CN110365131B - 一种三相对称的电励磁双凸极电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相对称的电励磁双凸极电机，电机具有新的定、转子极数配置，每个励磁元件跨四个定子极绕制，每相定子绕组的每个定子线圈的分布位置不同，使电机每相磁通路径整体一致，转子极锐角和钝角滑入滑出的个数相等，解决了传统电励磁双凸极电机因增加励磁槽面积而采用平行齿开槽方式导致的定、转子极不对称接触的问题，励磁绕组磁链也比较稳定，最终实现了双凸极电机的三相完全对称。该发明不必再采用传统电励磁双凸极电机为解决不对称接触而采用定子极左右对称的极靴设计，降低了工艺难度。该发明提出的电励磁双凸极电机三相对称，有效解决了传统三相电励磁双凸极电机转矩脉动大、电压波动大和电流不均衡的问题，具有较大的实用意义。

Description

一种三相对称的电励磁双凸极电机

技术领域

本发明涉及特种电机本体设计领域，尤其涉及一种三相对称的电励磁双凸极电机。

背景技术

上世纪90年代美国学者提出了永磁双凸极电机，电励磁双凸极电机正是在此基础上发展而来。电励磁双凸极电机转子结构简单、无绕组和永磁体，高温、高速运行能力强，以及定子上各相绕组在物理和电磁上独立，容错能力强、可靠性高的优点，又具有电励磁同步电机发电控制简单、控制电路可靠性高的优点，在航空航天、汽车舰船、风力发电等领域具有广阔的应用前景。

传统的三相电励磁双凸极电机通常采用6k/4k极结构(k为正整数)，每个励磁元件匝链3k整数倍相绕组，各相磁路不一致导致每相磁链变化率不同，因此反电势波形的对称性较差，该电机作为发电机运行时电压脉动大，作为电动机运行时存在转矩脉动和振动噪声较大的问题，进而引起电机性能的下降。

为解决三相电励磁双凸极电机各相磁链不对称造成的转矩脉动大、电压波动大和电流不均衡等问题，目前的相关研究已经取得了一定的成果。

一种是提出新的三相双凸极电机结构，例如中国发明专利：一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机及其控制系统，申请号：201510134898.6，公开了一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机及其控制系统，电机为12N/10N极结构，通过将该六相定子绕组中相位角相差180°的反电势波形存在互补性的两相绕组两两反向串联，构成U、V、W三相绕组，三相定子绕组的反电势波形对称性得到明显加强。中国发明专利：内外双定子双凸极无刷直流电机，申请号：200710020866.9，中国发明专利：三相（6/4N/4N/6）k结构双定子双凸极电机，申请号：201110073792.1，中国发明专利：一种内外双定子电励磁双凸极起动发电机，申请号：201210471608.3，均是采用双定子的方式，减小电机电压脉动，抑制转矩脉动。另一种是进行新的三相电励磁双凸极电机绕组设计，例如中国实用新型专利：一种三相双凸极电机电枢绕组结构，申请号：201520017005.5，公开了一种三相双凸极电机电枢绕组结构，所述励磁绕组两侧的定子极上缠绕的电枢绕组的匝数大于远离励磁绕组的定子极上缠绕的电枢绕组的匝数，改善电枢电流的不对称，降低转矩脉动。

以上技术中，中国发明专利：一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机及其控制系统，申请号：201510134898.6，定子的每个槽内都分布有一套励磁绕组，使得电机具有对称的相磁路，这样的励磁绕组分布解决了传统三相电励磁双凸极电机每三个定子极共用一套励磁绕组导致的本体固有的相磁路不对称问题，但由于励磁元件的明显增加，使得铜材消耗大，且励磁损耗增加。中国发明专利：内外双定子双凸极无刷直流电机，申请号：200710020866.9，中国发明专利：三相（6/4N/4N/6）k结构双定子双凸极电机，申请号：201110073792.1，中国发明专利：一种内外双定子电励磁双凸极起动发电机，申请号：201210471608.3，均是采用双定子的方式，但双定子的结构使得电机加工难度增大，工艺水平要求更高，电机可靠性变差。另外，以上技术中，一旦涉及为增加励磁槽面积而采用的平行齿开槽方式，势必将导致的定、转子极的不对称接触，需要采用定子极左右对称的极靴设计，增加了工艺难度。

