CN112087085A - 一种基于n-s交替极转子的无刷混合励磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于N‑S交替极转子的无刷混合励磁电机，涉及永磁电机涉及领域。本发明的电机包括定子和转子，定子内放置有多组均匀布置的电枢绕组和交流励磁绕组，电枢绕组均绕制在交流励磁绕组外侧，转子的侧端交替均匀布置有N‑S交替极和铁心极。本发明采用交流励磁绕组，省去电刷和滑环，实现无刷化励磁，同时作为电枢绕组热备份，提高电机容错性能。电枢绕组采用双层分数槽集中绕组形式，具有端部短、铜耗底、结构紧凑、相间隔离小、可靠性高等优势。转子放置在定子空腔内，采用N‑S交替极与铁心极均匀交替排布形式，相邻N‑S交替极永磁体中放置一个铁心极，能减少永磁体用量，节约制造成本，提高转子可靠性，并为电机提供了励磁磁通路径。

Description

一种基于N-S交替极转子的无刷混合励磁电机
技术领域
本发明涉及永磁电机设计领域，具体的是一种基于N-S交替极转子的无刷混合励磁电机。
背景技术
永磁同步电机由于其高功率密度、高转矩密度、高效率、高集成度等优势在电动汽车、航空飞机、舰艇等领域受到广泛关注。传统永磁同步电机采用单一的永磁体进行励磁，存在气隙磁场调节困难、永磁体容易退磁等问题，使其应用受限。常规方法是采用施加反向d轴去磁电流实现弱磁升速，但调速范围受到d轴电感、逆变器容量等限制，而且d轴去磁磁动势经过永磁体增加了不可逆退磁的风险，影响系统的可靠性。如何调节永磁同步电机气隙磁场，拓宽运行速度范围，适用于电动汽车等宽调速领域是永磁同步电机的研究难点。
在永磁同步电机基础上，增加电励磁绕组，能实现气隙磁场宽速域调节，该混合励磁电机结合电励磁电机与永磁电机特点，不需要大容量电力电子装置，拓扑结构简单，成本变低，调磁灵活，可控性高。与传统永磁同步电机相比，采用电励磁调磁的混合励磁电机利用励磁绕组调节气隙磁场，当励磁绕组产生的磁场方向与永磁体磁场方向相同时，气隙磁场增强，反之减弱。电励磁绕组还可作为永磁体热备份，提高电机容错性。
转子永磁型电机由于恒功率范围宽、弱磁扩速能力强等优势被广泛应用于商业产品中，通常将直流励磁绕组放置在转子上实现转子永磁型电机的混合励磁，但需要电刷和滑环，降低系统的可靠性，增加了成本。因此实现转子永磁型电机的无刷混合励磁是亟待解决的关键问题。
永磁同步电机由于永磁材料的存在特别是稀土永磁，使制造成本昂贵，因此少稀土永磁电机应运而生。少稀土永磁电机的设计目标是保持现有永磁体用量提高电机的性能输出，或者电机保持一定的性能输出而减少永磁体用量。交替极永磁同步电机将部分永磁极用铁心极代替构成混合磁极结构，转子上包括铁心极和永磁极，其中铁心具有导磁特性能够汇聚磁力线形成磁极，永磁极磁阻较大，磁通恒定难以改变，而铁心极磁阻较小，调节磁通容易。根据永磁体充磁方式不同可将交替极设计为N-N、S-S、N-S三种结构，其中只有N-S交替极结构能实现电机的混合励磁。如何基于N-S交替极结构实现永磁同步电机无刷混合励磁是本发明亟需解决的问题，能够推动交替极混合励磁电机的实用化。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于N-S交替极转子的无刷混合励磁电机，解决传统转子永磁型电机无法实现宽调速范围、容错能力差等问题，在其磁路结构特性保持不变的基础上，通过增加电励磁绕组解决了转子永磁型电机励磁调节困难、永磁体容易退磁等问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于N-S交替极转子的无刷混合励磁电机，包括定子和转子，所述定子内放置有多组均匀布置的电枢绕组和交流励磁绕组，电枢绕组均绕制在交流励磁绕组外侧，转子的侧端交替均匀布置有N-S交替极和铁心极。
进一步地，所述定子和转子均为圆柱体，转子设置在定子的空腔内部。
进一步地，所述电枢绕组采用双层分数槽集中绕组，交流励磁绕组采用分数槽分布绕组。
进一步地，每一个所述铁心极两侧均匀放置有相同极性的N-S交替极永磁体，铁心极与N-S交替极共同构成转子极数。
进一步地，所述交流励磁绕组轴线与铁心极轴线位置重合。
进一步地，所述电枢绕组极对数是N-S交替极极对数与铁心极极对数之和，交流励磁绕组极对数与铁心极极对数相同，N-S交替极极对数是铁心极极对数的两倍。
本发明的有益效果：
1、本发明的电枢绕组采用双层分数槽集中绕组，具有端部短、铜耗低、结构紧凑、相间耦合小等优点，能提高电机的可靠性及容错性；
