CN110071614A - 一种双馈型电励磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈型电励磁同步电机，包括均为凸极结构的初级和次级，所述初级包括初级铁芯和初级绕组，所述初级铁芯包括初级铁芯齿和初级铁芯轭，所述初级绕组设置在所述初级铁芯齿之间形成的初级铁芯槽中，所述初级绕组包括励磁绕组和电枢绕组；所述次级包括次级铁芯，所述次级铁芯包括次级铁芯齿和次级铁芯轭，所述次级还包括次级绕组，所述次级绕组设置在次级铁芯齿之间形成的次级铁芯槽中，所述次级绕组包括次级电枢绕组。利用本发明，可以在不改变原有电机体积的基础上，通过励磁绕组产生励磁磁场，并充分利用电机的转子槽空间，安装次级绕组，使得电机具有初级和次级两套绕组，从而提高了电机的功率密度和调控灵活性。

Description

一种双馈型电励磁同步电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其是涉及一种双馈型电励磁同步电机。

背景技术

近年来，对于双凸极同步电机的研发正处于迅速发展阶段，相比其他类型的电机，双凸极同步电机具有结构简单、可靠性强的优势。其中，具有强励磁源的双凸极永磁同步电机具有功率密度较高的显著优点，但是由于稀土永磁体价格昂贵，双凸极永磁同步电机制造成本居高不下。相对而言，采用传统电励磁的方法替代永磁材料是更为经济的选择。此外，电励磁能够实现磁场强度和方向的灵活调控，且不存在永磁体的不可逆退磁风险。基于上述原因，双凸极电励磁同步电机在一些应用场合更受青睐。

其中，电励磁磁通切换型电机和开关磁阻电机是两类具有代表性的双凸极电励磁同步电机。电励磁的磁通切换型永磁电机由陈金涛、诸自强等人在2010年提出(Low costflux-switching brushless AC machines,IEEE Vehicle Power and PropulsionConference，2010)。这种电励磁的磁通切换型电机有一套定子绕组和一套励磁绕组。

传统的开关磁阻电机最初由英国Leeds大学和Nottingham大学在20世纪80年代提出(Variable-speed switched reluctance motors，Electric Power Applications,IEEProceedings B,1980)，这种开关磁阻电机只有一套定子绕组，这套定子绕组同时起励磁和电枢的作用。在2010年，刘旭和诸自强等人在原有开关磁阻电机的基础上，提出了新的电机结构(Analysis of average torque in switched reluctance motor with unipolarand bipolar excitation,VPPC,2010)，电机的定子上有两套绕组，分别起到励磁和电枢的作用。

如前所述，双凸极电励磁同步电机的缺陷之一是其转矩密度相对较低，如果能够保持其现有优点的同时进一步提升转矩密度，将大大增加该类电机的竞争力。

发明内容

基于现有技术存在的不足，本发明提出了一种双馈型电励磁同步电机，提升了双凸极电励磁同步电机的转矩密度，并且进一步提升双凸极电励磁同步电机的容错性和鲁棒性。

本发明的技术方案如下：

一种双馈型电励磁同步电机，包括均为凸极结构的初级和次级，所述初级包括初级铁芯和初级绕组，所述初级铁芯包括初级铁芯齿和初级铁芯轭，所述初级绕组设置在所述初级铁芯齿之间形成的初级铁芯槽中，所述初级绕组包括励磁绕组和初级电枢绕组；所述次级包括次级铁芯，所述次级铁芯包括次级铁芯齿和次级铁芯轭，

所述次级还包括次级绕组，所述次级绕组设置在次级铁芯齿之间形成的次级铁芯槽中，所述次级绕组包括次级电枢绕组。

下面给出通过应用本发明技术产生有益效果的两种具有不同的初级铁芯槽的双馈型电励磁同步电机，但是本发明不限于这两种电励磁同步电机。

第一种初级铁芯槽的结构如下：

所述初级铁芯槽中设有初级电枢绕组，且至少一个所述初级铁芯槽中同时设有初级电枢绕组和励磁绕组；

每个初级励磁绕组的两条线圈边之间的初级铁芯齿数至少为1个，且等于初级电枢绕组相数。

第二种初级铁芯槽的结构如下：

所述初级铁芯槽包括第一初级铁芯槽和第二初级铁芯槽，所述第一初级铁芯槽用于承载初级电枢绕组，所述第二初级铁芯槽用于承载励磁绕组，所述初级铁芯由若干块初级铁芯块沿周向组合而成，相邻两块初级铁芯之间通过导磁桥连接或直接断开；

