CN103269134A - 一种九相磁通切换型永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种九相磁通切换型永磁电机，该电机包括：定子、转子（4）和转轴（5）；定子包括定子铁心（1）、若干九相对称集中式电枢绕组（2）和若干永磁体（3）；定子铁心（1）设有定子轭、自定子轭向定子铁心的中心方向突出的定子齿、相邻的定子齿和定子轭共同构成一端开口的定子模块，相邻的U形定子模块之间形成定子永磁槽，定子模块的中空部分形成定子电枢槽；所述永磁体（3）嵌入于定子永磁槽中；九相对称集中式电枢绕组（2）的各个线圈的两个圈边分别置于相邻的定子电枢槽中。本发明通过特定的齿槽配合以及绕组连接方式使该电机具有高转矩密度，高可靠性，高可控性；减小了电机运行时的振动和噪声。

Description

一种九相磁通切换型永磁电机

技术领域

本发明是一种九相磁通切换永磁型电机，涉及多相发电或电动技术。该电机转矩（功率）密度高、转矩脉动小、容错能力强，特别适用于需要低压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。

背景技术

永磁电机用永磁体提供励磁，相比与传统的电励磁电机，结构较为简单，且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。

磁通切换型永磁电机由于具备互补性绕组，可以大大减少或抵消永磁磁链和感应电势波形中的高次谐波分量，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的正弦度，特别适合于交流调速的应用场合，如电动汽车驱动系统或风力发电系统；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，随着海上风电系统的功率等级不管增加，对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。主要性能要求包括：发电机具有更大功率等级、可控性好、运行平稳、可靠性高、容错能力强、故障状态下仍然能够发出一定的电功率等。然而，传统的磁通切换型永磁电机都采用三相绕组结构，作为大功率风力发电机使用，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，同时较大的电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）在输出并网电压相对固定的大功率应用场合，三相发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）对于三相发电机，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，导致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。

发明内容

发明目的：本发明提出了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、可控性强的九相永磁同步电机。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种九相磁通切换型永磁电机，该电机包括：定子、转子和转轴；

定子包括定子铁心、若干九相对称集中式电枢绕组和若干永磁体；

定子铁心设有定子轭、自定子轭向定子铁心的中心方向突出的定子齿、相邻的定子齿和定子轭共同构成一端开口的定子模块，相邻的U形定子模块之间形成定子永磁槽，定子模块的中空部分形成定子电枢槽；

所述永磁体嵌入于定子永磁槽中；

九相对称集中式电枢绕组的各个线圈的两个圈边分别置于相邻的定子电枢槽中。

优选的，永磁体一共有4nm块，充磁方向都为切向，相邻两块永磁体的充磁方向相反，其中，n为整数，m为电机相数。

优选的，定子电枢槽数为相数的4n倍，n为整数。

优选的，该电机为内转子结构或外转子结构。

优选的，转子为直槽转子或斜槽转子。

优选的，永磁体为钕铁硼或铁氧体或钐钴。

优选的，该电机励磁方式为纯永磁、纯电励磁、混合励磁、在线记忆充去磁中的任一种。

有益效果：

（1）该发明提出的九相电机是满足大功率容量要求的有效途径。在电动汽车、风力发电、航天器等应用场合，电压等级受到严格的限制。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，增加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。

（2）该发明提出的九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）该发明提出的九相电机容错性能力强，可靠性高。该电机可以看做是由三个三相电机单元组成，当一相或者多相（最多六相）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）该发明提出的九相电机控制自由度高。九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）该发明提出的九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。

附图说明

图1所示为以一台定子36槽转子34极九相电机为例，本发明电机的横向剖视结构示意图。其中有：定子铁心1，九相集中式电枢绕组2、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、第二十五集中电枢线圈225、第二十六集中电枢线圈226、第二十七集中电枢线圈227、第二十八集中电枢线圈228、第二十九集中电枢线圈229、第三十集中电枢线圈230、第三十一集中电枢线圈231、第三十二集中电枢线圈232、第三十三集中电枢线圈233、第三十四集中电枢线圈234、第三十五集中电枢线圈235、第三十六集中电枢线圈236，永磁体3、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、第二十五永磁体325、第二十六永磁体326、第二十七永磁体327、第二十八永磁体328、第二十九永磁体329、第三十永磁体330、第三十一永磁体331、第三十二永磁体332、第三十三永磁体333、第三十四永磁体334、第三十五永磁体335、第三十六永磁体336，转子4以及转轴5。

图2为九相定子36槽转子34极磁通切换型电机电枢线圈槽导体磁势（电势）星形图。此种连接方式形成九相对称绕组结构，相邻各相在空间上互差40度电角度，亦可看成由三个空间上互差40度电角度的三相星型对称绕组单元构成。

图3为九相定子36槽转子32极磁通切换型电机电枢线圈槽导体磁势（电势）星形图及合成的相矢量分布。此种连接方式形成另一种九相对称绕组结构，由三个空间上互差20度电角度的三相星型对称绕组单元构成。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

本发明的九相磁通切换型永磁同步电机主要由定子、转子和机座组成，该电机本体包括定子铁心、置于定子的九相对称分布的集中式电枢绕组、置于定子的永磁体、转子铁心、转轴等部分。

