CN111509941B - 一种磁场调制混合励磁电机及其多工作波设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种磁场调制混合励磁电机及其多工作波设计方法，包括定子和转子，其中定子包括定子铁心、两套绕组、永磁体，两套绕组包括电枢绕组和励磁绕组，定子铁心设计为开口槽，一套绕组分布于定子铁心的开口槽内，采用集中缠绕在一个定子齿上，每个定子齿外表面开设凹槽，另一套绕组放置在定子齿的凹槽内，每个定子齿通过凹槽分裂成两个调制齿，每个调制齿上放置一块永磁体，另一套绕组采用集中式缠绕在由不同定子齿分裂而成的两个相邻调制齿上，永磁体的充磁方向与励磁绕组在该齿上形成的磁场方向一致或相反。本发明永磁磁动势和励磁磁动势在磁路上并联且相互独立，避免通入励磁电流永磁体产生不可逆退磁的风险，确保调磁能力的有效发挥。

Description

一种磁场调制混合励磁电机及其多工作波设计方法
技术领域
本发明涉及到混合励磁电机及其多工作波设计方法，属于电机领域，具体适用于要求高转矩、宽调速范围的电动汽车应用场合，此外，根据其所有激励均放置于定子上的结构特点，可适用于长行程的轨道交通。
背景技术
与传统的电励磁电机相比，永磁电机具有输出转矩大和效率高的优点，因而广泛应用于各行各业。然而，受制于永磁材料本身的特性，永磁电机中的永磁磁场相对固定，调磁能力受到局限。为了提高电机的调磁能力和维持较高的输出转矩，混合励磁电机应运而生。该电机具有永磁体和励磁绕组两种激励源，此设计充分继承了永磁电机高的输出转矩和电励磁电机灵活的调磁性能。
根据永磁磁动势和励磁磁动势磁路的关系，混合励磁电机可分为串联混合励磁电机和并联混合励磁电机两种。对于串联混合励磁电机，励磁磁路经过永磁体形成回路，随着励磁电流的增加，使永磁体产生不可逆退磁的风险。
中国发明专利申请号201510474238.2公开了磁场调制式混合励磁电机，该电机基于磁场调制原理进行发明设计，电枢绕组和励磁绕组设置在定子铁心的同一开口槽内，永磁体设置于转子槽内。虽然该电机为多工作波电机，但磁路上为串联磁路，励磁磁路经过永磁体，当通入较大励磁电流时，永磁体可能会发生不可逆退磁，且永磁体磁阻较大，大大降低了励磁磁场的调节能力。永磁体和励磁绕组分别放置在转子和定子上，对于混合励磁电机而言不利于激励源温度的统一控制。此外，转子永磁型电机需要对转子采取固定措施以克服高速运行时的离心力，也增加了电机设计的复杂度也降低了电机的性能。
对于并联混合励磁电机，励磁磁路与永磁磁路平行，有效地避免了永磁体不可逆退磁的风险，提升了电机的调磁能力。中国发明专利申请号201210572574.7公开了一种并联磁路混合励磁永磁电机，电机定子由定子铁心和电枢绕组组成，转子由永磁体和励磁绕组组成，永磁磁路和励磁磁路为并联结构，可以有效的避免永磁体不可逆退磁的风险和励磁磁场磁阻较大的问题。但是，由于励磁绕组放置于转子上，需要滑环和电刷才能使励磁绕组通电，滑环和电刷的引入，大大降低了电机运行的可靠性，甚至会产生电火花，增加了电机定期的维护的工作量。
中国发明专利申请号200910022794公开了一种采用谐波励磁的混合励磁永磁电机，该电机定子上设置了主绕组和谐波励磁绕组，转子上由永磁体、励磁绕组和励磁绕组，定子主绕组与永磁体相互作用，定子谐波励磁绕组与转子谐波绕组相互作用，转子谐波绕组通过旋转整流器整流得到直流电给转子励磁绕组供电，通过调节定子谐波励磁绕组实现转子磁场的调节，该发明专利电机结构上虽然省去了电刷和滑环，通过谐波绕组将磁场谐波充分利用，但是共有四套绕组相互作用，结构复杂。
综上分析，对于混合励磁电机而言，除需在设计时考虑电机磁路串并联带来的影响外，如何巧妙的利用磁场调制原理，将多工作波的设计引入其中，也是提升电机输出转矩和调磁性能的有效途径。另外，由于其激励源较多，特殊的结构和电磁设计所带来的机械强度、温升问题、加工工艺性也是在设计时，需要考虑的问题。
发明内容
本发明的目的是，针对现有混合励磁电机的不足，提出一种磁场调制混合励磁电机及其多工作波设计方法，其目的在于利用磁场调制的原理，将多工作波的设计引入混合励磁电机中，提高电机输出转矩和调磁能力。此外针对激励的串并联特点，在电机设计中，采用巧妙的并联结构，降低永磁体不可逆退磁的风险、减小励磁磁场磁阻、增强励磁绕组调磁能力；同时所有激励均设置在定子上，消除了滑环和电刷装置，提高电机运行的可靠性，也利于对激励源温度的统一管理；转子的简单设计，提升电机高速运行的鲁棒性。
