CN105553128B - 一种混合励磁磁通切换电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合励磁磁通切换电机，包括外定子、转子和内定子，内定子外同轴套有转子，转子外同轴套有外定子，外定子由外定子铁心、永磁体和三相电枢绕组组成，三相交流励磁绕组套在内定子铁心凸极齿上，内定子铁心凸极齿的数量与所述永磁体的数量相等，内定子铁心凸极齿的径向中心轴线与所述永磁体的径向中心轴线重合；可以有效解决现有技术中需通过减小永磁体体积或减小电枢绕组匝数来安放励磁绕组的问题，增加了电机的电磁负荷，内定子励磁绕组中通入的幅值可调的对称三相交流电流，产生幅值和极性可调的旋转磁场，并与永磁磁场中的有效气隙磁场进行叠加，进而增强或减弱永磁磁场中有效的谐波分量，实现调磁运行的目的。

Description

一种混合励磁磁通切换电机

技术领域

本发明属于电工、电机领域，涉及一种具有较强转矩输出能力和较高功率密度的永磁电机，具体涉及一种混合励磁磁通切换电机。

背景技术

磁通切换电机是一种定子永磁型电机，定子永磁型电机将永磁体和电枢绕组均置于定子上，转子仅为设有凸极的铁心，转子无绕组、无滑环和无电刷。相对于转子永磁型电机，定子永磁电机具有转子结构简单、便于永磁体冷却和高功率密度等优势。磁通切换电机的永磁体和电枢绕组都位于定子上，转子既无永磁体也无绕组，具有结构简单、运行可靠、易于散热、高功率密度和高效率等特点，有可能替代转子永磁型永磁电机。然而现有的磁通切换电机由于只有永磁体励磁，其调磁能力有限，在恒转矩区的最大转矩和恒功率区的最高运行速度之间是一对无法调和的矛盾：一方面，增大永磁磁链可以提高电机的最大转矩输出能力，但同时会限制电机的高速运行；另一方面，当逆变器的电流限额和电机的直轴电感固定时，减小永磁磁链有利于提高电机的恒功率运行范围，但会限制转矩输出能力。因此上述缺点限制了其在电动汽车等工业领域的应用。为克服上述缺点，出现了具有永磁体和励磁绕组这两个磁势源的混合励磁磁通切换电机，混合励磁磁通切换电机能够实现气隙磁场的调节，从而实现恒转矩区的大转矩和恒功率区的宽调速功能。例如，中国专利公开号为CN101277053A、名称为“混合励磁磁通切换电机”的文献中公开的电机，具有较好的调磁性能，但是以减小永磁体体积为代价，加入励磁绕组，这样不可避免的降低了功率密度和转矩密度等。中国专利公开号为CN104539125A、名称为“一种混合励磁磁通切换电机” 的文献中公开的电机，调磁性能良好，但是以减小电枢线圈匝数为代价，加入励磁绕组，同样降低了转矩密度。更为重要的是，这两种公开的混合励磁磁通切换电机均采用直流励磁方式对永磁磁场进行直接调磁，调磁效果较差。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种新型拓扑结构的混合励磁磁通切换电机，使用交流励磁电流产生旋转磁场对永磁磁场进行调节，保留了磁通切换永磁电机的优点，无需通过减小永磁体体积或减小电枢绕组匝数来安放励磁绕组，在不额外增加电机体积的条件下在内定子上合理安排电励磁绕组空间，可以实现恒转矩区的大转矩和恒功率区的宽调速功能。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：本发明包括外定子、转子和内定子，内定子外同轴套有转子，转子外同轴套有外定子，外定子由外定子铁心、永磁体和三相电枢绕组组成，所述外定子铁心由12n个沿圆周方向均匀分布的U型导磁铁心组成，n为整数，n≥1，U型导磁铁心的U型槽口朝向外定子的轴心，U型的两个侧壁是外定子齿，在相邻两个U型导磁铁心之间紧密嵌入一个切向充磁的永磁体，相邻两个永磁体的充磁方向相反，在U型导磁铁心的U型槽中放置三相电枢绕组且三相电枢绕组套在相应的永磁体外部；所述转子包括10n个沿圆周方向均匀布置的导磁块；所述内定子由内定子铁心和三相交流励磁绕组组成，内定子铁心包含12n个内定子铁心凸极齿，三相交流励磁绕组套在内定子铁心凸极齿上，三相交流励磁绕组绕制成4n对极，内定子铁心凸极齿的数量与所述永磁体的数量相等，内定子铁心凸极齿的径向中心轴线与所述永磁体的径向中心轴线重合；在三相交流励磁绕组通入超前或者滞后于三相电枢绕组感应电势相位90°的三相对称交流电流。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

