CN101662172A

CN101662172A - 混合励磁型磁通反向电机

Info

Publication number: CN101662172A
Application number: CN200910035497A
Authority: CN
Inventors: 花为; 程明; 张淦; 许伟健
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2029-09-25
Also published as: CN101662172B

Abstract

混合励磁型磁通反向电机，一方面定子部分采用了集中电枢绕组与励磁绕组，直槽(或斜槽)转子，永磁体贴装于定子齿表面；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若干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反向电机紧凑、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

混合励磁型磁通反向电机

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。

另一方面，从上个世纪末国际上陆续出现了三种新型结构的定子永磁型电机，即双凸极永磁电机、磁通切换永磁电机和磁通反向永磁电机，其结构共性为将永磁体和电枢绕组都置于定子，转子仅由硅钢片等软磁材料组成。针对前两者的混合励磁结构方案都已提出，本发明正是在磁通反向永磁电机结构基础之上，修改了磁钢充磁方向，提出了一种新型结构的混合励磁型磁通反向电机，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反向电机。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反向电机包括：定子、单相集中励磁绕组、永磁体、三相集中电枢绕组、转子和定子齿上开槽；每个定子齿中部面向气隙开有一个槽放置单相集中励磁绕组；在每个定子齿面向气隙表面贴装有两个极性相互相反的永磁体，相邻两个定子齿下面的四块永磁体极性交错分布，即呈NS-SN分布；三相集中电枢绕组的各线圈均依次横跨于一个定子齿上；其中，三相集中电枢绕组一共有6个集中电枢线圈，第一集中电枢线圈与第二集中电枢线圈径向相对，反向串连或并连后组成A相电枢绕组；第三集中电枢线圈与第四集中电枢线圈径向相对，反向串连或并连后组成B相电枢绕组；第五集中电枢线圈与第六集中电枢线圈径向相对，反向串连或并连后组成C相绕组；励磁绕组为双层时有6个集中励磁线圈，为单层时为3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、第六励磁绕组线圈均为集中绕组，横跨于相邻两个定子齿所开的槽中，每个槽中可分布有两个线圈为双层结构，且同一个槽中的两个线圈通电极性一致，或每个槽中仅分布一个线圈为单层结构，上述若干个集中励磁线圈依次顺序首尾串连连接，组成单相励磁绕组。

定子为导磁铁心和永磁体拼装而成，其中永磁体贴装于定子的齿表面。转子上无永磁体和绕组；转子为直槽，适于无刷直流运行；或为斜槽，适于无刷交流运行。在定子齿所开槽中安置励磁绕组；励磁绕组为集中绕组，呈双层或单层排布。

如图1所示，当电机转子在此位置时，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块永磁体相对齐，根据永磁体的磁化方向，两个电枢线圈中的永磁磁通方向相反但数值相同，且此时数值最大。因此，若通过第一励磁绕组线圈和第四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，从而增大绕组中感应出的电势。相反，如果改变励磁电流方向，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反向电机在采用集中绕组和转子不斜槽的条件下，即可获得非常接近于梯形波分布的磁链、反电动势等静态特性，从而使本发明更加适合于作为无刷直流驱动方式的交流调速系统元件。此外，也可以通过转子斜槽一定角度，获得较为正弦的反电动势，使本发明适合于作为无刷交流驱动方式的交流调速系统元件。

此外，该电机结构上的特点导致其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。

有益效果：

1.在结构上保留了永磁式磁通反向电机紧凑、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、效率高的优势；

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.可根据不同性能需求，将转子直槽或者斜槽，从而获得梯形波或者正弦波的反电动势；

6.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，励磁绕组不会占用电枢绕组的槽面积，反而会减小一部分定子铁心，研制容易。

附图说明

图1是本发明的定子、转子、电枢绕组和双层励磁绕组结构示意图。其中有：定子1，单相双层集中励磁绕组2、第一集中励磁线圈21、第二集中励磁线圈22、第三集中励磁线圈23、第四集中励磁线圈24、第五集中励磁线圈25、第六集中励磁线圈26，永磁体3，三相集中电枢绕组4、第一集中电枢线圈411、第二集中电枢线圈412、第三集中电枢线圈421、第四集中电枢线圈422、第五集中电枢线圈431、第六集中电枢线圈432，转子5，安置定子励磁绕组的槽6。

图2是本发明的定子、转子、电枢绕组和单层励磁绕组结构示意图。其中有：定子1，单相单层集中励磁绕组2、第一集中励磁线圈21、第二集中励磁线圈22、第三集中励磁线圈23，永磁体3，三相集中电枢绕组4、第一集中电枢线圈411、第二集中电枢线圈412、第三集中电枢线圈421、第四集中电枢线圈422、第五集中电枢线圈431、第六集中电枢线圈432，转子5，安置定子励磁绕组的槽6。

