CN101820192B - 混合励磁型永磁磁通切换电机 - Google Patents

混合励磁型永磁磁通切换电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合励磁型永磁磁通切换电机，包括：永磁体、三相电枢绕组、单相励磁绕组安置在定子上，定子齿数为永磁体块数的4倍，转子部分为凸极结构，转子上既无绕组也无永磁体，机械强度高，适合高速运行。气隙磁场由励磁绕组产生的电励磁磁场和永磁体产生的磁场共同构成，通过改变励磁电流实现气隙磁场灵活调节。本发明的电励磁磁力线经由铁心连接磁桥闭合，有利于减小电励磁安匝数，降低了电励磁铜损；电枢绕组和励磁绕组间隔排布在不同的定子槽中，有利于增加电枢绕组自感并降低绕组互感，可有效抑制电机短路电流。

Description

混合励磁型永磁磁通切换电机
技术领域
本发明涉及定子混合励磁电机领域，具体是一种混合励磁型永磁磁通切换电机。
背景技术
永磁同步电机利用永磁材料代替励磁绕组，与传统直流电机、异步电机和开关磁阻电机相比，不存在励磁铜耗，具有功率密度大、效率高等优点。但由于将永磁体放置在转子上，需要在转子上安装相应的固定装置，引起冷却困难，而温升可能会最终导致永磁体发生不可逆退磁，限制了电机出力。
1992年Lipo提出的双凸极永磁电机、1996年I. Boldea提出的磁通反向电机和1997年E. Hoang提出的磁通切换型永磁电机都属于定子永磁型双凸极结构电机，转子由硅钢片叠成，结构简单可靠，永磁体和电枢绕组均安置在定子上，易于散热冷却。目前的研究成果表明这三种电机都具有高功率密度、高效率等优点。永磁双凸极电机每相磁链为单极性，而且磁链的谐波含量较高；磁通反向电机磁链特性为双极性，但电枢磁通和永磁磁通是串联的，存在着永磁体发生不可逆退磁的危险。所谓磁通切换电机，是指随着转子位置的变化，激磁磁通切换其路径，使得定子绕组内磁链的大小和方向均发生变化，从而产生交变的电势。磁通切换型永磁电机中切向安置的永磁体能产生聚磁效应，而且每相永磁磁链为双极性，且磁链和反电势波形都接近正弦分布，转矩密度和功率密度相对更高。
永磁式磁通切换型电机中仅有永磁磁势源，存在气隙磁场难以调节的固有问题，虽然通过电枢电流矢量控制可以进行调磁，但调磁范围存在很大的局限性，限制了在宽调速驱动系统场合的研究应用。
发明内容
本发明提出了一种混合励磁型永磁磁通切换电机，在永磁磁通切换电机中加入电励磁磁势源，通过改变励磁电流的大小和方向，实现了气隙磁场的有效调节与控制，同时具有较强的电机短路电流抑制能力。
本发明的混合励磁型永磁磁通切换电机包括：定子、永磁体、三相电枢绕组、单相励磁绕组和凸极式的转子；转子上既无永磁体也无绕组；定子包括：沿圆周分布的12个U型铁心，以及依次循环连接各U型铁心为一整体的第一铁心连接磁桥、第二铁心连接磁桥；各U型铁心的两个U型臂为定子齿，且所述第一铁心连接磁桥连接在相应的两个相邻U型臂的底端边缘；所述永磁体设于第一铁心连接磁桥内侧的两个相邻的U型臂之间；所述三相电枢绕组包括6个沿圆周均匀分布的电枢线圈，各电枢线圈分别套于与所述永磁体相邻的U型臂上，其中，径向相对的两个电枢线圈串联后构成一相电枢绕组；所述单相励磁绕组包括6个励磁线圈，各励磁线圈分别绕制在各第二铁心连接磁桥上，各励磁线圈依序首尾串联。
进一步，所述第二铁心连接磁桥将所连接的两个相邻U型臂之间的空间分割为内、外空槽，各外空槽中的励磁线圈的通电极性一致，各内空槽中的励磁线圈的通电极性与所述外空槽中的励磁线圈的通电极性相反。作为进一步优化的实施方式，内、外空槽的体积相等，确保在有限的空间内使所述励磁线圈的安匝数达最大值。
进一步，所述永磁体是同时针切向充磁的铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢。
进一步，定子和凸极式转子均由硅钢片叠压而成。
进一步，第二铁心连接磁桥为主磁通通路的一部分，降低其径向厚度适于提高永磁磁势利用率，增加其径向厚度适于提高调磁系数。
进一步，所述转子的转子凸极数为10，且上述定子的定子齿数为24，即：定子齿数与转子凸极数的比为：24：10，适于使本发明的电机兼顾磁链波形的谐波含量和径向不对称力。
随着转子位置的改变，转子极与不同的定子齿对齐，穿过各个集中电枢线圈的磁通方向就会发生改变，从而产生磁通切换效应，由此每相电枢绕组所匝链的磁链为双极性。
气隙磁场由单相励磁绕组产生的电励磁磁场和永磁体产生的磁场共同构成，通过改变励磁电流来调节气隙磁场，从而提高电机的转速运行范围和调磁能力。电励磁磁力线经第二铁心连接磁桥闭合，相对于不采用第二铁心连接磁桥闭合电励磁磁力线的方案，可相应减少电励磁线圈的安匝数，由此降低电励磁铜损。
本发明的混合励磁磁通切换电机具有的积极技术效果：
