CN109951038B

CN109951038B - 双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机

Info

Publication number: CN109951038B
Application number: CN201910162958.3A
Authority: CN
Inventors: 李健; 王凯; 刘闯
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2020-07-24
Anticipated expiration: 2039-03-05
Also published as: CN109951038A

Abstract

本发明公开了一种双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机，包括定子、转子、切向磁钢、导磁桥、电枢绕组和励磁绕组。电枢绕组和励磁绕组均为交流绕组，分别绕制在定子中的定子槽两侧；其中，电枢绕组极对数与励磁绕组极对数相等，且均等于转子极对数；切向磁钢沿周向均匀内置在转子中，相邻两个切向磁钢的充磁方向相反；在每个切向磁钢的顶部、底部或中部均设置有导磁桥。本发明通过控制定子中励磁绕组的交流电流，产生与转子同步旋转的励磁磁场，从而实现无刷交流励磁；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，提高电机的输出能力；同时还能提高电机空间和材料利用率。

Description

双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机

技术领域

本发明涉及电机设计领域，特别是一种双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机。

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。其中，切向磁钢永磁电机的每极磁通由两个切向充磁的永磁体产生，具有聚磁效应，从而有着高转矩密度和永磁材料利用率。尽管如此，该电机的弱磁只能通过在电枢绕组中施加负的直轴电流分量（-i _d）来实现，使得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，而提供一种双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机，该双边励磁型切向磁钢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，切向磁钢位于转子上。另外还设置有导磁桥，其为交流励磁磁场提供低磁阻路径，使得交流励磁磁势和永磁磁势呈并联关系，即避免了电励磁引起的不可逆退磁，有利于磁场调节。进一步，转子交轴磁路上设有磁障，降低了电枢反应对交流励磁磁场及永磁磁场的影响，提高了电机的输出能力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机，包括定子、转子、切向磁钢、导磁桥、电枢绕组和励磁绕组；定子与转子之间具有间隙。

电枢绕组和励磁绕组均为交流绕组，分别绕制在定子中的定子槽两侧；其中，电枢绕组极对数与励磁绕组极对数相等，且均等于转子极对数。

切向磁钢沿周向均匀内置在转子中，相邻两个切向磁钢的充磁方向相反；每个切向磁钢均为长边沿径向布设的条状磁钢。

在每个切向磁钢的顶部、底部或中部均设置有导磁桥。

通过控制定子中励磁绕组的交流电流，产生与转子同步旋转的励磁磁场，从而实现无刷交流励磁。

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，当励磁绕组产生在导磁桥的磁场方向与切向磁钢的磁化方向相同时，电机工作在增磁模式；当励磁绕组产生在导磁桥的磁场方向与切向磁钢的磁化方向相反时，电机工作在弱磁模式。

转子的交轴磁路上设置有磁障，用于增大交轴磁路的磁阻，降低电枢反应对交流励磁磁场及永磁磁场的影响，从而提高电机的输出能力。

磁障为表面交轴磁障，表面交轴磁障设置在与切向磁钢位置相对应的转子外侧表面。

磁障为内置交轴磁障，内置交轴磁障设置在位于相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上。

磁障包括表面交轴磁障和内置交轴磁障，其中，表面交轴磁障设置在与切向磁钢位置相对应的转子外侧表面；内置交轴磁障设置在位于相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上。

表面交轴磁障和内置交轴磁障均为气隙或非导磁材料。

每个切向磁钢均由若干块分段磁钢拼接形成。

切向磁钢为平行充磁。

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、通过控制定子中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交流励磁。

2、利用转子中的导磁桥，为交流励磁磁场提供低磁阻路径，使得交流励磁磁势和永磁磁势呈并联关系，即避免了电励磁引起的不可逆退磁，有利于磁场调节。交流励磁磁势和永磁磁势呈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），而经过转子铁心和导磁桥，也即导磁桥为电励磁磁场提供低磁阻路径。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。交流励磁磁势和永磁磁势呈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、而且，无励磁磁动势时，永磁主磁场在转子内部自闭合，故障灭磁简单。

4、无附加磁路和附加气隙，结构简单、励磁效率高。

5、交流的励磁绕组和永磁体分别位于定子和转子上，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。

6、转子交轴磁路上设有磁障，降低了电枢反应对交流励磁磁场及永磁磁场的影响，提高了电机的输出能力。

7、本发明既可以为内转子电机，也可以为外转子电机。即可电动运行，也可发电运行。

8、本发明中的切向磁钢转子具有强聚磁效应，当使用铁氧体等低能量密度永磁体，也能获得较高的转矩/功率密度和效率。

附图说明

图1显示了实施例1中一种双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机的结构示意图。

图2a显示了实施例1中永磁磁场分布图。

图2b显示了实施例1中电励磁磁场分布图。

图3显示了实施例1中不同励磁模式下的空载反电动势。

图4显示了实施例2中磁障为表面交轴磁障时的无刷电机结构示意图。

图5显示了实施例3中磁障包括表面交轴磁障和内置交轴磁障时的无刷电机结构示意图。

图6显示了实施例4中导磁桥设置在切向磁钢顶部时的无刷电机结构示意图。

图7显示了实施例5中导磁桥设置在切向磁钢中部时的无刷电机结构示意图。

其中有：

1.定子；11.定子槽；12.电枢绕组；13.励磁绕组；

2.转子铁心；21.切向磁钢；22.导磁桥；23.表面交轴磁障；24.内置交轴磁障。

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。

本发明的双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机，既可以为内转子电机，也可以为外转子电机。具有如下几种优选实施例。