本发明混合励磁磁通切换电机的外定子结构和传统磁通切换永磁电机定子结构一致，电机整体结构包括外定子、转子和内定子，保留了传统磁通切换永磁电机结构紧凑、转矩出力大、功率密度高的优势，在无需增加电机体积的条件下在内定子中安放励磁绕组，并通入不同幅值的对称三相交流电流。基于本发明提出的电机结构，可以有效解决现有技术中需通过减小永磁体体积或减小电枢绕组匝数来安放励磁绕组的问题，增加了电机的电磁负荷，有效提高了电机功率密度；此外，内定子励磁绕组中通入的幅值可调的对称三相交流电流，产生幅值和极性可调的旋转磁场，并与永磁磁场中的有效气隙磁场进行叠加，进而增强或减弱永磁磁场中有效的谐波分量，实现调磁运行的目的，能调节电机总磁场，弱磁控制时，可以实现恒转矩区的大转矩和恒功率区的宽调速功能。与现有技术中采用直流电流进行励磁的方案相比，调磁效果更加有效。由于电枢绕组与励磁绕组都是集中绕组，端部短，效率较高。转子省去了导磁轭部，减小了转子尺寸，降低了转动惯量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1为本发明一种混合励磁磁通切换电机的结构示意图；

图2为图1中转子采用连接桥连接的结构示意图；

图3为图1中永磁体单独工作的磁力线分布图；

图4为图1中三相交流励磁绕组单独工作的磁力线分布图；

图5为图1中永磁体和三相交流励磁绕组共同工作，且电励磁磁场起增磁作用时的磁力线分布图；

图6为图1中永磁体和三相交流励磁绕组共同工作，且电励磁磁场起去磁作用时的磁力线分布图；

图7为图1中所示本发明电机在不同励磁工况下的A相电枢绕组单匝磁链波形图。

图中：1、U型导磁铁心，2、三相电枢绕组，3、永磁体，4、转子导磁块，5、非导磁材料，6、内定子铁心凸极齿，7、三相交流励磁绕组，8、连接桥，9、导磁块凸台，10、内定子铁心。

具体实施方式

参见图1，本发明电机结构包括外定子、转子和内定子。内定子外同轴套转子，转子外同轴套外定子。转子与内定子、外定子之间均具有径向的气隙。

外定子由外定子铁心、永磁体3和三相电枢绕组2组成，永磁体3材料选择钕铁硼或铁氧体等其他类型永磁材料。其中，外定子铁心由12n个U型导磁铁心1组成，n为整数，n≥1。U型导磁铁心1采用硅钢片叠制。U型导磁铁心1的U型槽口朝向外定子的轴心，U型导磁铁心1的U型的两个侧壁就是外定子齿。有12n个U型导磁铁心1沿圆周方向均匀分布。在相邻两个U型导磁铁心1之间嵌入一个永磁体3，永磁体3的侧面和U型导磁铁心1的侧面紧密贴合。永磁体3的内、外圈和U型导磁铁心1的内、外圈分别平齐。永磁体3采用切向充磁，相邻两个永磁体3的充磁方向相反。在U型导磁铁心1的U型槽中放置三相电枢绕组2，三相电枢绕组2套在相应的永磁体3外部。三相电枢绕组2采用集中绕组，一共有12个集中电枢线圈沿圆周方向依序布置，其中，第一集中电枢线圈211和第七集中电枢线圈213径向相对，第四集中电枢线圈212和第十集中电枢线圈214径向相对，第一、第四、第七、第十集中电枢线圈顺序串联后组成A相电枢绕组。第二集中电枢线圈221和第八集中电枢线圈223径向相对，第五集中电枢线圈222和第十一集中电枢线圈224径向相对，第二、第五、第八、第十一集中电枢线圈顺序串联后组成B相电枢绕组。第三集中电枢线圈231和第九集中电枢线圈233径向相对，第六集中电枢线圈232和第十二集中电枢线圈234径向相对，第三、第六、第九、第十二集中电枢线圈顺序串联后组成C相电枢绕组。

转子包括10n个导磁块4，其中n为整数，n≥1。10n个导磁块4沿圆周方向均匀布置，在相邻两个导磁块4之间紧密嵌入非导磁块5，导磁块4和非导磁块5的侧面紧密贴合，导磁块4采用非导磁块5相连，导磁块4和非导磁块5的内、外圈分别平齐，组成一个环形的转子。在导磁块4侧面上设固定导磁块凸台9，便于和非导磁块5的相安装，非导磁块5的内径等于导磁块4的内径，非导磁块5的外径等于导磁块4的外径，使转子整体结构为常规转子。

