CN110829770B - 一种具有不对称定子极的混合励磁型磁通反向电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有不对称定子极的混合励磁型磁通反向电机，包括定子、转子、三相电枢绕组、单相励磁绕组和不导磁转轴，转子包括转子齿和转子轭，转子轭固定在不导磁转轴上，转子齿沿转子轭周向均匀设置，定子位于转子的转子齿外部，与转子齿之间有一点间隙，定子包括定子轭、定子电枢齿、定子励磁齿和永磁体，定子电枢齿和定子励磁齿沿定子周向交替设置，且每个定子电枢齿下端位于定子电枢齿铁心两侧设有两块同极性的永磁体，三相电枢绕组缠绕于定子电枢齿上，单相励磁绕组缠绕于定子励磁齿上。本发明采用双凸极结构，结构简单，鲁棒性强，适合交流无刷运行，同时混合励磁的引入实现了气隙磁通的可调，提升了电机的转速范围。

Description

一种具有不对称定子极的混合励磁型磁通反向电机

技术领域

本发明涉及一种混合励磁电机，特别是涉及一种具有不对称定子极的混合励磁型磁通反向电机，属于永磁电机技术领域。

背景技术

传统的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM)由于采用稀土永磁材料(如钕铁硼)而具有高功率密度、高效率、运行可靠和强过载能力等优势，是电机学科的重要发展方向。并且随着稀土永磁材料及电力电子技术的发展，PMSM在航空航天、国防、工农业生产以及日常生活的各个领域得到了大规模应用。

但传统的永磁同步电机本身存在一个较为严重的问题，其气隙磁场无法调节，主要依靠永磁体充磁后的剩磁来提供气隙磁动势，这就与电励磁的同步电机不同，难以改变气隙磁场。因此，传统的PMSM的运行时调速范围受限，输出特性难以调节，所以实现PMSM的气隙磁场可调是永磁电机领域的研究热点。

为实现气隙磁场的可调，出现了很多以转子永磁型电机为原型的混合励磁电机，其中电励磁磁通与永磁磁通串联的结构会导致电励磁的励磁效率显著降低，也会增加电励磁的励磁损耗，而为了给电励磁磁通提供与永磁磁通并行的通路，又往往导致电机结构比较复杂，总体结构复杂度较高。相对而言，基于定子永磁型电机的混合励磁电机，在结构复杂度上将具有显著优势。其既保证了结合电励磁的磁场可调和永磁励磁的高转矩密度的优势，又相对简单，鲁棒性更高。

发明内容

发明目的：为解决传统磁通反向永磁电机调速范围不高，弱磁能力受限的问题，本发明提供一种具有不对称定子极的混合励磁型磁通反向电机。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种具有不对称定子极的混合励磁型磁通反向电机，包括定子、转子、三相电枢绕组、单相励磁绕组和不导磁转轴，转子包括转子齿和转子轭，转子轭固定在不导磁转轴上，转子齿沿转子轭周向均匀设置，定子位于转子的转子齿外部，与转子齿之间有一点间隙，定子包括定子轭、定子电枢齿、定子励磁齿和永磁体，定子电枢齿和定子励磁齿沿定子周向交替设置，且每个定子电枢齿下端位于定子电枢齿铁心两侧设有两块同极性的永磁体，三相电枢绕组缠绕于定子电枢齿上，单相励磁绕组缠绕于定子励磁齿上。转子上既无永磁体，也无励磁绕组，将永磁体、电枢绕组和励磁绕组都置于定子上，有利于永磁体和绕组的散热。同时，电励磁磁路与永磁励磁磁路并行，既使电励磁更加容易，进而增加电励磁磁通，减少电励磁损耗，扩大调磁范围，又减少了电励磁磁通与永磁磁通方向相反时造成永磁不可逆退磁的可能性。

