CN111262356B - 低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机及方法，包括：定子及转子，电枢槽和励磁槽沿圆周交替间隔排列，所述电枢槽内安放有一套电枢绕组，所述励磁槽内安放有一套励磁绕组；转子包括转子齿，相邻的转子齿之间设有转子槽，所述定子齿和转子齿之间设有主气隙；励磁绕组所在励磁槽与其上方的永磁体之间的铁芯沿径向断开，设有附加气隙，所述附加气隙之间放置充磁方向相同的按照短‑长‑短的方式排列形成一极的铁氧体；同极性下的铁氧体通过长度和安装角度的配合实现绝大多数磁通通过主气隙，实现聚磁功能，提高电机的性能和功率密度。

Description

低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机及方法

技术领域

本发明属于电机技术领域，尤其涉及低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

高速风机、泵类等装置在国民经济各领域中应用量大、面广，并且有相当数量的风机泵类负载需要调速，因而使得高速风机、泵类驱动电机在此领域中得到广泛应用。不同的风机和泵类驱动工况对驱动电机的性能有不同的需求，传统方法是通过节流装置来实现流量调节，比较简单，但会造成较大的能源浪费。同时，由于泵类负载以及风机类负载自身制造工艺不成熟、系统组成环节匹配度不高等缺陷的存在，电机耗能问题非常突出。因此，研发新型高速风机和泵类节能驱动电机，研宄电机的节能途径与措施，提高运行效率，降低系统能耗，具有重要意义。目前常见的风机和泵类负载驱动电机多采用交流感应电机和永磁无刷电机。

交流感应电动机以结构简单可靠、成本低廉著称，其转子磁场与同步旋转磁场不同步，因此受转差率的影响，电机转子上会产生感应电流，从而产生额外的焦耳热损耗，降低电机效率。对其进行变频调速时，基频以下通常处于恒转矩模式，即输出转矩保持不变，输出功率随着转速的减小而降低。由于感应电机的工作原理造成其功率因数不高，限制了感应电机在高效率、高功率运行区间的使用。

永磁无刷电机采用永磁材料激励，不需要定子侧提供无功励磁电流，功率因数可达相较于感应电机大大提高。在相同工况下，永磁无刷电机具有体积小、重量轻、效率高和噪音低等优点，非常适用于变频调速领域，但是其存在诸多问题。

现有高速风机和泵类永磁驱动电机存在的技术缺点如下：

1、现有大多数永磁电机永磁体位于转子上，运行时随转子一起转动，永磁体需采用特殊工序固定，制造成本高，尤其电机转速较高时，永磁体固定更加困难，由于永磁体位于转子上，运行时散热困难，温升和由于转子转动而引起的振动会导致永磁体机械结构损坏和发生不可逆退磁。

2、现有永磁电机一般为三相，要求电机的功率逆变电路至少需要6个功率开关器件，如IGBT或者MOSFET等，以及与之相应的驱动该功率开关器件的驱动电路和保护电路，使得电机功率逆变电路成本相当高，甚至达到电机本体成本的两到三倍，功率开关器件数量增多增加了控制电路复杂程度，器件发生故障的可能性增加，运行时系统的可靠性降低。

3、除此之外,现有永磁电机多采用分布绕组或者横跨多个极距的集中绕组,普遍存在绕组端部长，用铜量大，制造成本高，电机运行时铜耗大，效率低等缺点，尤其是对于外径较大,轴向长度较小,也就是径长比值较大的电机,这种缺点尤为突出,需要采用特殊的绕组线圈连接方式来减小绕组端部,减小用铜,提高电机运行效率。

4、转子上一般需要高磁能积的永磁体，比如钕铁硼等，永磁材料成本高，制造和加工困难，增加了永磁电机的制造成本，对驱动电机成本要求较高的场合，限制了永磁电机的实际工程应用。

5、在相当一部分高速风机和泵类驱动负载中，要求驱动电机能够在较宽的速度运行范围内进行平滑调速，实现宽速域恒功率运行，并具有较高的运行效率，永磁电机制成后永磁体磁通不变，电机反电动势确定，在变频器容量一定情况下，限制了电机转速的提升，永磁电机恒功率运行范围窄，经济运行速域窄，限制了其在高速风机和泵类负载场合的应用。

