CN111953167B - 一种开关磁通混合励磁容错电机 - Google Patents

一种开关磁通混合励磁容错电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关磁通混合励磁容错电机,包括定子1、电枢绕组2、励磁绕组3、主永磁体4、辅永磁体5和转子6;定子1和转子6均为凸极结构;电机的定子1包括定子铁心101和主永磁体4,多个E字型的铁心101和多个切向充磁的主永磁体4依次交替连接,主永磁体4沿圆周夹在铁心101中间,其中相邻主永磁体4充磁方向相反,每个铁心101增加一个容错齿102,容错齿102上无绕组;一个主永磁体4与两个E形铁心101侧边相连组成一个整体,构成电枢齿103;所述电枢齿上跨绕有电枢绕组,所述电枢绕组分为A、B、C三相,本发明与绕组磁链脉振的双凸极永磁电机相比,磁通双极性变化,一定的定子磁动势会产生更大的转矩,功率密度较高。

Description

一种开关磁通混合励磁容错电机
技术领域
本发明属于电气工程的电机制造技术领域,涉及一种磁通变换的容错电机装置与设计。
背景技术
随着科学技术的发展,电机在军事、民用的各个领域得到越来越广泛的应用,但是,航空航天等对连续运行有高要求的领域,其工作环境恶劣且能源有限,要求开发出具有高可靠性和高能量密度的电机,因此,研究将高能量密度、高可靠性以及较高的容错能力等优点集于一身的电机结构,成为相关领域的一个重要课题。开关磁通电机是一种双凸极永磁电机,与传统的磁通切换电机相比,它把高磁能的永磁体放在定子模块中间,随着转子旋转,定子上集中绕组交链的永磁磁通改变极性,即磁通反向,这意味着比磁通脉振产生更大的磁通变化,因此一定的定子磁动势会产生更大的转矩。
由于磁通切换电机的绕组利用率高、电感小、容错力好、结构简单、转动惯量小及适于高速运转等优点,可广泛应用于汽车制造业、航空航天、工业等领域,其固有的高功率密度尤其可作为汽车发电机。
发明内容
本发明提出了一种混合励磁的开关磁通的容错电机,它是集开关磁阻电机与容错永磁电机的优点于一身,进一步提高开关磁通电机的容错、增去磁能力。该电机在电气外特性上类似于永磁同步电机,而微观力的产生原理又类似于开关磁阻电机,它具备永磁同步电机高功率密度、高功率因素的优点,又具备开关磁阻电机高速性好的优点。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种开关磁通混合励磁容错电机,包括定子1、电枢绕组2、励磁绕组3、主永磁体4、辅永磁体5和转子6;定子1和转子6均为凸极结构;
电机的定子1包括定子铁心101和主永磁体4,多个E字型的铁心101和多个切向充磁的主永磁体4依次交替连接,主永磁体4沿圆周夹在铁心101中间,其中相邻主永磁体4充磁方向相反,每个铁心101增加一个容错齿102,容错齿102上无绕组;一个主永磁体4与两个E形铁心101侧边相连组成一个整体,构成电枢齿103;
所述电枢齿103上跨绕有电枢绕组2,所述电枢绕组2分为A、B、C三相,每相电枢绕组2由空间上径向相对的两极绕组顺序串接而成,相与相绕组之间通过容错齿102隔离;容错齿102为主永磁体4、辅永磁体5和电枢绕组2提供磁回路,同时起到了相与相之间的隔离作用;
电枢齿103靠接气隙的下边缘为齿靴104部分,各个齿靴104下张贴有极性相反的两块径向充磁的辅永磁体5,极性相反的辅永磁体5间嵌有单相励磁绕组3,所述单相励磁绕组3由各个单相线圈依次串接而成;
所述转子6设置于定子1内部,转子6上无绕组和磁钢。
进一步,电枢绕组2和励磁绕组3皆为集中绕组。
进一步,定子1、转子6皆为凸极结构,定子1、转子6上的铁心由导磁的硅钢片轴向叠压而成,磁钢采用高性能的稀土制成。
进一步,转子6上的转子齿601为直齿型,励磁磁场由主永磁体4、辅永磁体5和励磁绕组3产生。
进一步,6个E字型的铁心101和6个切向充磁的主永磁体4依次交替连接,铁心101和主永磁体4与机座采用过盈配合,以保证铁心101和主永磁体4的位置固定。
与现有技术相比,本发明提供的一种开关磁通混合励磁容错电机具有如下优点:
1.相较于永磁同步电机其弱磁相对容易实现。它的弱磁磁路刚好和永磁同步相反,主磁路不经过主永磁体,辅助磁路经过容错齿。弱磁扩速能力就优异于永磁同步电机,能够很容易的获得4倍以上的扩速比。
