CN109831081A - 采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机，包括转子和定子；转子为内置式交替极转子，沿周向均匀内置若干组永磁体极对；相邻两组永磁体极对之间的转子铁心形成铁心极；定子槽一侧绕制励磁绕组，励磁绕组的极数等于铁心极的极数；定子槽另一侧绕制电枢绕组，电枢绕组的极数等于永磁极与铁心极的极数之和；通过控制励磁绕组的交流电流，产生与转子同步旋转的励磁磁场，实现无刷励磁。另励磁绕组位于定子上，永磁体位于转子上，通过双边励磁显著降低几何约束程度，提高了电机空间和材料利用率。由于永磁极均按极对周向均匀设置，故不存在单极性漏磁以及机械部件被磁化的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电机设计领域，特别是一种采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机。
背景技术
永磁电机具有高转矩密度、高功率密度和高效率等优点，已在许多场合得到应用。根据永磁体位置分类，永磁电机分为转子永磁型电机和定子永磁型电机。其中，转子永磁型电机又可分为表贴式永磁电机和内置式永磁电机。由于内置式永磁电机容易获得大的凸极率和磁阻转矩分量，从而可以获得比表贴式永磁电机更好的恒功率运行能力。然而，永磁电机的弱磁是通过在电枢绕组中施加负的直轴电流分量（-i d ）来实现，永磁体有着不可逆退磁的风险，且弱磁能力有限。
混合励磁电机具有两个磁势源（励磁绕组和永磁体），即具备电励磁电机磁场调节方便的优点，又具有永磁电机的高功率密度和高效率等优点。因此，混合励磁电机在电动汽车和航空航天等宽转速范围运行场合有着很大的应用潜力。
现有的混合励磁电机（无论是转子永磁型还是定子永磁型）都采用直流励磁。其中，转子永磁型混合励磁电机实现无刷化励磁的方式主要有如下三种：
（1）借助附加磁路和导磁部件来构建电励磁回路。这种励磁方式结构复杂，调磁效率和功率密度都受到限制。
（2）采用专门的励磁机和旋转整流器来实现两级式无刷励磁。这种励磁方式结构复杂、可靠性低。
（3）将定子电励磁电机与转子永磁型电机并列组合。这种励磁方式的结构仍过于复杂，空间利用率低和功率密度低。
另外，定子永磁型混合励磁电机将直流励磁绕组设置于定子，无刷化励磁简单可靠；进一步，该类电机转子无源，导致定子几何约束严重，电机材料利用率低和励磁效率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机，该采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机采用无刷交流励磁，且励磁绕组和电枢绕组都位于定子上，永磁体位于转子上，通过双边励磁显著降低几何约束程度，提高了电机空间和材料利用率。本发明的电机，尽管也是永磁极和铁心极交替排列，但其永磁极都是按极对周向均匀设置。因此不存在单极性漏磁以及机械部件被磁化的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机，包括转子和同轴套装在转子外侧或内侧的定子，定子与转子之间具有气隙。
转子为内置式交替极转子，转子沿周向均匀内置有若干组永磁体极对，每组永磁体极对包括两个充磁相反的永磁体，每个永磁体为一个永磁极；相邻两组永磁体极对之间的转子铁心形成铁心极。
定子沿周向均匀布设有若干个定子槽。
定子槽的一侧绕制有励磁绕组，励磁绕组的极数等于铁心极的极数。
定子槽的另一侧绕制有电枢绕组，电枢绕组的极数等于永磁极与铁心极的极数之和。
电枢绕组和励磁绕组均为交流绕组。
通过控制定子中励磁绕组的交流电流，从而产生与转子同步旋转的励磁磁场。