针对现有高速风机和泵类永磁驱动电机的上述缺点，相关学者提出了一些适用于高速驱动应用领域的开关磁阻电机结构。开关磁阻电动机驱动系统是70年代开始研制，80年代中期逐步发展起来的一种新的机电一体化的驱动调速设备,特别是大规模集成电路及电脑技术的飞速发展,使开关磁阻电机在90年代逐步进入实用阶段。由于开关磁阻电机既有直流电机调速方便的长处,又具备异步电机结构简单,运行可靠的优点,十分适合应用于高速运行场合，因此被广泛使用于车辆牵引,机床驱动,航空、航天工业及家用电器等各个领域。

单相电励磁开关磁阻电机的定转子极数少，叠片结构简单成本低，坚固耐用；励磁绕组、电枢绕组全周期通电，绕组利用率比较高；由于是单相结构并且励磁电流为直流，只需控制电枢绕组电流即可，所需位置传感器简单、功率开关器件数量少，成本低。但是电励磁开关磁阻电机的显著缺点是其铜耗较大，效率较低。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机，本发明电机结合了永磁电机和开关磁阻电机的性能优点，既能够实现高速运行，又显著减小了电机运行时的绕组铜耗，提高了电机运行效率，增加了电机的功率/转矩密度。而且通过调节励磁电流可有效拓宽电机的运行调速范围。本发明电机不但能够达到提高能效节能减排的效果，又显著降低了电机的制造成本，具有良好的实际工程推广价值。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机，包括：定子及转子，

所述定子包括定子槽、定子齿及永磁体槽，其中定子槽由电枢槽、励磁槽组成；

所述定子槽上方设有永磁体槽，永磁体放置于永磁体槽内，所述电枢槽和励磁槽沿圆周交替间隔排列，所述电枢槽内安放有一套电枢绕组，所述励磁槽内安放有一套励磁绕组；

所述转子包括转子齿，相邻的转子齿之间设有转子槽，所述定子齿和转子齿之间设有主气隙；所述励磁绕组所在励磁槽与其上方的永磁体之间的铁芯沿径向断开，设有附加气隙，所述附加气隙之间放置充磁方向相同的按照短-长-短的方式排列形成一极的铁氧体；

同极性下的铁氧体通过长度和安装角度的配合实现绝大多数磁通通过主气隙，实现聚磁功能，提高电机的性能和功率密度。

进一步的技术方案，所述二短一长共三块铁氧体中的长永磁体中的磁通分为两部分，每一部分分别于相邻的两块短永磁体产生的磁通串联经过主气隙进入转子齿形成主磁通。

进一步的技术方案，相同极性下永磁体之间设置有磁桥，使定子成为一个整体。

进一步的技术方案，所述励磁绕组通方向不变的直流电流，电枢电流磁场、励磁电流磁场和永磁体产生的磁场相互作用使得定子齿上的磁通相互增强或者抵消，定子磁场在某个方向上连续开通或者关断，利用定子和转子间磁阻变化产生转矩。

进一步的技术方案，相邻两组永磁体所产生的一部分磁通经过主气隙进入转子形成主磁通，另一部分不经过主气隙进入转子而经过该附加气隙闭合形成漏磁通；

中间的长永磁体所产生的磁通分别于相邻的短永磁体产生的磁通并联，大多数经过路径为从定子齿到主气隙，进入转子后经过另一侧的永磁体；少部分通过磁桥形成闭合回路；

由于永磁体产生的总磁通量是一定的，通过调节励磁绕组内电流的大小调节该漏磁通的大小，进而调节经过主气隙进入到转子中的主磁通的大小，实现调节励磁的作用。

进一步的技术方案，所述励磁绕组产生的磁通不经过永磁体，与永磁体产生的磁通形成并联关系，减小励磁磁通对应回路的磁阻，同样励磁电流产生较大的励磁磁通，提高弱磁效率，避免永磁体由于励磁磁通穿过永磁体引起永磁体反向磁化而产生不可逆退磁的风险。

进一步的技术方案，所述附加气隙为各处宽度相同的均匀气隙，或为各处宽度不同的非均匀气隙；

改变附加气隙的宽度或者采用上下不等宽气隙结构得到不同的增磁和弱磁特性，满足不同应用场合的需要。

进一步的技术方案，所述电枢绕组从一个电枢绕组所在槽穿入，从相邻的电枢槽穿出，相邻两个电枢槽内的绕组组成一个电枢线圈，每个电枢线圈横跨两个定子齿距，相邻两个电枢槽内绕组的电流大小相同，方向相反；