2.配置混合励磁具有更强的弱磁能力,构成了一个磁通可调的机构。励磁绕组只需通入单相直流电就可以调节磁场,增磁时通入正电流,弱磁时通入负电流,励磁磁场就和永磁磁场相互合成、抵消。应用在电动汽车场合低速爬坡时,磁场增强,转矩上升,负载能力提高;高速行驶时,磁场减弱,运行速度范围大幅度扩大。
3.转子上无电刷、无永磁体、无绕组,转动惯量小,转子结构简单,无应力集中区域,机械强度高,可靠性高,高速性能好。
4.定子上的电枢绕组和励磁绕组均为集中式绕组,端部短,安装方便。电枢、励磁绕组和主辅永磁体均位于定子上,易于冷却。
5.绕组互感较小,相与相之间耦合小,独立性强。容错齿的引入,使其作为磁通回路的同时,也将相绕组间相互隔离,从而使得电机具有电路、磁路以及温度的隔离。
6.相较开关磁阻电机,永磁磁链和反电势波形接近正弦分布,因此可以采用正弦波电流供电方式运行。同时,一些正弦波永磁同步电机的控制方法和理论,如矢量控制、直接转矩控制等,可以在电机得到很好的应用。
7.与绕组磁链脉振的双凸极永磁电机相比,磁通双极性变化,一定的定子磁动势会产生更大的转矩,功率密度较高。
附图说明
图1为本发明一种开关磁通混合励磁容错电机的结构示意图。
图2为该电机空载开路时磁通路径示意图。图2(a)为平衡位置磁链为0时的磁通示意图;图2(b)为磁链正向最大时的磁通路径示意图;图(c)为磁链反向最大时的磁通路径示意图。
图3为该电机负载时力矩方向示意图。图3(a)为第一平衡位置时力矩方向示意图;图3(b)为第二平衡位置时力矩方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明:
如图1所示,一种开关磁通混合励磁容错电机,包括定子1、电枢绕组2、励磁绕组3、主永磁体4、辅永磁体5和转子6;定子1和转子6均为凸极结构;
电机的定子1包括定子铁心101和主永磁体4,多个E字型的铁心101和多个切向充磁的主永磁体4依次交替连接,主永磁体4沿圆周夹在铁心101中间,其中相邻主永磁体4充磁方向相反,每个铁心101增加一个容错齿102,容错齿102上无绕组;一个主永磁体4与两个E形铁心101侧边相连组成一个整体,构成电枢齿103;
所述电枢齿103上跨绕有电枢绕组2,所述电枢绕组2分为A、B、C三相,每相电枢绕组2由空间上径向相对的两极绕组顺序串接而成,相与相绕组之间通过容错齿102隔离;容错齿102为主永磁体4、辅永磁体5和电枢绕组2提供磁回路,同时起到了相与相之间的隔离作用;
电枢齿103靠接气隙的下边缘为齿靴104部分,各个齿靴104下张贴有极性相反的两块径向充磁的辅永磁体5,极性相反的辅永磁体5间嵌有单相励磁绕组3,所述单相励磁绕组3由各个单相线圈依次串接而成;
所述转子6设置于定子1内部,转子6上无绕组和磁钢。
电枢绕组2和励磁绕组3皆为集中绕组。
定子1、转子6皆为凸极结构,定子1、转子6上的铁心由导磁的硅钢片轴向叠压而成,磁钢采用高性能的稀土制成。
转子6上的转子齿601为直齿型,励磁磁场由主永磁体4、辅永磁体5和励磁绕组3产生。
6个E字型的铁心101和6个切向充磁的主永磁体4依次交替连接,铁心101和主永磁体4与机座采用过盈配合,以保证铁心101和主永磁体4的位置固定。
一种开关磁通混合励磁容错电机空载时磁通切换的工作过程为:
所谓磁通切换,以A相为例,就是A相电枢绕组中能够出现双极性,就是磁场能够从正向穿过又能过渡到反向穿过,顺转子移动而周期循环。这是靠转子的磁极和定子齿相对位置变化来实现的,我们将一个单元,沿直线展开,如图2所示。当转子移动到磁链最大位置如图2(a)所示时,永磁磁路发生变化,磁场从定子向外匝链过绕组后,进入转子;转子继续移动到平衡位置如图2(b)所示时,永磁磁路又发生变化,A相绕组磁链又回到最小;转子继续移动到磁链反向最大位置如图2(c)所示,此时磁场从转子向内匝链A相绕组,磁链极性变反。理想情况下,相磁通呈双极性余弦变化,感应出反正弦的励磁电动势波。因此,磁场虽然是主辅永磁体和励磁绕组激励的,但电枢绕组的磁链是随转子旋转磁路磁阻的变化而变化的。这样,主辅永磁体和励磁绕组没有转动而感应了双极性的励磁电动势,当电机外接负载时,定子绕组磁动势与永磁体建立的磁场相互作用而实现能量转换,机械能就转化为了电能。同样,该电机也可以作为电动机运行,用作电动机时,给绕组通以正弦电流,在永磁磁链增加时给绕组通入正半周期电流,在永磁磁链减小时给绕组通入负半周期电流。