所述的初级铁芯块为U形结构或者E形结构。

其中，第一初级铁芯槽指的是每块初级铁芯块内部的槽，第二初级铁芯槽指的是相邻两块初级铁芯块之间通过导磁桥连接或直接断开时构成的槽。

为了进一步提高电机的功率密度，在第一种初级铁芯槽结构的双馈型电励磁同步电机中，在至少一个初级铁芯齿上朝向初级铁芯槽的侧面至少设置1个小齿。在第二种初级铁芯槽结构的双馈型电励磁同步电机中，在至少一个初级铁芯齿上朝向第一初级铁芯槽的侧面至少设置1个小齿，而在第二初级铁芯槽的侧面不设置小齿。

本发明的双馈型电励磁同步电机可以为直线结构或者旋转结构。

如果电机为直线结构，初级电枢绕组线圈数为N_p，磁极数为n_p，初级电枢绕组相数m_p，次级电枢绕组相数m_s，和初级相同长度范围内的次级铁芯齿数n_s，次级电枢绕组线圈数为N_s，满足：

其中，k₁和k₂为正整数，HCF为最大公约数函数。

如果电机为旋转结构，初级可以设在次级外部或内部，电机旋转部分为初级或次级。初级电枢绕组线圈数为N_p，磁极数为n_p，初级电枢绕组相数m_p，次级电枢绕组相数m_s，次级铁芯齿数n_s，次级电枢绕组线圈数为N_s，满足：

其中，k₃和k₄为正整数，HCF为最大公约数函数。

本发明中，所述初级和次级，一个为静止部分，另一个为运动部分。当所述双馈型电励磁同步电机工作在电动模式时，所述运动部分的绕组通过电刷和滑环装置与电源相连进行供电，或通过固定于运动部分的独立电源供电，或采用无线充电；当所述双馈型电励磁同步电机工作在发电模式时，所述运动部分的绕组通过电刷和滑环装置将电流输出。

为了实现初级、次级的电枢绕组电流可调功能，提升电机调控的灵活性，本发明中，所述双馈型电励磁同步电机还包括控制系统，所述控制系统包括监测装置和控制装置，用于调控所述初级绕组中初级电枢绕组和所述次级绕组中次级电枢绕组上的电流。所述监测装置包括温度传感器和/或电流传感器，所述控制装置包括变流器。例如，当初级铜耗较大时，温度传感器监测到温度上升到状态切换值，所述变流器的判断模块根据传感器的输出信号做出判断，变流器控制器中初级和次级电枢绕组控制模块进行相应的电流调节。所述变流器的驱动模块根据变流器控制器的输出信号，驱动功率管开关状态，，实现对电流的幅值、相位等进行相应的调节。

为了实现所述初级绕组励磁功能和电枢功能的切换，本发明所述双馈型电励磁同步电机还包括控制系统，所述控制系统包括监测装置和控制装置，用于实现所述初级绕组中励磁功能和电枢功能的切换；所述监测装置包括电流传感器，所述控制装置包括变流器。例如，当电流传感器监测到初级励磁绕组故障时，变流器执行初级励磁绕组切出指令。同时，变流器控制器切换初级电枢绕组的控制算法，使其调制波从交流调制波变为直流调制波。所述变流器的驱动模块根据变流器控制器的输出信号，驱动功率管开关状态，使初级电枢绕组中通过的电流从交流变为直流，起到励磁作用。

相比现有技术，本发明实现了以下显著进步：

1、本发明提出一种新型的双馈型电励磁同步电机，通过在次级上设置次级绕组，实现电机转矩密度的突破性提升，并且充分利用了磁极铁芯槽内空间，使得电机结构更加紧凑。

2、本发明通过在次级上设置次级绕组，分担了初级电枢绕组上的电流，从而有效降低绝缘温度、提升绝缘寿命，同时大大降低了电机散热设计的难度和冷却硬件设备的要求。

3、本发明通过设置监测装置和控制装置，实现初级、次级的电枢绕组电流可调功能，大大提升了电机调控的灵活性，在电机运行过程中实现转矩、效率等的优化。基于电流可调功能还能进一步提升电机的鲁棒性，例如，当初级侧的冷却部分失效时，可以通过减小初级电枢绕组电流、增加次级电枢绕组电流的手段，减轻初级侧的热负荷，从而使得电机在温升限制内继续运行。

