CN107276350A - 一种双定子混合励磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双定子混合励磁电机，中间转子由10个数量相同的转子导磁块和非导磁材料沿圆周方向交错布置固定连接而成，内定子由12个相同扇形结构的内定子铁心侧面紧密贴合组成，每个内定子铁心的中心线位置的内外侧分别固定嵌入相同的永磁体，同一个内定子铁心上的内外侧两个永磁体均切向充磁，相邻两个内定子铁心上的永磁体充磁方向相反；同一个内定子铁心上的内外侧两个永磁体之间的内定子铁心上开有扇形的内定子槽，在励磁绕组槽侧留有一定尺寸的铁心导磁桥，利用永磁体漏磁，使导磁桥工作在相对饱和状态，通过饱和导磁桥尺寸的合理选择，能使得饱和导磁桥的磁导率远远大于永磁体磁导率，为电励磁绕组提供额外的并联磁分路。
Description
技术领域
本发明属于电工和电机领域，特指一种具有宽调速、高效率、高功率密度等驱动性能的混合励磁电机，适合于牵引混合动力汽车、电动汽车等。
背景技术
永磁切换磁通电机的永磁体和电枢绕组均置于定子中，转子仅为设有凸极的铁心，无绕组、无滑环、无电刷。相对于转子永磁型电机，永磁磁通切换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。然而，与普通永磁电机类似，永磁磁通切换电机存在气隙磁场难以调节等固有问题，使得该类电机的恒功率运行范围受到限制。混合励磁磁通切换电机是在永磁磁通切换电机中加入电励磁磁势源，通过改变励磁电流的大小和方向，实现了气隙磁场的有效调节与控制。
文献“A Novel Hybrid Excitation Flux-Switching Motor for HybridVehicles”中（公开发表于2009年IEEE Transactions on Magnetics, 4728-4731页），通过减小永磁体的大小安放励磁绕组，实现了电机气隙磁场的有效调节，但是由于电励磁绕组的引入是以牺牲永磁体大小来实现的，因此降低了电机的功率密度和转矩密度。
文献“并列式混合励磁磁通切换电机直流发电系统功率角线性控制策略（《中国电机工程学报》，第32卷，第12期，136-145页）”通过将一台永磁磁通切换电机和一台电励磁磁通切换电机轴向并列设置，并公用一套电枢绕组，形成并列式混合励磁磁通切换电机，该电机通过电励磁磁通切换电机的励磁磁场调节，实现整台复合电机的调节功能。为避免该复合电机中两种励磁源之间的相互影响并容纳励磁绕组，两台单独电机轴向必须留有一定空间，导致该电机的轴向长度较长。
文献“定子分割式轴向磁通切换混合励磁同步电机三维有限元分析与实验研究（《电工技术学报》，第27卷，第10期，106-113页）”设计了一种12/10极定子分割式轴向磁通切换混合励磁同步电机，建立了电机三维有限元分析模型，在此基础上计算了不同励磁电流时电机内部空载磁场分布规律、三相绕组磁链、电动势和电感等电磁特性。有限元分析和实验结果均表明，此类电机具有较好的磁场调节能力。但是该电机的永磁体、电枢绕组和电励磁绕组都安装在一个定子上，导致电机的空间利用率降低。
发明内容
