CN101964571A - 内外双转子混合励磁双凸极电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内外双转子混合励磁双凸极电机，该电机的结构包括凸极外转子铁心(1)、内外凸极定子铁心(2)、凸极内转子铁心(3)、永磁体(4)、电枢绕组(5)和励磁绕组(6)，电枢绕组(5)绕制于内外凸极定子铁心(2)的定子齿上，内外凸极定子铁心(2)每隔m×n个定子齿在其轭部嵌入一个永磁体(4)或绕制一个励磁绕组(6)，m为电机相数，n为任意正整数，电机每间隔m×n个定子齿励磁极性变化一次。本发明电机沿半径方向可以设置多个重复结构，形成n个定子、n+1个转子的混合励磁电机，本发明励磁效率高，绕组端部短，励磁损耗小，控制电路简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机，尤其涉及一种内外双转子混合励磁双凸极电机，属于双凸极结构电机领域。
背景技术
莫斯科航空学院巴拉古诺夫教授在1988年提出并联磁势混合励磁同步发电机的结构。定子和普通同步电机相同，转子分为两部分，一部分为永磁励磁，另一部分为电励磁。该电机的电励磁部分为爪极结构，附加气隙多，轴向磁路，漏磁大，电励磁功能受制约。
日本T.Mizuno博士等提出了轴向/径向磁路混合励磁同步发电机。该电机的定子电枢绕组为通常的三相对称绕组，定子铁心被定子环形直流励磁绕组分成两段，这两段铁心由其外的背轭(用于轴向导磁的机壳)在机械上和磁上连接；转子也分成两部分：N极端和S极端，每极端由同极性永磁极和铁心形成的中间极交错排列，且两端的N、S永磁极及中间极也交错排列。转子铁心及转轴间有一实心导磁套 (转子背轭)，用于转子的轴向导磁。该电机附加气隙多，但为固定气隙；存在轴向/径向磁路，电机结构优化受约束。
香港大学陈清泉、上海工业大学江建中教授等提出了一种爪极式混合励磁同步电机。该电机的外定子与普通电机的定子类似，槽中嵌有多相对称绕组，转子采用爪极结构，在相邻的两个爪极之间设置永磁体，在内定子上设有环形直流励磁绕组。由于直流励磁绕组置于由爪极的内、外单元所形成的区域内，空间利用率高，结构紧凑。但由于存在轴向磁路，电励磁效率低。
美国威斯康星-麦迪逊大学的Lipo教授等提出了永磁双凸极电机，其结构是在开关磁阻电机的基础上增加了永磁励磁，由于其励磁磁场不易调节，故不能作为发电机使用。
南京航空航天大学的严仰光教授等提出了电励磁双凸极电机（“双凸极无刷直流电机”，授权公告号CN1099155C），其将双凸极电机的励磁源从永磁体变成电励磁绕组。作发电机工作时，不需要转子位置传感器，且励磁绕组仅需要单管变换器进行供电，调节励磁绕组电流可调节输出电压，故障时可灭磁，具有可靠性高的特点。
近年来，把永磁励磁和电励磁结合起来的混合励磁双凸极电机日益受到关注。
Lipo教授等提出一种双凸极混合励磁电机，它是在双凸极永磁电机的基础上演变出来的，保留了双凸极永磁电机的全部优点。该电机可以通过控制励磁电流的方向和大小，调节气隙磁场。但电励磁回路穿越永磁体，电励磁效率低。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种内外双转子的无轴向励磁磁路且无附加气隙的混合励磁双凸极电机，实现电机在励磁元件数目与永磁体数目相同时，从0至额定气隙磁场的全范围内调节磁场，且励磁电流为单向控制。
本发明内外双转子混合励磁双凸极电机，其结构包括凸极外转子铁心、内外凸极定子铁心、凸极内转子铁心、永磁体、电枢绕组和励磁绕组，其中：电枢绕组绕制于内外凸极定子铁心的定子齿上，内外凸极定子铁心每隔m×n个定子齿在其轭部嵌入一个永磁体或绕制一个励磁绕组，与励磁绕组相邻的是永磁体，与永磁体相邻的为励磁绕组或永磁体，电机每间隔m×n个定子齿励磁极性变化一次，m为电机相数，n为任意正整数。
所述永磁体切向磁化或具有切向磁化分量；所述励磁绕组的磁势方向为切向或具有切向分量；与励磁绕组相邻的两个永磁体磁化方向或切向磁化分量相同，两个相邻的永磁体磁化方向或切向磁化分量相反。
与现有技术相比，本发明电机具有如下技术效果：
1、由于永磁体和励磁绕组共同作为励磁源，励磁效率高，且励磁磁场易于调节；
2、可以通过各单体斜槽或单体之间错开角度减小转矩脉动；
3、励磁绕组绕在定子轭部，绕组端部短，减小了励磁损耗；
4、励磁绕组的电流为单方向控制，控制电路简单；
5、可以沿半径方向采用多个重复结构，形成多定子、多转子的混合励磁双凸极电机，从而提高电机单位体积的输出功率。
附图说明
图1为本发明电机的截面结构示意图。
图2为定子和转子均错开一定角度的12/8极内外双转子的混合励磁双凸极电机截面结构示意图。
图3为定子和转子均错开一定角度的18/12极内外双转子的混合励磁双凸极电机截面结构示意图。