具体地说，本发明的电机是采取以下的技术方案来实现的：一种磁场调制混合励磁电机，包括定子(1)和转子(2)，定子包括定子铁心、电枢绕组(3)、励磁绕组(4)、永磁体(5)，其中定子铁心为开口槽设计，形成定子齿，电枢绕组(3)或励磁绕组(4)分布于定子齿的底部开口槽内，采用集中式缠绕在一个定子齿(6)上，每个定子齿的端部开设端部凹槽，励磁绕组(4)或电枢绕组(3)放置在定子齿(6)的端部凹槽内，每个定子齿通过端部凹槽分裂成两个调制齿(7)，每个调制齿(7)上嵌入一个永磁体(5)，永磁体(5)位于调制齿(7)端部的两个铁极(8)的中间，励磁绕组(4)或电枢绕组(3)采用集中式缠绕在由不同定子齿分裂而成的两个相邻调制齿(7)上，永磁体(5)的充磁方向为径向充磁，N、S极的摆放位置由励磁绕组的放置位置决定；励磁绕组(4)和电枢绕组(3)的每个线圈空间上错开180°/Ns放置；其中定子铁心和转子铁心采用硅钢片等导磁材料，永磁体(5)采用钕铁硼材料；
永磁体(5)充磁方向根据下列情况设置：
若励磁绕组(4)集中绕制于定子齿(6)的底部开口槽内，则由相同定子齿(6)分裂而成的两个调制齿(7)上的永磁体(5)极性相同，由不同定子齿(6)分裂而成的两个相邻调制齿(7)上的永磁体(5)极性相反，永磁体(5)为径向充磁，励磁绕组(4)所缠绕的定子齿(6)上形成的磁场回路方向与永磁体(5)在该定子齿上形成的磁场回路方向平行；
若励磁绕组(4)集中绕制于由不同定子齿(6)分裂而成的两个相邻调制齿(7)，则由不同定子齿(6)分裂而成的两个相邻调制齿(7)上的永磁体(5)极性相同，由相同定子齿(6)分裂而成的两个调制齿(7)上的永磁体(5)极性相反，永磁体(5)为径向充磁，励磁绕组(4)在两个调制齿上形成的磁场回路方向与永磁体(5)在两个调制齿上形成的磁场回路方向平行。
进一步，该电机形成两个磁路路径，其一永磁磁场形成的磁路路径：永磁体(5)→定子齿(6)→定子轭→相邻定子齿(6)→相邻定子齿(6)上的永磁体(5)→气隙→转子凸极(9)→转子轭→转子凸极(9)→气隙→永磁体(5)；其二励磁磁场形成的磁路路径：铁极(8)→定子齿(6)→定子轭→相邻定子齿(6)→相邻定子齿(6)的铁极(8)→气隙→转子凸极(9)→转子轭→转子凸极(9)→气隙→铁极(8)；励磁磁场形成的回路不经过永磁体，永磁和励磁两激励磁场的磁路平行，且相互独立。
进一步，还包括：通过对磁路的分析，在一个电周期内，经过单线圈的永磁磁场和励磁磁场的方向都会发生反向，即在永磁激励或励磁激励下，电机的每个电枢线圈磁链均为双极性。
进一步，永磁体(5)极对数Ps、励磁绕组(4)极对数Pw、转子凸极(9)数Nr、电枢绕组(3)极对数Pa满足如下磁场调制关系：
Pa＝|Nr±iPs|，i＝1,2,3…
其中，永磁体(5)极对数Ps与励磁绕组(4)极对数Pw相等，均为定子槽数Ns的一半。
进一步，电枢绕组(3)采用A、B、C三相绕制，通入交流电；励磁绕组(4)通入直流电，励磁绕组(4)通入电流的方向根据右手定则进行确定，励磁绕组通电后产生的磁场方向与绕制其中的定子齿(6)或调制齿(7)上的永磁体(5)充磁方向平行，通过改变励磁电流方向，调整励磁磁场方向，达到增强气隙磁场或削弱气隙磁场的目的。
进一步，套设在定子外的转子(2)无绕组或永磁体仅由转子铁心构成，转子铁心的凸极数根据磁场调制的关系式及多工作波的设计方法综合确定；所有的激励均位于定子(1)上消除了电刷和滑环，转子凸极(9)的结构可为斜齿或直齿，凸极的尺寸可根据电机优化后确定。
进一步，定子上电枢绕组(3)槽口的宽度θaw、励磁绕组(4)槽口宽度θfw、永磁体(5)宽度θpm三者接近，铁极(8)宽度θfp小于永磁体(5)宽度θpm。
本发明的方法的技术方案包括如下步骤：
步骤1，在满足磁场调制关系式的情况下，设定永磁体(5)极对数和转子凸极(9)数，确定相应的电枢绕组(3)极对数，在设定转子凸极数时，应使永磁体(5)极对数和转子凸极数的最大公约数尽量大，以降低转矩脉动；
步骤2，根据确定的电机各重要参数，计算出永磁体(5)单独激励时的气隙磁密，磁密按照如下方法求得：
Figure GDA0002900042790000031
其中：
Figure GDA0002900042790000032
式中，Fpm(θ)为永磁磁动势，θ为转子转动位置角，Pr(θ,t)为转子磁导，Fpm为永磁磁动势的幅值，ps为永磁体极对数、n和m为正整数，p0和p1分别为转子磁导的最大值和最小值，θ0、θr、ω和Nr分别为转子初始位置、转子凸极宽度、转子角速度、转子凸极(9)数，θfp、θfw和θpm分别为铁极宽度、励磁绕组槽口宽度和永磁体宽度；Nr为转子凸极(9)数，通过该计算公式，确定谐波的阶次及每个阶次的幅值，若得出的谐波数目小于4个，则重新开始于步骤1；