4、本发明通过设置监测装置和控制装置，可实现所述初级绕组励磁功能和电枢功能的切换。因此，当初级上任意一套绕组失效时，电机仍能够运行，进一步提升电机的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明实施例1中初级12槽/次级10槽的双馈型电励磁同步电机结构示意图；

图2为实施例1中双馈型电励磁同步电机初级和次级绕组匝链的每相磁链随次级位置的变化波形；

图3为实施例1中的双馈型电励磁同步电机与传统电励磁同步电机的电磁转矩对比图；

图4为实施例1中初级铁芯块为E型结构的双馈型电励磁同步电机结构示意图；

图5为实施例1中不同结构的双馈型电励磁同步电机在初级铁芯齿的顶部设置小齿的示意图；

图6为实施例1中相邻两块初级铁芯之间不同的连接关系示意图；

图7为本发明实施例2中初级铁芯为一体结构的双馈型电励磁同步电机；

图8为实施例2中双馈型电励磁同步电机初级和次级绕组匝链的每相磁链随次级位置的变化波形；

图9为实施例2中双馈型电励磁同步电机与传统电励磁同步电机的电磁转矩对比图；

图10为本发明实施例2中采用直线结构的双馈型电励磁同步电机结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

本实施例主要介绍初级铁芯由若干块初级铁芯块沿周向组合而成的情形。

如图1所示，为一台初级十二槽/次级十槽的双馈型电励磁同步电机，包括初级、次级和轴3：初级位于次级外部；次级固定于轴3上；初级包括初级铁芯1、励磁绕组41和初级电枢绕组42；其中，初级铁芯1由十二块初级铁芯块组合而成，相邻两块初级铁芯块之间通过导磁桥7连接；每个初级铁芯块包括初级铁芯轭11和初级铁芯齿12；

初级铁芯齿12之间构成第一初级铁芯槽8和第二初级铁芯槽9，其中，第一初级铁芯槽8指的是每块初级铁芯块内部的槽，第二初级铁芯槽9指的是相邻两块初级铁芯块之间通过导磁桥7连接时构成的槽。初级电枢绕组42设置在第一初级铁芯槽8中，励磁绕组41设置在第二初级铁芯槽9中。

次级包括次级铁芯2和次级绕组6；次级铁芯2为凸极结构，包括次级铁芯轭21和次级铁芯齿22，次级绕组6设置在次级铁芯齿22之间形成的次级铁芯槽中。

图1中，初级铁芯1和次级铁芯2材料采用硅钢片，以减小铁耗，初级铁芯块为“U”型结构。

励磁绕组41通入电流后，产生沿圆周切向的磁场，且磁场方向沿圆周交替变化，形成聚磁式结构，提高了电机的气隙磁密，节约了永磁材料用量。

本方案中，初级电枢绕组42和次级绕组6均采用双层集中式电枢绕组，初级线圈两边放在相邻两个初级铁芯槽中，次级线圈两边放在相邻两个次级铁芯槽中，相隔四分之一圆周的4个初级线圈串联组成一相初级绕组，相隔半个圆周的2个次级线圈串联组成一相次级绕组。次级绕组6通过电刷和滑环装置与电源相连进行供电。励磁绕组41采用单层集中式励磁绕组，线圈绕在导磁桥7上，上下通入电流相反，且随圆周切向交替变化。

图1中的双馈型电励磁同步电机的运行原理如下：

当电机次级处于不同位置时，初级铁芯齿12和次级铁芯齿22之间的磁导不同，缠绕在齿上的线圈匝链的磁链也不同。对于初级绕组，当次级铁芯齿22中心线几乎与初级铁芯齿12中心线对齐时，缠绕在该励磁绕组41上的初级线圈匝链的励磁磁链为正最大值或负最大值。当次级铁芯齿22中心线或次级铁芯槽中心线与励磁绕组41相对时，缠绕在该励磁绕组41上的初级线圈匝链的励磁磁链为零。