图1、图2、图3中标号名称：1、凸极外转子铁心；2、内外凸极定子铁心；3、凸极内转子铁心；4、永磁体；5、电枢绕组；6、励磁绕组。
图4为图1、图2所示电机的等效磁路示意图。
图5为图3所示电机的等效磁路示意图。
图4、图5中符号名称：E PM 为永磁体磁势；R EM 为永磁体磁阻；E EM 为励磁绕组提供的磁势； 
为位于永磁体和励磁绕组之间的外定子气隙磁通；
为位于永磁体和励磁绕组之间的内定子气隙磁通；为位于永磁体和励磁绕组之间的外定子气隙磁阻；
为位于永磁体和励磁绕组之间的内定子气隙磁阻；
为位于两个相邻永磁体之间的外定子气隙磁通；
为位于两个相邻永磁体之间的内定子气隙磁通；
为位于两个相邻永磁体之间的外定子气隙磁阻；
为位于两个相邻永磁体之间的内定子气隙磁阻。
具体实施方式
根据图1、图2、图3所示，本发明电机的结构包括：凸极外转子铁心1、内外凸极定子铁心2、凸极内转子铁心3、永磁体4、电枢绕组5和励磁绕组6，其中：电枢绕组5绕制于内外凸极定子铁心2的定子齿上，内外凸极定子铁心2每隔m×n个定子齿在其轭部嵌入一个永磁体4或绕制一个励磁绕组6，m为电机相数，n为任意正整数。
内外凸极定子铁心2由硅钢片叠压而成，转子分为内外结构，即凸极外转子铁心1和凸极内转子铁心3。
与励磁绕组6相邻（间隔m×n个定子齿）的是永磁体4（永磁磁钢），与永磁体4相邻（间隔m×n个定子齿）的可以是励磁绕组6，也可以是永磁体4。励磁绕组的电流正方向设置和永磁体的极性设置使得每间隔m×n个定子齿励磁极性变化一次。此外，内、外定子齿可以错开角度或采用斜槽，内、外转子齿也可以错开角度或采用斜槽以降低齿槽转矩或得到优化的电势波形。
设置的永磁体4切向磁化或具有切向磁化分量，设置的励磁绕组6的磁势方向为切向或具有切向分量。与励磁绕组相邻的两个永磁体的磁化方向相同（切向分量均为顺时针或逆时针方向），两个相邻的永磁体的磁化方向（切向分量）相反。内外两个电机结构可以具有相同或不同的定、转子极数。当内外两个电机结构的定、转子极数相同时，内外两个电机结构的对应定子极上的绕组可以串联连接。内外两个电机结构的定子铁心可以错开角度或采用斜槽结构，转子铁心也可以错开角度或采用斜槽结构。
本发明电机的工作原理如下：
本发明电机既可作为发电机，也可以作为电动机。下面通过图1、图2、图3励磁磁路的等效磁路进行分析。
图4为图1、图2所示电机的等效磁路。当没有通入励磁电流时，E EM = 0，永磁体磁势E PM 被定子轭部短路，气隙磁通
、
接近0；随着正向励磁电流的增大，进入气隙的磁通
、
也随之增大，，
。相比相同极数的纯电励磁电机，由于励磁绕组元件个数减小了一半，在额定状态下，本发明图1、图2所示电机的励磁功率为电励磁电机的1/2。
图5为图3所示电机的等效磁路。由于永磁体的磁阻较大，且为达到额定气隙磁通，永磁磁势比电励磁磁势大数倍，所以相邻永磁体之间的气隙磁通随励磁电流的变化减小，可以近似认为不变，为额定气隙磁通。当没有通入励磁电流时，E EM = 0，永磁体磁势E PM 部分被定子轭部短路，此时由于在整个气隙圆周上，仅相邻永磁体之间有气隙磁通，总的气隙磁通是额定励磁电流下的1/3。在额定状态下，本发明图3所示电机的励磁功率为相同结构的纯电励磁电机的1/3。
在本发明电机中，当永磁体数量与励磁绕组元件的数量比为k:1时，每(k+1)×(m×n)个定子齿的定子轭部安装有k个永磁体和1个励磁绕组元件，该结构的励磁调节范围从
的额定气隙磁通至额定气隙磁通，额定励磁功率为相同结构的纯电励磁电机的
。
本发明电机沿半径方向可采用多个重复结构，形成n个定子、n＋1个转子结构的电机。本发明可作为发电机，或与整流器、变换器等配合作为发电机用，亦可作为电动机。
Claims (4)
1.一种内外双转子混合励磁双凸极电机，其特征在于：包括凸极外转子铁心（1）、内外凸极定子铁心（2）、凸极内转子铁心（3）、永磁体（4）、电枢绕组（5）和励磁绕组（6），其中：电枢绕组（5）绕制于内外凸极定子铁心（2）的定子齿上，内外凸极定子铁心（2）每隔m×n个定子齿在其轭部嵌入一个永磁体（4）或绕制一个励磁绕组（6），与励磁绕组（6）相邻的为永磁体（4），与永磁体（4）相邻的为励磁绕组（6）或永磁体（4），电机每间隔m×n个定子齿励磁极性变化一次，m为电机相数，n为任意正整数。
2.根据权利要求1所述的内外双转子混合励磁双凸极电机，其特征在于：所述永磁体（4）切向磁化或具有切向磁化分量。
3.根据权利要求1所述的内外双转子混合励磁双凸极电机，其特征在于：所述励磁绕组（6）的磁势方向为切向或具有切向分量。
4.根据权利要求1所述的内外双转子混合励磁双凸极电机，其特征在于：与励磁绕组（6）相邻的两个永磁体磁化方向或切向磁化分量相同，两个相邻的永磁体磁化方向或切向磁化分量相反。
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