2、本发明的交流励磁绕组能实现无刷化励磁，省去电刷与滑环，当电枢绕组故障时，还能够作为电枢绕组的热备份，贡献部分输出转矩；
3、本发明的定子内同时放置电枢绕组和交流励磁绕组，能节约电机内部空间，提高电机空间利用率，降低生产成本；
4、本发明采用N-S交替极结构，能减少永磁体的用量，节约制造成本，转子上N-S交替极与铁心极交替放置，其永磁极磁通基本不变，铁心极磁通受励磁绕组控制，能灵活实现磁场调节。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明无刷混合励磁电机结构示意图；
图2是本发明无刷混合励磁电机剖视示意图；
图3是本发明无刷混合励磁电机气隙磁密波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于N-S交替极转子的无刷混合励磁电机，如图1和2所示，包括定子1和转子4，定子1和转子4均为圆柱体，转子4设置在定子1的空腔内部。
定子1内放置有多组均匀布置的电枢绕组2和交流励磁绕组3，电枢绕组2均绕制在交流励磁绕组3外侧。其中，电枢绕组2采用双层分数槽集中绕组，具有端部短、铜耗低、结构紧凑、相间耦合小等优势，能提高电机可靠性及容错性。交流励磁绕组3采用分数槽分布绕组，省去了电刷与滑环，交流励磁绕组3不仅可以进行调磁用，还可以输出转矩，在电枢绕组2发生故障时，能够作为电枢绕组2热备份，提高电机转矩输出。
转子4的侧端交替均匀布置有N-S交替极5和铁心极6，每一个铁心极6两侧均匀放置有相同极性的N-S交替极5永磁体，铁心极6与N-S交替极5共同构成转子极数，每两个极性相反的永磁体构成一组，每组间隔有铁心极6，交流励磁绕组3轴线与铁心极6轴线位置重合。
其中，电枢绕组2极对数是N-S交替极5极对数与铁心极6极对数之和，交流励磁绕组3极对数与铁心极6极对数相同，N-S交替极5极对数是铁心极6极对数两倍。图2所示为三相18槽12极的基于交替极转子的无刷混合励磁电机，交流励磁绕组3为18槽4极，N-S交替极5为V型结构。其中，A1、B1、C1为电枢绕组，a1、b1、c1为励磁绕组。
交流励磁绕组3和铁心极6配合实现调磁作用，其中铁心极6与N-S交替极5构成磁通可调和磁通不变两部分，铁心极6中的磁链由N-S交替极5与交流励磁绕组3共同产生，控制励磁电流的大小和方向可以改变铁心极6下磁链大小，实现磁场调节。当交流励磁绕组3通正向电流产生的励磁磁链与N-S交替极5产生的永磁磁链方向相同时，气隙磁密增强；当交流励磁绕组3通反向电流时产生的励磁磁链与N-S交替极5产生的永磁磁链方向相反时，气隙磁密减弱。基于N-S交替极转子的混合励磁电机增磁与弱磁状态原理如图3所示，其中：图3中(1)为纯永磁体励磁时气隙磁密波形示意图，图3中(2)为增磁时气隙磁密波形示意图，图3中(3)为弱磁时气隙磁密波形示意图。
同时，本发明所述结构同样适用于其他的极槽配合与N-S交替极形状。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种基于N-S交替极转子的无刷混合励磁电机，包括定子(1)和转子(4)，其特征在于，所述定子(1)内放置有多组均匀布置的电枢绕组(2)和交流励磁绕组(3)，电枢绕组(2)均绕制在交流励磁绕组(3)外侧，转子(4)的侧端交替均匀布置有N-S交替极(5)和铁心极(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于N-S交替极转子的无刷混合励磁电机，其特征在于，所述定子(1)和转子(4)均为圆柱体，转子(4)设置在定子(1)的空腔内部。
3.根据权利要求2所述的一种基于N-S交替极转子的无刷混合励磁电机，其特征在于，所述电枢绕组(2)采用双层分数槽集中绕组，交流励磁绕组(3)采用分数槽分布绕组。
4.根据权利要求1所述的一种基于N-S交替极转子的无刷混合励磁电机，其特征在于，每一个所述铁心极(6)两侧均匀放置有相同极性的N-S交替极(5)永磁体，铁心极(6)与N-S交替极(5)共同构成转子极数。
5.根据权利要求4所述的一种基于N-S交替极转子的无刷混合励磁电机，其特征在于，所述交流励磁绕组(3)轴线与铁心极(6)轴线位置重合。
6.根据权利要求1所述的一种基于N-S交替极转子的无刷混合励磁电机，其特征在于，所述电枢绕组(2)极对数是N-S交替极(5)极对数与铁心极(6)极对数之和，交流励磁绕组(3)极对数与铁心极(6)极对数相同，N-S交替极(5)极对数是铁心极(6)极对数的两倍。
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