内定子由内定子铁心10和三相交流励磁绕组7组成，内定子铁心10采用硅钢片叠制。内定子铁心10为齿槽结构，包含12n个内定子铁心凸极齿6，三相交流励磁绕组7绕制成4n对极，其中n为整数，n≥1。内定子铁心凸极齿6的数量与外定子的永磁体3的数量相等，并且内定子铁心凸极齿6的径向中心轴线与外定子永磁体3的径向中心轴线重合。三相交流励磁绕组7采用集中绕组，套在内定子铁心凸极齿6上。三相交流励磁绕组7一共有12个集中励磁线圈，12个集中励磁线圈依序绕在内定子铁心凸极齿6上。其中第一集中励磁线圈711和第七集中励磁线圈713径向相对，第四集中励磁线圈712和第十集中励磁线圈714径向相对，第一、第四、第七、第十集中励磁线圈顺序串联后组成A相励磁绕组；第二集中励磁线圈721和第八集中励磁线圈723径向相对，第五集中励磁线圈722和第十一集中励磁线圈724径向相对，第二、第五、第八、第十一集中励磁线圈顺序串联后组成B相励磁绕组；第三集中励磁线圈731和第九集中励磁线圈733径向相对，第六集中励磁线圈732和第十二集中励磁线圈734径向相对，第三、第六、第九、第十二集中励磁线圈顺序串联后组成C相励磁绕组。内定子上的A、B、C三相励磁绕组的径向位置与外定子上的A、B、C三相电枢绕组的径向位置一一对应，即内定子的A相励磁绕组的径向位置与外定子的A相电枢绕组的径向位置对应，内定子的B相励磁绕组的径向位置与外定子的B相电枢绕组的径向位置对应，内定子的C相励磁绕组的径向位置与外定子的C相电枢绕组的径向位置对应。

在三相励磁绕组7不通电流时，当转子的导磁块4与不同的外定子齿在径向上对齐时，永磁体3产生的永磁磁通穿过三相电枢绕组2的各个集中电枢线圈的方向就会不同，从而产生磁通切换效应，导致每相电枢绕组中所匝链的永磁磁链呈周期性变化。在三相交流励磁绕组7通入超前三相电枢绕组2感应电势相位90°的三相对称交流电流时，可以减小匝链到三相电枢绕组2中的磁链，从而降低感应出的电势。相反，在三相交流励磁绕组7通入滞后三相电枢绕组2感应电势相位90°的三相对称交流电流时，可以增加匝链到三相电枢绕组2中的磁链，进而增大感应出的电势。可见，通过改变三相交流励磁绕组7中的励磁电流大小和相位就可以对永磁磁场进行调节，从而克服现有纯永磁型电机的缺点，使得本发明电机能够满足不同性能的需求，具有聚磁效应，因此空载气隙磁通密度较大，具有较强的转矩输出能力。由于三相电枢绕组2与三相交流励磁绕组7都是集中绕组，端部短，效率较高，而且，电枢反应磁通和永磁磁通在空间上互相垂直，磁路上是并联关系，使本发明电机具有较强的抗去磁能力。

参见图2，本发明中，转子中的10n个导磁块4之间采用连接桥8连接，用将连接桥8导磁块4连成环形整体。连接桥8位于导磁块4的径向正中间，连接桥8的内径大于导磁块4的内径，连接桥8的外径小于导磁块4的外径。

参见图3所示本发明电机中的永磁体3单独工作的磁力线分布图，即永磁体3单独工作，在三相交流励磁绕组7中不通电流时的磁力线分布图。参见图4所示本发明电机中的三相交流励磁绕组7单独工作的磁力线分布图，即如果去掉永磁体3，在三相交流励磁绕组7中通三相对称交流电流时的磁力线分布图。参见图5所示本发明电机中的永磁体3和三相交流励磁绕组7共同工作，即在三相交流励磁绕组7通入滞后电枢绕组感应电势相位90°的三相对称交流电流时，电励磁磁场起增磁作用时的磁力线分布图。参见图6所示本发明电机中的永磁体3和三相交流励磁绕组7共同工作，即在三相交流励磁绕组7通入超前电枢绕组感应电势相位90°的三相对称交流电流，电励磁磁场起去磁作用时的磁力线分布图。由图3~6可知可看出磁力线分布图的稀疏，进而展现电机调磁性能，当永磁体3和三相交流励磁绕组7共同工作时，且电励磁磁场起增磁作用时，磁力线比永磁体3单独工作的磁力线密；当永磁体3和三相交流励磁绕组7共同工作，且电励磁磁场起去磁作用时，磁力线比永磁体3单独工作的磁力线稀疏。