励磁绕组从一个励磁绕组所在槽穿入，从相邻的励磁槽穿出，相邻两个励磁槽内的绕组组成一个励磁线圈，每个励磁线圈横跨两个定子齿距，相邻两个励磁绕组所在槽内绕组的电流大小相同，方向相反；

进一步的技术方案，所述定子槽内只安放有一套电枢绕组或者励磁绕组，定子槽内不需要相间绝缘，槽利用率高；

所述附加气隙内灌注非导磁材料，提高电机结构的整体性。

本发明还公开了低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机的工作方法，包括：

当电枢绕组通电时，电枢绕组电流产生的磁场使得电枢绕组所在电枢槽两侧的定子齿分别呈现不同的极性，与永磁体产生的磁场作用叠加，使得一个定子齿显示极性，有主磁通磁通经过，相邻的另一个定子齿没有极性，无磁通流过；

电枢绕组每隔一个槽设置，电机内有一半的定子齿具有极性，一半的定子齿没有极性，根据磁阻最小原理，将使转子旋转到使转子齿与具有极性的定子齿重合；

由于转子齿数为定子齿数的一半，此时正好有每个转子齿均与定子齿正对，这个位置为转子齿和定子齿的对齐位置，这个位置对应的磁阻最小；

若转子继续旋转，需改变电枢绕组内电流的方向，使得不具有极性的定子齿显示极性，而原先有极性的定子齿不显示极性，这时，根据磁阻最小原理，转子齿将有旋转到与现在四个有极性定子齿对齐的趋势，因而转子将受力旋转，当转子齿与定子再次重合后，继续改变电枢绕组电流的方向，这个过程将一直重复，转子将持续旋转；

由于经过主气隙进入到转子齿的主磁通通过上述励磁电流调节，电机根据实际工况需要实现增磁运行和弱磁运行。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、本发明电机运行时电枢绕组产生的磁场与永磁体产生的磁场在定子齿上相互增强或者抵消，以产生转矩。永磁体产生的磁通直接经过定子齿，主气隙和转子齿形成闭合回路，电枢绕组产生的磁通不直接通过永磁体，磁路上与永磁体产生的磁通是并联关系，不仅有效提高了弱磁效率，而且避免了永磁体由于反向磁化而产生的磁性能下降等不可逆退磁的风险。

2、本发明电机在长永磁体和短永磁体之间设置一个磁桥，使定子成为一个整体，从而提高了电机的机械强度，有利于电机运行的稳定性；由于采用了整体结构。定子冲片在加工过程中可以一次成型，大大降低了生产制造成本。

3、本发明电机定子通过控制一套定子电枢绕组实现电机运行，只需要两个功率开关器件即可实现电机控制，控制器成本低。而传统的永磁电机则需要六个功率开关器件，且控制方式更加复杂。

4、本发明电机每个定子槽内只安放有一套绕组，电机绕组下线工艺简单，槽内不需要放置相间绝缘，有利于提高槽满率和槽利用率。

5、由于极弧宽度较宽的永磁体成本较高，机械受力时易发生破裂，机械强度不及多块极弧宽度较小的永磁体拼接而成的情况。本发明中的永磁体按照短-长-短的方式组合实现聚磁效应，三块永磁体极性相同，形成一个有效磁极，避免了采用一整块长永磁体机械强度不佳的问题。

6、采用低磁能积的铁氧体提供磁通，成本更低，在磁路的设计上兼顾了机械强度和电磁性能，通过二短一长的同极性铁氧体，通过3块永磁体之间的角度设置，实现聚磁功能，使得本发明电机的功率密度高，材料利用率高，同样设计功率的电机，本发明电机节省材料用量，降低成本。每极下长永磁体中线与电枢槽中线重合，长永磁体与短永磁体的角度选择在原则上是使尽量多的永磁体磁通以最短的距离流经主气隙和附加气隙，使每极下的永磁体产生的磁通分布均匀。

具体角度的选择应结合铁芯饱和情况以及附加气隙的调节需要来进行进一步的参数优化。

7、除主气隙外，本发明电机还设有附加气隙，附加气隙巧妙地设计在电机的径向方向，附加气隙不会增加电机的外径尺寸；相邻两极永磁体产生的一部分磁通经过主气隙进入转子形成主磁通，另一部分不经过主气隙进入转子而经过该附加气隙闭合形成漏磁通，由于永磁体产生的总磁通量是一定的，通过调节励磁绕组内电流的大小可以方便调节该漏磁通的大小，进而调节经过主气隙进入到转子中的主磁通的大小，既可以起到增磁作用，又可以起到弱磁作用，有效拓宽电机的转速输出范围和功率输出范围，显著提高电机的性能。