（1）永磁磁势源和电励磁磁势源共同作用合成气隙磁场，通过改变励磁电流调节气隙磁场，增强了电机的可控性；电枢绕组和励磁绕组间隔排布在不同的定子槽中，该排列方式有利于增加电枢绕组自感并降低电枢绕组互感，可有效抑制电机短路电流。
（2）定子齿的齿数为永磁体块数的4倍，因此所需永磁体块数较少；
（3）本发明的电机中，由于硅钢片的磁导率大于空气和永磁体，因此电励磁磁力线经由铁心连接磁桥闭合，采用较少的电励磁安匝数就能达到较好的调磁效果，相应的电励磁铜损耗也较小。
（4）转子为凸极结构，转子上没有永磁体和绕组，结构简单、坚固，电机冷却方便；
（5）保留了永磁磁通切换电机每相磁链双极性，具有磁链谐波含量较低的优点；
（6）定子冲片通过铁心连接磁桥成为一个整体，便于加工。
附图说明
图1是本发明混合励磁型永磁磁通切换电机的结构示意图，图中箭头方向为永磁体充磁方向。图中标号名称：1--定子，2--永磁体，3--三相电枢绕组，311--第一电枢线圈，312--第二电枢线圈，321--第三电枢线圈，322--第四电枢线圈，331--第五电枢线圈，332--第六电枢线圈，4--单相励磁绕组，401--第一励磁线圈，402--第二励磁线圈，403--第三励磁线圈，404--第四励磁线圈，405--第五励磁线圈，406--第六励磁线圈，5--转子，6--第一铁心连接磁桥，7--第二铁心连接磁桥，8-- 定子齿。
图2是本发明混合励磁型永磁磁通切换电机的气隙径向磁密分布图；
图3是本发明电机中的第二铁心连接磁桥的径向厚度减半时的气隙径向磁密分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
如图1所示，本发明的混合励磁型永磁磁通切换电机包括定子1和转子5，具有10个凸极的转子5位于定子1的内部；转子5由齿槽式铁心叠片构成，无绕组和永磁体；在定子1上设置有三相电枢绕组3、单相励磁绕组4和6块永磁体2。
定子1包括：12个U型定子铁心，以及依次循环连接各U型铁心的第一铁心连接磁桥6、第二铁心连接磁桥7；各U型铁心的两个U型臂为定子齿8，故而定子齿8的齿数为永磁体块数的4倍；定子U型铁心通过铁心连接磁桥成为一个整体，便于加工。
永磁体2设于第一铁心连接磁桥6内侧的两个相邻的U型臂之间，永磁体2是沿同时针切向充磁的铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢。
电枢绕组3的A相电枢绕组由第一电枢线圈311和第二电枢线圈312构成，且第一电枢线圈311与第二电枢线圈312在圆周上径向相对；电枢绕组3的B相电枢绕组由在圆周上径向相对的第三电枢线圈321和第四电枢线圈322构成；电枢绕组3的C相电枢绕组由在圆周上径向相对的第五电枢线圈331和第六电枢线圈332构成；各电枢线圈分别套于与相应的永磁体2相邻的U型臂上，且每相电枢绕组中的两个电枢线圈依次首尾串联。
单相励磁绕组4由第一励磁线圈401、第二励磁线圈402、第三励磁线圈403、第四励磁线圈404、第五励磁线圈405、第六励磁线圈406依次顺序首尾串联而成，各励磁线圈绕制在第二铁心连接磁桥7上。所述第二铁心连接磁桥7将所连接的两个相邻U型臂之间的空间分割为内、外空槽，外空槽中的励磁线圈的通电极性一致，内空槽中的励磁线圈通电极性一致。
当电机的转子5在图1所示位置时，A相电枢绕组中的第一电枢线圈311和第二电枢线圈312中的永磁磁通数值最大。
假设永磁体2为如图1所示的沿顺时针切向充磁，此时若通过单相励磁绕组4施加如图1所示极性的励磁电流，各第二铁心连接磁桥中的电励磁磁力线方向与永磁体磁力线方向切向相斥，气隙中电励磁磁势与永磁磁磁势叠加产生聚磁效应，第一电枢线圈311和第二电枢线圈312中匝链的磁通增加，进而提高感应电动势；如果改变励磁电流方向，第一电枢线圈311和第二电枢线圈312中匝链的磁通减少，进而降低感应电动势。
第一铁心连接磁桥6仅起连接U型铁心的作用，在保证其连接强度的前提下，其径向厚度可取最小值。第二铁心连接磁桥7除了起连接U型铁心的作用，还是主磁通通路的一部分，降低其径向厚度适于提高永磁磁势利用率；增加其径向厚度适于提高电励磁磁势利用率，实际应用中可依据所需调磁系数，适当选取第二铁心连接磁桥7的径向厚度。
图2给出了转子5在图1所示位置时，永磁体2单独工作和电励磁增磁状态的气隙径向磁密分布图。加入电励磁后，气隙磁密由0.93T增加到1.75T，调磁系数为1.88，仿真结果反应了励磁电流对气隙磁场的调节作用。
图3给出了电励磁安匝数不变，第二铁心连接磁桥7的径向厚度减半时的气隙径向磁密分布图。当第二铁心连接磁桥7的径向厚度降低一半，永磁体2单独工作时的气隙磁密由0.93T增加到1.13T；混合励磁工作时的气隙磁密由1.75T降为1.25T，相应调磁系数由1.88降为1.11。
图2和图3的对比结果显示：降低第二铁心连接磁桥厚度适于提高永磁磁势利用率，增加其厚度适于提高电励磁磁势调磁系数。