气隙包括若干个气隙一和若干个气隙二，其中，气隙一与铁心极相对应，气隙二与对应铁心极相邻的永磁极相对应；通过控制励磁绕组电流中励磁分量的大小与方向来实现磁场的调节；当励磁绕组产生在气隙一处的磁场方向与气隙二处的磁场方向相反时，电机工作在增磁模式；当励磁绕组产生在气隙一处的磁场方向与气隙二处的磁场方向相同时，电机工作在弱磁模式。
每个永磁体均为“一”字型、V型、W型、U型和弧型中的一种。
每个永磁体均由若干块分段永磁体拼接而成。
永磁体均为平行或径向充磁。
定子和转子铁心均采用导磁材料。
本发明具有如下有益效果：
1、通过控制定子励磁绕组的交流电流，产生与转子同步旋转的励磁磁场，从而实现简单可靠的无刷化励磁。
2、利用内置交替极转子中的交替极结构，使得交流励磁磁势和永磁磁势呈并联关系，并联关系一方面表现在：励磁绕组产生的磁通不经过永磁体（注：永磁体的磁阻远大于铁心的磁阻），而经过铁心极。因此，即避免了电励磁引起的永磁体退磁问题，又利于磁场调节。换言之，交替极结构的铁心极为电励磁磁场提供低磁阻路径。并联关系的另一方面表现在：通过励磁绕组极对数和电枢绕组极对数的协助配合，也即定转子共同配合实现。
3、无附加磁路和附加气隙，结构简单、励磁效率高。
4、励磁绕组位于定子上，而永磁体位转子上，通过双边励磁显著降低几何约束程度，提高了电机空间和材料利用率。
5、本发明的电机，尽管也是永磁极和铁心极交替排列，但其永磁极都是按极对周向均匀设置。因此不存在单极性漏磁以及机械部件被磁化的问题。
6、本发明的电机，既可以作电动运行，又可以作发电运行。
附图说明
图1显示了实施例1中采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机的优选结构示意图。
图2显示了实施例1中永磁磁场分布图。
图3显示了实施例1中电励磁磁场分布图。
图4显示了实施例1中不同励磁模式下的空载反电动势图。
其中有：
1.定子；
11.定子槽；12，电枢绕组；13，励磁绕组；
2.转子；
21.永磁体；22.铁心极。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
本发明中的一种采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机，既可以为内转子电机，也可以为外转子电机。
实施例1 内转子电机，以三相内转子电机m=3，N s =36，p=3为例进行说明，其中，m表示电机相数，N s 为定子槽数，p为电机极对数。
如图1所示，一种采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机，包括转子2和同轴套装在转子内侧的定子1。
转子为内置式交替极转子，转子沿周向均匀内置有若干组永磁体极对，本实施例中，永磁体极对数则为两组或两对。
本发明的电机，尽管也是永磁极和铁心极交替排列，但其永磁极都是按极对周向均匀设置。因此不存在单极性漏磁以及机械部件被磁化的问题。
每组永磁体极对包括两个充磁相反的永磁体21，每个永磁体为一个永磁极；相邻两组永磁体极对之间的转子铁心形成铁心极22。本实施例中，永磁极的极数为4，也即极对数为2；铁心极的极数为2，也即极对数为1。
上述每个内置的永磁体可以为 “一”字型、V型、W型、U型、弧型，也可以为多层混合型。另外，每个永磁体均优选由若干块分段永磁体拼接而成，从而降低永磁体的涡流损耗。
进一步，永磁体均优选为平行或径向充磁。
进一步，上述定子和转子铁心均优选采用导磁材料。
定子沿周向均匀布设有若干个定子槽11，本实施例中，定子槽数量为N s =36。
定子槽的一侧绕制有励磁绕组13，本实施例中的励磁绕组，优选绕组在图1中的定子槽内侧，但作为替换，也可绕组在定子槽外侧。
上述励磁绕组为交流绕组，励磁绕组的极数等于铁心极的极数。本实施例中，励磁绕组的极数为2，也即极对数为1。
本实施例中的三相交流励磁绕组为X、Y、Z，图1中只画出X相绕组，X、Y、Z相按逆时针依次相差120°。