8、附加气隙的形状尺寸可以根据不同的弱磁需要灵活改变，可采用等宽气隙，上宽下窄气隙或者上窄下宽气隙，以此达到不同的弱磁效果；励磁绕组产生的磁通经过附加气隙，定子齿，主气隙和转子齿形成闭合回路，励磁绕组产生的磁通不经过永磁体，与永磁体产生的磁通形成并联关系，减小了励磁磁通对应回路的磁阻，同样励磁电流可产生较大的励磁磁通，不仅有效提高了弱磁效率，而且避免了永磁体由于励磁磁通穿过永磁体引起永磁体反向磁化而产生的磁性能下降等不可逆退磁的风险，增强了电机的可靠性。

9、本发明电机永磁体固定于定子上，不随转子转动，安装方便，有利于散热，消除了普通单相永磁电机由于永磁体随转子旋转而产生的机械应力损坏，永磁体散热不良等缺点。

10、本发明电机通过磁路设计，永磁体产生的磁通与绕组电流产生的磁通在磁路上是并联关系，通过参数优化等方法确定定子轭部厚度，使其不会出现过饱和，使得铁芯的利用率更高，使更多的磁通通过主气隙，确定了定子的相关结构尺寸，使电机的效率更高。

11、本发明电机的永磁体选择低磁能积的铁氧体，成本相较于同类永磁电机大大降低；通过电机的设计气隙磁密确定永磁体的剩磁密度，再通过磁路计算确定铁氧体的尺寸，使其工作在最大磁能积状态附近，大大提高了永磁体材料的利用率。

12、本发明电机通过特殊的磁路设计，通过参数优化等方法，在定子内径、外径以及永磁体槽尺寸一定的条件下，令铁芯的主要磁路部分在工况下磁密不会过高，从而确定定子轭部厚度，避免铁芯出现过饱和，使得铁芯的利用率确定附加气息形状、铁芯宽度；更高，使更多的磁通通过主气隙，确定了定子的相关结构尺寸，使电机的效率更高。

13、本发明电机运行时电枢绕组和励磁绕组产生的磁场在定子齿上相互增强或者抵消，电机运行时电枢绕组和励磁绕组全周期同时通电，因此，本发明电机的功率密度高，材料利用率高，同样设计功率的电机，本发明电机节省材料用量，降低成本。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1本发明电机的功率变换器电路图；

图2现有无刷直流永磁和永磁同步电机功率变换器电路图；

图3为本发明电机实施方式结构示意图；

图4为本发明电机与传统开关磁阻电机转矩电流结果对比图，图中FE系列为电励磁模型的相关性能参数，HE系列为本发明电机的性能参数，从中可以看出电机在相同运行情况下，本发明电机的输出转矩远远大于电励磁电机；

图5为本发明电机的励磁电流调节气隙磁密的效果图；

从图中可以看出，通过对励磁绕组施加不同的电流可以有效的调节电机主气隙的磁密，从而实现增磁或弱磁效果，有效的拓宽电机的运行调速范围；

其中，1.定子齿，2.定子轭，3.电枢槽，4.励磁槽，5.电枢绕组，6.励磁绕组，7.永磁体，8.转子齿，9.转子槽，10.主气隙，11.附加气隙，12.磁桥。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机，包括定子及转子，所述定子包括定子槽，定子齿，永磁体槽，定子轭部。其中定子槽由电枢槽、励磁槽组成，所述定子槽上方设有永磁体槽，在附加气隙之间放置充磁方向相同的二短一长共三块铁氧体，永磁体放置于永磁体槽内。所述电枢槽和励磁槽沿圆周交替间隔排列，所述电枢槽内安放有一套电枢绕组，所述励磁槽内安放有一套励磁绕组。通过将低成本的铁氧体按照一定角度排列实现聚磁效应，定子通过磁桥连接成一个整体；本发明电机节省材料用量，降低成本。

