CN104716808A

CN104716808A - 一种多相电励磁同步电机

Info

Publication number: CN104716808A
Application number: CN201510108262.4A
Authority: CN
Inventors: 曹瑞武; 金毅; 张雁泽; 黄文新
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: CN104716808B

Abstract

本发明公开了一种多相电励磁同步电机，包括由导磁材料构成的定子和转子且二者之间有气隙，定子上设有4*m*k*n个定子导磁齿，定子导磁齿上设有集中电枢绕组和集中励磁绕组；其中，每个集中电枢绕组套着相邻两个定子导磁齿，相邻集中电枢绕组共用一个槽；每个集中励磁绕组套着相邻两定子个导磁齿，相邻两个集中励磁绕组共用或间隔一个槽；转子导磁齿的个数为(2*m*k±1)n个；m为电机的相数，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对数。该电机具有无刷、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；可用于城市轨道交通、电动汽车等需要宽调速范围场合。

Description

一种多相电励磁同步电机

技术领域

本发明涉及的是一种多相电励磁同步电机，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，仅由导磁材料组成，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、结构简单和成本低、反电势近似正弦的电励磁同步电机。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，而作为发电机在不同速度运行时输出恒定电压。

为了实现以上功能，本发明提供了一种多相电励磁同步电机，包括定子11和转子10，所述定子11和转子10均由导磁材料构成且二者之间具有气隙，所述定子11上设有定子导磁齿110，定子导磁齿110之间有槽，定子导磁齿110上设有集中电枢绕组111和集中励磁绕组112，

上述定子导磁齿110的个数为Ns=4*m*k*n；其中，定子导磁齿110上依次绕有2*m*k*n个集中电枢绕组111，每个集中电枢绕组111套着相邻的两个定子导磁齿110，相邻的集中电枢绕组111共用一个槽；其余2*m*k*n个槽中依次设置集中励磁绕组112，每个集中励磁绕组112套着相邻的两定子个导磁齿110，相邻两个集中励磁绕组112共用或间隔一个槽；

所述转子10由齿槽型导磁材料组成，转子导磁齿的个数为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，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。

进一步的，当上述每两个集中励磁绕组112共用一个槽时，相邻两集中励磁绕组112产生的磁场方向相反；当每两个集中励磁绕组112间隔一个槽时，集中励磁绕组112产生的磁场方向相同；每个电机单元中的集中励磁绕组112为串联成励磁绕组单元，n个电机单元中的励磁绕组单元串联或并联联接。

上述一种多相电励磁同步电机，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，从任意一相的第一个集中电枢绕组111起， k个连续放置的集中电枢绕组111为一组且属于同一相，其后依次设置属于相邻相的一组k个集中电枢绕组111，直到所述任意一相中的另一组k个属于k对集中电枢绕组111，再按上述排列方式依次排列，且各电机单元依次设置，直至电机单元全部排列完成；属于同相的2k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τ_s，对应为180度电气角度，二者具有互补特性，n个电机单元中属于同相的集中电枢绕组111并联单独控制，或者串联起来作为一相绕组控制。

作为一种优选，当上述的一种多相电励磁同步电机中包含的电机单元数n为偶数时，该电励磁同步电机无单边磁拉力，具有较好的反电势波形质量和较小的转矩波动。

作为一种优选，上述集中励磁绕组112和集中电枢绕组111为铜或超导材料。

进一步的，上述电励磁同步电机是内转子或外转子结构，

进一步的，上述电励磁同步电机可作电动机或发电机运行。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提供的一种多相电励磁同步电机，其电枢绕组和励磁绕组均置于定子且可以单独控制，转子仅由齿槽型导磁材料构成，结构简单、成本低。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。作为驱动电机用时，本发明特别适合宽调速驱动场合，例如电动汽车驱动电机等需要宽调速范围的应用场合，通过调节励磁电流可以保证该电动机运行时具有较宽的恒功率调速范围；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，转子仅由齿槽型导磁材料组成，结构简单，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，提高发电机切入风速范围，提高宽速度范围内的效率，通过控制直流电流的大小即可控制输出转矩，省去力矩限制器。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1本发明一种多相电励磁同步电机实施例1电机结构示意图；