优选的，定子电枢齿的宽度大于定子励磁齿的宽度。定子电枢齿是三相交流绕组所匝链的主磁通的主要通路，所以需要宽度更宽；定子电枢齿两侧的定子励磁齿，负责电励磁磁通的主要通路，并且一定程度上隔离了两个相邻的电枢齿及上面缠绕的电枢绕组，减少了相邻电枢绕组的耦合。另外，这种设计比起等宽的定子齿，具有更好的参数优化选择空间，有助于追求更高性能优化的实现。

优选的，定子电枢齿和定子励磁齿均为倒“T”型结构，其中倒“T”型结构本体的长条形结构与定子轭一体连接，倒“T”型结构本体下部两侧凸出部分与转子齿之间有一定缝隙。

优选的，定子电枢齿倒“T”型结构本体下部两侧凸出部分分别开有放置永磁体的槽。

优选的，永磁体采用高矫顽力稀土永磁，充磁方向为径向，且相邻定子电枢齿上的永磁体极性相同。高磁能积的稀土永磁可以提供较大的气隙磁密，提供较高的转矩密度，电励磁作为电机气隙磁场的调节器，实现了电机磁通的连续可调，提升了电机的转速范围。

优选的，三相电枢绕组和单相励磁绕组均为集中绕组，两者共用相邻定子电枢齿和定子励磁齿形成的定子槽空间。

优选的，每个定子励磁齿上缠绕的单相励磁绕组通电方向相同。

优选的，所述定子和转子均为凸极结构。该结构简单、坚固、鲁棒性强。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明将永磁体，电枢绕组，励磁绕组都置于定子上，有利于永磁体和绕组的散热。转子与开关磁阻电机的凸极转子相同，结构简单、坚固、鲁棒性强。

(2)本发明电励磁磁路与永磁励磁主要磁路并行，既使电励磁更加容易，进而增加电励磁磁通，减少电励磁损耗，扩大调磁范围，又减少了电励磁磁通与永磁磁通方向相反时造成永磁不可逆退磁的可能性。

(3)本发明采用了电励磁和永磁励磁相结合的混和励磁方式，高磁能积的稀土永磁可以提供较大的气隙磁密，提供较高的转矩密度，电励磁作为电机气隙磁场的调节器，实现了电机磁通的连续可调，提升了电机的转速范围，该电机在电动汽车等领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的电机的截面图；

图2为本发明的电机的单相励磁绕组不通电时的磁力线分布图；

图3为本发明的电机的单相励磁绕组正向通电时的磁力线分布图；

图4为本发明的电机的单相励磁绕组反向通电时的磁力线分布图；

图中：定子1、转子2、三相电枢绕组3、单相励磁绕组4、转轴5，定子轭1.1、定子电枢齿1.2、定子励磁齿1.3、永磁体1.4，转子齿2.1、转子轭2.2。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。

如图1所示，本实施例的具有不对称定子极的混合励磁型磁通反向电机，包括定子1、转子2、三相电枢绕组3、单相励磁绕组4和不导磁转轴5。所述的定子1和转子2均为凸极结构，转子固定在不导磁转轴上，定子位于转子外部。所述转子2包括转子齿2.1和转子轭2.2，转子轭固定在不导磁转轴上，转子齿沿转子轭周向均匀分布，转子上既无永磁体，也无励磁绕组。所述定子1由定子轭1.1、定子电枢齿1.2、定子励磁齿1.3和永磁体1.4组成，具有不等齿宽的两种定子齿，分别为宽度较大的定子电枢齿1.2和宽度较小的定子励磁齿1.3。定子电枢齿是三相交流绕组所匝链的主磁通的主要通路，所以需要宽度更宽；定子电枢齿两侧的定子励磁齿，负责电励磁磁通的主要通路，并且一定程度上隔离了两个相邻的电枢齿及上面缠绕的电枢绕组，减少了相邻电枢绕组的耦合。另外，这种设计比起等宽的定子齿，具有更好的参数优化选择空间，有助于追求更高性能优化的实现。定子电枢齿和定子励磁齿均为倒“T”型结构，其中倒“T”型结构本体的长条形结构与定子轭一体连接，倒“T”型结构本体下部两侧凸出部分与转子齿之间有一定缝隙，定子电枢齿倒“T”型结构本体下部两侧凸出部分分别开有放置永磁体的槽。相邻定子电枢齿、定子励磁齿和定子轭之间形成定子槽。

