CN102832767A - 一种并列式混合励磁无刷直流容错电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种并列式混合励磁无刷直流容错电机，永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分的转子同轴安装，二者的定子分别安装在机壳内部的左右两侧，定子铁心共用一套电枢绕组，励磁绕组安装在电励磁双凸极电机部分的定子铁心上；所述永磁同步电机部分的定子铁心为不等齿宽结构，宽齿和窄齿交替分布，宽齿上嵌绕电枢绕组，窄齿上不绕电枢绕组，永磁同步电机部分的电枢绕组相序及相绕组分布与电励磁双凸极电机部分的电枢绕组相同。此种混合励磁电机将永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分有机组合，实现两部分感应电势的高效叠加，解决电机内部短路故障时灭磁保护的问题，并且具有强容错能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种并列式混合励磁电机，特别涉及一种并列式混合励磁无刷直流容错电机。
背景技术
与传统的电励磁电机相比，永磁电机特别是稀土永磁电机具有结构简单可靠、功率密度高、效率高等显著优点，但是永磁电机由于采用单一永磁体励磁，气隙磁场调节困难，在发电运行下，负载变化或转速变化，输出电压随之变化。电励磁电机可以调节直流或交流励磁电流，从而可以方便地调节气隙磁场，但相对永磁电机功率密度偏低，结构复杂，特别是励磁绕组在转子上时需要电刷，因此难以做到电机的高速运行。混合励磁电机是在永磁电机的基础上引入辅助电励磁绕组，达到改善永磁电机驱动或调压性能的目的，近年来在电动汽车、风力发电等领域引起人们的广泛关注。
并列式混合励磁电机结构原理简单，易于实现励磁电流的双向调节，是混合励磁电机技术研究的一个重要方向。同一类型电机构成并列式混合励磁电机是目前并列式混合励磁电机的主要结构形式，包括两种：永磁同步电机部分和电励磁同步电机并列而成（专利CN102005876A）；永磁双凸极电机和电励磁双凸极电机部分并列而成（专利CN1545189A）。前者混合励磁同步电机结构复杂，电励磁方式为交流励磁，励磁结构及控制复杂；后者结构简单可靠，但也存在混合励磁双凸极电机电压和转矩脉动较大、功率密度偏低的问题。
不同类电机构成并列式混合励磁电机也是可行的，专利CN100386853C采用传统永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分组合构成混合励磁电机，实现了励磁电流双向调节以及整个电机的无刷化，但该并列式混合励磁电机采用两种无刷电机直接组合，两部分电机结构均为传统结构形式，由于两种类型电机感应电势波形的差异，使得两类电机组合效率较低，影响其功率密度；另外，两部分电枢绕组内部相互独立，外部串联连接，尽管励磁电流可以双向调节，仍然无法解决永磁电机部分电枢绕组内部短路时故障灭磁的问题，这使得该电机在高可靠要求条件下如航空电源系统中的应用受到限制。
基于以上分析，本发明人提出一种新型的混合励磁无刷直流电机，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种并列式混合励磁无刷直流容错电机，其将永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分有机组合，实现两部分感应电势的高效叠加，解决电机内部短路故障时有效灭磁保护的问题，在航空电源、新能源发电等领域有重要应用价值。