凸极转子为37。
Claims (3)
1、一种混合励磁开关磁链电机，包括凸极定子、电枢绕组和凸极转子(3)，其特征在于：
上述凸极定子齿数为n，即包括n个U型定子铁块(2)、其中每两个U型定子铁块之间沿径向依次嵌入一个条形永磁体(1)和一个条形铝块(4)，上述条形永磁体和条形铝块宽度相等，长度之和小于U型定子U型臂长；
上述混合励磁开关磁链电机还包括与电枢绕组的集中电枢线圈轴线方向垂直的励磁绕组，具体形式如下：上述条形铝块上沿其长度方向缠绕集中式励磁线圈，n个励磁线圈首尾串联组成单相励磁绕组。
2、根据权利要求1所述的混合励磁开关磁链电机，其特征在于：上述凸极定子齿数n＝12，凸极转子为10。
3、根据权利要求1所述的混合励磁开关磁链电机，其特征在于：上述凸极转子(3)上既无永磁体也无绕组为硅钢片叠压式。
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