本发明的目的是要有效克服现有永磁磁通切换电机弱磁效果差、恒功率调速范围小的不足，提出了一种新型拓扑结构的双定子混合励磁电机，实现电机的气隙磁场平滑调节与控制。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：包括外定子、中间转子、内定子和转轴，所述中间转子由10个数量相同的转子导磁块和非导磁材料沿圆周方向交错布置固定连接而成，所述内定子由12个相同扇形结构的内定子铁心侧面紧密贴合组成，所述外定子具有12个外定子齿；每个内定子铁心的中心线位置的内外侧分别固定嵌入相同的永磁体，同一个内定子铁心上的内外侧两个永磁体均切向充磁，相邻两个内定子铁心上的永磁体充磁方向相反；同一个内定子铁心上的内外侧两个永磁体之间的内定子铁心上开有扇形的内定子槽，内定子槽内放置励磁绕组。
进一步地，所述的内定子槽有内外两个，外侧的永磁体内边缘与外侧的内定子槽的外边缘相切，内侧的永磁体外边缘与内侧的内定子槽的内边缘相切。内外两个内定子槽之间不连通，其间的内定子铁心形成导磁桥，励磁绕组放置在内外两个扇形槽内并且绕在导磁桥上。
进一步地，所述的内定子槽有一个，外侧的永磁体内边缘与该内定子槽的外边缘相切，内侧的永磁体外边缘与该内定子槽的内边缘之间留有距离，内定子槽与内侧的永磁体之间的内定子铁心形成导磁桥；相邻两个内定子槽之间的内定子铁心形成内定子齿，励磁绕组放置在内定子槽内并且绕在内定子齿上。
本发明的技术效果为：
1) 本发明采用双定子结构，分别绕制电枢绕组和励磁绕组，将电枢绕组绕制于外定子，永磁体和励磁绕组安装在内定子，有效利用了电机内部空间，有利于保留永磁电机的高功率密度特点；同时可以有效避免现有定子励磁型混合励磁电机励磁绕组、电枢绕组和永磁体三者之间安装空间上的矛盾。
2)为提高电励磁的效率，实现较小的电励磁获得较大的磁场调节能力，本发明在励磁绕组槽侧留有一定尺寸的铁心导磁桥，利用永磁体漏磁，使导磁桥工作在相对饱和状态，通过饱和导磁桥尺寸的合理选择，能使得饱和导磁桥的磁导率远远大于永磁体磁导率，为电励磁绕组提供额外的并联磁分路，达到用较小的直流励磁磁势获得较大的气隙调节范围的目的。
3) 本发明将永磁磁场和电励磁磁场相互并联，通过设置励磁电流的极性和永磁体的励磁方向，使得公共磁路中的永磁磁场和电励磁磁场方向相反，降低导磁桥的等效磁阻，提高了励磁电流的利用率，在励磁绕组铜耗不变的情况下提高了电机的输出功率。
4）本发明通过改变电励磁绕组电流的大小和方向，实现了电机的气隙磁场平滑调节与控制，特别适合广泛应用于电动汽车等需宽调速直接驱动的场合；同时，提高了电机空间利用率。
附图说明
图1为本发明实施例1所述一种双定子混合励磁电机的结构示意图；
图2为图1中局部内定子铁心结构及尺寸标注放大示意图；
图3为图1中电机永磁磁通和电励磁磁通示意图；
图4为图1中永磁体单独工作的磁力线分布示意图；
图5为图1中永磁体和电励磁绕组共同工作，且电励磁磁场起弱磁作用时的磁力线分布图；
图6为图1中永磁体和电励磁绕组共同工作，且电励磁磁场起增磁作用时的磁力线分布图；
图7为图1中电机在不同励磁工况下的A相电枢绕组反电势波形图；
图8为本发明实施例2所述一种双定子混合励磁电机的结构示意图；
图9为图8中局部内定子铁心结构及尺寸标注放大示意图。
图中：1.外定子；2.电枢绕组；3.转子导磁块；4.非导磁材料；5.内定子铁心；6.永磁体；7.励磁绕组；8.导磁桥；9.永磁磁通；10.电励磁磁通；11.外定子轭；12.外定子齿；13.内定子齿；14.内定子槽；15.转轴。
具体实施方式
实施例1