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种并列式混合励磁无刷直流容错电机，在同一机壳内，永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分的转子同轴安装，二者的定子分别安装在机壳内部的左右两侧，所述永磁同步电机部分的定子铁心和电励磁双凸极电机部分的定子铁心共用一套电枢绕组，励磁绕组安装在电励磁双凸极电机部分的定子铁心上；所述永磁同步电机部分采用内置切向磁钢转子结构或表贴式磁钢转子结构，其定子铁心为不等齿宽结构，宽齿和窄齿交替分布，宽齿上嵌绕电枢绕组，窄齿上不绕电枢绕组，永磁同步电机部分的电枢绕组相序及相绕组分布与电励磁双凸极电机部分的电枢绕组相同，所述直流容错电机每相绕组同时嵌绕在永磁同步电机部分定子齿和电励磁双凸极电机部分的对应定子极上，经过两部分的定子铁心后闭合。
上述电励磁双凸极电机部分的定子极数和转子极数分别是永磁同步电机部分定子极数和转子极数的一半，且电励磁双凸极电机部分的定子极均匀分布，定子极宽等于槽口宽，转子极宽大于定子极宽。
上述混合励磁无刷直流容错电机是三相容错电机或多相容错电机。
若上述混合励磁无刷直流容错电机是三相容错电机，则电励磁双凸极电机部分为3N/2N极结构，永磁同步电机部分为6N槽/4N极结构，其中N为大于1的整数。
采用上述方案后，本发明与现有混合励磁电机结构相比具有如下有益特点：
（1）永磁同步电机部分定子采用不等齿宽结构，宽齿上绕线、窄齿容错，双凸极电机部分也为集中绕组结构，整个电机具有强的容错性能，可靠性高；
（2）电励磁双凸极电机部分转子极宽大于定子极宽，电枢绕组感应电势为梯形波，实现了电枢绕组电势的高效叠加和调节，电励磁效率高；
（3）永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分的电枢绕组相序完全相同，直接串联，不仅大大减小了电枢绕组的端接长度，而且绕组内部短路可以通过电励磁电机部分励磁电流调节抵消永磁励磁产生的磁场，从而实现电机绕组短路故障时高效灭磁；
（4）励磁绕组在电励磁双凸极电机部分的定子上，因此实现了无刷化，同时由于永磁同步电机部分和双凸极电机部分的转子结构简单可靠，有利于电机的高速运行；
（5）根据应用场合的不同，合理设计永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分两部分的铁心长度比例，可以实现电机的电动运行的恒转矩/恒功率运行范围或发电运行的电压调节范围。
附图说明
图1是本发明的轴向剖面示意图；
图2（a）是本发明第一实施例永磁同步电机部分的截面示意图；
图2（b）是本发明第一实施例电励磁双凸极电机部分的截面示意图；
图3是本发明第一实施例电机内部绕组串联方式分布示意图；
图4（a）是本发明第二实施例永磁同步电机部分的截面示意图；
图4（b）是本发明第二实施例电励磁双凸极电机部分截面示意图；
图5是本发明第二实施例电机内部绕组串联方式分布示意图；
图6是本发明正向励磁和反向励磁内部电势叠加示意图；
图7（a）是三相全桥整流电路原理图；
图7（b）是四相全桥整流电路原理图。
图中元件符号说明：
1-转轴，2-轴承，3-键槽，4-机壳，5-电励磁双凸极电机部分的定子铁心，6-电励磁双凸极电机部分的转子铁心，7-永磁同步电机部分的定子铁心，8-永磁体，9-永磁同步电机部分的转子铁心，10-电枢绕组，11-励磁绕组。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种并列式混合励磁无刷直流容错电机，包括机壳及安装在机壳内的电励磁双凸极电机部分和永磁同步电机部分，永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分分别设于机壳4内部的左右两侧。其中，永磁体8内嵌入永磁同步电机部分的转子铁心9上，永磁同步电机部分的转子铁心9和电励磁双凸极电机部分的转子铁心6均通过键槽3固定安装于转轴1上，转轴1由轴承2支撑，实现二者同轴旋转；而电励磁双凸极电机部分的定子铁心5和永磁同步电机部分的定子铁心7共用一套电枢绕组10，励磁绕组11安装在电励磁双凸极电机部分的定子铁心7上，从而实现本发明的无刷化。
