CN105006933A - 外定子磁极并列式混合励磁复合电机 - Google Patents

Abstract

外定子磁极并列式混合励磁复合电机，涉及混合励磁复合电机领域。解决了传统混合励磁电机输出转矩小的问题。所述电机中，励磁绕组缠绕在电励磁外定子的铁心上，实现电机的无刷化，励磁绕组以一定的方式串联，保证充直流电时遵循右手定则，励磁磁链方向和永磁充磁方向相对应，通过改变励磁电流的方向，使电机工作在增磁或弱磁状态，改变电励磁线圈中直流电流的大小，即可对电机进行宽范围的磁场调节，另外，该电机不仅可以通过调节励磁电流来对电枢绕组感应电势进行调节，而且可以在电枢绕组发生短路故障时，通过调节励磁电流来抵消永磁部分产生的磁场，实现电机电枢绕组短路故障时高效灭磁。

Description

外定子磁极并列式混合励磁复合电机

技术领域

本发明涉及混合励磁复合电机领域。

背景技术

近年来由于具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积等特点的稀土永磁材料的发展，使得永磁电机与传统的电励磁电机相比，在结构方面具有体积小、结构简单、维护方便等优点，在性能方面具有效率高、功率因数高、功率密度大等优点，但是永磁电机由于采用单一永磁体励磁，磁场调节比较困难。传统的电励磁电机可以通过调节直流或交流励磁电流很方便地对气隙磁场进行调节，但是其结构复杂、输出转矩小、功率因数低。

混合励磁电机的主要特点是永磁体产生的磁场和电励磁绕组产生的磁场共同影响电机的气隙磁场并且利用励磁电流可调的优势对气隙磁密大小进行灵活的调节。混合励磁电机同时克服了永磁电机磁场调节困难以及电励磁电机功率因数低的缺点，使得电机具有体积小、结构紧凑、功率因数高、磁场调节方便等优点，但仍然存在输出转矩小的问题。

发明内容

本发明为了解决传统混合励磁电机输出转矩小的问题，提出了一种外定子磁极并列式混合励磁复合电机。

外定子磁极并列式混合励磁复合电机包括内定子、外定子和调磁环转子，调磁环转子位于内定子与外定子之间，并通过支架固定在调磁环转子输出轴的一端上，调磁环转子输出轴的另一端从电机机壳的右端盖穿出，并通过轴承与其转动连接，所述调磁环转子与内定子和外定子之间均通过径向气隙隔开；

所述内定子固定在内定子输出轴上，内定子输出轴的一端从电机机壳4的左端盖穿出，并通过轴承与其转动连接，内定子输出轴的另一端与调磁环转子的支架通过轴承转动连接；

内定子上缠绕有电枢绕组，所述外定子包括永磁外定子和电励磁外定子，所述永磁外定子与电励磁外定子并列固定在电机机壳的内圆表面上，且所述永磁外定子与电励磁外定子之间通过轴向气隙隔开，永磁外定子铁心的内圆表面沿圆周方向均布n个永磁体，电励磁外定子的内圆表面设置有2n个定子齿，每间隔一个定子齿上均缠绕有一个励磁绕组，且所述励磁绕组的排列与永磁体的排列相对应，；

调磁环转子输出轴和内定子输出轴的轴线重合。

有益效果：本发明提出的外定子磁极并列式混合励磁复合电机结合了并列式混合励磁电机和新型磁性齿轮的特点，能够对气隙磁通进行调制，获得低速大转矩的性能，很好的满足了电动汽车等直接驱动场合的要求，同时与传统的串联式混合励磁符合电机相比较，本发明所述电机的电励磁效率高，永磁体避免了退磁的危险，利用率大大提高，励磁绕组缠绕在外定子上，可以很好地实现了无刷化，电枢绕组发生短路故障时，通过调节励磁电流来抵消永磁部分产生的磁场，实现电机电枢绕组短路故障时高效灭磁，永磁部分和电励磁部分可以共用一个内定子，与使用分开的两个内定子比较，电机的过载能力提高，并且结构简单，安装方便，同时，采用C型外定子极在永磁体用量减少一半，电机制造成本大幅度降低情况下，电机输出转矩性能基本不受影响。本电机由于外定子永磁部分轴向方向的两段在圆周方向互差恰当的角度，可以互相抵消各自产生的齿槽转矩，进而减小电机的转矩脉动。调磁环转子能够实现高速电机的控制和系统的低速大转矩输出，在电动汽车领域具有重要应用价值。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的外定子磁极并列式混合励磁复合电机的结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为图1的B-B向剖视图；