步骤3，根据确定的电枢绕组极对数Pa，按如下公式计算出绕组函数N(θ)：
Figure GDA0002900042790000041
其中，Nw为每个线圈的匝数，Nk为绕组因数，表示为：
Figure GDA0002900042790000042
Nk表示为绕组对谐波的吸收能力，可根据对应电枢绕组(3)极对数下的绕组因数，若吸收的每一次谐波能力Nk小于或等于0.8，则重新开始步骤1，若Nk均大于0.8，则计算出每一次谐波的贡献大小及正负贡献，将计算出的总谐波贡献值进行叠加；
步骤4，确定最终设计的电机的永磁体(5)极对数、转子凸极数、电枢绕组(3)极对数，励磁绕组(4)极对数，其中励磁绕组极对数与永磁体极对数相同，电枢绕组(3)吸收永磁磁场和励磁磁场经转子凸极(9)调制后产生的多次谐波，提供转矩，所述电机具有多工作波特性；
步骤5，通过调整永磁体(5)结构参数，在电机未饱和时，利用有限元软件计算出电机反电势幅值最大时所对应的永磁体结构参数，永磁体结构参数主要有：永磁体宽度θpm、永磁体沿定子径向的厚度hpm，永磁体结构参数优化时，设定励磁绕组(4)输入电流为恒值，且保证励磁绕组槽口宽度θfw、电枢绕组槽口宽度θaw、永磁体(5)宽度θpm相同，励磁磁路经过的铁极(8)宽度θfp可表示为：
θfp＝(360°/Ns-θfw-2×θpm-θaw)/4
其中，θfw＝θaw＝θpm，则θfp＝90°/Ns-θpm，Ns为定子齿数；铁极(8)宽度随着永磁体(5)宽度的增加而减小，两者相互影响；
步骤6，调整定子齿(6)的宽度，调制齿(7)的宽度和高度，在不影响反电势大小和电机未饱和的情况下，尺寸尽量小，使得绕组槽的面积得到充分保证；
步骤7，保持定子尺寸和转子外径不变的情况下，同时调整转子轭部厚度和转子凸极(9)宽度θr与转子凸极上部宽度θupr的比值θr：θupr，使得电机磁场未达到饱和时电机反电势达到最大值。
本发明采用上述设计方案后，可以具备如下有益效果：
本发明定子安放在转子内，电机的空间可得到充分利用，同时增加了工作气隙面积，提升电机的输出转矩。
本发明励磁绕组和电枢绕组放置在定子的不同槽内，均采用双层集中式，该绕制方式可有效减小端部长度，降低了电机的铜耗，也使绕线的复杂度有所削减，提高了加工的工艺性；
本发明的所有激励均安放于定子上，消除了滑环和电枢，有效提高了电机运行的可靠性，降低了人员定期维护的工序要求，该设计也有利于对激励源温度的统一管理；转子的简单结构，降低了加工的难度，提升了高速运行的鲁棒性；
本发明中励磁磁路不经过永磁体，属于并联结构，降低永磁体不可逆退磁的风险、减小励磁磁场磁阻、增强励磁绕组调磁能力；
本发明利用磁场调制原理，通过多工作波设计方法，设计合理的电枢绕组极对数、转子凸极数和永磁体极对数，使电枢绕组充分的吸收永磁磁场谐波，多工作波的设计方法有效提升电机输出转矩；同时，励磁绕组极对数与永磁体极对数相同，励磁调节也采用相同的多工作波设计原理，增强了励磁绕组电机的磁场调节能；
本发明混合励磁电机在低速、高转矩的场合，通入正向励磁电流使励磁磁场与永磁磁场相互叠加，有效气隙磁场增强，提高了电机的过载能力；在需要高速低转矩的场合，通入反方向的励磁电流，使励磁磁场与永磁磁场反向叠加，气隙磁场削弱，使电机能够弱磁增速。
本发明混合励磁电机。所有的激励均安放在定子上的这一思路，使得其在轨道交通领域的适用性大大提升，该旋转结构变为直线结构，旋转转子变为直线次级(轨道)，仅由单一硅钢片组成，定子变为直线初级，所有激励源均安放在初级结构上，该结构设计适用于需要长行程的轨道交通中，可极大降低加工成本并提高设计可靠性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的混合励磁电机结构示意图；
图2为本发明另一个实施例的混合励磁电机结构示意图；
图3为本发明实例电枢绕组的连接示意图；
图4为本发明实例励磁绕组的连接示意图；
图5为本发明实施例永磁体单独作用时，磁链正向和反向最大位置的磁力线示意图；(a)为磁链正向最大位置；(b)为磁链反向最大位置；
图6为本发明实施例励磁绕组单独作用，永磁体设置为空气时，磁链正向和反向最大位置的磁力线示意图；(a)为磁链正向最大位置；(b)为磁链反向最大位置；
图7为本发明实施例的混合励磁电机永磁体单独作用，即励磁绕组与电枢绕组均不通电时的磁场分布图；
图8为本发明实施例的混合励磁电机励磁绕组单独作用，即永磁体设置为空气电枢绕组不通电时的磁场分布图；
图9为本发明实施例的混合励磁电机永磁体和励磁绕组单独激励时，气隙磁密的谐波分布图；