在本发明中，永磁同步电机部分的转子9采用内置切向磁钢转子结构或表贴式磁钢转子结构，定子铁心7由硅钢片叠压而成；电励磁双凸极电机部分中的定子铁心5和转子铁心6均由硅钢片叠压而成。同时，永磁同步电机部分的定子铁心7为不等齿宽结构，宽齿和窄齿交替分布，宽齿上嵌绕电枢绕组，窄齿上不绕电枢绕组；永磁同步电机部分的电枢绕组相序及相绕组分布与电励磁双凸极电机部分的电枢绕组相同，本发明直流容错电机每相绕组同时嵌绕在永磁同步电机部分定子齿和电励磁双凸极电机部分的对应定子极上，经过两部分的定子铁心后闭合，不在永磁同步电机部分的定子铁心中直接闭合。
电励磁双凸极电机部分的定子极数和转子极数分别是永磁同步电机部分定子齿数和转子极数的一半，电励磁双凸极电机部分的定子极均匀分布，定子极宽等于槽口宽，转子极宽大于定子极宽。
需要说明的是，本发明可以是三相、四相、五相甚至更多相容错电机，以下将通过具体实施例对本发明的结构及有益效果进行介绍。
如图2（a）和图2（b）所示，是本发明作为三相电机的一个实施例，电励磁双凸极电机部分为12/8极结构，永磁同步电机部分为24槽/16极、转子切向磁化永磁体结构，图2（a）和图2（b）所示分别为永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分的截面示意图（其中并未画出电枢绕组和励磁绕组），从图中可以看出，永磁同步电机部分宽齿嵌绕线圈，集中绕组分布方式，窄齿作为容错齿，不绕线圈。空间位置上，永磁同步电机部分的A、B、C三相与电励磁双凸极电机部分的A、B、C三相一一对应，图中，Ap、Bp、Cp和Ae、Be、Ce分别表示对应于三相电枢绕组的永磁同步电机部分定子齿和电励磁双凸极电机部分定子极。电励磁双凸极电机部分的定子极均匀分布，定子极宽等于槽口宽，转子极宽大于定子极宽。
永磁同步电机部分的定子采用不等宽齿结构，宽齿上嵌绕各相电枢绕组，窄齿作为容错齿不绕线，一般宽齿的宽度是窄齿的2倍。各相绕组安放在不同的定子槽内通过容错齿（窄齿）隔离，因此避免了相绕组之间短路情况的发生，同时容错齿在物理和电气上隔离了相绕组短路对其它正常相的影响。从图2（a）和图2（b）中可以看出，永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分的各相在空间位置上一一对应，每相绕组同时嵌绕在永磁同步电机部分定子齿和电励磁双凸极电机部分的对应定子极上，以A相绕组为例，它同时嵌绕在永磁同步电机部分定子齿Ap和电励磁双凸极电机部分的对应定子极Ae上。图3给出了两种电机的绕组串联分布方式，两种电机每相的定子齿（极）空间位置对应，因此两种电机每相绕组直接串联连接。由于两种电机共用一套绕组线圈，永磁励磁和电励磁磁势共同作用于同一电枢绕组线圈，可以通过电励磁的双向调节作用来改变绕组合成磁链，从而可以有效地改变绕组感应电压，同时对于电机内部电枢绕组短路情况可以实现有效的故障灭磁。
再请参考图4（a）和图4（b）所示，是本发明作为四相电机的一个实施例（其中并未画出电枢绕组和励磁绕组），其中，电励磁双凸极电机部分为8/6极结构，永磁同步电机部分采用16槽/12极结构，同第一实施例相同，实现绕组内部直接串联方式，图5给出了四相绕组的连接方式示意图。
本发明并列式混合励磁无刷直流容错电机，励磁绕组安装在电励磁双凸极电机部分的定子上，调节励磁电流大小和方向，可以改变电励磁双凸极电机部分的电枢绕组的磁场大小和方向，从而改变整个电机电枢绕组合成磁场，电机内部绕组感应电势得到调节。合理改变电励磁双凸极电机部分和永磁同步电机部分的轴向长度比例，调节励磁电流大小和方向，电机内部电枢磁通幅值可以保持基本不变，因此电机内部绕组感应电势幅值可以为零。图6所示是正向励磁和反向励磁下电机内部两部分绕组电势正向叠加和反向叠加的结果，可以见到，电励磁双凸极电机部分与永磁同步电机部分电枢绕组的感应电势波形均为梯形波，正向励磁下，合成电势有效增大，反向励磁下，合成电势可以减小到零，实现了感应电势的高效叠加和调节，从而能够提高电机的功率和转矩密度。
