CN103944288A - 一种磁路互补型定子电励磁同步电机 - Google Patents

Abstract

一种磁路互补型定子电励磁同步电机，包括定子和转子，定子和转子都为导磁材料且二者之间具有气隙，定子上设有导磁齿，导磁齿上交替设置集中电枢绕组和集中励磁绕组，任意相邻两集中励磁绕组产生的磁场方向相反；定子导磁齿的个数为Ns＝4*m*k*n；导磁齿设有集中电枢绕组和集中励磁绕组的个数相同，均为2*m*k*n，所述转子设有分段导磁块的个数为Nr＝(2*m*k±1)n，其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数。本发明电机具有无刷、转子结构简单、相反电势对称且近似正弦、转矩脉动小、定子励磁等特点。本发明可用于城市轨道交通、电动汽车等需要宽调速范围场合；也适用于风力发电等场合，通过调节励磁电流的大小，从而达到变速恒压输出以及恒速变压输出特性。

Description

一种磁路互补型定子电励磁同步电机

技术领域

本发明涉及的是一种定子电励磁同步电机，具体涉及的是一种磁路互补型定子电励磁同步电机，属于电机制造技术领域。

背景技术

随着新能源技术的发展，电机在风力发电，新能源汽车等领域得到了广泛的应用。直流电机由于电枢电流和励磁电流均可独立调节，因此无论用于电动机时的调速特性，还是作为发电机运行时的输出电压稳定性都是众多电机中最理想的。然而，由于直流电机结构上存在机械电刷和换向器，具有维护不便，可靠性差等缺点，从而限制了其使用范围。交流感应电机结构简单，无需电刷，维护方便，可靠性高，在普通传动领域得到了广泛应用，但是该电机的调速性能不佳。虽然采用矢量控制等变频技术，但是控制复杂，调速性能也比直流电机差。传统的永磁无刷交流和直流电机，近年来得到了较快的发展。但是，其转子上需安装永磁体来进行励磁，永磁体置于电机高速转子，不仅增加了电机的成本，而且永磁体存在受到高温，震动等因素带来的退磁风险。此外，由于采用永磁体，电机的励磁不便调节，高速运行时需要采用弱磁控制技术来实现高速运行，无疑增加了系统的复杂性和成本。

近年来，一种电励磁双凸极电机无刷直流电机得到了相关学者的广泛关注，该电机的转子结构简单，仅有导磁材料组成，可靠性高，电枢绕组和励磁绕组均置于定子。然而，研究表明该电机绕组磁链为单极性，而且存在诸多缺点，如反电势不对称且谐波含量大，输出转矩脉动大，功率密度低等，极大地限制其工程实用性。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种调速性能好、运行可靠、无电刷、电枢绕组和励磁绕组均置于定子且可以单独控制、转子为分段导磁块、结构简单和成本低、反电势近似正弦的磁路互补型定子电励磁同步电机。通过控制直流励磁绕组的电流大小可以控制电机的励磁磁场，从而保证该电机作为电动机运行时具有较宽的恒功率调速范围，而作为发电机运行时使不同速度运行时输出恒定电压。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种磁路互补型定子电励磁同步电机，包括定子和转子，定子和转子都为导磁材料且二者之间具有气隙，定子上设有导磁齿，导磁齿上交替设置集中电枢绕组和集中励磁绕组；定子导磁齿的个数为Ns＝4*m*k*n；导磁齿设有集中电枢绕组和集中励磁绕组的个数相同，均为2*m*k*n，转子设有分段导磁块的个数为Nr＝(2*m*k±1)n；

集中励磁绕组和集中电枢绕组交替设置在定子导磁齿上，任意相邻两集中励磁绕组产生的磁场方向相反，其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中一相电枢绕组串联的集中电枢绕组对数。

上述导磁齿上交替设置集中电枢绕组和集中励磁绕组，每个电机单元中的集中励磁绕组为串联联接，构成励磁绕组单元，n个电机单元中的励磁绕组单元串联或并联联接，，任意相邻两集中励磁绕组产生的磁场方向相反。

上述每个电机单元中任意一相电枢绕组由k对集中电枢绕组串联组成，其中任意一对集中电枢绕组中的两集中电枢绕组与转子的相对位置相差半个转子极距，对应为180度电气角度，二者具有互补特性。