Claims (4)

1.一种混合励磁型永磁磁通切换电机，其特征在于包括：定子（1）、永磁体（2）、三相电枢绕组（3）、单相励磁绕组（4）和凸极式的转子（5）；转子（5）上既无永磁体也无绕组；
定子（1）包括：沿圆周分布的12个U型铁心，以及依次循环连接各U型铁心为一整体的第一铁心连接磁桥（6）、第二铁心连接磁桥（7）；各U型铁心的两个U型臂为定子齿（8），且所述第一铁心连接磁桥（6）连接在相应的两个相邻U型臂的底端边缘；
所述永磁体（2）设于第一铁心连接磁桥（6）内侧的两个相邻的U型臂之间；
所述三相电枢绕组（3）包括6个沿圆周均匀分布的电枢线圈，各电枢线圈分别套于与所述永磁体（2）相邻的U型臂上，其中，径向相对的两个电枢线圈串联后构成一相电枢绕组；
所述单相励磁绕组（4）包括6个励磁线圈，各励磁线圈分别绕制在各第二铁心连接磁桥（7）上，各励磁线圈依序首尾串联；
所述第二铁心连接磁桥（7）将所连接的两个相邻U型臂之间的空间分割为内、外空槽，各外空槽中的励磁线圈的通电极性一致，各内空槽中的励磁线圈的通电极性与所述外空槽中的励磁线圈的通电极性相反。
2.根据权利要求1所述的混合励磁型永磁磁通切换电机，其特征在于：所述的各永磁体（2）是同时针切向充磁的铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢。
3.根据权利要求1所述的混合励磁型永磁磁通切换电机，其特征在于：所述定子（1）和凸极式转子（5）均由硅钢片叠压而成。
4.根据权利要求1所述的混合励磁型永磁磁通切换电机，其特征在于：所述第二铁心连接磁桥（7）为主磁通通路的一部分，降低其径向厚度适于提高永磁磁势利用率，增加其径向厚度适于提高调磁系数。
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