发明内容

本发明为解决传统三相电励磁双凸极电机存在本体固有的相磁路不对称导致的转矩脉动大、电压波动大和电流不均衡等问题，采用如下技术方案：

一种三相对称的电励磁双凸极电机，包含壳体、定子、转子、转轴、第一轴承、第二轴承、前端盖和后端盖；

所述壳体为两端开口的空心柱状体，且内壁呈圆柱状；所述前端盖、后端盖分别和所述壳体的两端固连；所述端盖上设有供所述转轴穿出的通孔；

所述定子包括定子铁心、励磁元件以及A、B、C三相电枢绕组，定子铁心为凸极结构，设置有定子极，励磁元件以及A、B、C相电枢绕组嵌装在相对应的定子极中。定子铁心上设置的定子极数目为8n个，n取3的倍数。励磁元件的数目为2n个，n取3的倍数，分别跨四个定子极分布，且相邻励磁元件的极性相反，同时各励磁元件相互串联。每个励磁元件对应4个齿槽，与三相电枢绕组匝链，每个励磁元件下的电枢绕组按照所匝链的励磁元件的极性进行绕制，且励磁元件与其所匝链的电枢绕组的极性一致；每相绕组由8n/3个线圈组成，每相电枢绕组8n/3个线圈中，4n/3个线圈距励磁绕组较近，所匝链的磁路磁阻较小，另4n/3个线圈距励磁绕组较远，所匝链的磁路磁阻较大，由于各相电枢绕组皆由上述线圈串联组成，故整体组合后使得电机每相磁通路径一致；转子极锐角和钝角滑入滑出的个数相等，解决了传统电励磁双凸极电机因增加励磁槽面积而采用的平行齿开槽方式导致的定、转子极不对称接触。

所述转子铁心为双凸极结构，转子极数目为16n/3个，n取3的倍数。

所述壳体、定子铁心、转子铁心、转轴同轴设置，其中，所定子铁心的外壁和所述壳体的内壁固连；转轴一端通过所述第二轴承和所述后端盖的中心相连、另一端穿过所述前端盖中心的通孔且通过所述第一轴承和前端盖相连；

所述定子的定子极距为定子极弧长度的2倍，所述转子的极弧长度等于或者大于定子极弧长度。

所述定子和转子均为硅钢片冲压而成。

所述励磁绕组和A、B、C相电枢绕组均为集中式绕组。

所述一种三相对称的电励磁双凸极电机采用全桥变换器控制，A相、B相、C相三相定子电枢绕组采用Y形连接的方式连接到所述三相全桥变换器。为提高电机的容错运行能力，可采用H桥变换器控制，其中A相、B相、C相三相定子电枢绕组分别与H桥变换器的桥臂中点连接。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、每个励磁元件跨四个定子极绕制，每相定子绕组的每个定子线圈的分布位置不同，使得电机每相磁通路径整体一致，解决了传统电励磁双凸极电机各相磁路长短不一的结构引起的各相磁链不相等的问题。

2、每相转子极锐角和钝角滑入（滑出）的个数相等，解决了传统电励磁双凸极电机因增加励磁槽面积而采用的平行齿开槽方式导致的定、转子极不对称接触，励磁绕组磁链也比较稳定。