图4为具体实施方式五所述的调磁环转子7的结构示意图；

图5为本发明所述的外定子磁极并列式混合励磁复合电机的永磁部分的磁路示意图；

图6为本发明所述的外定子磁极并列式混合励磁复合电机的电励磁部分的磁路示意图；

图7为本发明所述的外定子磁极并列式混合励磁复合电机的外定子永磁部分轴向方向分布示意图；

图8为永磁体采用哈尔贝克充磁方式结构示意图；

图9为永磁体采用径向充磁方式结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的外定子磁极并列式混合励磁复合电机包括内定子8、外定子和调磁环转子7，调磁环转子7位于内定子8与外定子之间，并通过支架固定在调磁环转子输出轴11的一端上，调磁环转子输出轴11的另一端从电机机壳4的右端盖穿出，并通过轴承与其转动连接，所述调磁环转子7与内定子8和外定子之间均通过径向气隙隔开；

所述内定子8固定在内定子输出轴12上，内定子输出轴12的一端从电机机壳4的左端盖穿出，并通过轴承与其转动连接，内定子输出轴12的另一端与调磁环转子7的支架通过轴承转动连接；

内定子8上缠绕有电枢绕组8-2，所述外定子包括永磁外定子5和电励磁外定子6，所述永磁外定子5与电励磁外定子6并列固定在电机机壳4的内圆表面上，且所述永磁外定子5与电励磁外定子6之间通过轴向气隙隔开，永磁外定子5铁心的内圆表面沿圆周方向均布n个永磁体5-2，电励磁外定子6的内圆表面设置有2n个定子齿，每间隔一个定子齿上均缠绕有一个励磁绕组6-2，且所述励磁绕组6-2的排列与永磁体5-2的排列相对应，；

调磁环转子输出轴11和内定子输出轴12的轴线重合。

本实施方式所述的外定子磁极并列式混合励磁复合电机中，励磁绕组缠绕在电励磁外定子的铁心上，实现电机的无刷化，励磁绕组以一定的方式串联，保证充直流电时遵循右手定则，励磁磁链方向和永磁充磁方向相对应，通过改变励磁电流的方向，使电机工作在增磁或弱磁状态，如图5所示，永磁磁场经过永磁体-外定子轭-外气隙-调磁环转子-内气隙-内定子轭闭合，如图6所示，励磁磁场经过外定子轭-外气隙-调磁环转子-内气隙-内定子轭闭合，因此，改变电励磁线圈中直流电流的大小，即可对电机进行宽范围的磁场调节，另外，该电机不仅可以通过调节励磁电流来对电枢绕组感应电势进行调节，而且可以在电枢绕组发生短路故障时，通过调节励磁电流来抵消永磁部分产生的磁场，实现电机电枢绕组短路故障时高效灭磁。

本实施方式所述的电机由于永磁部分和电励磁部分的磁路相互独立，调节励磁电流不会引起永磁体的不可逆退磁，电机可靠性高，电励磁效率高。

如图7所示，本实施方式所述的电机由于外定子永磁部分轴向方向的两段在圆周方向互差恰当的角度，可以互相抵消各自产生的齿槽转矩，进而减小电机的转矩脉动。

本实施方式中所述的电机内定子的极对数P₁与外定子的极对数P₂之和为调磁环中调磁块个数Ns，通过对内定子电枢绕组加电压源所得到的气隙谐波磁场，以及外定子上的永磁体和励磁绕组产生的气隙谐波磁场进行解析分析，得到复合电机中内定子电枢绕组极对数P₁、外定子极对数P₂和调磁块个数Ns之间的关系为：P₁＝|mP₂+kNs|，其中，m＝1，3，5，…，+∞；k＝0，±1，±2，…，±∞；

当m＝1，k＝-1时，由调磁环调制后得到的谐波磁场最强，调磁环两侧主要传递转矩的谐波磁场，具有相同的电角速度，可获得此复合电机调速比及传动比Gr＝kNs/(mP₂+kNs)，这样选择外定子极对数和调磁环的数量配比，可以满足转矩平稳的需求，否则将无法平稳的传递转矩，如图2和图3所示，选择内定子电枢绕组极对数P₁＝3，调磁环数Ns＝25，这样就可以得到外定子的极对数P₂＝22，实现调速比为25/3。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的外定子磁极并列式混合励磁复合电机的区别在于，所述永磁体5-2与励磁绕组6-2均为C型结构。

本实施方式中，永磁体5-2与外定子轭和外定子齿排列成C型结构，采用哈尔贝克90°充磁方式，将每块永磁体切割成三份，中间的采用径向充磁，两边的采用圆周向充磁并且在其与铁心中间插入非导磁材料来减小漏磁提高永磁体利用率或采用径向充磁方式，如图8和图9所示。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的外定子磁极并列式混合励磁复合电机的区别在于，所述永磁外定子5采用内置切向磁钢结构或表贴式磁钢结构实现。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式二或三所述的外定子磁极并列式混合励磁复合电机的区别在于，所述永磁外定子5的极对数与电励磁外定子6的极对数相同。

具体实施方式五、结合图4说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式四所述的外定子磁极并列式混合励磁复合电机的区别在于，所述调磁环转子7由导磁材料和非导磁材料依次间隔排列组成。

本实施方式中所述的调磁环转子7采用了新型磁齿轮传动装置的工作原理，进而应用在电机中，具有转矩密度高、运行效率高、非接触性力矩传递和过载自保护等特点，能够代替机械齿轮在清洁、低温和高空等环境中运行的潜力，结构更加简便，同时使低速大转矩的功能更为显著的体现。