参见图1，本发明包括外定子1、中间转子、内定子和转轴15，其中中间转子由10个相同数量的转子导磁块3和非导磁材料4沿圆周方向交错布置并固定连接而成，内定子由12个相同扇形结构的内定子铁心5侧面紧密贴合组成。转轴15外依次同轴心地套有内定子、转子和外定子1。外定子1、转子导磁块3和内定子铁心5均采用硅钢片叠制。
外定子1由外定子轭11和外定子齿12组成，外定子轭11沿圆周方向均匀布置12个外定子齿12。相邻两个外定子齿12之间形成外定子槽，外定子齿12径向横截面为“T”型，“T”型的顶部在内侧，靠近中间转子；“T”型的底部在外侧，和外定子轭11连为一体。在外定子齿12上套有三相集中电枢绕组2。图1中的“+”为电枢绕组2的进线方向，“-”为电枢绕组2的出线方向，A、B、C为三相电枢绕组2。
中间转子是由10个转子导磁块3和10个非导磁材料4交错连接组成的环形结构，导磁块3和非导磁材料4的侧壁紧密贴合。中间转子整体结构为常规环形转子。
再结合图2，每个内定子铁心5的内径是R isi ，外径是R iso 。在每个内定子铁心5的中心线位置的内外侧分别固定嵌入一块永磁体6，同一个内定子铁心5上的内侧的永磁体6和外侧的永磁体6的结构相同，都是长方形，内外侧永磁体6形成一组，共计12组永磁体6。内侧的永磁体6和外侧的永磁体6的径向长度相等，都是h pm ，内侧的永磁体6和外侧的永磁体6的切向宽度相等，都是l pm 。每组永磁体6的充磁方向一致，均采用切向充磁；相邻两个内定子铁心5上安装的永磁体6的充磁方向相反。永磁体6材料选择钕铁硼或铁氧体等类型永磁材料。
在同一组的内外侧两块永磁体6之间的内定子铁心5上开有扇形的内定子槽14，内定子槽14内放置励磁绕组7。内定子槽14的中心线与内定子铁心5的中心线重合，内定子槽14的扇形圆心与内定子铁心5的圆心重合。
所述的内定子槽14有内外两个，外侧的永磁体6内边缘与外侧的内定子槽14的外边缘相切，内侧的永磁体6外边缘与内侧的内定子槽14的内边缘相切。内外两个内定子槽14之间不连通，其间的内定子铁心5是导磁桥8，导磁桥8也是扇形。励磁绕组7放置在内外两个扇形槽14内，并且绕在导磁桥8上。
内、外两个内定子槽14的开角均为β=30o，外侧的内定子槽14的内外半径分别为R 2 ，R 1 ，内侧的内定子槽14的内外半径分别为R 4 ，R 3 。
励磁绕组7一共有12个集中励磁绕组线圈，相邻两个励磁绕组7的线圈绕线方向相反。当励磁绕组7在导磁桥8中产生的电励磁磁场方向和永磁体6充磁方向一致时，起增磁作用；当磁场方向相反时，起弱磁作用。
为方便安装励磁绕组7，需合理地设置内外侧两个内定子槽14的内外半径R 1 ，R 2 ，R 3 ，R 4 的大小，使得内外侧两个内定子槽14的内表面积相等，根据扇形的面积求解公式，得到内表面积，R o 和R i 分别为内外侧两个内定子槽14的扇形的外半径和内半径，得到R 1 2 -R 2 2 =R 3 2 -R 4 2 。