上述一种磁路互补型定子电励磁同步电机是内转子或外转子结构。作为外转子结构时，由导磁块组成的转子固定在定子外部，作为内转子结构时，由导磁块组成的转子固定在定子内部。

上述一种磁路互补型定子电励磁同步电机是电动机或发电机。作为电动机运行时，通过改变励磁电流的大小可以提高恒功率转速范围，作为发电机运行时，通过改变励磁电流的大小，可以得到不同速度下恒定的反电动势。

本发明作为驱动电机用时，特别适合宽调速驱动场合，例如城市轨道交通驱动电机、电动汽车驱动电机等需要宽调速范围的应用场合；本发明还特别适合作为发电机使用，用于风力发电等场合，该电机结构简单，无电刷，转子仅由导磁块组成，结构简单，重量轻，电枢绕组和励磁绕组均置于定子，通过调节励磁电流的大小，从而达到变速恒压输出以及恒速变压输出特性，同时也便于降低发电机组的切入风速，提高发电量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1本发明一种磁路互补型定子励磁电机实施例1电机结构示意图；

图2本发明一种磁路互补型定子励磁电机实施例2电机结构示意图；

图3本发明一种磁路互补型定子励磁电机实施例3电机结构示意图；

图4本发明一种磁路互补型定子励磁电机实施例4电机结构示意图；

图5本发明一种磁路互补型定子励磁电机实施例5电机结构示意图；

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1

参见图1，本发明的一种磁路互补型定子电励磁同步电机包括定子11和转子10，定子11和转子10都为导磁材料且二者之间具有气隙，定子11上设有导磁齿110，导磁齿110上交替设置集中电枢绕组111和集中励磁绕组112。本实施例电机中，m＝3，k＝1，n＝1，其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中一相电枢绕组串联的集中电枢绕组对数。即，该电机为三相电机，具有A、B、C三相，包含有1个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组。所以定子11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*k*n＝12，导磁齿110设有集中电枢绕组111和集中励磁绕组112的个数相同，均为2*m*k*n＝6；转子10设有分段导磁块的个数为Nr＝(2*m*k±1)n，当k＝1，m＝3，n＝1时，Nr可为5，7，本实施例取Nr＝7。集中励磁绕组112和集中电枢绕组111交替设置在定子导磁齿110上，任意相邻两集中励磁绕组112产生的磁场方向相反。

本发明电机的每个电机单元中，集中电枢绕组111和集中励磁绕组112交替设置在定子导磁齿110上，二者个数都为2*m*k，任意一相电枢绕组所串联的集中电枢绕组111的对数为k，设置集中电枢绕组111的导磁齿110称为电枢绕组导磁齿，设置集中励磁绕组112的导磁齿110称为励磁绕组导磁齿；m相电枢绕组在空间上的排列方式具有如下特点，属于同相的k个集中电枢绕组置于两相邻的电枢绕组导磁齿上，属于不同相的集中电枢绕组111依次交替置于电枢绕组导磁齿上；按照上述排列方式，属于同相的2*k个集中电枢绕组111形成k对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两个集中电枢绕组111与转子的相对位置相差半个转子10极距，对应电磁特性在空间上相差180度电气角度，形成互补结构，组成一相绕组时，互补的集中电枢绕组中的反电势谐波相互抵消，相电势比较正弦。n个电机单元的相电枢绕组的链接方式相同，每个电机单元中的励磁绕组串联组成励磁绕组单元，n个电机单元的励磁绕组为串联或并联联接。