3、该发明不必再采用传统电励磁双凸极电机为解决不对称接触而采用定子极左右对称的极靴设计，降低了工艺难度。

4、解决了三相电励磁双凸极电机本身的的结构不对称导致的电机各相磁链不对称等问题，反电势更加对称，转矩脉动降低。

附图说明

图1为本发明24/16极结构的三相对称的电励磁双凸极电机的轴向剖视示意图；

图2为本发明24/16极结构的三相对称的电励磁双凸极电机的定子铁心及绕组立体分解视图；

图3为本发明24/16极结构的三相对称的电励磁双凸极电机的转子部分立体分解视图；

图4为本发明24/16极结构的三相对称的电励磁双凸极电机的立体分解视图；

图5传统24/16极结构的三相电励磁双凸极电机的磁路示意图；

图6本发明三相对称的电励磁双凸极电机的磁路示意图；

图7为传统三相电励磁双凸极电机的各相电枢绕组与励磁绕组互感图；

图8为本发明三相对称的电励磁双凸极电机各相电枢绕组与励磁绕组互感图；

图9为传统三相电励磁双凸极电机的磁链波形图；

图10为本发明三相对称的电励磁双凸极电机的磁链波形图；

图11为传统三相电励磁双凸极电机的带极靴的定子极；

图12为本发明三相对称的电励磁双凸极电机定子绕组与全桥变换器连接图；

图13是本发明三相对称的电励磁双凸极电机定子绕组与H桥变换器连接图；

图14为本发明三相对称的电励磁双凸极电机电动运行时控制策略的导通示意图；

图中，1-前端盖，2-壳体，3-定子铁心，4-励磁绕组，5-A相电枢绕组，6-B相电枢绕组，7-C相电枢绕组，8-转子铁心，9-第一轴承，10-第二轴承，11-转轴，12-后端盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明提供的一种三相对称的电励磁双凸极电机包含壳体、定子、转子、转轴、电枢绕组、励磁绕组前端盖和后端盖；所述壳体为两端开口的空心柱状体，且内壁呈圆柱状；所述前端盖、后端盖分别和所述转轴的两端固连，所述端盖上设有供所述转轴穿出的通孔；所述定子包括定子铁心、励磁绕组以及A、B、C三相电枢绕组，所述定子铁心在外，转子在内，定子铁心为凸极结构，设置有定子极，励磁元件以及A、B、C相电枢绕组嵌装在相对应的定子极中；定子铁心上设置的定子极数目为8n个，n取3的倍数；每跨四个定子极分布一个励磁绕组，且相邻励磁绕组的极性相反，同时各励磁绕组相互串联；所述转子铁心为凸极结构，转子极数目为16n/3个，n取3的倍数，转子极锐角和钝角滑入滑出的个数相等。

进一步的，每个励磁绕组对应4个定子齿槽，与三相电枢绕组匝链，每个励磁绕组下的电枢绕组按照所匝链的励磁绕组的极性进行绕制，且励磁元件与其所匝链的电枢绕组的极性一致；

每相电枢绕组由8n/3个线圈组成，每相绕组由8n/3个线圈组成，每相电枢绕组8n/3个线圈中，4n/3个线圈距励磁绕组较近，所匝链的磁路磁阻较小，另4n/3个线圈距励磁绕组较远，所匝链的磁路磁阻较大，由于各相电枢绕组皆由上述线圈串联组成，故整体组合后使得电机每相磁通路径一致；转子极锐角和钝角滑入滑出的个数相等，解决了传统电励磁双凸极电机因增加励磁槽面积而采用的平行齿开槽方式导致的定、转子极不对称接触。

进一步的，所述电机的转轴上还设有第一轴承和第二轴承，所述壳体、定子铁心、转子铁心、转轴同轴设置，其中，所述定子铁心的外壁和所述壳体的内壁固连；所述转轴一端通过所述第二轴承和所述后端盖的中心相连、另一端穿过所述前端盖中心的通孔且通过所述第一轴承和前端盖相连。所述定子的定子极距为定子极弧长度的2倍，所述转子的极弧长度等于或者大于定子极弧长度。

