CN104967230B - 一种非对称和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非对称结构和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机。通过合理规划磁路和切向磁化永磁体的放置位置，形成了由永磁部分子电机和混合励磁部分子电机所构成的双凸极混合励磁电机，并且永磁部分子电机的数目M_p小于混合励磁部分子电机的数目M_h。永磁部分子电机的定子齿部极弧宽度β_s1、混合励磁部分子电机的定子极弧宽度β_s2以及双凸极混合励磁电机的转子极弧宽度β_r之间满足β_r≥β_s1≥β_s2且永磁部分子电机各定子齿上的匝数N_p与混合励磁部分子电机各定子齿上的匝数N_h满足N_pM_p≥N_hM_h。所提出的双凸极混合励磁电机能实现极宽的恒功率调速区域，同时也使电机具备很高的效率和功率密度。该电机的优良性非常适合应用于航空航天、电动汽车和船舶电驱动系统中。

Description

一种非对称和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机

技术领域

本发明具体涉及一种非对称结构和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机，属于一种双凸极电机领域。

背景技术

近年来，随着航天航空、电动汽车等领域的发展，电机作为其驱动系统的核心部件越来越受到重视。对于航空航天、电动汽车等领域，其使用的驱动电机要求具有功率密度高、重量轻、输出转矩高、调速范围宽、效率高等特点。1993年，美国威斯康星—麦迪逊大学的T.A.Lipo教授提出了双凸极永磁电机(DSPM)。与传统电机相比，该电机具有结构简单、高效、高功率密度以及控制方便等优点。但由于该电机只靠永磁体激磁建立电机磁场，电机的气隙磁场很难调节，因而该电机在作电动运行时，无法进行弱磁升速，从而扩大电动机的调速范围；而当该电机用作发电机运行时，则无法进行调节磁场而实现发电机的调压。同时，当发电机出现故障时，无法切断电机磁场而进行发电机灭磁。为此，Lipo教授在1995年提出了三相双凸极混合励磁电机(DSHEM)，该电机不仅保留了DSPM的全部优点，而且由于引入了电励磁绕组，可通过改变励磁电流的大小来实现气隙磁场的调节。然而，该电机的磁路结构会导致电励磁磁通穿越永磁体，从而使得电机的电励磁部分效率较低，并且存在永磁体不可逆退磁的风险。东南大学程明教授带领的课题组提出了带有导磁桥的双凸极混合励磁电机,该电机在定子轭嵌入四块永磁体，电励磁位于与永磁体相邻的定子子槽内在永磁体和励磁绕组之间设置一定尺寸的导磁桥。通过导磁桥为电励磁绕组提供额外的并联磁分路，以达到用较小的直流励磁磁势获得较大气隙磁通调节范围的目的。由于电励磁磁路穿过永磁 体，所以该电机同样存在永磁体不可逆退磁风险。另外，香港大学的K.T.Chau和上海大学的江建中教授等提出了一种定子双馈型双凸极电机，该电机在定子上既有电枢绕组又有励磁绕组，而且在永磁体旁附加了一条并联磁路，可以减小永磁体的不可逆退磁风险，还能通过较小直流励磁磁势获得较大的气隙磁通调节范围。南京航空航天大学严仰光教授等提出了一种并列结构的混合励磁双凸极电机，电机分为电励磁和永磁两部分，两部分的定、转子均为凸极齿槽结构，两部分定子共用同一电枢绕组。该电机在磁路上属于并列结构，因此在进行磁通和电动势计算时可采用简单的叠加。永磁部分和电励磁部分隔开一段距离，减小两部分电机的耦合，但是由于永磁和电励磁部分存在间隙，所以降低了电机功率密度。上述电动机的各相定子绕组在匝数设计上均相等，且各相定子齿尺寸保持一致。由于磁路上的设计特点，尽管上述电机均能通过减小励磁电流来降低气隙磁场，从而使电机在额定负载(基速)以上获得一定的恒功率范围，但由于电励磁磁势的下降，要大于电机在电动运行时各相绕组电枢反应所导致的增磁效应，因而电机总的气隙磁密会降低，无法在很宽的转速范围内保持恒功率运行，从而无法保证有效拓宽电机恒功率运行的转速范围。

发明内容：

为了克服上述电机的缺点，本发明提出了由永磁部分子电机和混合励磁部分子电机组合而成的组合式双凸极混合励磁电机，且该电机的永磁部分子电机数目M_p少于混合励磁子电机数目M_h。由于永磁部分子电机数小于混合励磁子电机数，因而为扩大恒功率区的调速范围，本发明在绕组配置上进行了全新的设计，使永磁部分子电机的各相绕组的匝数大于混合励磁子电机的各相绕组的匝数，且满足 N_pM_p≥N_hM_h。同时，为了使电机进一步扩大恒功率调速范围，使永磁部分子电机的定子齿极弧宽度β_s1稍大于混合励磁子电机的定子齿极弧宽度β_s2，但稍小于电机的转子极弧宽度β_r。通过上述电机结构和绕组匝数的改进，所提出的非对称结构和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机，大大提高了电机的效率、功率密度以及恒功率运行区的调速范围，在航空航天、电动汽车、电机机车、船舶电力驱动等领域有着重要的应用价值。