图10为本发明实施例的混合励磁电机电枢绕组不通电，永磁电机单独作用(永磁激励)、励磁绕组单独作用(励磁激励)、永磁绕组和励磁绕组两者正向和反向叠加(混合增磁和混合去磁)，四种情况下的磁链结果示意图；
图11为本发明实施例的混合励磁电机电枢绕组不通电，励磁绕组通正向励磁电流(混合增磁)、不通电(永磁激励)、反向励磁电流(混合去磁)时的反电势波形图；
图12为本发明实施例的混合励磁电机电枢绕组通电，励磁绕组通正向励磁电流(混合增磁)、不通电(永磁激励)、反向励磁电流(混合去磁)时的转矩波形；
图中：1、定子，2、转子，3、电枢绕组，4、励磁绕组，5、永磁体，6、定子齿，7、调制齿，8、铁极，9、凸极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和效果更加清晰明白，下面结合附图和具体的实施例子，对本发明电机的结构特点和有益效果进行详细描述。
如图1-2所示，一种磁场调制混合励磁电机，包括定子(1)和转子(2)，定子包括定子铁心、电枢绕组(3)、励磁绕组(4)、永磁体(5)，其中定子铁心为开口槽设计，形成定子齿，电枢绕组(3)或励磁绕组(4)分布于定子齿的底部开口槽内，采用集中式缠绕在一个定子齿(6)上，每个定子齿的端部开设端部凹槽，励磁绕组(4)或电枢绕组(3)放置在定子齿(6)的端部凹槽内，每个定子齿通过端部凹槽分裂成两个调制齿(7)，每个调制齿(7)上嵌入一个永磁体(5)，永磁体(5)位于调制齿(7)端部的两个铁极(8)的中间，励磁绕组(4)或电枢绕组(3)采用集中式缠绕在由不同定子齿分裂而成的两个相邻调制齿(7)上，永磁体(5)的充磁方向为径向充磁，N、S极的摆放位置由励磁绕组的放置位置决定；励磁绕组(4)和电枢绕组(3)的每个线圈空间上错开180°/Ns放置；其中定子铁心和转子铁心采用硅钢片等导磁材料，永磁体(5)采用钕铁硼材料；
永磁体(5)充磁方向根据下列情况设置：
如图2所示，若励磁绕组(4)集中绕制于定子齿(6)的底部开口槽内，则由相同定子齿(6)分裂而成的两个调制齿(7)上的永磁体(5)极性相同，由不同定子齿(6)分裂而成的两个相邻调制齿(7)上的永磁体(5)极性相反，永磁体(5)为径向充磁，励磁绕组(4)所缠绕的定子齿(6)上形成的磁场回路方向与永磁体(5)在该定子齿上形成的磁场回路方向平行；
如图1所示，若励磁绕组(4)集中绕制于由不同定子齿(6)分裂而成的两个相邻调制齿(7)，则由不同定子齿(6)分裂而成的两个相邻调制齿(7)上的永磁体(5)极性相同，由相同定子齿(6)分裂而成的两个调制齿(7)上的永磁体(5)极性相反，永磁体(5)为径向充磁，励磁绕组(4)在两个调制齿上形成的磁场回路方向与永磁体(5)在两个调制齿上形成的磁场回路方向平行。
电枢绕组的缠绕方向如图3所示，相序为：A1-B1-C1-A2-B2-C2；励磁绕组的缠绕方式如图4所示，通过右手定则判定，使励磁绕组产生的磁场方向与绕制其中的定子齿或调制齿上的永磁体充磁方向水平，每个定子齿凹槽内放置两个励磁线圈，同一定子齿凹槽内的励磁线圈电流流向相同，相邻定子齿凹槽内励磁线圈的流向相反。虽然图1和图2的励磁绕组和电枢绕组放置位置不同，但通过改变永磁体相同极性的放置位置，使得永磁磁场也随励磁磁场位置的改变而发生偏移。另一实施例的励磁绕组和电枢绕组的缠绕方式分别按照图4和图3所示绕制，另一实施例仅永磁体放置位置根据两套绕组的缠绕位置变化而变化，所述两电机实施例的工作原理，设计思路，磁场调制关系完全相同。所述电机永磁激励或励磁绕组激励下，每个电枢线圈磁链均为双极性，即在一个电周期内，磁场流入电枢绕组绕制齿(定子齿或调制齿)的方向发生一次变化。套设在定子外的转子无绕组或永磁体，仅由转子铁心构成，转子铁心的凸极数根据磁场调制的关系式及多工作波的设计方法综合确定；单一的转子结构有效的避免了应力集中，也提高了电机弱磁区的鲁棒性。所有的激励均安放在定子上消除了电刷和滑环，提高了电机的可靠性，也减少了人员定期维护工作量。在运行过程中，也有助于对激励源温度的统一管理。转子凸极的结构可为斜齿或直齿，凸极的尺寸可通过电机优化后确定，本发明设计中采用斜齿为佳。
根据磁场调制原理，本发明电机需满足以下关系：
Pa＝|Nr±iPs|，i＝1,2,3…
其中，永磁体(5)极对数为Ps、励磁绕组(4)极对数为Pw、转子凸极(9)数为Nr、电枢绕组(3)极对数为Pa，且永磁体极对数Ps与励磁绕组极对数Pw相等，均为定子槽数Ns的一半。
该磁场调制混合励磁电机为了获得多工作波设计方法，进行如下步骤：
步骤1，在满足磁场调制关系式的情况下，设定永磁体(5)极对数和转子凸极(9)数，确定相应的电枢绕组(3)极对数，在设定转子凸极数时，应使永磁体极对数和转子凸极数的最大公约数尽量大，以降低转矩脉动。