实施例1

以三相内转子电机m=3，N _s=24，p=3为例进行说明，其中，m表示电机相数，N _s表示定子槽数，p表示转子极对数。

如图1所示，一种双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机，包括定子1、转子、切向磁钢21、导磁桥22、电枢绕组12和励磁绕组13；定子与转子之间具有间隙。

本实施例中，定子和转子铁心均优选采用导磁材料。

电枢绕组和励磁绕组均为交流绕组，分别绕制在定子中的定子槽两侧。电枢绕组和励磁绕组的相对绕制位置可调换，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。

励磁绕组的相数可以与电枢绕组的相数相同，也可不同。本实施例中，电枢绕组的相数为图1中的A、B、C三相，励磁绕组的相数也为三相，分别为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°。

电枢绕组极对数与励磁绕组极对数相等，且均等于转子极对数p。

切向磁钢切也即切向磁化的永磁体，沿周向均匀内置在转子中，本实施例中，切向磁钢的数量为4。相邻两个切向磁钢的充磁方向相反。每个切向磁钢均优选为长边沿径向布设的条状磁钢。

切向磁钢本实施例中为平行充磁。

每个切向磁钢均优选由若干块分段磁钢拼接形成，从而降低切向磁钢的涡流损耗。

如图1所示，在每个切向磁钢的底部均设置有导磁桥，为交流励磁磁场提供低磁阻路径，使得交流励磁磁势和永磁磁势呈并联关系，为交流励磁磁场提供低磁阻路径，使得交流励磁磁势和永磁磁势呈并联关系，励磁绕组产生的磁通不经过永磁体，如图2b所示，这既避免了电励磁引起的不可逆退磁，又利于磁场调节。

从图2a可以看出，无励磁磁动势时（只有永磁体励磁），永磁主磁场在转子内部自闭合；因此，故障灭磁简单。

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。

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，当励磁绕组产生在导磁桥的磁场方向与切向磁钢的磁化方向相同时，电机工作在增磁模式；当励磁绕组产生在导磁桥的磁场方向与切向磁钢的磁化方向相反时，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3所示，本发明具有良好的调磁性能。

实施例2

在实施例1中转子的交轴磁路上设置磁障，以增加交轴磁路的磁阻，可以降低电枢反应对交流励磁磁场及永磁磁场的影响，从而提高电机的输出能力。

磁障可以为表面交轴磁障23，也可以是内置交轴磁障，表面交轴磁障和内置交轴磁障均优选为气隙或非导磁材料。

本实施例2中的磁障为表面交轴磁障，设在转子外侧表面，优选设置在与切向磁钢位置相对应的转子外侧表面，即增加交轴磁路的气隙，如图4所示。

实施例3

磁障同时包括表面交轴磁障和内置交轴磁障，也即在实施例2的基础上，增加了铁心内部的内置交轴磁障，如图5所示，设置在位于相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上。作为替换，磁障也可仅为内置交轴磁障。

实施例4

导磁桥设置在切向磁钢的顶部，如图6所示。

实施例5

导磁桥设置在分离的切向磁钢的中部，如图7所示。

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

1.一种双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机，其特征在于：包括定子、转子、切向磁钢、导磁桥、电枢绕组和励磁绕组；定子与转子之间具有间隙；

电枢绕组和励磁绕组均为交流绕组，分别绕制在定子中的定子槽的内侧和外侧；其中，电枢绕组极对数与励磁绕组极对数相等，且均等于转子极对数；

切向磁钢沿周向均匀内置在转子中，相邻两个切向磁钢的充磁方向相反；每个切向磁钢均为长边沿径向布设的条状磁钢；

在每个切向磁钢的顶部或底部、分离切向磁钢的中部均设置有导磁桥；利用转子中的导磁桥，为交流励磁磁场提供低磁阻路径，使得交流励磁磁势和永磁磁势呈并联关系，即避免了电励磁引起的不可逆退磁，有利于磁场调节；交流励磁磁势和永磁磁势呈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，而经过转子铁心和导磁桥，也即导磁桥为电励磁磁场提供低磁阻路径；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；交流励磁磁势和永磁磁势呈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；

通过控制定子中励磁绕组的交流电流，产生与转子同步旋转的励磁磁场，从而实现无刷交流励磁；无励磁磁动势时，永磁主磁场在转子内部自闭合，故障灭磁简单；

2.根据权利要求1所述的双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机，其特征在于：转子的交轴磁路上设置有磁障，用于增大交轴磁路的磁阻，降低电枢反应对交流励磁磁场及永磁磁场的影响，从而提高电机的输出能力。

3.根据权利要求2所述的双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机，其特征在于：磁障为表面交轴磁障，表面交轴磁障设置在与切向磁钢位置相对应的转子外侧表面。

4.根据权利要求2所述的双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机，其特征在于：磁障为内置交轴磁障，内置交轴磁障设置在位于相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上。

5.根据权利要求2所述的双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机，其特征在于：磁障包括表面交轴磁障和内置交轴磁障，其中，表面交轴磁障设置在与切向磁钢位置相对应的转子外侧表面；内置交轴磁障设置在位于相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上。

6.根据权利要求5所述的双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机，其特征在于：表面交轴磁障和内置交轴磁障均为气隙或非导磁材料。

7.根据权利要求1所述的双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机，其特征在于：每个切向磁钢均由若干块分段磁钢拼接形成。

8.根据权利要求1所述的双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机，其特征在于：切向磁钢为平行充磁。

9.根据权利要求1所述的双边励磁型切向磁钢混合励磁无刷电机，其特征在于：定子和转子铁心均采用导磁材料。