定子槽的另一侧绕制有电枢绕组12，本实施例中的电枢绕组优选绕制在图1中的定子槽外侧，但作为替换，也可绕组在定子槽内侧。
也就是说，电枢绕组和励磁绕组的相对位置可调换，即电枢绕组在槽内侧时励磁绕组在槽外侧，或电枢绕组在槽外侧时励磁绕组在槽内侧。
上述电枢绕组也为交流绕组，电枢绕组的极数等于永磁极与铁心极的极数之和，也即等于电机极对数。本实施例中，电枢绕组的极数为6，也即极对数为3。因此，交流励磁磁势和永磁磁势呈并联关系，如图3所示，励磁绕组产生的磁通不经过永磁体（注：永磁体的磁阻远大于铁心的磁阻），即避免了电励磁引起的不可逆退磁，又利于磁场调节。另外，永磁磁场分布如图2所示。
本发明中具有两个励磁源，也即励磁绕组和永磁体。其中，电枢绕组用于做功。另外，本发明中的电励磁磁场是指电励磁（也即励磁绕组）单独作用（永磁不作用）时的磁场。永磁磁场是指永磁体单独作用（电励磁不作用）的磁场。
定子与转子之间具有气隙，气隙包括若干个气隙一和若干个气隙二，其中，气隙一与铁心极相对应，气隙二与对应铁心极相邻的永磁极相对应。
本发明中，通过控制定子中励磁绕组的交流电流，从而产生与转子同步旋转的励磁磁场，从而实现简单可靠的无刷化励磁。
通过控制励磁绕组电流中励磁分量的大小与方向来实现磁场的调节；当励磁绕组产生在气隙一处的磁场方向与气隙二处的磁场方向相反时，电机工作在增磁模式；当励磁绕组产生在气隙一处的磁场方向与气隙二处的磁场方向相同时，电机工作在弱磁模式。不同励磁模式下的空载反电动势如图4所示，调磁性能良好。
实施例2，外转子电机，定子同轴套装在转子外侧，其余与实施例1基本相同。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机，其特征在于：包括转子和同轴套装在转子外侧或内侧的定子，定子与转子之间具有气隙；
转子为内置式交替极转子，转子沿周向均匀内置有若干组永磁体极对，每组永磁体极对包括两个充磁相反的永磁体，每个永磁体为一个永磁极；相邻两组永磁体极对之间的转子铁心形成铁心极；
定子沿周向均匀布设有若干个定子槽；
定子槽的一侧绕制有励磁绕组，励磁绕组的极数等于铁心极的极数；
定子槽的另一侧绕制有电枢绕组，电枢绕组的极数等于永磁极与铁心极的极数之和；
电枢绕组和励磁绕组均为交流绕组；
通过控制定子中励磁绕组的交流电流，从而产生与转子同步旋转的励磁磁场。
2.根据权利要求1所述的采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机，其特征在于：气隙包括若干个气隙一和若干个气隙二，其中，气隙一与铁心极相对应，气隙二与对应铁心极相邻的永磁极相对应；通过控制励磁绕组电流中励磁分量的大小与方向来实现磁场的调节；当励磁绕组产生在气隙一处的磁场方向与气隙二处的磁场方向相反时，电机工作在增磁模式；当励磁绕组产生在气隙一处的磁场方向与气隙二处的磁场方向相同时，电机工作在弱磁模式。
3.根据权利要求1所述的采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机，其特征在于：每个永磁体均为“一”字型、V型、W型、U型、弧型或多层混合型。
4.根据权利要求2所述的采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机，其特征在于：每个永磁体均由若干块分段永磁体拼接而成。
5.根据权利要求2所述的采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机，其特征在于：永磁体均为平行或径向充磁。
6.根据权利要求1所述的采用双边励磁的内置交替极混合励磁无刷电机，其特征在于：定子和转子铁心均采用导磁材料。
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