步骤2，根据确定的电机各重要参数，计算出永磁体(5)单独激励时的气隙磁密，磁密按照如下方法求得：
Figure GDA0002900042790000071
其中：
Figure GDA0002900042790000072
式中，Fpm为永磁磁动势的幅值，ps为永磁体极对数、n和m为正整数，p0和p1分别为转子磁导的最大值和最小值，θ0、θr、ω和Nr分别为转子初始位置、转子凸极宽度、转子角速度、转子凸极(9)数，θfp、θfw和θpm分别为铁极宽度、励磁绕组槽口宽度和永磁体宽度。通过该计算公式，确定谐波的阶次及每个阶次的幅值，若得出的谐波数目小于4个，则重新开始于步骤1。
步骤3，根据确定的电枢绕组极对数Pa，按如下公式计算出绕组函数N(θ)：
Figure GDA0002900042790000073
其中，Nw为每个线圈的匝数，Nk为绕组因数，表示为：
Figure GDA0002900042790000074
Nk表示为绕组对谐波的吸收能力，可根据对应电枢绕组(3)极对数下的绕组因数，若吸收的每一次谐波能力Nk小于或等于0.8，则重新开始步骤1，若Nk均大于0.8，则计算出每一次谐波的贡献大小及正负贡献，将计算出的总谐波贡献值进行叠加。
步骤4，确定最终设计的电机的永磁体(5)极对数、转子凸极(9)数、电枢绕组(3)极对数、励磁绕组(4)极对数，其中励磁绕组极对数与永磁体极对数相同。电枢绕组(3)吸收永磁磁场和励磁磁场经转子凸极(9)调制后产生的多次谐波，提供转矩，所述电机具有多工作波特性。
步骤5，通过调整永磁体(5)结构参数，在电机未饱和时，利用有限元软件计算出电机反电势幅值最大时所对应的永磁体(5)结构参数，永磁体结构参数主要有：永磁体宽度θpm、永磁体沿定子径向的厚度hpm。永磁体结构参数优化时，设定励磁绕组输入电流为恒值，且保证励磁绕组槽口宽度θfw、电枢绕组槽口宽度θaw、永磁体(5)宽度θpm相同，励磁磁路经过的铁极(8)宽度θfp可表示为：
θfp＝(360°/Ns-θfw-2×θpm-θaw)/4
其中，θfw＝θaw＝θpm，则θfp＝90°/Ns-θpm，Ns为定子齿数；铁极(8)宽度随着永磁体(5)宽度的增加而减小，两者相互影响。
步骤6，调整定子齿(6)的宽度，调制齿(7)的宽度和高度，在不影响反电势大小和电机未饱和的情况下，尺寸尽量小，使得绕组槽的面积得到充分保证。
步骤7，保持定子尺寸和转子外径不变的情况下，同时调整转子轭部厚度和转子凸极(9)宽度θr与转子凸极上部宽度θupr的比值θr：θupr，使得电机磁场未达到饱和时电机反电势达到最大值。
实例1
图1为本发明一个实施例的混合励磁电机的结构示意图。如图1所示，该电机为三相电机，包括定子(1)和转子(2)，两者同轴安装，定子(1)套设在转子内。定子铁心的材料与转子(2)相同，由硅钢片叠压而成。每个定子齿(6)表面开设有一个凹槽，将定子齿(6)端部分裂成两个调制齿(7)，定子齿的凹槽内放置励磁绕组(4)，励磁采用双层集中式缠绕在相邻两个由不同定子齿(6)分裂而成的调制齿(7)上，电枢绕组(3)放置在定子铁心的开口槽内，采用双层集中式缠绕在定子齿(6)上。其中，励磁绕组(4)通直流电，电流的方向由实际工况决定，若需要弱磁增速时，通入负方向电流，使励磁绕组(4)产生与永磁体(5)方向相反的磁场，若需要提高转矩，通入正方向电流，使励磁绕组产生与永磁体方向相同的磁场。电枢绕组通交流电，与励磁绕组和永磁体叠加的磁场相互作用，可以产生恒定的输出转矩。
如图1所示，本实施例中，永磁体(5)的极性按照如下方式规定：由不同定子齿(6)分裂而成的相邻调制齿(7)上的永磁体(5)极性相同，由相同定子齿(6)分裂而成的两个调制齿(7)上的永磁体(5)极性相反。转子(2)仅由转子铁心组成，转子(2)上无绕组和永磁体。所有激励均放置在定子上，励磁绕组槽口宽度θfw、电枢绕组槽口宽度θaw、永磁体(5)宽度θpm三者接近，铁极(8)宽度θfp小于永磁体(5)宽度θpm。本实施例中，定子槽数为6，转子凸极(9)数为19，安装于调制齿(7)凹槽内的永磁体(5)共12块，按上述永磁体(5)极性的要求沿径向充磁，永磁体(5)极对数为3，励磁绕组(4)极对数也为3，三相电机绕组极对数为2。因而，本实施例中，绕组极对数与7倍的永磁体极对数3之差为19等于转子凸极数，满足磁场调制原理。