作为一种优选，所述定子和转子均为硅钢片冲压而成；，所述励磁绕组和电枢绕组均为集中式绕组。

相对于已有技术来说，本发明公开了一种三相对称的电励磁双凸极电机，电机具有新的定转子极数配置，定子极数目为8n个，转子极数目为16n/3个，n取3的倍数。每个励磁元件跨四个定子极绕制，不会增加额外的励磁元件而增加电机铜材。每相定子绕组的每个定子线圈的分布位置不同，使得电机每相磁通路径整体一致，且转子极锐角和钝角滑入滑出的个数相等，解决了传统电励磁双凸极电机因增加励磁槽面积而采用的平行齿开槽方式导致的定、转子极不对称接触。该发明不必再采用传统电励磁双凸极电机为解决不对称接触而采用定子极左右对称的极靴设计，降低了工艺难度。

实施例1

基于上述技术方案，本实施例以24/16极的电机作为例子，对本发明的具体技术细节做进一步说明。三相对称的24/16极电励磁双凸极电机，如图1、4所示，包含壳体、定子、转子、转轴、第一轴承、第二轴承、前端盖和后端盖；

如图4所示，所述壳体为两端开口的空心柱状体，且内壁呈圆柱状；所述前端盖、后端盖分别和所述壳体的两端固连；所述端盖上设有供所述转轴穿出的通孔；所述壳体、定子铁心、转子铁心、转轴同轴设置，其中，所述定子铁心的外壁和所述壳体的内壁固连；转轴一端通过所述第二轴承和所述后端盖的中心相连、另一端穿过所述前端盖中心的通孔且通过所述第一轴承和前端盖相连；

如图1、2所示，所述定子包括定子铁心、励磁元件以及A、B、C三相电枢绕组，定子铁心为凸极结构，设置有定子极，励磁元件以及A、B、C相电枢绕组嵌装在相对应的定子极中。所述励磁绕组和A、B、C相电枢绕组均为集中式绕组。定子铁心上设置的定子极数目为24个。励磁元件的数目为6个，分别跨四个定子极分布，且相邻励磁元件的极性相反，同时各励磁元件相互串联。每个励磁元件对应4个齿槽，与三相电枢绕组匝链，每个励磁元件下的电枢绕组按与励磁元件的极性相同进行绕制；每相绕组由8个线圈组成，每相绕组8个线圈距励磁元件距离不同，但每相定子绕组的8个线圈中皆有4个短磁路线圈和4个长磁路线圈，故整体组合后使得电机每相磁通路径一致；转子极锐角和钝角滑入滑出的个数相等，解决了传统电励磁双凸极电机因增加励磁槽面积而采用的平行齿开槽方式导致的定、转子极不对称接触。

如图1、3所示，所述转子铁心为双凸极结构，转子极数目为16个。

作为本发明一种三相对称的电励磁双凸极电机进一步的优化方案，所述三相对称的电励磁双凸极电机的定子和转子均由硅钢片冲压而成，所述定子的定子极距为定子极弧长度的2倍，所述转子的极弧长度等于或者大于定子极弧长度。

图5是传统三相电励磁双凸极电机的磁路示意图，图7为传统三相电励磁双凸极电机的各相电枢绕组与励磁绕组互感图，图9为传统三相电励磁双凸极电机的磁链波形图。该电机靠近励磁线圈的相磁路短，磁阻小，远离励磁绕组的相磁路长，磁阻大。造成各相电枢绕组与励磁绕组互感不等，三相磁链不对称，带来电机转矩脉动大、电压波动大和电流不均衡等问题。传统电励磁双凸极电机因增加励磁槽面积而采用的平行齿开槽方式导致的定、转子极不对称接触，通常将每个定子极都设计成如图11所示的极靴，且极靴的形状左右对称，实现定子极与转子极滑入和滑出过程的对称接触，但增加了工艺难度。

