CN106385153B - 一种混合励磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合励磁电机，其包括同轴套设的定子和转子，其中套设在外的定子或转子的内壁周向开设凹槽，套设在内的转子或定子的外表面开设凹槽，定子槽内放置直流励磁绕组和交流电枢绕组，定子齿在其位于凹槽两侧的侧面设置有朝凹槽伸出的凸起，每个凸起上设置有永磁体，且每个定子齿两侧面设置的两永磁体极性相同，相邻两齿的永磁体极性相反。本发明的电机在低速时，直流绕组中电流为正，可以增强总励磁磁场，提高电机过载能力；在高速时直流绕组中电流为负，可以减弱总励磁磁场，提高电机弱磁能力。本发明的励磁电机的永磁体不可逆退磁风险低、励磁磁场磁阻小、励磁绕组调磁能力强，同时又无需滑环和电刷，不会带来电火花等问题，运行可靠稳定。

Description

一种混合励磁电机
技术领域
本发明属于电机领域，具体涉及一种混合励磁电机。
技术背景
永磁同步电机利用永磁体高磁能积的特点，因而具有功率密度高、效率高的优点。但是由于永磁体产生的磁链基本不可调，永磁电机的弱磁调速能力较弱。电励磁同步电机的励磁电流可灵活调整，因此其弱磁能力强，但由于励磁绕组与转子同步旋转，需要滑环和电刷，可能产生电火花，可靠性大大降低；同时由于励磁绕组会产生铜损耗，电机效率也不高。为了综合永磁同步电机与电励磁同步电机的优势，混合励磁电机由此产生。
混合励磁电机根据励磁绕组所产生磁场的磁路是否经过永磁体可以分为：串联式和并联式。在串联式混合励磁电机中，励磁绕组产生磁场的磁路会经过永磁体，如专利文献CN201610047766中公开的一种混合励磁电机，这种串联式混合励磁电机结构简单，但由于励磁绕组磁路穿过永磁体，在弱磁时可能使永磁体发生不可逆退磁，而且永磁体磁阻大，使得励磁磁场的磁阻大，这就造成励磁绕组的调节磁场能力下降。而在并联式混合励磁电机中，励磁绕组产生磁场的磁路不经过永磁体，而是与永磁体励磁方向平行，如专利文献CN201510095867中公开的混合励磁电机，这种并联式混合励磁电机可以很好的解决串联式的不可逆退磁和励磁磁场磁阻大问题。
但是，由于并联式混合励磁电机中的励磁绕组都在转子上，需要滑环和电刷给励磁绕组通入直流电，这将不可避免的带来电火花等问题，使电机运行可靠性降低，维护工作增加。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提出一种混合励磁电机，其采用优化的并联式结构，同时其励磁绕组设置在定子槽内，使得整个励磁电机的永磁体不可逆退磁风险低、励磁磁场磁阻小、励磁绕组调磁能力强，同时又无需滑环和电刷，不会带来电火花等问题，运行可靠稳定。
为实现本发明目的，按照本发明，提供一种混合励磁电机，其包括同轴套设的定子和转子，其中套设在外的定子或转子的内壁周向开设凹槽，套设在内的转子或定子的外表面开设凹槽，且所述定子槽内放置直流励磁绕组和交流电枢绕组，其特征在于，
所述定子齿在其位于凹槽两侧的侧面设置有朝凹槽伸出的凸起，每个凸起上设置有永磁体，且每个定子齿两侧面设置的两永磁体极性相同，相邻两齿的永磁体极性相反。
作为本发明的进一步优选，所述凸起设置在定子或转子齿的齿顶和底部之间的一定高度上，例如设置在距底部1/2高度处或者超过1/2高度处。
作为本发明的进一步优选，其中的永磁体极对数Pm、定子槽数Zs、转子槽数Zr、直流绕组极对数Pdc、交流绕组极对数Pac满足如下关系：
式中，GCD(Zs,Pac)表示定子槽数与交流绕组极对数的最小公约数，min表示所有可能取值中的最小值。
作为本发明的进一步优选，套设在内的转子的槽内无绕组或永磁体。
作为本发明的进一步优选，所述直流励磁绕组为集中式。
作为本发明的进一步优选，所述定子交流电枢绕组可为集中式或分布式。
作为本发明的进一步优选，所述永磁体设置在所述凸起的靠近齿顶的表面上。
作为本发明的进一步优选，所述定子和转子为外定子内转子结构，即定子套设在外，转子套设在内。
作为本发明的进一步优选，所述定子和转子为外转子内定子结构，即转子套设在外，定子套设在内。