转子包括转子齿，相邻的转子齿之间设有转子槽，定子齿和转子齿之间设有主气隙；励磁绕组所在励磁槽与其上方的永磁体之间的铁芯沿径向断开，设有附加气隙。附加气隙设计在电机的径向方向，不会增加电机的外径尺寸。

长永磁体中的磁通分为两部分，每一部分分别于相邻的两块短永磁体产生的磁通串联经过主气隙进入转子齿形成主磁通。

相同极性下永磁体之间设置有磁桥，使定子成为一个整体，降低了加工成本。

定子轭部通过优化分析确定尺寸，使定子不会饱和，提高了定子铁芯的利用率。

同极性下的铁氧体通过长度和安装角度的配合实现绝大多数通过主气隙，实现聚磁功能，提高了电机的性能和功率密度。

电机运行时，控制一套电枢绕组的电流大小和方向，所述励磁绕组通方向不变的直流电流，电枢电流磁场、励磁电流磁场和永磁体产生的磁场相互作用使得定子齿上的磁通相互增强或者抵消，定子磁场在某个方向上连续开通或者关断，利用定子和转子间磁阻变化产生转矩。

相邻两组永磁体产生的一部分磁通经过主气隙进入转子形成主磁通，另一部分不经过主气隙进入转子而经过该附加气隙闭合形成漏磁通，另外中间的长永磁体产生的磁通分别于相邻的短永磁体产生的磁通并联，大多数经过路径为从定子齿到主气隙，进入转子后经过另一侧的永磁体；少部分通过磁桥形成闭合回路；由于永磁体产生的总磁通量是一定的，通过调节励磁绕组内电流的大小可以调节该漏磁通的大小，进而调节经过主气隙进入到转子中的主磁通的大小，以此实现调节励磁的作用。

电机定子齿的个数n_s满足：n_s＝2*n，其中n是大于等于2的自然数；

电机转子齿的个数n_r和电机定子齿的个数n_s满足：n_r＝n_s/2；

永磁体的块数n_pm和电机定子齿的个数n_s满足：n_pm/m＝0.5*n_s，m为大于等于1的自然数。

永磁体采用低成本的铁氧体，价格低廉，电机的整体成本相较于传统永磁电机来说大大降低。铁氧体按照短-长-短的方式排列形成一极，分布于电枢槽上方，通过设置三块铁氧体之间的安置角度来实现聚磁效应，提高气隙磁密；而现有永磁电机由于极弧系数受到极数的限制，通常只有采用高性能永磁体才能满足设计磁密的需要，成本较高。

励磁绕组产生的磁通经过附加气隙、定子齿、主气隙和转子齿形成闭合回路，励磁绕组产生的磁通不经过永磁体，与永磁体产生的磁通形成并联关系；减小了励磁磁通对应回路的磁阻，同样励磁电流可产生较大的励磁磁通，不仅有效提高了弱磁效率，而且避免了永磁体由于励磁磁通穿过永磁体引起永磁体反向磁化而产生的磁性能下降等不可逆退磁的风险，增强了电机的可靠性。

永磁体按照短-长-短的排列顺序形成一极，每极下永磁体充磁方向相同；间隔空气槽安置极性相反的另一极永磁体。

同一极的长永磁体与短永磁体之间设置有磁桥，使电机定子成为一个整体，以提高机械强度，可一次性使冲片成型，大大降低加工成本。

附加气隙可以为各处宽度相同的均匀气隙，也可以为各处宽度不同的非均匀气隙；可以改变附加气隙的宽度或者采用上下不等宽气隙结构得到不同的增磁和弱磁特性，以此满足不同应用场合的需要。

电枢绕组从一个电枢绕组所在槽穿入，从相邻的电枢槽穿出，相邻两个电枢槽内的绕组组成一个电枢线圈，每个电枢线圈横跨两个定子齿距，相邻两个电枢槽内绕组的电流大小相同，方向相反。

励磁绕组从一个励磁绕组所在槽穿入，从相邻的励磁槽穿出，相邻两个励磁槽内的绕组组成一个励磁线圈，每个励磁线圈横跨两个定子齿距，相邻两个励磁绕组所在槽内绕组的电流大小相同，方向相反。