由于本实施例中k＝1，因此与集中励磁绕组112交替设置在定子导磁齿上110的集中电枢绕组111的个数为6，其中属于不同相的电枢绕组A，B，C依次交替置于电枢绕组导磁齿110上，属于同相的2个集中电枢绕组111形成1对互补集中电枢绕组，两个集中电枢绕组111与转子10的相对位置相差半个转子极距，对应电磁特性在空间上相差180度电气角度。如图1中A相两集中电枢绕组A1和A2。此时，集中电枢绕组A1所在的定子齿中心线正对着转子10模块中心线，而集中电枢绕组A2所在的定子齿中心线正对着两转子10模块之间的中心线，二者与转子10的相对位置相差半个转子10极距，二者在空间上相差180度电气角度。通过改变A1，A2绕线方向，可使二者反电势相互叠加。因此，集中励磁绕组112通入直流电后，集中电枢绕组A1和A2串联组成A相绕组的反电势基波值约为每个集中电枢绕组中反电势基波值的2倍。但是，当转子10旋转一个电气周期360°(即，旋转一个转子10极距)过程中，A相集中电枢绕组A1和A2与转子10相对位置存在磁路上的差异。如图1所示位置时，如假定此时集中电枢绕组A1中的磁链近似为零，称为第一平衡位置，此时集中电枢绕组A2中的磁链也近似为零，由于集中电枢绕组A2与A1相对转子的位置不同，相差半个转子10极距，因此该位置称为第二平衡位置。在转子10逆时针旋转一个电气周期过程中，A相集中电枢绕组A1中磁链幅值变化过程为：第一平衡位置——正最大幅值——第二平衡位置——负最大幅值——第一平衡位置；而A相集中电枢绕组A2中磁链幅值变化过程为：第二平衡位置——正最大幅值——第一平衡位置——负最大幅值——第二平衡位置。因此，两部分电枢绕组中的磁链变化趋势对称互补。A相集中电枢绕组A1和A2中产生的磁链都为双极性磁链(即，有正有负)，此特点与传统的双凸极电机不同。A相集中电枢绕组A1和A2中产生的反电势波形也具有对称性，串联组成A相绕组后，其谐波分量相互抵消，得到的相反电势具有较好的正弦特性，从而减小了转矩波动，非常适用于无刷交流(BLAC)控制。

B，C两相同样具有A相的特点，三相之间相位互差120°电角度。

当电机需要运行在高速时，减小直流励磁电流的大小，从而减小电机的励磁磁场强度，达到调速目的。低速时需要增加电机转矩时，可以增加直流励磁电流，提高输出转矩。

实施例2

图2也为一台三相磁路互补型定子电励磁同步电机。本实施例与实施例1电机的不同之处仅在于，本实施例采用内转子结构，转子10置于定子11内部，二者之间具有气隙，因此本实施例电机同样具备本发明电机的特点。

实施例3

图3也为一台磁路互补型定子电励磁同步电机。本实施例中，k＝1，n＝2，m＝3，即，该电机为三相电机，包含有2个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组。所以，其定子11导磁齿110的个数为Ns＝24，导磁齿110设有集中电枢绕组111和集中励磁绕组112的个数相同，均为12；转子10中的分段导磁块的个数为Nr＝(2*m*k±1)n，Nr可为10，14，本实施例取Nr＝14。定子11中第一电机单元中的励磁绕组串联联接组成第一励磁绕组单元，相邻两集中励磁绕组所产生的磁场方向相反，A相电枢绕组由两个集中电枢绕组A1，A2串联组成。集中电枢绕组A1和A2与转子的相对位置互差半个转子极距，对应180度电气角度。因此，集中电枢绕组A1和A2具有互补特性，二者串联组成A相绕组时，其中所产生的反电势谐波含量相互抵消，相反电势较正弦。同样，第二电机单元中的集中励磁绕组112和集中电枢绕组A3和A4也具有第一电机单元的特性，因此，集中电枢绕组A3和A4之间也具有互补特性。第一励磁绕组单元和第二励磁绕组单元可串联或并联组成励磁绕组，当两电机单元中的集中电枢绕组A1，A2，A3和A4串联组成A相绕组时，集中绕组中产生的反电势高次谐波相互抵消，A相绕组反电势基波幅值近似为集中绕A1，A2，A3和A4基波幅值的四倍，具有较好的正弦性。