图5为永磁体(5)单独作用时，磁链正向和反向最大位置的磁力线示意图，图中方块未着色为N极，方块着黑色为S极，在磁链正向最大位置永磁磁场产生的磁力线，由N极永磁体经过气隙、转子(2)、气隙、再经过相邻定子齿(6)分裂而成的调制齿(7)上的S极永磁体，重新回到定子齿(6)，通过定子轭部形成闭合的磁路，图5(a)在绕组线圈A1中形成的磁场方向由定子轭部指向定子齿部；在磁链反向最大位置永磁磁场产生的磁力线，由S极永磁体经过气隙、转子(2)、气隙、再经过相邻定子齿(6)分裂而成的调制齿(7)上的N极永磁体，重新回到定子齿(6)，通过定子轭部形成闭合的磁路，图5(b)在绕组线圈A1中形成的磁场方向由定子齿部指向定子轭部，在一个电周期内永磁磁场方向发生变化，绕组磁链为双极性。
图6为励磁绕组单独作用，永磁体(5)设置为空气时，磁链正向和反向最大位置的磁力线示意图，由于永磁体(5)磁阻与空气磁阻近似相等，因而单励磁绕组(4)激励，可将永磁体(5)设置为空气，在磁链正向最大位置励磁绕组产生的磁力线，通过电枢线圈A1缠绕的定子齿(6)分裂而成的左侧调制齿(7)的左侧铁极(8)、气隙、转子(2)、气隙、再经过相邻定子齿(6)分裂而成的左侧调制齿(7)的左侧铁极(8)，重新回到定子齿(6)，通过定子轭部形成闭合的磁路，图6(a)在绕组线圈A1中形成的磁场方向由定子轭部指向定子齿部；在磁链反向最大位置励磁绕组产生的磁力线，通过电枢线圈A1缠绕的定子齿(6)分裂而成的右侧调制齿(7)的右侧铁极(8)、气隙、转子(2)、气隙、再经过相邻定子齿(6)分裂而成的右侧调制齿(7)的右侧铁极(8)，重新回到定子齿(6)，图6(b)在绕组线圈A1中形成的磁场方向由定子齿部指向定子轭部，在一个电周期内永磁磁场方向发生变化，励磁磁场为双极性。
图7和图8分别是本发明实施例永磁体单独作用和励磁绕组单独作用产生的磁场分布图，从图中可以看出，永磁磁场形成的磁路路径：永磁体(5)→定子齿(6)→定子轭→定子齿(6)→永磁体(5)→气隙→转子凸极(9)→转子轭→转子凸极(9)→气隙→永磁体(5)；励磁磁场形成的磁路路径：铁极(8)→定子齿(6)→定子轭→定子齿(6)→铁极(8)→气隙→转子凸极(9)→转子轭→转子凸极(9)→气隙→铁极(8)。励磁磁场形成的回路不经过永磁体，两激励产生的磁路平行，且相互独立。所以此混合励磁方式为并联式，降低了永磁体不可逆退磁的风险；此外，励磁磁场磁阻小、励磁绕组调磁能力强。
图9为本发明实施例电机永磁体和励磁绕组分别单独激励时气隙磁密的谐波分布图，从图中可以看出永磁体在气隙中主要产生的工作波为2次、4次、8次、10次、14次、16次、22次和28次；励磁绕组在气隙中主要产生的工作波为2次、4次、8次、10次、14次、16次、22次和28次。电枢绕组按4极进行绕制，2次、4次、8次、10次、14次、16次、22次和28次的绕组因数均大于0.8。
图10为本发明实施例电机电枢绕组不通电，永磁电机单独作用(永磁激励)、励磁绕组单独作用(励磁激励)、永磁绕组和励磁绕组两者正向和反向叠加(混合增磁和混合去磁)，四种情况下的磁链结果示意图，其中后三种情况的励磁绕组的输入电流分别为2.5A/mm2、2.5A/mm2、-2.5A/mm2。从图中可以看出，将永磁激励时磁链的幅值定为标准1标幺值，励磁激励磁链的幅值为0.53，混合增磁的磁链幅值为1.53，混合去磁的磁链幅值为0.47。对以上磁链幅值进行分析，可以发现在该输入励磁电流下，磁链成线性叠加，混合增磁的磁链幅值为永磁激励和励磁激励之和，混合去磁为两者之差，表明本发明实施例电机的励磁效果较好。
图11为本发明实施例的混合励磁电机电枢绕组不通电，励磁绕组通正向励磁电流(混合增磁)、不通电(永磁激励)、反向励磁电流(混合去磁)时的反电势波形图，电机的转速为120r/min，三种情况下的励磁电流分别为：2.5A/mm2、0A/mm2、-2.5A/mm2，对应的反电势幅值分别为：20.3V、13.4V、6.4V，三种情况的反电势基本线性增长，增长幅度为7V左右。此外，从图中可以看出，反电势基本正弦，计算可得谐波畸变率分别为：1.08％，2.74％和0.69％。
图12为本发明实施例的混合励磁电机电枢绕组通电，励磁绕组通正向励磁电流(混合增磁)、不通电(永磁激励)、反向励磁电流(混合去磁)时的转矩波形，电机的转速为120r/min，电枢绕组电流为5A/mm2，三种情况的励磁电流分别为1A/mm2，0A/mm2，-1A/mm2。从图中可以看出，平均输出转矩6.2Nm、5.3Nm、4.4Nm，三种情况的输出转矩基本线性增长，增长幅度为0.9Nm。此外，计算可得三种情况的转矩脉动均在10％以下。
实例2