对于次级绕组，当次级铁芯齿22中心线与励磁绕组41相对时，缠绕在该次级齿上的次级线圈匝链的励磁磁链为零；当次级铁芯齿22中心线与初级铁芯槽中心线相对时，缠绕在该次级铁芯齿22上的次级线圈匝链的励磁磁链为正最大值或负最大值。如图2所示，当次级连续转动时，初级和次级线圈匝链的磁链按照近似正弦的规律变化，因此会感应出近似正弦、双极性的反电动势。在初级和次级绕组中通入电流时，就可以实现机电能量转换。

如图3所示，在相同的铜耗下，相比不加次级绕组的电励磁电机，本发明所提出的双馈型电励磁同步电机的平均电磁转矩提升了约30％。当本实施例的双馈型电励磁同步电机初级电枢绕组或次级电枢绕组故障时，即电枢绕组仅有初级电枢绕组或者次级电枢绕组工作时，转矩仍能达到无故障运行时的70％左右。

图1中的每个初级铁芯块为“U”型结构，初级铁芯块也可以为“E”型结构，参见图4。

为了进一步提高电机的功率密度，在至少一个初级铁芯齿上朝向初级铁芯槽的侧面至少设置1个小齿，如图5所示，图5中(a)为初级铁芯块为“U”型结构时在第一初级铁芯槽8的侧面设置小齿13的情形，图5中(b)、(c)(d)为初级铁芯块为“E”型结构时在第一初级铁芯槽8的侧面设置小齿13的三种情形。

初级铁芯由若干块初级铁芯块沿周向组合而成，相邻两块初级铁芯块之间通过导磁桥7连接或直接断开；其中，相邻两块初级铁芯之间的关系如图6所示，图6中，(a)为导磁桥7设置在初级铁芯齿12的齿身部位，(b)为导磁桥7设置在初级铁芯齿12靠近初级铁芯轭11的位置，(c)为导磁桥7设置在初级铁芯齿12靠近齿端的位置，(d)为不设导磁桥的情况，相邻两块初级铁芯块直接断开。

为了实现初级、次级的电枢绕组电流可调功能，提升电机调控的灵活性，本发明中，双馈型电励磁同步电机还包括控制系统，控制系统包括监测装置和控制装置，用于调控初级绕组中电枢绕组和次级绕组中电枢绕组上的电流。

监测装置包括温度传感器和/或电流传感器，控制装置包括变流器，变流器的判断模块根据传感器的输出信号做出判断，变流器的驱动模块根据判断指令对电流的幅值、相位等进行相应的调节。

实施例2

不同于实施例1中初级铁芯1为分块组合结构，本实施例主要介绍初级铁芯为一体结构的情形。

如图7所示，为一台初级六槽/次级四槽的双馈型电励磁同步电机，

本方案中，初级绕组4既作为励磁绕组也作为电枢绕组。初级绕组4采用双层集中式电枢绕组，次级绕组6采用单层分布式电枢绕组。初级线圈两边放在相邻两个初级铁芯槽中，次级线圈两边所在的次级槽相差两个齿，一个次级槽，相隔半个圆周的2个初级线圈串联组成一相初级绕组。本方案中，次级为旋转部分，次级绕组6通过电刷和滑环装置与电源相连进行供电。其运行原理如下：

位于定子侧的绕组施加励磁电流时，会在电机中产生磁场。当电机次级处于不同的位置时，初级与次级之间的磁阻随之变化，磁回路的磁阻发生变化，初级绕组4与次级绕组5中的磁通会发生周期性的变化，初级绕组4的磁链呈单极性，次级绕组5的磁链呈双极性，如图8所示，进而在初级绕组4和次级绕组5中分别感应出反电动势，在初级绕组4和次级绕组5中分别通以适当的电枢电流，就可以实现机电能量转换。

如图9所示，在相同的铜耗下，相比不加次级绕组的电励磁电机，本发明所提出的双馈型电励磁同步电机的平均电磁转矩提升了约30％。当本实施例的双馈型电励磁同步电机次级绕组开路时，即仅有初级绕组工作的情况下，转矩仍能达到无故障运行时的60％左右。

为了实现初级绕组4励磁功能和电枢功能的切换，本发明双馈型电励磁同步电机还包括控制系统，控制系统包括监测装置和控制装置，用于实现所述初级绕组中励磁功能和电枢功能的切换。监测装置包括电流传感器，控制装置包括变流器，变流器的判断模块根据电流传感器的输出信号做出判断，变流器的驱动模块根据判断指令实现所述初级绕组上交流和直流之间的切换。