定子槽内只安放有一套电枢绕组或者励磁绕组，定子槽内不需要相间绝缘，槽利用率高，绕组下线工艺简单，制造成本低。

附加气隙内可以灌注环氧树脂等非导磁材料，提高电机结构的整体性。

定子齿，定子轭和转子齿均采用硅钢片叠压而成或者采用高导磁率铁芯材料一次制成。

永磁体为矩形，按照短-长-短的顺序排列为一组，充磁方向相同。

本发明电机具体是这样来工作的，本发明电机的定子铁芯和转子铁心采用硅钢片叠压而成或者高导磁率的铁芯材料一次制成，当电枢绕组和励磁绕组均不通电时，所述永磁体产生的磁通的一部分经过定子轭部，定子齿和主气隙沿电机径向流入转子齿，再经过相邻的转子齿流出到主气隙到达另一个极下的永磁体，再经过定子轭部闭合，这形成了电机的主磁通；永磁体产生的另一部分磁通不经过主气隙，而是经过永磁体槽与电枢槽之间的铁芯穿过附加气隙，进入到相邻的另一个定子轭部下的永磁体，再通过定子槽上方的铁芯闭合，这部分磁通没有进入主气隙和转子，只在定子内部闭合，这部分磁通为漏磁通。附加气隙下方靠近圆心处设有励磁槽，励磁槽内安放有励磁绕组，励磁绕组通电流时，根据电流方向的不同，励磁绕组产生的磁场将增强或削弱主磁通，励磁绕组电流越大，对主磁通的增强或者削弱作用越强，由于励磁绕组磁势和永磁体磁势并联，永磁体产生的总磁通量是一定的，因此，通过调节励磁绕组内电流的方向和大小可以调节该漏磁通的大小，进而调节经过主气隙进入到转子中的主磁通的大小，以此实现调节励磁的作用。当电枢绕组通电时，电枢绕组电流产生的磁场使得电枢绕组所在电枢槽两侧的定子齿分别呈现不同的极性，与永磁体产生的磁场作用叠加，使得一个定子齿显示极性，有主磁通磁通经过，相邻的另一个定子齿没有极性，无磁通流过，由于电枢绕组每隔一个槽设置，因此，电机内有一半的定子齿具有极性，一半的定子齿没有极性，根据磁阻最小原理，将使转子旋转到使转子齿与具有极性的定子齿重合，由于转子齿数为定子齿数的一半，此时正好有每个转子齿均与定子齿正对，这个位置为转子齿和定子齿的对齐位置，这个位置对应的磁阻最小。此时，要想转子继续旋转，需改变电枢绕组内电流的方向，使得刚才不具有极性的定子齿显示极性，而原先有极性的定子齿不显示极性，这时，根据磁阻最小原理，转子齿将有旋转到与现在四个有极性定子齿对齐的趋势，因而转子将受力旋转，当转子齿与定子再次重合后，继续改变电枢绕组电流的方向，这个过程将一直重复，转子将持续旋转。由于经过主气隙进入到转子齿的主磁通可以通过上述励磁电流调节，因此，本发明电机可以根据实际工况需要实现增磁运行和弱磁运行，拓宽电机的经济运行范围，降低制造成本，提高电机效率。

本发明电机为混合励磁永磁电机，定子上只有一套定子电枢绕组A和一套励磁绕组F，其中励磁绕组F通全周期直流电流，只对电枢绕组A进行控制即可实现电机运行，因此只需要两个功率开关器件即可实现电机控制，控制器成本低。而传统的永磁电机则需要6个功率开关器件，且控制方式更加复杂。

本发明电机每个槽内只安放有一套绕组，槽内不需要相间绝缘，电机绕组下线工序简单，整体成本低于现有的各类永磁电机，由于槽内不需相间绝缘，槽满率高。

采用低磁能积的铁氧体提供磁通，成本更低，在磁路的设计上兼顾了机械强度和电磁性能，通过二短一长的同极性铁氧体，通过3块永磁体之间的角度设置，实现聚磁功能，使得本发明电机的功率密度高，材料利用率高，同样设计功率的电机，本发明电机节省材料用量，降低成本。

本发明电机永磁体固定于定子上，不随转子转动，安装方便，有利于散热，消除了普通单相永磁电机由于永磁体随转子旋转而产生的机械应力损坏，永磁体散热不良等缺点。

本发明电机在长永磁体和短永磁体之间设置一个磁桥，使定子成为一个整体，从而提高了电机的机械强度，有利于电机运行的稳定性；由于采用了整体结构。定子冲片在加工过程中可以一次成型，大大降低了生产制造成本。