具体实施方式

本发明包括定子，永磁体，三相集中电枢绕组，单相集中励磁绕组和转子；每个定子齿在齿尖中部开有一个小槽，将定子齿分为两个齿部，在每个小齿部下表面贴装一块永磁体，同一个定子齿下的两块永磁体极性相反，而相邻定子齿下的磁钢极性分布交错，即第一个定子齿下永磁体极性分布若为N-S，则与之相邻的两个定子齿下的永磁体极性都为S-N，依次交错分布于定子表面。因此，若定子齿数为P_s，则一共有2P_s块永磁体贴装于定子齿表面。一共有P_s个定子齿小槽提供给励磁绕组，励磁绕组可采用单层或者双层结构。若为单层励磁绕组，则一共有P_s/2个励磁线圈；若为双层励磁绕组，则一共有P_s个励磁线圈。三相集中电枢绕组的各线圈均横跨于一个定子齿上，其中，三相集中电枢绕组一共有P_s个集中电枢线圈以ABC三相的顺序依次交替分布，每相由P_s/3个电枢线圈组成，属于同相的各个线圈空间彼此相差1080°/P_s(空间机械角度)。若以一台定子6个槽，转子4个极的混合励磁磁通反向电机为例，则第一集中电枢线圈与第二集中电枢线圈径向相对(空间相差180°)，顺序串连(或并连)后组成A相电枢绕组；第三集中电枢线圈与第四集中电枢线圈径向相对(空间相差180°)，顺序串连(或并连)后组成B相电枢绕组；第五集中电枢线圈与第六集中电枢线圈径向相对(空间相差180°)，顺序串连(或并连)后组成C相电枢绕组；对于组成A相的2个电枢绕组线圈而言，第一集中线圈和第二集中线圈在任何转子位置，其绕组中匝链的磁链数量相同方向相反，需要反向串连组成A相，对B相和C相情况类似。电枢绕组为集中绕组，励磁绕组亦为集中绕组。若采用双层励磁绕组，则第一集中励磁线圈至第六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；若采用单层励磁绕组，则第一集中励磁线圈至第三集中励磁线圈依次首尾相连，组成单相励磁绕组。定子为导磁铁心和永磁体拼装而成。转子为直槽或斜槽转子，转子上既无永磁体也无绕组。永磁体是铁氧体、钐钴或者钕铁硼等其他类型永磁材料。

在励磁绕组不通电流时，当转子在旋转过程中与同一个定子齿下的两块极性不同的永磁体分别对齐时，永磁体所产生的永磁磁通匝链到各个定子集中电枢线圈的方向就会相反，从而产生磁通反向效应，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，在定子齿面向气隙的齿尖中部开出一块槽面积安置单相励磁绕组，其中每个励磁绕组槽中放置双层(或单层)绕组。

如图1以一台定子6槽/转子4极电机为例，本发明混合励磁型磁通反向电机包括定子铁心1和转子铁心5，转子5位于定子1的内部(转子5也可以位于定子1的外部，组成外转子结构)，定子1和转子5都为凸极结构，其中定子铁心部分由导磁铁心组成，定子有6个齿，并在每个定子齿上开有一个小槽6以安置单相双层励磁绕组2，在定子1上设置有三相集中电枢绕组4和12块永磁体3；

集中绕组4的A相第一绕组线圈411和第二绕组线圈412径向相对，每个绕组线圈套于定子1中每个齿的两侧槽中，且上述两个集中绕组线圈反向串连或并连组成A相；

集中绕组4的B相第一绕组线圈421和第二绕组线圈422径向相对，每个绕组线圈套于定子1中每个齿的两侧槽中，且上述两个集中绕组线圈反向串连或并连组成B相；

集中绕组4的C相第一绕组线圈431和第二绕组线圈432径向相对，每个绕组线圈套于定子1中每个齿的两侧槽中，且上述两个集中绕组线圈反向串连或并连组成C相；

励磁绕组2一共有6个集中线圈，置于每个定子齿面向气隙所开槽的空间6中，为双层排放方式。其中第一励磁绕组线圈21、第二励磁绕组线圈22、第三励磁绕组线圈23、第四励磁绕组线圈24、第五励磁绕组线圈25、第六励磁绕组线圈26均为集中绕组，横跨于相邻两个定子齿的槽中，每个槽中分布有两个线圈为双层结构，同一个槽中的两个线圈通电极性一致。上述6个线圈依次顺序首尾串联连接，组成单相双层励磁绕组。