所述永磁体1.4采用钕铁硼永磁，充磁方向为径向，两块同极性钕铁硼永磁体1.4贴于定子电枢齿1.2下端的左右两边，两块永磁体1.4之间为定子电枢齿1.2铁心，而定子励磁齿1.3下无永磁体，且相邻电枢齿1.2上的永磁体1.4极性也相同，从永磁体1.4所在区域沿圆周方向看去，呈现“NFeN-Fe-NFeN-Fe”或“SFeS-Fe-SFeS-Fe”的分布规律，这种排列能够合理运行，定子电枢齿中间下端的铁心和定子励磁齿下端的铁心是电励磁磁通的主要通路，该位置没有永磁体，磁阻就会很小，电励磁的效果和效率就会比较好。其中N和S分别表示永磁体的北极和南极，Fe表示定子铁心，总的永磁体1.4块数与定子齿数相同，其中定子齿数等于定子电枢齿1.2数和定子励磁齿1.3数之和。

所述三相电枢绕组3和单相励磁绕组4均为集中绕组，三相电枢绕组3缠绕于定子电枢齿1.2上，单相励磁绕组4缠绕于定子励磁齿1.3上，且每个定子励磁齿1.3上缠绕的单相励磁绕组4通电方向相同，三相电枢绕组3和单相励磁绕组4各自以一定比例共同占据定子槽空间，改变该比例可实现转矩性能和调磁能力的改变。仿真中，在交流电枢绕组和直流励磁绕组总的面积相同的情况下，再假设交流电密和直流电密固定不变，槽满率也固定不变，那么随着交流绕组的占比增加，也就是直流绕组占比的减少，平均转矩将随之增大而调磁范围将随之减少；随着交流绕组的占比减少，也就是直流绕组占比的增加，平均转矩将随之减小而调磁范围将随之增大。

本发明公开的具有不对称定子极的混合励磁型磁通反向电机的运行原理如下：

通过对单相励磁绕组通以不同幅值、方向的直流电流，来产生不同大小、方向的电励磁磁动势，进而影响气隙磁场，实现电机气隙磁通的可调。当单相励磁绕组4中不通入直流电流时，即仅靠永磁励磁时，其磁力线分布如图2所示，定子电枢齿1.2下端左右两边的永磁体1.4产生永磁磁通，当转子齿2.1靠近永磁体1.4时，除部分永磁漏磁外，定子电枢齿1.2内磁通方向为径向向外；当转子齿靠近两块永磁体1.4中间的定子铁心时，永磁磁通几乎全部漏掉，定子电枢齿1.2几乎没有磁通，以最上端的定子电枢齿1.2为例，随着转子的转动，在定子电枢齿1.2上缠绕的三相电枢绕组3中产生带有正向直流偏置的正弦磁链，而此时，属于同一相的最下端定子电枢齿1.2上缠绕的三相电枢绕组3中产生带有反向直流偏置的幅值相位相同的正弦磁链，二者相加，即可得到一相的总的交变正弦磁链。当单相励磁绕组4中通入正向的直流电流时，其磁力线分布如图3所示，当转子齿2.1靠近永磁体1.4时，永磁体1.4产生永磁磁通，除部分永磁漏磁外，进入定子电枢齿1.2，磁通方向径向向外，定子电枢齿1.2两侧的定子励磁齿1.3上缠绕的单相励磁绕组4产生的电磁通在该定子电枢齿中几乎没有通路，电磁通可忽略，故定子电枢齿1.2内总的磁通方向为径向向外；当转子齿靠近两块永磁体1.4中间的定子铁心时，永磁磁通几乎全部漏掉，定子电枢齿1.2两侧的定子励磁齿1.3上缠绕的单相励磁绕组4产生的电磁通进入该定子电枢齿1.2，电磁通方向径向向里，故定子电枢齿1.2内总的磁通方向为径向向里，接下来的分析与之前相同，最终得到一相的交变正弦磁链，其幅值比单相励磁绕组4中不通入直流电流时更大。当单相励磁绕组4中通入反向的直流电流时，其磁力线分布如图4所示，当转子齿2.1靠近永磁体1.4时，永磁体1.4产生永磁磁通，除部分永磁漏磁外，进入定子电枢齿1.2，磁通方向径向向外，定子电枢齿1.2两侧的定子励磁齿1.3上缠绕的单相励磁绕组4产生的电磁通在该定子电枢齿中几乎没有通路，电磁通可忽略，故定子电枢齿1.2内总的磁通方向为径向向外；当转子齿靠近两块永磁体1.4中间的定子铁心时，永磁磁通几乎全部漏掉，定子电枢齿1.2两侧的定子励磁齿1.3上缠绕的单相励磁绕组4产生的电磁通进入该定子电枢齿1.2，电磁通方向径向向外，故定子电枢齿1.2内总的磁通方向为径向向外，接下来的分析与之前相同，最终得到一相的交变正弦磁链，其幅值比单相励磁绕组4中不通入直流电流时更小。