本发明C型外定子磁极并列式混合励磁复合电机主要用作电动汽车驱动电机，电动汽车驱动电机需要频繁加减速，在城市工况下尤其如此，因而从节能和延长续驶里程的角度出发，通过控制策略实现以最小电流获得所需要的电磁转矩，则在基速以下采用单位电流电磁转矩最大控制策略，单位电流电磁转矩可表示为：

$f\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{T_e}{i_s}=\frac{1}{2}{N}_s(L_d-L_q)i_{s}sin2\mathrm{\α}+N_s{\mathrm{\Ψ}}_{r}sin\mathrm{\α}---\left(1\right)$

式中α为定子电流矢量转过d轴的角度，L_d、L_q分别为定子电感的d轴分量和q轴分量，i_s为电机定子三相电流的综合矢量，ψ_r为电机转子产生的励磁磁链，N_s为调磁环调磁铁块个数，因此有定子电流d轴分量i_d＝i_s cosα，定子电流q轴分量i_q＝i_s sinα

由式(1)可以解出i_d和i_q的关系式为：

$i_d=\frac{\sqrt{{\mathrm{\Ψ}}_r^2+4{(L_d-L_q)}^2{i}_q^2}-{\mathrm{\Ψ}}_r}{2(L_d-L_q)}---\left(2\right)$

在d-q-0同步旋转坐标系中的电磁转矩方程为：

$T_e=N_s\[{\mathrm{\Ψ}}_r{i}_q+(L_d-L_q)i_d{i}_q\]---\left(3\right)$

将(2)式代入(3)式可得：

$T_e=\frac{1}{2}{N}_s{i}_d\[\sqrt{{\mathrm{\Ψ}}_r^2+4{(L_d-L_q)}^2{i}_q^2}+{\mathrm{\Ψ}}_r\]---\left(4\right)$

在d-q-0同步旋转坐标系中，定子电流的d轴分量和q轴分量i_d、i_q可用A-B-C静止三相坐标系中的定子三相电流i_A、i_B、i_C表示为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin \mathrm{\θ}& \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right]---\left(5\right)$

由目标电磁转矩根据式(4)计算出交轴电流目标值再根据式(2)计算出直轴目标电流经过限幅处理之后，通过式(5)的逆变换得到目标三相电流对逆变器进行控制。

基速以上采用弱磁控制，当转子转速大于基速时，受电压极限椭圆的限制，采用单位电流电磁转矩最大控制难以实现，则需要采用弱磁控制。通过减小励磁电流的大小来削弱气隙磁场，甚至可以改变励磁电流的方向来抵消永磁体部分所产生的气隙磁场，进一步削弱总气隙磁场，来获得更高的转速。

Claims (5)

1.外定子磁极并列式混合励磁复合电机，其特征在于，它包括内定子(8)、外定子和调磁环转子(7)，调磁环转子(7)位于内定子(8)与外定子之间，并通过支架固定在调磁环转子输出轴(11)的一端上，调磁环转子输出轴(11)的另一端从电机机壳(4)的右端盖穿出，并通过轴承与其转动连接，所述调磁环转子(7)与内定子(8)和外定子之间均通过径向气隙隔开；

所述内定子(8)固定在内定子输出轴(12)上，内定子输出轴(12)的一端从电机机壳4的左端盖穿出，并通过轴承与其转动连接，内定子输出轴(12)的另一端与调磁环转子(7)的支架通过轴承转动连接；

内定子(8)上缠绕有电枢绕组(8-2)，所述外定子包括永磁外定子(5)和电励磁外定子(6)，所述永磁外定子(5)与电励磁外定子(6)并列固定在电机机壳(4)的内圆表面上，且所述永磁外定子(5)与电励磁外定子(6)之间通过轴向气隙隔开，永磁外定子(5)铁心的内圆表面沿圆周方向均布n个永磁体(5-2)，电励磁外定子(6)的内圆表面设置有2n个定子齿，每间隔一个定子齿上均缠绕有一个励磁绕组(6-2)，且所述励磁绕组(6-2)的排列与永磁体(5-2)的排列相对应，；

调磁环转子输出轴(11)和内定子输出轴(12)的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的外定子磁极并列式混合励磁复合电机，其特征在于，所述永磁体(5-2)与励磁绕组(6-2)均为C型结构。

3.根据权利要求1所述的外定子磁极并列式混合励磁复合电机，其特征在于，所述永磁外定子(5)采用内置切向磁钢结构或表贴式磁钢结构实现。

4.根据权利要求2或3所述的外定子磁极并列式混合励磁复合电机，其特征在于，所述永磁外定子(5)的极对数与电励磁外定子(6)的极对数相同。

5.根据权利要求4所述的外定子磁极并列式混合励磁复合电机，其特征在于，所述调磁环转子(7)由导磁材料和非导磁材料依次间隔排列组成。