CN103248158A - 一种六相磁通切换型永磁电机 - Google Patents

Abstract

一种六相磁通切换型永磁电机，包括定子、转子和转轴，定子采用永磁型双凸极结构，即永磁体与定子铁心、电枢绕组都置于定子，且定子铁心是由“U”形导磁铁心及嵌在导磁铁心间的各永磁体拼装而成，且永磁体均为切向交替充磁；电枢绕组是置于定子的六相电枢绕组，六相电枢绕组采用集中式线圈，转子由导磁材料制成；其中永磁体的充磁方向都为定子圆周的切向，相邻两块永磁体的充磁方向相反；电枢线圈和定子槽数均为相数的偶数倍；每相2n个线圈绕组、各有n个线圈均匀分布在定子圆周的直径的两端。两套三相绕组可独立供电或发电。

Description

一种六相磁通切换型永磁电机

技术领域

本发明涉及多相发电或电动技术，尤其是一种六相磁通切换型永磁电机。

背景技术

永磁电机利用永磁体来产生磁场，由于永磁体的固有特性，它经过预先磁化以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。与传统的电励磁电机相比，这样既可以简化电机结构，省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性；又无需励磁电流，即没有励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。磁通切换型永磁电机采用定子永磁型结构，永磁体和电枢绕组均置于定子，定子铁心由“U”形导磁铁心与永磁体拼装而成，电枢绕组采用集中式绕组线圈，端部短，电阻较小，而转子上既无永磁体又无绕组，结构简单、鲁棒性好、效率与功率密度均较高。

采用一定规律定转子齿槽配合的磁通切换型永磁电机由于具备绕组互补性，可以大大减少或抵消单个线圈永磁磁链和感应电势中的高次谐波分量，使得该电机在采用集中式电枢绕组和转子直槽的条件下就可以获得较高正弦度的每相空载永磁磁链和感应电势，特别适合于交流调速的应用场合，如电动汽车驱动系统；而且，其电枢反应磁场和永磁磁场从磁路上说是并联的，具有较强的抗去磁能力，作为发电机运行时具有良好的特性，电压调整率可以保持较低水平。

另一方面，随着电动汽车驱动系统的功率等级、电机转速等不断增加，对车用电动机、发电机本体及其控制系统的技术经济指标也提出了越来越高的要求。主要包括：无论是电动机还是发电机要具有更大的功率等级、可控性好、运行平稳、可靠性高、容错能力强，特别是故障状态下仍然能够输出一定的机械转矩以保证车辆的安全。然而，传统的磁通切换型永磁电机都采用三相绕组结构，无论是作为大功率驱动电动机或风力发电机使用，存在以下三个缺点：

（1）在大功率应用场合，三相结构导致每相电枢绕组需承担的功率等级很高，增加了每相绕组线圈的设计难度，同时较大功率的输出也会对绕组的冷却水平提出更高的要求，增加了整个系统的设计要求与成本；

（2）在大功率应用场合，每相绕组都会被分配很大的功率，三相电机对应的功率变换系统中必须选择电流等级较大的功率器件，或者采用小电流功率器件并联和串联的方式，但是这会引起静态和动态的均流和均压问题，增加功率变换器的设计难度与可靠性；

（3）对于三相电机，当其中一相出现故障时，如要保证输出的功率不变，则其他的两相的要承担的功率是正常运行的1.5倍，这就需要绕组设计时留有较大的裕量，但这又会导致系统正常运行时利用率较低，且当运行于故障状态时，转矩（功率）脉动较大。

基于上述缺点，本发明提出了一种新型六相绕组磁通切换型永磁电机，利用六相绕组的不同组合方式，可以产生两套互为冗余的三相对称绕组。该电机既能继承传统三相磁通切换型永磁电机功率密度高、抗去磁能力强等优点，同时又能克服上述缺点，且通过对定、转子齿槽配合、电机尺寸优化设计、主动缺相运行控制等，能够获得综合最优性能。

发明内容

本发明目的是，提出一种可运行于大功率场合，且具有高转矩（功率）密度、高可靠性、可控性强的六相绕组永磁同步电机。尤其是本发明电机提出尺寸的优化设计以提高感应电势的正弦度，并降低定位力矩，同时两套三相对称绕组互为冗余，增强了该电机的可靠性等电磁性能。