图6是本发明三相对称的电励磁双凸极电机的磁路示意图，从图6可以看出，该电机每相绕组8个线圈距励磁元件距离不同，但每相定子绕组的8个线圈中皆有4个短磁路线圈和4个长磁路线圈，故整体组合后使得电机每相磁通路径一致；且转子极锐角和钝角滑入（滑出）的个数相等，均为4个，解决了传统电励磁双凸极电机因增加励磁槽面积而采用的平行齿开槽方式导致的定、转子极不对称接触。图8为本发明三相对称的电励磁双凸极电机各相电枢绕组与励磁绕组互感图，图10为本发明三相对称的电励磁双凸极电机的磁链波形图。从图8可以看出，本发明提出的三相对称的电励磁双凸极电机相绕组和励磁绕组互感完全对称。从图10可以看出，本发明提出的三相对称的电励磁双凸极电机各相磁链对称，由于相绕组自感曲线和相绕组与励磁绕组互感曲线二者变化趋势几乎一致，自感曲线不再赘述。

图12是本发明电机三相定子绕组与三相全桥变换器连接图。A相、B相、C相三相定子电枢绕组采用Y形连接的方式连接到所述三相全桥变换器，可构成三相对称的电励磁双凸极电机主控制电路。为提高电机的容错运行能力，可采用H桥变换器控制，如图13所示，其中A相、B相、C相三相定子电枢绕组分别与H桥变换器的桥臂中点连接，各相相互独立控制,当其中一相出现故障时,不会影响其他相工作。

图14是本发明三相对称的电励磁双凸极电机电动运行时控制策略的导通示意图。在给励磁绕组通以正向的励磁电流后,控制器根据位置传感器检测的信号控制变换器给电感上升的相通正向电流,给电感下降的相通负向电流,电机即可以作为电动机运行。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三相对称的电励磁双凸极电机，其特征在于，包含壳体、定子、转子、转轴、电枢绕组、励磁绕组前端盖和后端盖；

所述壳体为两端开口的空心柱状体，且内壁呈圆柱状；所述前端盖、后端盖分别和所述转轴的两端固连，所述端盖上设有供所述转轴穿出的通孔；

所述定子包括定子铁心、励磁绕组以及A、B、C三相电枢绕组，所述定子铁心在外，转子在内，定子铁心为凸极结构，设置有定子极，励磁元件以及A、B、C相电枢绕组嵌装在相对应的定子极中；定子铁心上设置的定子极数目为8n个，n取3的倍数；

每跨四个定子极分布一个励磁绕组，且相邻励磁绕组的极性相反，同时各励磁绕组相互串联；

所述转子铁心为凸极结构，转子极数目为16n/3个，n取3的倍数，转子极锐角和钝角滑入滑出定子极的个数相等；

每个励磁绕组对应4个定子齿槽，与三相电枢绕组匝链，每个励磁绕组下的电枢绕组按照所匝链的励磁绕组的极性进行绕制，且励磁元件与其所匝链的电枢绕组的极性一致；

每相电枢绕组由8n/3个线圈组成，每相电枢绕组8n/3个线圈中，4n/3个线圈距励磁绕组较近，另4n/3个线圈距励磁绕组较远，整体组合后使得电机每相磁通路径一致。

2.根据权利要求1所述的一种三相对称的电励磁双凸极电机，其特征在于，所述电机的转轴上还设有第一轴承和第二轴承，所述壳体、定子铁心、转子铁心、转轴同轴设置，其中，所述定子铁心的外壁和所述壳体的内壁固连；所述转轴一端通过所述第二轴承和所述后端盖的中心相连、另一端穿过所述前端盖中心的通孔且通过所述第一轴承和前端盖相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种三相对称的电励磁双凸极电机，其特征在于，所述定子的定子极距为定子极弧长度的2倍，所述转子的极弧长度等于或者大于定子极弧长度。

4.根据权利要求3所述的一种三相对称的电励磁双凸极电机，其特征在于，所述定子和转子均为硅钢片冲压而成。

5.根据权利要求3所述的一种三相对称的电励磁双凸极电机，其特征在于，所述励磁绕组和电枢绕组均为集中式绕组。

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