图7（a）和图7（b）分别是第一、二实施例作为直流发电机时三相桥式整流电路原理图和四相桥式整流电路原理图。
综上所述，本发明一种并列式混合励磁无刷直流容错电机，在同一机壳内分为永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分两部分，两部分转子相互独立、同轴安装，两部分定子彼此分开同在一个机壳左右两侧。永磁同步电机部分采用内置切向磁钢转子结构或表贴式磁钢转子结构，定子铁心由硅钢片叠压而成，定子铁心为不等齿宽结构，宽齿和窄齿交替分布，宽齿嵌绕电枢绕组，窄齿作为不同相绕组之间的电气和物理隔离，实现电机的容错结构。电励磁双凸极电机部分的定子和转子铁心均由硅钢片叠压而成，定子极数和转子极数分别是永磁同步电机部分的定子齿数和转子极数的一半，电励磁双凸极电机部分的定子极均匀分布，定子极宽等于槽口宽，定子极上嵌套电枢绕组和励磁绕组。电励磁双凸极电机部分的转子极宽稍大于定子极宽，以使得电励磁双凸极电机部分的电枢绕组的感应电势波形为梯形波，从而与永磁同步电机部分电枢绕组的感应电势波形相近，实现感应电势的高效叠加和调节，从而显著提高电机的功率和转矩密度。
永磁同步电机部分的定子采用容错齿结构，宽齿上嵌绕电枢绕组，窄齿上不绕电枢绕组，永磁同步电机部分的电枢绕组相序及相绕组分布刚好与电励磁双凸极电机部分的电枢绕组相同，整个电机每相电枢绕组均经过永磁同步电机部分的定子铁心和电励磁双凸极电机部分的定子铁心后闭合，每相绕组的线圈同时嵌绕在永磁同步电机部分的定子齿和电励磁双凸极电机部分的对应定子极上。永磁同步电机部分的电枢绕组和电励磁双凸极电机部分的电枢绕组在电机内部为直接串联关系，可见，这样永磁同步电机部分的电枢绕组不在永磁同步电机部分的定子铁心中直接闭合，大大减小了永磁同步电机部分电枢绕组内部短路的可能性，而且，实现了电励磁双凸极电机部分的励磁电流对整个电机电枢绕组感应电势的高效宽范围调节。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (4)
1.一种并列式混合励磁无刷直流容错电机，包括机壳及设置在机壳内的电励磁双凸极电机部分和永磁同步电机部分，永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分的转子同轴安装，二者的定子分别设于机壳内部的左右两侧，所述永磁同步电机部分的定子铁心和电励磁双凸极电机部分的定子铁心共用一套电枢绕组，励磁绕组安装在电励磁双凸极电机部分的定子铁心上；其特征在于：所述永磁同步电机部分的定子铁心为不等齿宽结构，宽齿和窄齿交替分布，宽齿上嵌绕电枢绕组，窄齿上不绕电枢绕组，永磁同步电机部分的电枢绕组相序及相绕组分布与电励磁双凸极电机部分的电枢绕组相同，所述直流容错电机每相绕组同时嵌绕在永磁同步电机部分定子齿和电励磁双凸极电机部分的对应定子极上，经过两部分的定子铁心后闭合。
2.如权利要求1所述的一种并列式混合励磁无刷直流容错电机，其特征在于：所述电励磁双凸极电机部分的定子极数和转子极数分别是永磁同步电机部分定子极数和转子极数的一半，且电励磁双凸极电机部分的定子极均匀分布，定子极宽等于槽口宽，转子极宽大于定子极宽。
3.如权利要求1所述的一种并列式混合励磁无刷直流容错电机，其特征在于：所述直流容错电机是三相容错电机或多相容错电机。
4.如权利要求3所述的一种并列式混合励磁无刷直流容错电机，其特征在于：所述直流容错电机采用三相容错电机，电励磁双凸极电机部分为3N/2N极结构，永磁同步电机部分为6N槽/4N极结构，其中N为大于1的整数。
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