一种开关磁通混合励磁容错电机负载时电磁转矩的生成过程为:如图3(a)所示,当磁链处于第一平衡位置时,定转子相对位置为转子齿对准电枢齿中心。虚线是电枢绕组电流产生的磁链,实线是永磁产生的磁链。转子齿601的右侧两磁场抵消,转子齿601的左侧两磁场增强,整体合成磁场的趋势是从右到左。按照磁阻最小原理,转子受到左侧的牵引力作用。如图3(b)所示,当磁链处于第二平衡位置时,定转子相对位置为容错齿对准转子槽中心,同样由于电枢磁场和永磁磁场的交互作用,合成的磁场的趋势也是从右相左,转子仍受到左向的驱动力作用。只要保证电流的相位和反电动势的相位相同,转子总是受一个方向的牵引力的作用。
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 (5)

1.一种开关磁通混合励磁容错电机,其特征在于,包括定子(1)、电枢绕组(2)、励磁绕组(3)、主永磁体(4)、辅永磁体(5)和转子(6);定子(1)和转子(6)均为凸极结构;
电机的定子(1)包括定子铁心(101)和主永磁体(4),多个定子铁心(101)和多个切向充磁的主永磁体(4)依次交替连接,主永磁体(4)沿圆周夹在定子铁心(101)中间,其中相邻主永磁体(4)充磁方向相反,每个定子铁心(101)增加一个容错齿(102),容错齿(102)上无绕组;一个主永磁体(4)与两个定子铁心(101)侧边相连组成一个整体,构成电枢齿(103);
所述电枢齿(103)上跨绕有电枢绕组(2),所述电枢绕组(2)分为A、B、C三相,每相电枢绕组(2)由空间上径向相对的两极绕组顺序串接而成,相与相绕组之间通过容错齿(102)隔离;容错齿(102)为主永磁体(4)、辅永磁体(5)和电枢绕组(2)提供磁回路,同时起到了相与相之间的隔离作用;
电枢齿(103)靠接气隙的下边缘为齿靴(104)部分,各个齿靴(104)下张贴有极性相反的两块径向充磁的辅永磁体(5),极性相反的辅永磁体(5)间嵌有单相励磁绕组(3),所述单相励磁绕组(3)由各个单相线圈依次串接而成;
所述转子(6)设置于定子(1)内部,转子(6)上无绕组和磁钢;
以A相为例,就是A相电枢绕组(2)中能够出现双极性,就是磁场能够从正向穿过又能过渡到反向穿过,顺转子(6)移动而周期循环,这是靠转子(6)的磁极和定子齿相对位置变化来实现的,将一个单元,沿直线展开,当转子(6)移动到磁链最大位置时,永磁磁路发生变化,磁场从定子向外匝链过绕组后,进入转子(6);转子(6)继续移动到平衡位置时,永磁磁路又发生变化,A相绕组磁链又回到最小;转子(6)继续移动到磁链反向最大位置,此时磁场从转子(6)向内匝链A相绕组,磁链极性变反,理想情况下,相磁通呈双极性余弦变化,感应出反正弦的励磁电动势波,因此,磁场虽然是主永磁体(4)、辅永磁体(5)和励磁绕组激励的,但电枢绕组(2)的磁链是随转子(6)旋转磁路磁阻的变化而变化的,这样,主永磁体(4)、辅永磁体(5)和励磁绕组没有转动而感应了双极性的励磁电动势,当电机外接负载时,定子绕组磁动势与永磁体建立的磁场相互作用而实现能量转换,机械能就转化为了电能;同样,该电机用作电动机时,给绕组通以正弦电流,在永磁磁链增加时给绕组通入正半周期电流,在永磁磁链减小时给绕组通入负半周期电流。
2.根据权利要求1所述的一种开关磁通混合励磁容错电机,其特征在于,电枢绕组(2)和励磁绕组(3)皆为集中绕组。
3.根据权利要求1所述的一种开关磁通混合励磁容错电机,其特征在于,定子(1)、转子(6)皆为凸极结构,定子(1)、转子(6)上的铁心由导磁的硅钢片轴向叠压而成,磁钢采用高性能的稀土制成。
4.根据权利要求3所述的一种开关磁通混合励磁容错电机,其特征在于,转子(6)上的转子齿(601)为直齿型,励磁磁场由主永磁体(4)、辅永磁体(5)和励磁绕组(3)产生。
5.根据权利要求1所述的一种开关磁通混合励磁容错电机,其特征在于,6个定子铁心(101)和6个切向充磁的主永磁体(4)依次交替连接,定子铁心(101)和主永磁体(4)与机座采用过盈配合,以保证定子铁心(101)和主永磁体(4)的位置固定。
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