本发明技术方案是：六相磁通切换型永磁电机，包括定子、转子和转轴，其特征是定子采用永磁型双凸极结构，即永磁体与定子铁心、电枢绕组都置于定子，且定子铁心是由“U”形导磁铁心及嵌在导磁铁心间的各永磁体拼装而成，且永磁体均为切向交替充磁；电枢绕组是置于定子的六相电枢绕组，六相电枢绕组采用集中式线圈，均匀分布在定子圆周，每个电枢线圈横跨绕制在由两块“U”形导磁铁心与一块永磁体夹在中间所组成的定子铁心单元左右两侧的电枢槽中，每一个电枢槽中并排布置有分属不同相的电枢线圈；转子由导磁材料制成；其中永磁体的充磁方向都为定子圆周的切向，相邻两块永磁体的充磁方向相反；电枢线圈和定子槽数均为相数的偶数倍；即此偶数个电枢线圈串联、并联或混联组成每相电枢绕组，产生每相的磁场；六相电枢绕组分为两套对称分布且互为冗余的三相绕组，两套三相绕组独立供电或发电。

每相2n个线圈绕组，各有n个线圈均匀分布在定子圆周的直径的两端，n为正整数，如24槽/22极时，每相4个线圈、各有2个线圈均匀分布在定子圆周直径的两端。或2n个线圈分布在定子圆周的直径的一端；当六相电机为24槽/20极时，每相的4个线圈，这4个线圈均分布在上半圆周。

将线圈组合成的每相绕组感应电势最大化为设计原则，并考虑线圈具有绕组互补性，从而得到每相绕组线圈的最优组合方式。转子既无永磁体，也没有电枢绕组。

定子槽数为相数的偶数倍，如12槽、24槽、36槽或48槽。

进一步，在于定子1与转子4的结构中，转子为内转子结构或外转子结构。

进一步，转子为直槽转子或斜槽转子；转子的极数即齿数与定子的槽数相差±2k，其中k为正整数。永磁体为钕铁硼、铁氧体或钐钴永磁体。

本发明电机既可以作为发电机运行，又可以作为电动机运行。

该电机励磁方式既可以为纯永磁，亦可以为纯电励磁、混合励磁、在线记忆充去磁等其他方式。

与传统的三相结构不同，本发明提出的六相磁通切换型永磁电机采用六相电枢绕组结构。转子为直槽（或斜槽，可提高永磁磁链、感应电势正弦度），转子上既无永磁体也无绕组。为充分发挥绕组的互补性，定子槽数应为相数的偶数倍。为保证转子的对称性和减小定位力矩，转子极数也为偶数且接近定子槽数。由于定子槽数的增加会减小槽面积和定子齿宽，从而减小电枢线圈槽面积并易引起磁路饱和，同时也给加工制造增加一定困难，因此针对六相电机，定子槽数常为12、24等。

以一台定子N槽、转子M极的磁通切换型永磁电机为例，相邻两个定子齿上的电枢绕组线圈匝链的永磁磁链（或感应电势矢量）之间的相位差θ（电角度）可通过如下所示的公式（1）计算得到：

θ=M×(360°/N)-180°     (1)

根据公式(1)计算得到的相邻线圈中感应电势矢量的相位差，可以画出电机槽导体感应电势星形图。如图2所示为24槽/20极磁通切换型永磁电机槽导体感应电势星形图。

本发明最为关键之处为：电机相数为六相，该六相绕组的分布与采取的线圈连接方式有关，常见的分布方式有两种：

（1）两组空间上相互重合的三相星型对称绕组单元构成，如图2所示。

（2）两组空间上互差30度电角度的三相星型对称绕组单元构成，如图3所示。

以每相感应电势最大为目标设计的六相电枢绕组结构，保证了绕组分布因数最接近1，提高了绕组的利用率。根据上述的绕组结构，该电机在发电运行时既可以通过三相整流器，也可以通过六相整流器向外输出电能。

六相磁通切换型永磁电机不仅保留了普通三相磁通切换型电机高转矩密度、高效率、低电压调整率的特点，还在可靠性、电势波形正弦度、定位力矩、输出功率平稳性等方面具有显著优势。

本发明的有益效果:（1）该发明提出的六相电机是满足大功率容量要求的有效途径。对于三相电机，在大功率状态下，单相输出电流较高，往往采用多管串、并联的方法进行控制，这会引起静态和动态的均流和均压问题，这就增加了功率变换器的设计难度与可靠性。该发电机相数较多，功率一定的情况下，每相提供的功率较小，在相对较低的电压下相电流幅值也较小，所以用低压器件就能实现大功率的需求；另一方面，当每相绕组的电功率一定时，由于电机相数的增加，使得发电机的总功率增大。

（2）该发明提出的六相电机定位力矩较小，输出转矩平稳。在风力发电应用场合，较小的定位力矩，利于电机在风速较低时启动。随着相数的增加，使得影响较大的空间谐波次数增大，且幅值下降，降低转矩脉动幅值，使得转矩（功率）输出更加平稳。转矩脉动的减小可以降低电机的噪声和振动，并改善低速运行性能，特别适合于风力发电系统。