本发明的混合励磁电机，通过调节励磁绕组中直流电流的大小和方向，即可提高其低速下过载能力和高速下弱磁能力，直流励磁绕组产生磁场不经过永磁体，而是经过定子齿中间的凸起，所以此混合励磁方式属于并联式，造成永磁体不可逆退磁风险低、励磁磁场磁阻小、励磁绕组调磁能力强。转子是普通磁阻式转子，转子开槽，转子上无绕组或永磁体，结构简单，不需要滑环和电刷，因此可提高电机可靠性，降低运行维护成本。
本发明的混合励磁电机，其中永磁体产生的磁场与交流电枢绕组产生的磁场相互作用，可产生恒定转矩。直流励磁绕组产生的励磁磁场与永磁体产生的励磁磁场叠加，可通过调节直流绕组的电流来调节总的励磁磁场的大小，进而可以灵活的改变转矩大小。
按照本发明的另一方面，提供一种上述混合励磁电机在电力推进领域如电动汽车、舰船电力推进、轨道通用电动机等场合中的应用。
总体而言，本发明与现在技术相比较，能够取得如下有益效果：
(1)本发明转子结构简单，励磁绕组在定子上，不需要滑环和电刷，电机运行可靠性提高；
(2)本发明直流励磁绕组磁路不经过永磁体，而是与其平行，属于并联式结构，降低了永磁体不可逆退磁风险，同时励磁磁场磁阻小、励磁绕组调磁能力强；
(3)本发明的电机低速时励磁绕组产生磁场永磁体产生的励磁磁场同相叠加，使总的励磁磁场增强，电机过载能力增强；而高速时励磁绕组产生磁场永磁体产生的励磁磁场反相叠加，使总的励磁磁场减弱，电机弱磁能力增强。
附图说明
图1为本发明一个实施例的混合励磁电机结构示意图；
图2为本发明另一个实施例的混合励磁电机结构示意图；
图3为本发明一个实施例的混合励磁电机只有永磁体励磁，即直流励磁绕组与交流电枢绕组都不通电时的磁场分布图；
图4为本发明一个实施例的混合励磁电机只有直流励磁，即永磁体替换成空气、同时交流电枢绕组不通电时的磁场分布图；
图5为本发明一个实施例的混合励磁电机交流电枢绕组不通电，直流绕组励磁与永磁体励磁两种方式分别产生的反电势及它们两者相叠加的结果示意图；
图6为本发明一个实施例的混合励磁电机交流电枢绕组通电时直流励磁绕组通正向励磁电流、不通电和通负向励磁电流时的转矩波形；
图7为本发明一个实施例的混合励磁电机的反电势测试值与仿真值的对比图；
图8为本发明一个实施例的混合励磁电机的转矩测试值与仿真值的对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和效果更加清晰明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，以下实施例仅是用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明一个实施例的混合励磁电机的结构示意图。如图1所示，该混合励磁电机包括定子1和转子5，两者同轴套装，在本实施例中定子套装在转子外即外定子内转子结构，但本发明中并不限于此，也可以是定子套装在转子内，即外转子内定子结构。
如图1所示，本实施例中，转子5外周表面上开有若干个槽，槽内无绕组或永磁体，转子5由导磁材料构成，例如用硅钢片叠压而成。定子1内表面上开设有若干个槽，槽内放置两套绕组，分别为交流电枢绕组2和直流励磁绕组3，定子直流励磁绕组3每隔一齿绕制，为集中式；交流绕组2均匀分布在每个槽内，型式可以为集中绕组或者分布绕组。定子铁芯的材料可与转子相同，例如用硅钢片叠压而成。
如图2所述，在本发明的另一个实施例中，电机的定子1套装在转子5内，即为外转子内定子结构。该实施例中，转子5内壁表面上开有若干个槽，槽内无绕组或永磁体，转子5由导磁材料构成，例如用硅钢片叠压而成。定子1外周表面上开设有若干个槽，槽内放置两套绕组，分别为交流电枢绕组2和直流励磁绕组3，定子直流励磁绕组3每隔一齿绕制，为集中式；交流绕组2均匀分布在每个槽内，型式可以为集中绕组或者分布绕组。定子铁芯的材料可与转子相同，例如用硅钢片叠压而成。
如图1和2所示，每个定子齿在其朝向凹槽的两侧面设置有朝向相应定子槽的凸起，凸起设置在定子齿齿顶和底部之间的一定高度上，例如可以是定子齿1/2高度处或者超过1/2高度处。每个凸起上放置有一块永磁体4，每个定子齿两侧面放置的两永磁体4极性相同，相邻两齿的永磁体4极性相反。