在本发明的另一个实施例如图2所示，与本实施例相比，该电机定转子结构完全一样，但电枢绕组(3)、励磁绕组(4)和永磁体(5)的安装位置不同，另一个实施例中，电枢绕组(3)安放在定子齿的凹槽内，双层集中式绕制在由不同定子齿分裂而成的两个相邻调制齿上；励磁绕组(4)安放在定子铁心的开口槽内，双层集中式绕制在一个定子齿(6)上；永磁体(5)的充磁方向为径向充磁，安放位置为：同一个定子齿(6)分裂而成的两个调制齿(7)上的永磁体(5)极性相同，由不同定子齿(6)分裂而成的两个相邻调制齿(7)上的永磁体(5)极性相反。
虽然，与实例1相比，实例2的永磁体(5)，电枢绕组(3)和励磁绕组(4)放置位置都发生了变化，但是设计的思路和核心方法完全一致。该永磁磁场形成的磁路路径：永磁体(5)→定子齿(6)→定子轭→定子齿(6)→永磁体(5)→气隙→转子凸极(9)→转子轭→转子凸极(9)→气隙→永磁体(5)；励磁磁场形成的磁路路径：铁极(8)→定子齿(6)→定子轭→定子齿(6)→铁极(8)→气隙→转子凸极(9)→转子轭→转子凸极(9)→气隙→铁极(8)。励磁磁场形成的回路不经过永磁体(5)，两激励产生的磁路平行，且相互独立。所以此混合励磁仍为并联式。
综上所述，本发明中并联式混合励磁电机，通过将永磁激励磁路和励磁绕组激励磁路平行设计，有效的避免了永磁体的不可逆退磁，增强了励磁绕组的调磁能力；在永磁单独激励和励磁绕组单独激励的情况下，单个电枢线圈磁链都具有双极性，从而使得电机的输出性能得到提升；利用磁场调制原理，按照多工作波设计方法对电机的永磁体极对数、励磁绕组极对数、电枢绕组极对数、转子凸极数进行合理设计，使得本发明电机具有多工作波特性，再对电机的结构参数进行合理优化，提高了磁场利用率，使得电机的性能得到充分发挥。本发明专利电机除了适用于旋转结构外，该设计思路同样适用于直线结构，该电机的所有激励均放置于定子上的结构特点，可极大降低长行程推进系统的建造成本，在如长行程大推力的轨道交通中具有较大的应用前景。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种磁场调制混合励磁电机，其特征在于：包括定子(1)和转子(2)，定子包括定子铁心、电枢绕组(3)、励磁绕组(4)、永磁体(5)，其中定子铁心为开口槽设计，形成定子齿，电枢绕组(3)或励磁绕组(4)分布于定子齿的底部开口槽内，采用集中式缠绕在一个定子齿(6)上，每个定子齿的端部开设端部凹槽，励磁绕组(4)或电枢绕组(3)放置在定子齿(6)的端部凹槽内，每个定子齿通过端部凹槽分裂成两个调制齿(7)，每个调制齿(7)上嵌入一个永磁体(5)，永磁体(5)位于调制齿(7)端部的两个铁极(8)的中间，励磁绕组(4)或电枢绕组(3)采用集中式缠绕在由不同定子齿分裂而成的两个相邻调制齿(7)上，永磁体(5)的充磁方向为径向充磁，N、S极的摆放位置由励磁绕组的放置位置决定；励磁绕组(4)和电枢绕组(3)的每个线圈空间上错开180°/Ns放置，Ns为定子槽数；其中定子铁心和转子铁心采用硅钢片导磁材料，永磁体(5)采用钕铁硼材料；
永磁体(5)充磁方向根据下列情况设置：
若励磁绕组(4)集中绕制于定子齿(6)的底部开口槽内，则由相同定子齿(6)分裂而成的两个调制齿(7)上的永磁体(5)极性相同，由不同定子齿(6)分裂而成的两个相邻调制齿(7)上的永磁体(5)极性相反，永磁体(5)为径向充磁，励磁绕组(4)所缠绕的定子齿(6)上形成的磁场回路方向与永磁体(5)在该定子齿上形成的磁场回路方向平行；
若励磁绕组(4)集中绕制于由不同定子齿(6)分裂而成的两个相邻调制齿(7)，则由不同定子齿(6)分裂而成的两个相邻调制齿(7)上的永磁体(5)极性相同，由相同定子齿(6)分裂而成的两个调制齿(7)上的永磁体(5)极性相反，永磁体(5)为径向充磁，励磁绕组(4)在两个调制齿上形成的磁场回路方向与永磁体(5)在两个调制齿上形成的磁场回路方向平行。
2.根据权利要求1所述的一种磁场调制混合励磁电机，其特征在于：该电机形成两个磁路路径，其一永磁磁场形成的磁路路径：永磁体(5)→定子齿(6)→定子轭→相邻定子齿(6)→相邻定子齿(6)上的永磁体(5)→气隙→转子凸极(9)→转子轭→转子凸极(9)→气隙→永磁体(5)；其二励磁磁场形成的磁路路径：铁极(8)→定子齿(6)→定子轭→相邻定子齿(6)→相邻定子齿(6)的铁极(8)→气隙→转子凸极(9)→转子轭→转子凸极(9)→气隙→铁极(8)；励磁磁场形成的回路不经过永磁体，永磁和励磁两激励磁场的磁路平行，且相互独立。
3.根据权利要求2所述的一种磁场调制混合励磁电机，其特征在于：还包括：通过对磁路的分析，在一个电周期内，经过单线圈的永磁磁场和励磁磁场的方向都会发生反向，即在永磁激励或励磁激励下，电机的每个电枢线圈磁链均为双极性。