如图10所示，为采用直线结构的双馈型电励磁同步电机，初级绕组4包括初级励磁绕组41和初级电枢绕组42，次级绕组6采用单层分布式电枢绕组。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种双馈型电励磁同步电机，包括均为凸极结构的初级和次级，其特征在于，所述初级包括初级铁芯和初级绕组，所述初级铁芯包括初级铁芯齿和初级铁芯轭，所述初级绕组设置在所述初级铁芯齿之间形成的初级铁芯槽中，所述初级绕组包括励磁绕组和初级电枢绕组；所述次级包括次级铁芯，所述次级铁芯包括次级铁芯齿和次级铁芯轭，

所述次级还包括次级绕组，所述次级绕组设置在次级铁芯齿之间形成的次级铁芯槽中，所述次级绕组包括次级电枢绕组。

2.根据权利要求1所述的双馈型电励磁同步电机，其特征在于，所述初级铁芯槽中设有初级电枢绕组，且至少一个所述初级铁芯槽中同时设有初级电枢绕组和励磁绕组；

每个励磁绕组的两条线圈边之间的初级铁芯齿数至少为1个，且等于初级电枢绕组相数。

3.根据权利要求1所述的双馈型电励磁同步电机，其特征在于，所述初级铁芯槽包括第一初级铁芯槽和第二初级铁芯槽，所述第一初级铁芯槽用于承载初级电枢绕组，所述第二初级铁芯槽用于承载励磁绕组，所述初级铁芯由若干块初级铁芯块沿周向组合而成，相邻两块初级铁芯之间通过导磁桥连接或直接断开。

4.根据权利要求3所述的双馈型电励磁同步电机，其特征在于，在至少一个初级铁芯齿上朝向第一初级铁芯槽的侧面至少设置1个小齿。

5.根据权利要求1-4任一项所述的双馈型电励磁同步电机，其特征在于，电机为直线结构，初级电枢绕组线圈数为N_p，磁极数为n_p，初级电枢绕组相数m_p，次级电枢绕组相数m_s，和初级相同长度范围内的次级铁芯齿数n_s，次级电枢绕组线圈数为N_s，满足：

其中，k₁和k₂为正整数，HCF为最大公约数函数。

6.根据权利要求1-4任一项所述的双馈型电励磁同步电机，其特征在于，电机为旋转结构，初级电枢绕组线圈数为N_p，磁极数为n_p，初级电枢绕组相数m_p，次级电枢绕组相数m_s，次级铁芯齿数n_s，次级电枢绕组线圈数为N_s，满足：

其中，k₃和k₄为正整数，HCF为最大公约数函数。

7.根据权利要求1-4任一项所述的双馈型电励磁同步电机，其特征在于，所述初级和次级，一个为静止部分，另一个为运动部分，当所述双馈型电励磁同步电机工作在电动模式时，所述运动部分的绕组通过电刷和滑环装置与电源相连进行供电，或通过固定于运动部分的独立电源供电，或采用无线充电；当所述双馈型电励磁同步电机工作在发电模式时，所述运动部分的绕组通过电刷和滑环装置将电流输出。

8.根据权利要求1所述的双馈型电励磁同步电机，其特征在于，所述双馈型电励磁同步电机还包括控制系统，所述控制系统包括监测装置和控制装置，用于调控所述初级绕组中初级电枢绕组和所述次级绕组中次级电枢绕组上的电流。

9.根据权利要求8所述的双馈型电励磁同步电机，其特征在于，所述监测装置包括温度传感器和/或电流传感器，所述控制装置包括变流器，所述变流器的判断模块根据传感器的输出信号做出判断，所述变流器的驱动模块根据判断指令对电流的幅值、相位进行相应的调节。

10.根据权利要求1所述的双馈型电励磁同步电机，其特征在于，所述双馈型电励磁同步电机还包括控制系统，所述控制系统包括监测装置和控制装置，用于实现所述初级绕组中励磁功能和电枢功能的切换。

11.根据权利要求10所述的双馈型电励磁同步电机，其特征在于，所述监测装置包括电流传感器，所述控制装置包括变流器，所述变流器的判断模块根据电流传感器的输出信号做出判断，所述变流器的驱动模块根据判断指令实现所述初级绕组上交流和直流之间的切换。