图2本发明一种多相电励磁同步电机实施例2电机结构示意图；

图3本发明一种多相电励磁同步电机实施例3电机结构示意图；

图4本发明一种多相电励磁同步电机实施例4电机结构示意图；

图5本发明一种多相电励磁同步电机实施例5电机结构示意图；

图6本发明一种多相电励磁同步电机实施例6电机结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种多相电励磁同步电机，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参见图1，本发明的一种多相电励磁同步电机，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=2，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111对数。即，该电机为三相电机，具有A、B、C三相，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。所以定子11导磁齿110的个数为Ns=4*m*k*n=24，导磁齿110依次设有集中电枢绕组111的个数为2*m*k*n=12，每个集中电枢绕组111套着两个导磁齿110，相邻的集中电枢绕组111共用一个槽；其余2*m*k*n=12个槽中依次设置2*m*k*n=12个集中励磁绕组112，每个集中励磁绕组112套着相邻的两个导磁齿110，每两个集中励磁绕组112共用一个槽，相邻两集中励磁绕组112产生的磁场方向相反；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，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。转子10由齿槽型导磁材料组成，转子导磁齿与定子导磁齿110相对设置，转子导磁齿的个数为Nr=(2*m*k±1)n，当k=1，m=3，n=2时，Nr可为10，14，本实施例取Nr=14。

由于本实施例中k=1，n=2，每个电机单元中任意一相电枢绕组由k=1对集中电枢绕组111串联组成（如图1中第一电机单元中的A1和A2或第二电机单元中的A3和A4），从任意一相的第一个集中电枢绕组起（如从A1起），有k=1个相邻放置的集中电枢绕组属于同一相(仅有A)，其后依次设置属于相邻相的k=1个集中电枢绕组111（即图1中的B1和C1），按照上述排列方式，第一电机单元中的三相集中电枢绕组的排列方式为：A1—B1—C1—A2—B2—C2。属于同相的2k=2个集中电枢绕组111形成k=1对互补集中电枢绕组(即图1中的A1和A2)，其中任意一对集中电枢绕组111中的两集中电枢绕组与次级的相对位置相差半个转子极距τ_s，对应为180度电气角度，二者具有互补特性，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。如在第一电机单元中，集中电枢绕组A1跨过两个导磁齿，其中心线正对着转子10齿的中心线，而集中电枢绕组A2的中心线正对着转子10槽的中心线，二者与转子10的相对位置相差半个转子10极距，在空间上相差180度电气角度。由于励磁绕组产生的磁场方向相反，合理设置电枢绕组A1、A2的绕线方式可使绕组中产生反电动势相互叠加。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，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，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。集中电枢绕组A1、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励磁电机不同。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。

同样，第二电机单元中的集中电枢绕组A3、A4也具有第一电机单元的特性，因此，集中电枢绕组A3、A4之间也具有互补特性。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组A1、A2、A3和A4基波幅值的四倍，具有较好的正弦性，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=4*m*k*n=24，导磁齿110依次设有集中电枢绕组111的个数为2*m*k*n=12，每个集中电枢绕组111套着两个导磁齿110，相邻的集中电枢绕组111共用一个槽；其余2*m*k*n=12个槽中依次设置2*m*k*n=12个集中励磁绕组112，每个集中励磁绕组112套着相邻的两个导磁齿110，每两个集中励磁绕组112共用一个槽，相邻两集中励磁绕组112产生的磁场方向相反。转子10由齿槽型导磁材料组成，转子导磁齿与定子导磁齿110相对设置，转子导磁齿的个数为Nr=(2*m*k±1)n，当k=2，m=3，n=1时，Nr可为11，13，本实施例取Nr=13。由于本实施例中k=2，n=1，每个电机单元中任意一相电枢绕组由k=2对集中电枢绕组串联组成（如图2中A1和A2及A1’和A2’），从任意一相的第一个集中电枢绕组起（如从A1起），有k=2个相邻放置的集中电枢绕组属于同一相(即A1和A1’)，其后依次设置属于相邻相的k=2个集中电枢绕组（即图2中的B1和B1’、 C1和C1’），按照上述排列方式，三相集中电枢绕组的排列方式为：A1A1’—B1B1’—C1C1’—A2A2’—B2B2’—C2C2’。属于同相的2k=4个集中电枢绕组形成k=2对互补集中电枢绕组(即图2中的A1和A2及A1’和A2’)，其中任意一对集中电枢绕组中的两集中电枢绕组与次级的相对位置相差半个转子极距τ_s，对应为180度电气角度，二者具有互补特性，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A1’，A2和A2’与转子10的相对位置较接近，集中绕组A1、A1’、A2和A2’串联组成A相绕组时，A相绕组反电势幅值稍小于集中绕组A1、A1’、A2和A2’基波幅值的四倍。