参见图3，内外两个永磁体6产生的永磁磁通9的路径有4条：永磁磁通9-1、永磁磁通9-2、永磁磁通9-3和永磁磁通9-4，其中，永磁磁通9-1的路径如下：图3中从左至右为顺序，依次经过第二个内定子铁心5的外侧的永磁体6、第二个转子导磁块3、第三个外定子齿12、外定子轭11、第二个外定子齿12、第一个转子导磁块3后回到第二个内定子铁心5的外侧的永磁体6。永磁磁通9-2的路径如下：依次经过第二个内定子铁心5的内侧的永磁体6、第二个转子导磁块3、第三个外定子齿12、外定子轭11、第二个外定子齿12、第一个转子导磁块3后回到第二个内定子铁心5的内侧的永磁体6。永磁磁通9-3的路径如下：自第二个内定子铁心5的永磁体6出发，经过导磁桥8绕一圈回到该外侧的永磁体6；永磁磁通9-4的路径如下：自第二个内定子铁心5的内侧的永磁体6出发，经过导磁桥8绕一圈回到该内侧的永磁体6。对励磁绕组7通电，励磁电流产生的电励磁磁通10的路径如下：依次经过导磁桥8、第二个转子导磁块3、第三个外定子齿12、外定子轭11、第二个外定子齿12、第一个转子导磁块3后回到导磁桥8。
由如图3可知，永磁体6在导磁桥8中产生的磁力线的方向是由右向左，励磁绕组7注入的电流方向是为下进上出，根据右手定则，励磁绕组7在导磁桥8中产生的磁力线方向是由左向右，与永磁体6在导磁桥8中产生的磁力线方向相反，磁路饱和程度降低，励磁电流利用率提高。
导磁桥8的径向长度R 2 -R 3 越大，导磁桥8的等效磁阻越小，同样的磁通调节范围所需的直流励磁磁势越小，但并不是说导磁桥8的等效磁阻越小越好，因为导磁桥8的长度越大，永磁体6经过导磁桥8的旁路永磁磁通9-3和永磁磁通9-4就越多，对应的永磁体6产生的初始主气隙磁通就越小，相应的，初始主气隙磁密越小，磁场利用率就越低。因此，应根据实际要求选择合适的初始气隙主磁通，进而确定相应的导磁桥8的宽度R 2 -R 3 。一方面使电机内定子模块化，便于电机的加工、制造和安装；另一方面，该导磁桥8为励磁绕组7提供了额外的磁路，有效地增强了电励磁绕组的磁场调节能力，即用较小的电励磁磁势实现了较大的磁场调节能力。
参见图4，为本发明中的永磁体6单独工作的磁力线分布图，由于并联导磁桥8的存在，部分永磁磁通并没有流经电机气隙而流经了导磁桥8，此时，导磁桥8工作在相对饱和状态。
参见图5，为本发明中的永磁体6和电励磁绕组7共同工作，且电励磁磁场起弱磁作用时的磁力线分布图，此时大部分磁力线基本在内定子中形成回路，外定子侧很稀疏，起到了弱磁效果，因为在导磁桥8中电励磁磁场方向和永磁磁场方向相同，导磁桥8饱和程度加深，其等效电阻变大，但仍然小于永磁体6磁阻。
参见图6，为本发明中的永磁体6和电励磁绕组7共同工作，且电励磁磁场起增磁作用时的磁力线分布图，由于此时在导磁桥8中电励磁磁场方向和永磁磁场方向相反，一方面阻碍了部分永磁磁场经过导磁桥8形成回路，另一方面，导磁桥8将处于非饱和状态，其等效电阻变小，因此，在注入绝对值相等的直流励磁磁势时，其增磁能力优于弱磁能力。
参见图7，利用有限元仿真分析，可得到空载情况下，电机在增磁（电励磁磁势为+950安匝）、纯永磁和弱磁（电励磁磁势为-950安匝）时的电枢绕组反电势波，本发明由于采用了导磁桥8为电励磁磁场提供了路径，当电机弱磁时，在导磁桥8中的永磁磁场和电励磁磁场的方向相同，加剧了导磁桥8的饱和程度，即增大的导磁桥8的等效磁阻使得该电机的弱磁能力降低，相反，当电机增磁时，在导磁桥8中的永磁磁场和电励磁磁场的方向相反，使导磁桥8处于非饱和状态，其等效磁阻大大减小，使得该电机的增磁能力更强。
实施例2