本发明电机运行时励磁磁场可以调节，通过调节励磁绕组F的电流可以调节电机气隙内的磁通密度，本发明电机励磁绕组安放在附加气隙的下面，两者并排放置，励磁绕组产生的磁通直接经过附加气隙，定子齿，主气隙和转子齿形成闭合回路，励磁磁通不经过永磁体，与永磁体产生的磁通形成并联关系，这不仅有效提高了弱磁效率，而且避免了永磁体由于反向磁化而产生的磁性能下降等不可逆退磁的风险。

由于附加气隙宽度的不同会显著改变电机磁路的磁阻，影响永磁体之间的漏磁通，进而影响电机的增磁和弱磁效果，因此，可以改变附加气隙的宽度或者采用上下不等宽气隙结构，通过改变电机的附加气隙宽度可以得到不同的电机特性，以此满足不同应用场合的需要。

本发明电机的永磁体采用特殊的短-长-短组合方式，采用低磁能积的铁氧体实现聚磁效应，电机成本相较于现有永磁电机大大降低；通过电机的设计气隙磁密确定永磁体的剩磁密度，再通过磁路计算确定铁氧体的尺寸，使其工作在最大磁能积状态附近，大大提高了永磁体材料的利用率。

本发明电机通过特殊的磁路设计，通过参数优化等方法确定定子轭部厚度，使其不会出现过饱和，使得铁芯的利用率更高，使更多的磁通通过主气隙，确定了定子的相关结构尺寸，使电机的效率更高。

具体实施例子如图3所示，本实施方式电机定子齿数为8，转子齿数为4，永磁体块数为12，本实施方式包括定子，转子，主气隙和附加气隙，定子包括定子铁芯，永磁体和定子槽，定子铁芯包括定子齿1，定子轭2，定子铁芯由高导磁率铁磁材料制成，定子铁芯上设有定子槽，定子槽包括电枢槽3和励磁槽4，电枢槽3和励磁槽4交替间隔排列，电枢槽3内安放有电枢绕组5，电枢绕组5从一个电枢槽3穿入，从相邻的另一个电枢槽穿出，形成一个线圈，使得每相邻两个电枢槽内的电流大小相同，方向相反，励磁槽4内安放有励磁绕组6，励磁绕组6从一个励磁槽4穿入，从相邻的另一个励磁槽穿出，形成一个线圈，使得每相邻两个励磁槽内的电流大小相同，方向相反；励磁绕组6所在槽内上方的定子轭2断开，设附加气隙11，附加气隙11设置在电机径向方向，附加气隙11的各处宽度均相等；定子轭2之间安放有永磁体7，永磁体7采用低磁能积的铁氧体永磁体材料，永磁体7采取平行充磁，附加气隙两侧的永磁体的充磁方向相反；同一极下永磁体之间设置有磁桥12，使定子铁芯成为一个整体；转子包括转子齿8和转子槽9，转子齿8沿圆周对称分布，转子齿8和定子齿1之间设有主气隙10。

本发明电机的功率变换器电路图如图1所示，现有无刷直流永磁和永磁同步电机功率变换器电路图如图2所示，本发明电机与传统开关磁阻电机转矩电流结果对比图如图4所示，图中FE系列为电励磁模型的相关性能参数，HE系列为本发明电机的性能参数，从中可以看出电机在相同运行情况下，本发明电机的输出转矩远远大于电励磁电机。

本发明电机的励磁电流调节气隙磁密的效果图如图5所示。从图中可以看出，通过对励磁绕组施加不同的电流可以有效的调节电机主气隙的磁密，从而实现增磁或弱磁效果，有效的拓宽电机的运行调速范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机，其特征是，包括：定子及转子，

所述定子包括定子槽、定子齿及永磁体槽，其中定子槽由电枢槽、励磁槽组成；

所述定子槽上方设有永磁体槽，永磁体放置于永磁体槽内，相同极性下永磁体之间设置有磁桥，使定子成为一个整体；所述电枢槽和励磁槽沿圆周交替间隔排列，所述电枢槽内安放有一套电枢绕组，所述励磁槽内安放有一套励磁绕组；