（3）该发明提出的六相电机容错性能力强，可靠性高。该电机可以看做是由两个三相电机单元组成，当一相或者多相（最多三相）绕组发生故障时，通过适当的控制策略（调整其他非故障相的电压电流的幅值和相位），使电机仍能够在功率略有降低的情况下运行。

（4）该发明提出的六相电机控制自由度高。六相绕组所产生的电压空间矢量较多，为电压型逆变器的空间矢量脉宽调制控制等先进的控制策略提供了充足的控制资源，相比于三相电机，其直接转矩控制的性能大幅提高。

（5）该发明提出的六相电机具有较强的抗去磁能力，其电压调整率可以保持较低水平。

本发明电机具有高转矩（功率）密度，高可靠性，高可控性等性能，转矩脉动小、容错能力强，；每相功率等级小，降低了对变流器的要求；定位力矩和转矩脉动小，减小了电机运行时的振动和噪声；保证了电机在部分相绕组发生故障时仍具备较强的功率输出能力。本发明特别适用于需要大功率和高可靠性的电动汽车驱动系统、风力发电系统及航空航天领域。

附图说明

图1所示为本发明电机的横向剖视结构示意图。

图2为六相定子24槽转子20极磁通切换型电机电枢线圈槽导体电势星形图及合成的相矢量分布。此种连接方式形成的六相对称绕组可以看成由两个空间上相互重合的三相星型对称绕组单元构成。

图3为六相定子24槽转子22极磁通切换型电机电枢线圈槽导体电势星形图和相矢量分布图。其中图3(a)六相24槽/22极槽导体电势星形矢量图，图3(b)六相24槽/22极相矢量分布图。此种连接方式形成另一种六相绕组结构，由两个空间上互差30度电角度的三相星型对称绕组单元构成。

图4为六相定子12槽转子10极磁通切换型电机电枢线圈槽导体电势星形图。此种连接方式形成的六相绕组可以看成由空间上相互重合的三相星形对称绕组单元构成。图4与图2的区别是：图4中每相绕组由两个线圈组成，而图2中每相绕组有4个线圈组成。

具体实施方式

以一台六相定子24槽/转子20极纯永磁结构磁通切换型电机为例，如图1所示，本发明永磁型磁通切换电机包括定子1、集中电枢绕组2、永磁体3、转子4和转轴5。其中，转子4位于定子1的内部（亦可做成外转子结构），定子1和转子4都为凸极结构，定子部分由24个“U”形定子导磁铁心、24块交替切向充磁的永磁体和六相对称集中式电枢绕组2组成。六相集中式电枢绕组2包括第一集中电枢线圈201、第二集中电枢线圈202、第三集中电枢线圈203、第四集中电枢线圈204、第五集中电枢线圈205、第六集中电枢线圈206、第七集中电枢线圈207、第八集中电枢线圈208、第九集中电枢线圈209、第十集中电枢线圈210、第十一集中电枢线圈211、第十二集中电枢线圈212、第十三集中电枢线圈213、第十四集中电枢线圈214、第十五集中电枢线圈215、第十六集中电枢线圈216、第十七集中电枢线圈217、第十八集中电枢线圈218、第十九集中电枢线圈219、第二十集中电枢线圈220、第二十一集中电枢线圈221、第二十二集中电枢线圈222、第二十三集中电枢线圈223、第二十四集中电枢线圈224，一共有24个线圈，六相集中式电枢绕组的各个线圈均横跨在由两块“U”形导磁铁心和中间嵌入的一块永磁体所组成的定子铁心单元两侧的电枢槽中。每个线圈的两个圈边分别置于由两个“U”形导磁铁心与中间一块永磁体所组成的定子铁心单元两侧槽中，在一个定子电枢槽中有两个并排布置的不同相绕组线圈圈边，所套线圈平面与相应的定子铁心单元在空间上垂直。

以A1相为例，线圈201与线圈204之间具有绕组互补性、线圈213与线圈216之间具有绕组互补性（此四个线圈构成A1相绕组）。因此，根据图2和绕组互补性，将六相集中绕组分布成两套空间相互重合的三相对称绕组的六相绕组结构。具体实施方式如下：线圈201、线圈204、线圈213、线圈216串联组成A1相；线圈207、线圈210、线圈219、线圈222串联组成A2相；线圈202、线圈205、线圈214、线圈217串联组成B1相；线圈208、线圈211、线圈220、线圈223串联组成B2相；线圈203、线圈206、线圈215、线圈218串联组成C1相；线圈209、线圈212、线圈221、线圈224串联组成C2相。