实施例4

图4也为一台三相磁路互补型定子电励磁同步电机。本实施例中，k＝2，n＝1，m＝3，即该电机为三相电机，包含有1个电机单元，每个电机单元中有k＝2对集中电枢绕组，所以定子11导磁齿110的个数为Ns＝24，导磁齿110设有集中电枢绕组111和集中励磁绕组112的个数相同，均为12；转子中的分段导磁块的个数为Nr＝(2*m*k±1)n，Nr可为11，13，本实施例取Nr＝13。可见，本实施例电机的集中电枢绕组111和集中励磁绕组112交替设置在定子导磁齿110上，任意一相电枢绕组所串联的集中电枢绕组111的对数为k＝2，三相电枢绕组在空间上的排列方式具有以下特点，属于同相的k＝2个集中电枢绕组置于相邻的两电枢绕组导磁齿上(如图4中集中电枢绕组A1，A2)，属于不同相的集中电枢绕组依次交替置于电枢绕组导磁齿上。按照上述排列方式，三相集中电枢绕组的排列方式为：A1A2--B1B2--C1C2--A3A4--B3B4--C3C4。属于同相的2*k＝4个集中电枢绕组形成k＝2对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两个集中电枢绕组(如集中电枢绕组A1与A3或A2与A4)与转子的相对位置相差半个转子极距，对应电磁特性在空间上相差180度电角度，形成互补结构，串联组成一相绕组时，互补的集中电枢绕组中的反电势谐波相互抵消，相电势比较正弦。值得说明的是，由于集中电枢绕组A1和A2，A3和A4与转子10的相对位置较接近，集中绕A1，A2，A3和A4串联组成A相绕组时，A相绕组反电势幅值稍小于集中绕A1，A2，A3和A4基波幅值的四倍。

实施例5

图5也为一台五相磁路互补型定子电励磁同步电机。本实施例中，k＝1，n＝1，m＝5，即该电机为五相电机，包含有1个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组，所以定子11导磁齿110的个数为Ns＝20，导磁齿110设有集中电枢绕组111和集中励磁绕组112的个数相同，均为10；转子中的分段导磁块的个数为Nr＝(2*m*k±1)n，Nr可为9，11，本实施例取Nr＝11。

本实施例五相电机中，每相绕组由两集中电枢绕组串联组成，如A相绕组由两集中电枢绕组A1和A2，此时，集中电枢绕组A1所在的定子齿中心线正对着转子模块中心线，而集中电枢绕组A2所在的定子齿中心线正对着两转子模块之间的中心线。因此，该电机同样具有本发明所提出的磁路互补特性，每相电枢绕组中所产生的反电势谐波分量被抵消，反电势正弦度好，转矩脉动小，特别适用于BLAC运行模式。

本发明的磁路互补型定子电励磁同步电机可以外转子结构或内转子结构，可以运行在电动机或发电机状态。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种磁路互补型定子电励磁同步电机，包括定子(11)和转子(10)，所述定子(11)和转子(10)都为导磁材料且二者之间具有气隙，所述定子(11)上设有导磁齿(110)，导磁齿(110)上交替设置集中电枢绕组(111)和集中励磁绕组(112)，其特征在于，

所述定子(11)导磁齿(110)的个数为Ns＝4*m*k*n；所述导磁齿(110)设有集中电枢绕组(111)和集中励磁绕组(112)的个数相同，均为2*m*k*n，所述转子(10)设有分段导磁块的个数为Nr＝(2*m*k±1)n；

所述集中励磁绕组(112)和集中电枢绕组(111)交替设置在定子导磁齿(110)上，任意相邻两集中励磁绕组(112)产生的磁场方向相反；

其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中任意一相电枢绕组串联的集中电枢绕组(111)对数。

2.根据权利要求1所述的一种磁路互补型定子电励磁同步电机，其特征在于，导磁齿(110)上交替设置集中电枢绕组(111)和集中励磁绕组(112)，每个电机单元中的集中励磁绕组(112)为串联联接，构成励磁绕组单元，n个电机单元中的励磁绕组单元串联或并联联接，任意相邻两集中励磁绕组(112)产生的磁场方向相反。

3.根据权利要求1所述的一种磁路互补型定子电励磁同步电机，其特征在于，每个电机单元中任意一相电枢绕组由k对集中电枢绕组(111)串联组成，其中任意一对集中电枢绕组(111)中的两集中电枢绕组与转子(10)的相对位置相差半个转子极距，对应为180度电气角度，二者具有互补特性。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种磁路互补型定子电励磁同步电机，其特征在于，所述一种磁路互补型定子电励磁同步电机是内转子或外转子结构。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种磁路互补型定子电励磁同步电机，其特征在于，所述一种磁路互补型定子电励磁同步电机是电动机或发电机。