以上所述的仅是本发明转子齿数为奇数时的方案，当转子齿数为偶数时，基本的运行原理同样适用，只是同相电枢绕组中的各个线圈中产生的直流偏置磁链不再是抵消，而是相加，但起决定性作用的正弦磁链部分所受影响较小。

由于永磁磁通的磁路与电励磁磁通的主要磁路是并联的，所以一方面增强了电励磁的效果，减小了电励磁的损耗，增大了磁通调节能力，扩大了转速调节范围，另一方面减少了永磁励磁方向与电励磁磁通方向相反时产生永磁退磁的可能性。

Claims (5)

1.一种具有不对称定子极的混合励磁型磁通反向电机，其特征在于，包括定子(1)、转子(2)、三相电枢绕组(3)、单相励磁绕组(4)和不导磁转轴(5)，定子和转子均为凸极结构，转子包括转子齿(2.1)和转子轭(2.2)，转子轭固定在不导磁转轴上，转子齿沿转子轭周向均匀设置，定子位于转子的转子齿外部，与转子齿之间有一点间隙，定子包括定子轭(1.1)、定子电枢齿(1.2)、定子励磁齿(1.3)和永磁体(1.4)，定子电枢齿和定子励磁齿沿定子周向交替设置，且每个定子电枢齿下端位于定子电枢齿铁心两侧设有两块同极性的永磁体，三相电枢绕组缠绕于定子电枢齿上，单相励磁绕组缠绕于定子励磁齿上；每个定子励磁齿上缠绕的单相励磁绕组通电方向相同；定子电枢齿的宽度大于定子励磁齿的宽度。

2.根据权利要求1所述的一种具有不对称定子极的混合励磁型磁通反向电机，其特征在于，定子电枢齿和定子励磁齿均为倒“T”型结构，其中倒“T”型结构本体的长条形结构与定子轭一体连接，倒“T”型结构本体下部两侧凸出部分与转子齿之间有一定缝隙。

3.根据权利要求2所述的一种具有不对称定子极的混合励磁型磁通反向电机，其特征在于，定子电枢齿倒“T”型结构本体下部两侧凸出部分分别开有放置永磁体的槽。

4.根据权利要求1所述的一种具有不对称定子极的混合励磁型磁通反向电机，其特征在于，永磁体采用高矫顽力稀土永磁，充磁方向为径向，且相邻定子电枢齿上的永磁体极性相同。

5.根据权利要求1所述的一种具有不对称定子极的混合励磁型磁通反向电机，其特征在于，三相电枢绕组和单相励磁绕组均为集中绕组，两者共用相邻定子电枢齿和定子励磁齿形成的定子槽空间。

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