永磁体3一共有24块永磁体，每块永磁体嵌在相邻两个“U”形导磁铁心中间。其中第一永磁体301、第二永磁体302、第三永磁体303、第四永磁体304、第五永磁体305、第六永磁体306、第七永磁体307、第八永磁体308、第九永磁体309、第十永磁体310、第十一永磁体311、第十二永磁体312、第十三永磁体313、第十四永磁体314、第十五永磁体315、第十六永磁体316、第十七永磁体317、第十八永磁体318、第十九永磁体319、第二十永磁体320、第二十一永磁体321、第二十二永磁体322、第二十三永磁体323、第二十四永磁体324均为切向交替充磁。永磁体一共有24块永磁体，每块永磁体嵌在两个“U”形导磁铁心中间，其中永磁体的充磁方向都为定子圆周的切向，相邻两块永磁体的充磁方向相反。转子上既无永磁体，也没无励磁绕组或电枢绕组，仅由导磁材料制成。另有转子4以及转轴5。

转子4的极（齿）数与定子1的槽数相差±2k（其中k为正整数），一般情况下，k不能太大，以保证转子齿的对称性，避免电机受到单边磁拉力的影响，同时可以减小定位力矩的幅值。转子4可以是直槽转子，保证了本发明在采用定子集中式电枢绕组和转子不斜槽的条件下，就可获得正弦度非常高的每相永磁磁链、感应电势和电感等静态特性。如果对电机永磁磁链、感应电势和电感等静态特性的正弦度要求特别高，亦可将直槽转子斜槽一定角度以进一步提高正弦性。

定子1和凸极转子4都可以采用硅钢片冲片压叠制成，定子1是由“U”形导磁铁心单元和永磁体沿周向拼装而成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.六相磁通切换型永磁电机，包括定子、转子和转轴，其特征是定子采用永磁型双凸极结构，即永磁体与定子铁心、电枢绕组都置于定子，且定子铁心是由“U”形导磁铁心及嵌在导磁铁心间的各永磁体拼装而成，且永磁体均为切向交替充磁；电枢绕组是置于定子的六相电枢绕组，六相电枢绕组采用集中式线圈，均匀分布在定子圆周，每个电枢线圈横跨绕制在由两块“U”形导磁铁心与一块永磁体夹在中间所组成的定子铁心单元左右两侧的电枢槽中，每一个电枢槽中并排布置有分属不同相的电枢线圈；转子由导磁材料制成；其中永磁体的充磁方向都为定子圆周的切向，相邻两块永磁体的充磁方向相反；电枢线圈和定子槽数均为相数的偶数倍；即此偶数个电枢线圈串联、并联或混联组成每相电枢绕组，产生每相的磁场；六相电枢绕组分为两套对称分布且互为冗余的三相绕组，两套三相绕组独立供电或发电。

2.根据权利要求1所述的六相定子永磁型磁通切换电机，其特征在于以线圈绕组合成的每相绕组感应电动式最大为设计原则，并考虑线圈具有绕组互补性，从而得到每相绕组线圈的最优组合方式。

3.根据权利要求1所述的六相定子永磁型磁通切换电机，其特征在于定子槽数为12槽、24槽、36槽或48槽。

4.根据权利要求1所述的六相定子永磁型磁通切换电机，其特征在于定子（1）与转子（4）的结构中，转子为内转子结构或外转子结构。

5.根据权利要求1所述的六相定子永磁型磁通切换电机，其特征在于转子（1）为直槽转子或斜槽转子；转子的极数即齿数与定子的槽数相差±2k，其中k为正整数。

6.根据权利要求1所述的六相定子永磁型磁通切换电机，其特征在于永磁体（3）为钕铁硼、铁氧体或钐钴永磁体。

7.根据权利要求1所述的六相定子永磁型磁通切换电机，其特征在于所述电机为发电机或电动机。

8.根据权利要求1所述的六相定子永磁型磁通切换电机，其特征在于该电机励磁方式为纯永磁、纯电励磁、混合励磁或在线记忆充去磁等其他方式。

9.根据权利要求1所述的六相定子永磁型磁通切换电机，其特征在于六相定子永磁型磁通切换电机为24槽/转子22极纯永磁结构磁通切换型电机；定子1和转子4都为凸极结构，定子部分由24个“U”形定子导磁铁心、24块交替切向充磁的永磁体和六相对称集中式电枢绕组2组成；六相集中式电枢绕组2包括24个线圈，每相4个线圈绕组各有2个分布在定子圆周的直径的两端；六相集中式电枢绕组的各个线圈均横跨在由两块“U”形导磁铁心和中间嵌入的一块永磁体所组成的定子铁心单元两侧的电枢槽中；每个线圈的两个圈边分别置于由两个“U”形导磁铁心与中间一块永磁体所组成的定子铁心单元两侧槽中，在一个定子电枢槽中有两个并排布置的不同相绕组线圈圈边，所套线圈平面与相应的定子铁心单元在空间上垂直；每块永磁体嵌在相邻两个“U”形导磁铁心中间。

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