4.根据权利要求1所述的一种磁场调制混合励磁电机，其特征在于：永磁体(5)极对数Ps、励磁绕组(4)极对数Pw、转子凸极(9)数Nr、电枢绕组(3)极对数Pa满足如下磁场调制关系：
Pa＝|Nr±iPs|，i＝1,2,3…
其中，永磁体(5)极对数Ps与励磁绕组(4)极对数Pw相等，均为定子槽数Ns的一半。
5.根据权利要求4所述的一种磁场调制混合励磁电机，其特征在于：电枢绕组(3)采用A、B、C三相绕制，通入交流电；励磁绕组(4)通入直流电，励磁绕组(4)通入电流的方向根据右手定则进行确定，励磁绕组通电后产生的磁场方向与绕制其中的定子齿(6)或调制齿(7)上的永磁体(5)充磁方向平行，通过改变励磁电流方向，调整励磁磁场方向，达到增强气隙磁场或削弱气隙磁场的目的。
6.根据权利要求1所述的一种磁场调制混合励磁电机，其特征在于：套设在定子外的转子(2)无绕组或永磁体仅由转子铁心构成，转子铁心的凸极数根据磁场调制的关系式及多工作波的设计方法综合确定；所有的激励均位于定子(1)上消除了电刷和滑环，转子凸极(9)的结构可为斜齿或直齿，凸极的尺寸可根据电机优化后确定。
7.根据权利要求6所述的一种磁场调制混合励磁电机，其特征在于：定子上电枢绕组(3)槽口的宽度θaw、励磁绕组(4)槽口宽度θfw、永磁体(5)宽度θpm三者接近，铁极(8)宽度θfp小于永磁体(5)宽度θpm。
8.一种如权利要求1所述的一种磁场调制混合励磁电机的多工作波设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在满足磁场调制关系式的情况下，设定永磁体(5)极对数和转子凸极(9)数，确定相应的电枢绕组(3)极对数，在设定转子凸极数时，应使永磁体(5)极对数和转子凸极数的最大公约数尽量大，以降低转矩脉动；
步骤2，根据确定的电机各重要参数，计算出永磁体(5)单独激励时的气隙磁密，磁密按照如下方法求得：
Figure FDA0002900042780000021
其中：
Figure FDA0002900042780000022
式中，Fpm(θ)为永磁磁动势，θ为转子转动位置角，Pr(θ,t)为转子磁导，Fpm为永磁磁动势的幅值，ps为永磁体极对数、n和m为正整数，p0和p1分别为转子磁导的最大值和最小值，θ0、θr、ω和Nr分别为转子初始位置、转子凸极宽度、转子角速度、转子凸极(9)数，θfp、θfw和θpm分别为铁极宽度、励磁绕组(4)槽口宽度和永磁体宽度；Nr为转子凸极(9)数，通过计算永磁体(5)单独激励时的气隙磁密所用的计算公式，确定谐波的阶次及每个阶次的幅值，若得出的谐波数目小于4个，则重新开始于步骤1；
步骤3，根据确定的电枢绕组极对数Pa，按如下公式计算出绕组函数N(θ)：
Figure FDA0002900042780000023
其中，Nw为每个线圈的匝数，Nk为绕组因数，表示为：
Figure FDA0002900042780000031
Nk表示为绕组对谐波的吸收能力，可根据对应电枢绕组(3)极对数下的绕组因数，若吸收的每一次谐波能力Nk小于或等于0.8，则重新开始步骤1，若Nk均大于0.8，则计算出每一次谐波的贡献大小及正负贡献，将计算出的总谐波贡献值进行叠加；
步骤4，确定最终设计的电机的永磁体(5)极对数、转子凸极数、电枢绕组(3)极对数，励磁绕组(4)极对数，其中励磁绕组极对数与永磁体极对数相同，电枢绕组(3)吸收永磁磁场和励磁磁场经转子凸极(9)调制后产生的多次谐波，提供转矩，所述电机具有多工作波特性；
步骤5，通过调整永磁体(5)结构参数，在电机未饱和时，利用有限元软件计算出电机反电势幅值最大时所对应的永磁体结构参数，永磁体结构参数主要有：永磁体宽度θpm、永磁体沿定子径向的厚度hpm，永磁体结构参数优化时，设定励磁绕组(4)输入电流为恒值，且保证励磁绕组(4)槽口宽度θfw、电枢绕组槽口宽度θaw、永磁体(5)宽度θpm相同，励磁磁路经过的铁极(8)宽度θfp可表示为：
θfp＝(360°/Ns-θfw-2×θpm-θaw)/4
其中，θfw＝θaw＝θpm，则θfp＝90°/Ns-θpm，Ns为定子齿数；铁极(8)宽度随着永磁体(5)宽度的增加而减小，两者相互影响；
步骤6，调整定子齿(6)的宽度，调制齿(7)的宽度和高度，在不影响反电势大小和电机未饱和的情况下，尺寸尽量小，使得绕组槽的面积得到充分保证；
步骤7，保持定子尺寸和转子外径不变的情况下，同时调整转子轭部厚度和转子凸极(9)宽度θr与转子凸极上部宽度θupr的比值θr：θupr，使得电机磁场未达到饱和时电机反电势达到最大值。
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