参见图7所示本发明电机在不同励磁工况下三相电枢绕组2中的A相电枢绕组单匝磁链波形图，由图7可知，电机在增磁工况下，A相电枢绕组单匝磁链峰值比纯永磁时增大；电机在去磁工况下，A相电枢绕组单匝磁链峰值比纯永磁时减小，因此本发明电机具有良好的调磁性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种混合励磁磁通切换电机，包括外定子、转子和内定子，内定子外同轴套有转子，转子外同轴套有外定子，外定子由外定子铁心、永磁体（3）和三相电枢绕组（2）组成，其特征是：所述外定子铁心由12n个沿圆周方向均匀分布的U型导磁铁心（1）组成，n为整数，n≥1，U型导磁铁心（1）的U型槽口朝向外定子的轴心，U型的两个侧壁是外定子齿，在相邻两个U型导磁铁心（1）之间紧密嵌入一个切向充磁的永磁体（3），相邻两个永磁体（3）的充磁方向相反，在U型导磁铁心（1）的U型槽中放置三相电枢绕组（2）且三相电枢绕组（2）套在相应的永磁体（3）外部；所述转子包括10n个沿圆周方向均匀布置的导磁块（4）；所述内定子由内定子铁心（10）和三相交流励磁绕组（7）组成，内定子铁心（10）包含12n个内定子铁心凸极齿（6），三相交流励磁绕组（7）套在内定子铁心凸极齿（6）上，三相交流励磁绕组（7）绕制成4n对极，内定子铁心凸极齿（6）的数量与所述永磁体（3）的数量相等，内定子铁心凸极齿（6）的径向中心轴线与所述永磁体（3）的径向中心轴线重合；在三相交流励磁绕组（7）通入超前或者滞后于三相电枢绕组（2）感应电势相位90°的三相对称交流电流。

2.根据权利要求1所述混合励磁磁通切换电机，其特征是：三相电枢绕组（2）有12个集中电枢线圈沿圆周方向依序布置，第一集中电枢线圈和第七集中电枢线圈径向相对，第四集中电枢线圈和第十集中电枢线圈径向相对，第一、第四、第七、第十集中电枢线圈顺序串联后组成A相电枢绕组，第二集中电枢线圈和第八集中电枢线圈径向相对，第五集中电枢线圈和第十一集中电枢线圈径向相对，第二、第五、第八、第十一集中电枢线圈顺序串联后组成B相电枢绕组，第三集中电枢线圈和第九集中电枢线圈径向相对，第六集中电枢线圈和第十二集中电枢线圈径向相对，第三、第六、第九、第十二集中电枢线圈顺序串联后组成C相电枢绕组；所述三相交流励磁绕组（7）有12个依序绕在内定子铁心凸极齿（6）上的集中励磁线圈，第一集中励磁线圈和第七集中励磁线圈径向相对，第四集中励磁线圈和第十集中励磁线圈径向相对，第一、第四、第七、第十集中励磁线圈顺序串联后组成A相励磁绕组；第二集中励磁线圈和第八集中励磁线圈径向相对，第五集中励磁线圈和第十一集中励磁线圈径向相对，第二、第五、第八、第十一集中励磁线圈顺序串联后组成B相励磁绕组；第三集中励磁线圈和第九集中励磁线圈径向相对，第六集中励磁线圈和第十二集中励磁线圈径向相对，第三、第六、第九、第十二集中励磁线圈顺序串联后组成C相励磁绕组；内定子上的A、B、C三相交流励磁绕组的径向位置与外定子上的A、B、C三相电枢绕组的径向位置一一对应。

3.根据权利要求1所述混合励磁磁通切换电机，其特征是：相邻两个导磁块（4）之间紧密嵌入非导磁块（5），非导磁块（5）的内径等于导磁块（4）的内径，非导磁块（5）的外径等于导磁块（4）的外径。

4.根据权利要求1所述混合励磁磁通切换电机，其特征是：相邻两个导磁块（4）之间采用连接桥（8）连接，连接桥（8）位于导磁块（4）的径向正中间，连接桥（8）的内径大于导磁块（4）的内径，连接桥（8）的外径小于导磁块（4）的外径。

5.根据权利要求1所述混合励磁磁通切换电机，其特征是：永磁体（3）的材料是钕铁硼或铁氧体，U型导磁铁心（1）采用硅钢片叠制。