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提出一种气隙磁场可调、永磁磁路相对独立，具有高效、高功率密度和宽调速范围的双凸极混合励磁电机。

为了达到上述目的，提出了一种非对称和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机，包括定子、转子、切向磁化永磁体、电励磁绕组、电枢绕组、转轴，上述结构均装于机壳内；所述定子、转子都呈双凸极结构，转轴位于转子中央；所述电枢绕组绕组绕制于定子上，为集中式绕组；所述励磁绕组放置在定子的梯形槽中；所述永磁体嵌入在定子背轭上，沿切向方向充磁；所述定子内的定子齿呈非对称结构；所述电机由永磁部分子电机和混合励磁部分子电机组合而成，永磁体之间的子电机部分为永磁部分子电机，而永磁体与励磁绕组磁势的子电机部分为混合励磁部分子电机；根据电机的磁路将定子齿每三个齿为一组分为永磁部分子电机定子齿和混合励磁部分子电机定子齿。

上述永磁部分子电机的磁路相对独立，其相绕组定子齿下气隙磁密由永磁体提供。

上述混合励磁部分子电机的相绕组气隙磁通由永磁体磁势和励磁磁势共同作用，相互叠加而成。

上述电机的永磁部分子电机数为M_p，混合励磁部分子电机数为M_h，且满足M_p＜M_h。

上述电机的转子(2)的齿的极弧宽度β_r，永磁部分定子齿(8)的极弧宽度β_s1，混合励磁部分定子齿(9)的极弧宽度β_s2，相互之间的大小需要满足如下关系：

β_r≥β_s1≥β_s2；

永磁部分定子齿(8)上绕制的电枢绕组匝数N_p与混合励磁部分定子齿(9)上绕制的电枢绕组匝数N_h满足如下关系：

N_pM_p≥N_hM_h。

上述切向充磁的永磁体(3)采用钕铁硼材料。

上述机壳(7)采用非导磁材料构成，以免永磁体磁场漏到机壳外。

上述的定子(1)、转子(2)均采用硅钢片叠压而成。

上述的转子(2)上无绕组。

本发明的非对称结构和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机作电动运行时，电机的励磁绕组通以一定的直流电流，电机A、B、C三相电枢绕组分别与三相桥式变换器的桥臂中点连接。电机可采用角度控制和电流斩波控制相结合的电动控制方式。此处以“标准角度控制”为例进行说明：对电机相磁链处于上升区间的相绕组通正电流、相磁链处于下降区间的相绕组通负电流、而相磁链接近于零的相绕组 不通电。在这种控制方式下，每个导通区间都有电机三相绕组的两相绕组通电工作。就该双凸极混合励磁电机而言，励磁绕组中的电流可为正向也可反向，可对气隙主磁场起增磁或者弱磁的作用，实现气隙磁场的灵活调节，从而实现电机在作电动运行时，可增大电机的调速范围和恒功率调速区；而电机作发电运行时可获得额定点调压的发电机转速范围。

与现有技术对比，本发明的非对称混合励磁双凸极电机有以下特征：

(1)电机的定、转子均呈凸极结构，转子上无绕组，结构简单，易冷却，便于制造且成本低，功率密度高，输出转矩大，定转子采用硅钢片叠压而成，可工作于极高的转速；

(2)本发明电机的永磁部分子电机在设计时考虑将电机工作在额定负载和额定转速(基速)下的永磁部分子电机定子齿部下气隙磁密设计在接近饱和处；而空载时的永磁部分子电机定子齿部下气隙磁密设计在不饱和处。而对于电机的混合励磁部分子电机应考虑在空载时，将其定子齿部下气隙磁密设计在接近磁感应强度饱和处。

(3)采用了凸极结构电机，其磁链和感应电势波形都接近方波或者正弦波，所以对其控制方式都比较简单；

(4)转子上没有永磁体和电枢绕组，可以允许较高的温升，并且有利于实现高速运行；

(5)由于引入了电励磁源，可以通过调节电励磁电流的大小和方向实现气隙磁场的灵活调节，实现电机宽调速范围。

附图说明

图1为本发明的18/12极非对称结构和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机横截面和绕组连接示意图；