实施例3

图3也为一台电励磁同步电机。本实施例中，k=1，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=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依次设有集中电枢绕组111的个数为2*m*k*n=6，每个集中电枢绕组111套着两个导磁齿110，相邻的集中电枢绕组111共用一个槽；其余2*m*k*n=6个槽中依次设置2*m*k*n=6个集中励磁绕组112，每个集中励磁绕组112套着相邻的两个导磁齿110，每两个集中励磁绕组112共用一个槽，相邻两集中励磁绕组112产生的磁场方向相反。转子10由齿槽型导磁材料组成，转子导磁齿与定子导磁齿110相对设置，转子导磁齿的个数为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。可见，本实施例电机的任意一相电枢绕组所串联的集中电枢绕组111的对数为k=1。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。通过合理设置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，集中绕组中产生的反电势高次谐波相互抵消，得到的相反电势具有较好的正弦特性。

实施例4

图4为一台电励磁同步电机。本实施例与实施例3电机的不同之处仅在于，本实施例所述的电机采用外转子结构，定子11置于转子10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5

图5为一台电励磁同步电机。本实施例与实施例3电机的不同之处仅在于，本实施例中采用每两个集中励磁绕组112间隔一个槽的结构形式，此时集中励磁绕组112产生的磁场方向相同，即离开圆心的方向，因此本实施例电机同样具备本发明电机的特点。

实施例6

图6为一台电励磁同步电机。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=4*m*k*n=20，导磁齿110依次设有集中电枢绕组111的个数为2*m*k*n=10，每个集中电枢绕组111套着两个导磁齿110，相邻的集中电枢绕组111共用一个槽；其余2*m*k*n=10个槽中依次设置2*m*k*n=10个集中励磁绕组112，每个集中励磁绕组112套着相邻的两个导磁齿110，每两个集中励磁绕组112共用一个槽，相邻两集中励磁绕组112产生的磁场方向相反。转子10由齿槽型导磁材料组成，转子导磁齿与定子导磁齿110相对设置，转子导磁齿的个数为Nr=(2*m*k±1)n， Nr可为9，11，本实施例取Nr=9。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组成，此时，集中电枢绕组A1的中心线正对着转子10齿的中心线，而集中电枢绕组A2的中心线正对着转子10槽的中心线。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。

本发明的电励磁同步电机可以采用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。作为一种优选，本文提出的多相电励磁同步电机中包含的电机单元数n为偶数时，该电励磁同步电机无单边磁拉力，具有较好的反电势波形质量和较小的转矩波动。

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

1.一种多相电励磁同步电机，包括定子（11）和转子（10），所述定子（11）和转子（10）均由导磁材料构成且二者之间具有气隙，所述定子（11）上设有定子导磁齿（110），定子导磁齿（110）之间有槽，定子导磁齿（110）上设有集中电枢绕组（111）和集中励磁绕组（112），其特征在于，

所述定子导磁齿（110）的个数为Ns=4*m*k*n；其中，定子导磁齿（110）上依次绕有2*m*k*n个集中电枢绕组（111），每个集中电枢绕组（111）套着相邻的两个定子导磁齿（110），相邻的集中电枢绕组（111）共用一个槽；其余2*m*k*n个槽中依次设置集中励磁绕组（112），每个集中励磁绕组（112）套着相邻的两定子个导磁齿（110），相邻两个集中励磁绕组（112）共用或间隔一个槽；

所述转子（10）由齿槽型导磁材料组成，转子导磁齿的个数为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，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所述的一种多相电励磁同步电机，其特征在于，当每两个集中励磁绕组（112）共用一个槽时，相邻两集中励磁绕组（112）产生的磁场方向相反；当每两个集中励磁绕组（112）间隔一个槽时，集中励磁绕组（112）产生的磁场方向相同；每个电机单元中的集中励磁绕组（112）为串联成励磁绕组单元，n个电机单元中的励磁绕组单元串联或并联联接。

3.根据权利要求1所述的一种多相电励磁同步电机，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，从任意一相的第一个集中电枢绕组（111）起， k个连续放置的集中电枢绕组（111）为一组且属于同一相，其后依次设置属于相邻相的一组k个集中电枢绕组（111），直到所述任意一相中的另一组k个属于k对集中电枢绕组（111），再按上述排列方式依次排列，且各电机单元依次设置，直至电机单元全部排列完成；属于同相的2k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（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τ_s，对应为180度电气角度，二者具有互补特性，n个电机单元中属于同相的集中电枢绕组（111）并联单独控制，或者串联起来作为一相绕组控制。

4.根据权利要求1所述的一种多相电励磁同步电机，其特征在于，所述的电机单元数n为偶数。

5.根据权利要求1所述的一种多相电励磁同步电机，其特征在于，所述集中励磁绕组（112）和集中电枢绕组（111）为铜或超导材料。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种多相电励磁同步电机，其特征在于，所述电励磁同步电机是内转子或外转子结构。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的一种多相电励磁同步电机，其特征在于，所述电励磁同步电机是电动机或发电机。