所述转子包括转子齿，相邻的转子齿之间设有转子槽，所述定子齿和转子齿之间设有主气隙；所述励磁绕组所在励磁槽与其上方的永磁体之间的铁芯沿径向断开，设有附加气隙，所述附加气隙之间放置充磁方向相同的按照短-长-短的方式排列形成一极的铁氧体；所述短-长-短共三块铁氧体中，相邻两组永磁体产生的一部分磁通经过主气隙进入转子形成主磁通，另一部分不经过主气隙和转子而经附加气隙闭合形成漏磁通，中间的长永磁体产生的磁通分别与相邻的短永磁体产生的磁通并联，大多数磁通的经过路径为从定子齿到主气隙，进入转子后至另一侧的永磁体；少部分磁通经磁桥形成闭合回路；

同极性下的铁氧体的长永磁体中线与电枢槽中线重合，通过长度和安装角度的配合实现绝大多数永磁体磁通以最短的距离流经主气隙和附加气隙，实现聚磁功能，提高电动机的性能和功率密度。

2.如权利要求1所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机，其特征是，所述短-长-短共三块铁氧体中的长永磁体中的磁通分为两部分，每一部分分别与相邻的两块短永磁体产生的磁通并联经过主气隙进入转子齿形成主磁通。

3.如权利要求1所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机，其特征是，所述励磁绕组通方向不变的直流电流，电枢电流磁场、励磁电流磁场和永磁体产生的磁场相互作用使得定子齿上的磁通相互增强或者抵消，定子磁场在某个方向上连续开通或者关断，利用定子和转子间磁阻变化产生转矩。

4.如权利要求1所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机，其特征是，由于永磁体产生的总磁通量是一定的，通过调节励磁绕组内电流的大小调节该漏磁通的大小，进而调节经过主气隙进入到转子中的主磁通的大小，实现调节励磁的作用。

5.如权利要求1所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机，其特征是，所述励磁绕组产生的磁通不经过永磁体，与永磁体产生的磁通形成并联关系，减小励磁磁通对应回路的磁阻，同样励磁电流产生较大的励磁磁通，提高弱磁效率，避免永磁体由于励磁磁通穿过永磁体引起永磁体反向磁化而产生不可逆退磁的风险。

6.如权利要求1所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机，其特征是，所述附加气隙为各处宽度相同的均匀气隙，或为各处宽度不同的非均匀气隙；

改变附加气隙的宽度或者采用上下不等宽气隙结构得到不同的增磁和弱磁特性，满足不同应用场合的需要。

7.如权利要求1所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机，其特征是，所述电枢绕组从一个电枢绕组所在槽穿入，从相邻的电枢槽穿出，相邻两个电枢槽内的绕组组成一个电枢线圈，每个电枢线圈横跨两个定子齿距，相邻两个电枢槽内绕组的电流大小相同，方向相反；

励磁绕组从一个励磁绕组所在槽穿入，从相邻的励磁槽穿出，相邻两个励磁槽内的绕组组成一个励磁线圈，每个励磁线圈横跨两个定子齿距，相邻两个励磁绕组所在槽内绕组的电流大小相同，方向相反。

8.如权利要求1所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机，其特征是，所述定子槽内只安放有一套电枢绕组或者励磁绕组，定子槽内不需要相间绝缘，槽利用率高；

所述附加气隙内灌注非导磁材料，提高电动机结构的整体性。

9.基于权利要求1-8任一所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机的工作方法，其特征是，包括：

当电枢绕组通电时，电枢绕组电流产生的磁场使得电枢绕组所在电枢槽两侧的定子齿分别呈现不同的极性，与永磁体产生的磁场作用叠加，使得一个定子齿显示极性，有主磁通磁通经过，相邻的另一个定子齿没有极性，无磁通流过；

电枢绕组每隔一个槽设置，电动机内有一半的定子齿具有极性，一半的定子齿没有极性，根据磁阻最小原理，将使转子旋转到使转子齿与具有极性的定子齿重合；

由于转子齿数为定子齿数的一半，此时正好有每个转子齿均与定子齿正对，这个位置为转子齿和定子齿的对齐位置，这个位置对应的磁阻最小；

若转子继续旋转，需改变电枢绕组内电流的方向，使得不具有极性的定子齿显示极性，而原先有极性的定子齿不显示极性，这时，根据磁阻最小原理，转子齿将有旋转到与现在四个有极性定子齿对齐的趋势，因而转子将受力旋转，当转子齿与定子再次重合后，继续改变电枢绕组电流的方向，这个过程将一直重复，转子将持续旋转；

由于经过主气隙进入到转子齿的主磁通通过励磁电流调节，电动机根据实际工况需要实现增磁运行和弱磁运行。

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