图2为非对称结构和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机的定子、转子结构图。

图1中标号名称：1、定子；2、转子；3、永磁体；4、电励磁绕组；5、电枢绕组；6、转轴；7、机壳；8、永磁部分子电机定子齿；9、混合励磁部分子电机定子齿。

图2中PM1和PM2为双凸极混合励磁电机的两个永磁部分子电机；而HE1～HE4为双凸极混合励磁电机的四个混合励磁部分子电机。a1～a6为电机A相各定子齿部上绕组，b1～b6为电机B相各定子齿部上绕组，c1～c6为电机C相各定子齿部上绕组。β_s1为永磁部分子电机的定子极弧宽度，β_s2为混合励磁部分子电机的定子极弧宽度，β_r为双凸极混合励磁电机的转子极弧宽度。

具体实施方式

如图1所示，一种非对称和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机，包括定子1、转子2、切向磁化永磁体3、电励磁绕组4、电枢绕组5、转轴6，上述结构均装于机壳7内；定子1、转子2都呈双凸极结构，转轴6位于转子2中央；电枢绕组绕组5绕制于定子1上，为集中式绕组；励磁绕组4放置在定子1的梯形槽中；永磁体3嵌入在定子背轭上，沿切向方向充磁；定子1内的定子齿呈非对称结构；电机由永磁部分子电机和混合励磁部分子电机组合而成，如图2所示， 18/12极双凸极混合励磁电机结构中，永磁体之间的子电机部分为永磁部分子电机，而永磁体与励磁绕组磁势的子电机部分为混合励磁部分子电机；根据电机的磁路将定子齿每三个齿为一组分为永磁部分子电机定子齿8和混合励磁部分子电机定子齿9。

作为优选方案，上述永磁部分子电机的磁路相对独立，其相绕组定子齿下气隙磁密由永磁体提供。

作为优选方案，上述混合励磁部分子电机的相绕组气隙磁通由永磁体磁势和励磁磁势共同作用，相互叠加而成。

作为优选方案，上述电机的永磁部分子电机数为M_p，混合励磁部分子电机数为M_h，且满足M_p＜M_h。

作为优选方案，如图2所示，上述电机的转子2的齿的极弧宽度β_r，永磁部分定子齿8的极弧宽度β_s1，混合励磁部分定子齿9的极弧宽度β_s2，相互之间的大小需要满足如下关系：

β_r≥β_s1≥β_s2；

永磁部分定子齿8上绕制的电枢绕组匝数N_p与混合励磁部分定子齿9上绕制的电枢绕组匝数N_h满足如下关系：

N_pM_p≥N_hM_h。

作为优选方案，上述切向充磁的永磁体3采用钕铁硼材料。

作为优选方案，上述机壳7采用非导磁材料构成，以免永磁体磁场漏到机壳外。

作为优选方案，上述的定子1、转子2均采用硅钢片叠压而成。

作为优选方案，上述的转子2上无绕组。

本发明电机的具体制作步骤如下：

(1)用硅钢材料制模加工电机的定子叠片和转子叠片，其定子和转子叠片剖面形状如图2中所示。其中，定子叠片中的永磁部分子电机PM1和PM2中的定子齿部极弧宽度β_s1、混合励磁部分子电机HE1～HE4的定子极弧宽度β_s2以及双凸极混合励磁电机的转子极弧宽度β_r之间满足：

β_r≥β_s1≥β_s2

(2)对永磁体进行切向磁化，并将其按图示位置放置在定子部分相应的位置中。

(3)用非导磁材料(如铝)来加工电机机壳7，并将定子叠片进行叠压后安置于机壳7内，形成电机定子部分。

(4)加工转轴，并将转子叠片进行叠压后安置于电机转轴6之上，形成电机转子部分。

(5)对电机进行绕组下线，在如图2所示的永磁部分子电机PM1和PM2下的各定子齿上分别绕制N_p匝铜绕组，形成a₁、b₁、c₁与a₂、b₂、c₂各绕组。在如图所示的混合励磁部分子电机HE1～HE4下的各定子齿上分别绕制N_h匝铜绕组，形成a₁～a₄、b₁～b₄、c₁～c₄各绕组。上述绕组配置中，N_p与N_h在匝数设置上满足N_pM_p≥N_hM_h。

(6)在相应的定子槽中放置电励磁绕组。

(7)将a₁～a₆各绕组相互串联构成双凸极混合励磁电机的A相绕组；将b₁～b₆各绕组相互串联构成双凸极混合励磁电机的B相绕组；将c₁～c₆各绕组相互串联构成双凸极混合励磁电机的C相绕组； 这样，就完成了双凸极混合励磁电机的绕组下线工作。