参见图8和图9，本发明实施例2与实施例1的区别是：在同一个内定子铁心5上的内侧的永磁体6和外侧的永磁体6之间的内定子铁心5上只开有一个扇形的内定子槽14。该一个内定子槽14的中心线也与内定子铁心5的中心线重合，内定子槽14的扇形圆心也与内定子铁心5的圆心重合。内定子槽14的开角仍为β=30o，外侧的永磁体6内边缘与该一个内定子槽14的外边缘相切，但内侧的永磁体6外边缘与该一个内定子槽14的内边缘之间留有距离，该一个内定子槽14与内侧的永磁体6之间的内定子铁心5是导磁桥8。每相邻两个内定子槽14之间的内定子铁心5形成内定子齿13。励磁绕组7放置在内定子槽14内，绕在内定子齿13上（而实施例1中的励磁绕组7是绕在所形成的导磁桥8上）。内定子槽14的外边缘线是弧线，半径为R 1 ，内定子槽14的内边缘线为直线。内侧的永磁体6到内定子槽14之间的最短距离为h mb ，即导磁桥8的径向长度h mb ，满足h mb = R 2 -R 3 （即等于实施例1中的导磁桥的径向长度）。导磁桥8的有效长度为永磁体6的宽度l pm 。
本发明实施例2的其他结构以及工作原理和实施例1雷同，不再赘述。实施例2的优势在于导磁桥8的有效长度较实施例1短，使得导磁桥2的磁阻小于实施例1中的磁阻，从而获得更优异的励磁效果以及更高的功率密度。
Claims (7)
1.一种双定子混合励磁电机，包括外定子（1）、中间转子、内定子和转轴（15），其特征是：所述中间转子由10个数量相同的转子导磁块（3）和非导磁材料（4）沿圆周方向交错布置固定连接而成，所述内定子由12个相同扇形结构的内定子铁心（5）侧面紧密贴合组成，所述外定子（1）具有12个外定子齿（12）；每个内定子铁心（5）的中心线位置的内外侧分别固定嵌入相同的永磁体（6），同一个内定子铁心（5）上的内外侧两个永磁体（6）均切向充磁，相邻两个内定子铁心（5）上的永磁体（6）充磁方向相反；同一个内定子铁心（5）上的内外侧两个永磁体（6）之间的内定子铁心（5）上开有扇形的内定子槽（14），内定子槽（14）内放置励磁绕组（7）。
2.根据权利要求1所述的一种双定子混合励磁电机，其特征是：所述的内定子槽（14）有内外两个，外侧的永磁体（6）内边缘与外侧的内定子槽（14）的外边缘相切，内侧的永磁体（6）外边缘与内侧的内定子槽（14）的内边缘相切，
内外两个内定子槽（14）之间不连通，其间的内定子铁心（5）形成导磁桥（8），励磁绕组（7）放置在内外两个扇形槽（14）内并且绕在导磁桥（8）上。
3.根据权利要求1所述的一种双定子混合励磁电机，其特征是：所述的内定子槽（14）有一个，外侧的永磁体（6）内边缘与该内定子槽（14）的外边缘相切，内侧的永磁体（6）外边缘与该内定子槽（14）的内边缘之间留有距离，内定子槽（14）与内侧的永磁体（6）之间的内定子铁心（5）形成导磁桥（8）；相邻两个内定子槽（14）之间的内定子铁心（5）形成内定子齿（13），励磁绕组（7）放置在内定子槽（14）内并且绕在内定子齿（13）上。
4.根据权利要求1所述的一种双定子混合励磁电机，其特征是：内定子槽（14）的中心线与内定子铁心（5）的中心线重合，内定子槽（14）的扇形圆心与内定子铁心（5）的圆心重合。
5.根据权利要求1所述的一种双定子混合励磁电机，其特征是：内定子槽（14）所占弧度为30o。
6.根据权利要求1所述的一种双定子混合励磁电机，其特征是：励磁绕组（7）有12个集中绕组线圈，相邻两个励磁绕组（7）的线圈绕线方向相反。
7.根据权利要求2所述的一种双定子混合励磁电机，其特征是：两个内定子槽（14）的内表面积相等。
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