本发明的混合励磁电机，其永磁体极对数Pm、定子槽数Zs、转子槽数Zr、直流绕组极对数Pdc、交流绕组极对数Pac满足如下关系：
式中，GCD(Zs,Pac)表示定子槽数与交流绕组极对数的最小公约数，min表示所有可能取值中的最小值。
本发明电机的上述结构，一方面可以使得其中直流励磁绕组产生磁场不经过永磁体，而是经过定子齿中间的凸起，所以此混合励磁方式属于并联式，造成永磁体不可逆退磁风险低、励磁磁场磁阻小、励磁绕组调磁能力强。另一方面，永磁体产生的磁场与交流电枢绕组产生的磁场相互作用，可产生恒定转矩。另外，直流励磁绕组产生的励磁磁场与永磁体产生的励磁磁场可叠加，并可通过调节直流绕组的电流来调节总的励磁磁场的大小，进而可以灵活的改变转矩大小。
本发明电机转子是普通磁阻式转子，转子开槽，转子上无绕组或永磁体，结构简单，不需要滑环和电刷，因此可提高电机可靠性，降低运行维护成本。
表1列出了部分可行的极槽配合。表中GR表示极比，其值等于转子槽数与交流绕组极对数之比。
表1.本发明混合励磁电机的部分极槽配合
本发明一个实施例中选用其中一种极槽配合进行说明，如图1所示，其永磁体极对数Pm＝6，定子槽数Zs＝12，转子槽数Zr＝17，直流绕组极对数Pdc＝6，交流绕组极对数Pac＝1。其定子永磁体产生的励磁磁场(如图3)，其与交流绕组3产生的电枢磁场相互作用，可产生恒定转矩(如图6)。直流绕组2产生的励磁磁场(如图4)，其与永磁体产生的励磁磁场叠加，可通过调节直流励磁绕组电流的大小和方向来调节总的励磁磁场的大小，进而可以灵活的改变反电势的大小(如图5)。
图5(a)表示直流励磁绕组电流为正时，其产生的励磁磁场起助磁作用，使总的反电势变大，图5(b)表示直流励磁绕组电流为负时，其产生的励磁磁场起去磁作用，使总的反电势变小。所以，通过改变励磁电流，可以灵活改变电机反电势，进而改变输出转矩的大小(如图6)，使电机的过载能力和弱磁能力得到增强。
此外，如图4所示，本发明技术方案中的直流绕组产生的励磁磁场的磁路几乎不经过永磁体，而是与永磁体励磁方向是平行的，所以该混合励磁属于并联式结构，减小了永磁体去磁的风险，同时增大了直流绕组调节励磁磁场的能力。
图7为本发明一个实施例的混合励磁电机的反电势测试值与仿真值的对比图；图8为本发明一个实施例的混合励磁电机的转矩测试值与仿真值的对比图。由图7和图8可以看出，本发明一个实施例的混合励磁电机的反电势和转矩基本达到了预期目标，误差原因主要是由加工误差和实验仪器读数误差造成的。
本领域的技术人员容易理解，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 (7)

1.一种混合励磁电机，其包括同轴套设的定子和转子，其中套设在外的定子或转子的内壁周向开设凹槽，套设在内的转子或定子的外表面开设凹槽，且定子槽内放置直流励磁绕组和交流电枢绕组，其特征在于，
定子齿在其位于凹槽两侧的侧面设置有朝凹槽伸出的凸起，每个凸起上设置有径向励磁的永磁体，且每个定子齿两侧面设置的两永磁体极性相同，相邻两齿的永磁体极性相反；
永磁体极对数Pm、定子槽数Zs、转子槽数Zr、直流绕组极对数Pdc、交流绕组极对数Pac满足如下关系：
式中，GCD(Zs,Pac)表示定子槽数与交流绕组极对数的最大公约数，min表示所有可能取值中的最小值。
2.根据权利要求1所述的一种混合励磁电机，其特征在于，所述凸起设置在距定子齿底部高度1/2以上处。
3.根据权利要求1或2所述的一种混合励磁电机，其特征在于，套设在内的转子的槽内无绕组或永磁体。
4.根据权利要求1或2所述的一种混合励磁电机，其特征在于，所述直流励磁绕组为集中式。
5.根据权利要求1或2所述的一种混合励磁电机，其特征在于，所述交流电枢绕组为集中式或分布式。
6.根据权利要求1或2所述的一种混合励磁电机，其特征在于，所述永磁体设置在所述凸起靠近齿顶的表面上。
7.根据权利要求1或2所述的混合励磁电机，其特征在于，所述混合励磁电机应用在电动汽车、舰船电力推进、轨道通用电动机中。
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