与传统的三相结构不同，本发明提出的九相磁通切换型永磁电机采用九相电枢绕组结构。转子为直槽（或斜槽，以进一步提高永磁磁链、感应电势等的正弦度），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的困难，因此针对九相电机，定子槽数常为9*4*K，其中K为正整数。

参见图1，本发明提供的九相相定子永磁型磁通切换电机，该电机包括：定子、转子4和转轴5；定子包括定子铁心1、若干九相对称集中式电枢绕组2和若干永磁体3；定子铁心1设有定子轭、自定子轭向定子铁心的中心方向突出的定子齿、相邻的定子齿和定子轭共同构成一端开口的定子模块，相邻的U形定子模块之间形成定子永磁槽，定子模块的中空部分形成定子电枢槽；所述永磁体3嵌入于定子永磁槽中；九相对称集中式电枢绕组2的各个线圈的两个圈边分别置于相邻的定子电枢槽中。

永磁体3一共有4nm块，充磁方向都为切向，相邻两块永磁体的充磁方向相反，其中，n为整数，m为电机相数。

定子电枢槽数为相数的4n倍，n为整数。

该电机为内转子结构或外转子结构。

转子1为直槽转子或斜槽转子。

永磁体3为钕铁硼或铁氧体或钐钴。

该电机励磁方式为纯永磁、纯电励磁、混合励磁、在线记忆充去磁中的任一种。

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36槽/34极磁通切换型永磁电机槽导体感应电势星形图，图3所示为36槽/32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：发电机相数为九相，该九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）互差40度（电角度）的九相对称绕组构成，也可看成是三组空间上互差40度电角度的三相星型对称绕组单元构成，如图2所示。

（2）三组空间上互差20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九相电枢绕组结构，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，该发电机既可以通过三相整流器，也可以通过九相整流器向外输出电能。

以一台定子36槽转子34极九相电机为例，图1所示为本发明电机的横向剖视结构示意图。其中有：定子1，九相集中式电枢绕组2、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、第二十五集中电枢线圈225、第二十六集中电枢线圈226、第二十七集中电枢线圈227、第二十八集中电枢线圈228、第二十九集中电枢线圈229、第三十集中电枢线圈230、第三十一集中电枢线圈231、第三十二集中电枢线圈232、第三十三集中电枢线圈233、第三十四集中电枢线圈234、第三十五集中电枢线圈235、第三十六集中电枢线圈236，永磁体3、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、第二十五永磁体325、第二十六永磁体326、第二十七永磁体327、第二十八永磁体328、第二十九永磁体329、第三十永磁体330、第三十一永磁体331、第三十二永磁体332、第三十三永磁体333、第三十四永磁体334、第三十五永磁体335、第三十六永磁体336，转子4以及转轴5。

图2为九相定子36槽转子34极磁通切换型电机电枢线圈槽导体磁势（电势）星形图。此种连接方式形成九相对称绕组结构，相邻各相在空间上互差40度电角度，亦可看成由三个空间上互差40度电角度的三相星型对称绕组单元构成。

图3为九相定子36槽转子32极磁通切换型电机电枢线圈槽导体磁势（电势）星形图及合成的相矢量分布。此种连接方式形成另一种九相对称绕组结构，由三个空间上互差20度电角度的三相星型对称绕组单元构成。

九相电枢绕组采用集中式电枢线圈方式，通过特定的齿槽配合以及绕组连接方式使该电机具有高转矩密度，高可靠性，高可控性等性能；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。

九相磁通切换型永磁发电机不仅保留了普通三相磁通切换型发电机高转矩密度、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。上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化，这些变更和替换都在本发明权利要求书限定的范围内。

Claims (7)

1.一种九相磁通切换型永磁电机，其特征在于，该电机包括：定子、转子（4）和转轴（5）；

定子包括定子铁心（1）、若干九相对称集中式电枢绕组（2）和若干永磁体（3）；

定子铁心（1）设有定子轭、自定子轭向定子铁心的中心方向突出的定子齿、相邻的定子齿和定子轭共同构成一端开口的定子模块，相邻的U形定子模块之间形成定子永磁槽，定子模块的中空部分形成定子电枢槽；

所述永磁体（3）嵌入于定子永磁槽中；

九相对称集中式电枢绕组（2）的各个线圈的两个圈边分别置于相邻的定子电枢槽中。

2.根据权利要求1所述的九相磁通切换型永磁电机，其特征在于，永磁体（3）一共有4nm块，充磁方向都为切向，相邻两块永磁体的充磁方向相反，其中，n为整数，m为电机相数。

3.根据权利要求1所述的九相磁通切换型永磁电机，其特征在于，定子电枢槽数为相数的4n倍，n为整数。

4.根据权利要求1所述的九相磁通切换型永磁电机，其特征在于，该电机为内转子结构或外转子结构。

5.根据权利要求1所述的九相磁通切换型永磁电机，其特征在于，转子（1）为直槽转子或斜槽转子。

6.根据权利要求1所述的九相磁通切换型永磁电机，其特征在于，永磁体（3）为钕铁硼或铁氧体或钐钴。

7.根据权利要求1所述的九相磁通切换型永磁电机，其特征在于，该电机励磁方式为纯永磁、纯电励磁、混合励磁、在线记忆充去磁中的任一种。

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