(8)将电机转子部分插入电机定子部分后，安装电机端盖，就制造出了非对称结构和绕组配置的双凸极混合励磁电机。

非对称结构和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机具有以下优点：

与普通电机相比，不加励磁电流时非对称混合励磁双凸极电机处于弱磁状态，并且可以反向弱磁，实现更宽恒功率区调速范围；

电励磁磁路不穿过永磁体，避免了永磁体发生不可逆弱磁的风险；

通过不对称的定、转子齿宽和电枢绕组匝数的设计，加大了气隙磁通调节范围，有效的扩展了恒功率运行区域，并大大提高了电机的功率密度。

Claims (7)

1.一种非对称和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机制造方法，所述电机包括定子(1)、转子(2)、切向磁化永磁体(3)、电励磁绕组(4)、电枢绕组(5)、转轴(6)，上述结构均装于机壳(7)内；所述定子(1)、转子(2)都呈双凸极结构，转轴(6)位于转子(2)中央；所述电枢绕组(5)绕制于定子(1)上，为集中式绕组；所述励磁绕组(4)放置在定子(1)的梯形槽中；所述永磁体(3)嵌入在定子背轭上，沿切向方向充磁；所述定子(1)内的定子齿呈非对称结构；所述电机由永磁部分子电机和混合励磁部分子电机组合而成，永磁体之间的子电机部分为永磁部分子电机，而永磁体与励磁绕组磁势之间的子电机部分为混合励磁部分子电机；根据电机的磁路将定子齿每三个齿为一组分为永磁部分子电机定子齿(8)和混合励磁部分子电机定子齿(9)；

所述电机的永磁部分子电机数为M_p，混合励磁部分子电机数为M_h，且满足M_p＜M_h；

所述电机的转子(2)的齿的极弧宽度β_r，永磁部分定子齿(8)的极弧宽度β_s1，混合励磁部分定子齿(9)的极弧宽度β_s2，相互之间的大小需要满足如下关系：

β_r≥β_s1≥β_s2；

永磁部分定子齿(8)上绕制的电枢绕组匝数N_p与混合励磁部分定子齿(9)上绕制的电枢绕组匝数N_h满足如下关系：

N_pM_p≥N_hM_h；

所述制造方法如下：

(1)用硅钢材料制模加工电机的定子叠片和转子叠片，其中，定子叠片中的永磁部分子电机PM1和PM2中的定子齿部极弧宽度β_s1、混合励磁部分子电机HE1～HE4的定子极弧宽度β_s2以及双凸极混合励磁电机的转子极弧宽度β_r之间满足：

β_r≥β_s1≥β_s2

(2)对永磁体进行切向磁化，并将其按图示位置放置在定子部分相应的位置中；

(3)用非导磁材料来加工电机机壳(7)，并将定子叠片进行叠压后安置于机壳(7)内，形成电机定子部分；

(4)加工转轴，并将转子叠片进行叠压后安置于电机转轴(6)之上，形成电机转子部分；

(5)对电机进行绕组下线，在永磁部分子电机PM1和PM2下的各定子齿上分别绕制N_p匝铜绕组，形成a₁、b₁、c₁与a₂、b₂、c₂各绕组；在混合励磁部分子电机HE1～HE4下的各定子齿上分别绕制N_h匝铜绕组，形成a₁～a₄、b₁～b₄、c₁～c₄各绕组；绕组配置中，N_p与N_h在匝数设置上满足N_pM_p≥N_hM_h；

(6)在相应的定子槽中放置电励磁绕组；

(7)将a₁～a₆各绕组相互串联构成双凸极混合励磁电机的A相绕组；将b₁～b₆各绕组相互串联构成双凸极混合励磁电机的B相绕组；将c₁～c₆各绕组相互串联构成双凸极混合励磁电机的C相绕组；这样，就完成了双凸极混合励磁电机的绕组下线工作；

(8)将电机转子部分插入电机定子部分后，安装电机端盖，就制造出了非对称结构和绕组配置的双凸极混合励磁电机。

2.根据权利要求1所述的非对称和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机制造方法，其特征在于：所述永磁部分子电机的磁路相对独立，其相绕组定子齿下气隙磁密由永磁体提供。

3.根据权利要求1所述的非对称和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机制造方法，其特征在于：所述混合励磁部分子电机的相绕组气隙磁通由永磁体磁势和励磁磁势共同作用，相互叠加而成。

4.根据权利要求1所述的非对称和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机制造方法，其特征在于：所述切向充磁的永磁体(3)采用钕铁硼材料。

5.根据权利要求1所述的非对称和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机制造方法，其特征在于：所述机壳(7)采用非导磁材料构成，以免永磁体磁场漏到机壳外。

6.根据权利要求1所述的非对称和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机制造方法，其特征在于：所述的定子(1)、转子(2)均采用硅钢片叠压而成。

7.根据权利要求1所述的非对称和绕组配置的组合式双凸极混合励磁电机制造方法，其特征在于：所述的转子(2)上无绕组。