在定子1的6个齿表面，依次贴装12块永磁体3，每个定子齿下的两块永磁体极性相反，相邻两个定子齿下的两块永磁体极性分布交错，即NS-SN-NS-SN-NS-SN。

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411和第二集中电枢线圈412下的一块永磁体3相对，根据永磁体3的磁化方向，两个线圈中的永磁磁通方向相反但数值相同，且此时数值最大。因此，若通过第一励磁绕组线圈21和第四励磁绕组线圈24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411和第二集中电枢线圈412中的磁通，从而增大感应出的电势。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411和第二集中电枢线圈412中的合成磁链，进而减小感应的电势。集中电枢绕组4的B相和C相的线圈的工作原理同上，可以大大提高电机气隙磁场可控性，从而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，可获得非常接近于梯形波分布的磁链、反电动势等静态特性，从而使本发明更加适合于作为无刷直流驱动方式的交流调速系统元件。此外，也可以对转子5斜槽一定角度，获得较为正弦的反电动势，使本发明适合于作为无刷交流驱动方式的交流调速系统元件。

永磁体3是铁氧体、钐钴或者钕铁硼等其他类型永磁材料，定子1和凸极转子5都可以采用硅钢片冲片压叠制成，定子齿上开出的槽6用于放置励磁绕组。

图2中的定子6槽/转子4极混合励磁型磁通反向电机的励磁绕组采用单层结构，包括定子铁心1和转子铁心5，转子5位于定子1的内部(转子5也可以位于定子1的外部，组成外转子结构)，定子1和转子5都为凸极结构，其中定子铁心部分由导磁铁心组成，定子有6个齿，并在每个定子齿上开有一个小槽6以安置单相单层励磁绕组2，在定子1上设置有三相集中电枢绕组4和12块永磁体3。与图1唯一不同之处，励磁绕组2一共有3个集中线圈，置于每个定子齿面向气隙所开槽的空间6中，为单层排放方式。其中第一励磁绕组线圈21、第二励磁绕组线圈22、第三励磁绕组线圈23均为集中绕组，横跨于相邻两个定子齿的槽中，每个槽中分布有一个线圈为单层。上述3个线圈依次顺序首尾串联连接，组成单相单层励磁绕组。其调节磁场的方法与双层励磁绕组相似，不再赘述。

Claims

1.一种混合励磁型磁通反向电机，其特征在于该电机包括：定子(1)、单相集中励磁绕组(2)、永磁体(3)、三相集中电枢绕组(4)、转子(5)和定子齿上开槽(6)；每个定子齿中部面向气隙开有一个槽(6)放置单相集中励磁绕组(2)；在每个定子齿面向气隙表面贴装有两个极性相互相反的永磁体(3)，相邻两个定子齿下面的四块永磁体极性交错分布，即呈NS-SN分布；三相集中电枢绕组(4)的各线圈均依次横跨于一个定子齿上；其中，三相集中电枢绕组(4)一共有6个集中电枢线圈，第一集中电枢线圈(411)与第二集中电枢线圈(412)径向相对，反向串连或并连后组成A相电枢绕组；第三集中电枢线圈(421)与第四集中电枢线圈(422)径向相对，反向串连或并连后组成B相电枢绕组；第五集中电枢线圈(431)与第六集中电枢线圈(432)径向相对，反向串连或并连后组成C相绕组；励磁绕组(2)为双层时有6个集中励磁线圈，为单层时为3个集中励磁线圈，其中第一励磁绕组线圈(21)、第二励磁绕组线圈(22)、第三励磁绕组线圈(23)、第四励磁绕组线圈(24)、第五励磁绕组线圈(25)、第六励磁绕组线圈(26)均为集中绕组，横跨于相邻两个定子齿所开的槽(6)中，每个槽中可分布有两个线圈为双层结构，且同一个槽中的两个线圈通电极性一致，或每个槽中仅分布一个线圈为单层结构，上述若干个集中励磁线圈依次顺序首尾串连连接，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反向电机，其特征在于定子(1)为导磁铁心和永磁体(3)拼装而成，其中永磁体(3)贴装于定子(1)的齿表面。

3.根据权利要求1所述的混合励磁型磁通反向电机，其特征在于转子(5)上无永磁体和绕组；转子为直槽，适于无刷直流运行；或为斜槽，适于无刷交流运行。

4.根据权利要求1所述的混合励磁型磁通反向电机，其特征在于在定子(1)齿所开槽(6)中安置励磁绕组(2)；励磁绕组(2)为集中绕组，呈双层或单层排布。