CN112398302B - 一种宽调速范围混合励磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽调速范围混合励磁同步电机，该结构的转轴上固定有转子轭部，转子轭部上固定设置有转子磁极，转子磁极由交错设置的永磁磁极和铁磁极组成，转子磁极的外周圈固定设置有定子齿部，定子齿部的定子槽内放置有电励磁绕组，定子齿部上缠绕有定子电枢绕组，定子齿部和定子轭部卡接，所述转轴、转子轭部、永磁磁极和铁磁极构成转子；所述定子齿部、电励磁绕组、电枢绕组、定子轭部构成定子；定子和转子之间为空气隙。本发明解决现有混合励磁电机的调磁范围和转矩密度的制约限制关系，调磁能力差，而且电机的电励磁损耗较大导致电机效率较低、功率密度较低等问题。

Description

一种宽调速范围混合励磁同步电机
技术领域
本发明属于电机设计领域，具体涉及一种宽调速范围混合励磁同步电机。
背景技术
混合励磁同步电机同时存在永磁体和电励磁磁动势源，永磁体提供恒定的励磁磁场，电励磁磁场可以根据需要产生增磁和去磁磁场。既具有永磁同步电机功率密度高、效率高等优点，还有效解决了传统永磁电机励磁磁场不可调节的缺点，在电动汽车、风力发电等领域具有广阔的应用前景。
为了实现混合励磁电机的无刷化，提高电机的可靠性，很多混合励磁电机的励磁绕组放置在定子上，这样不仅可以实现电机的无刷化，还有利于电机励磁绕组的散热。中国专利公开号为CN106385153A和CN110098707A的文献中就公开了一种励磁绕组和永磁体均安装在定子，转子为凸极磁阻结构的混合励磁电机。对于这种结构的混合励磁电机，由于励磁绕组和永磁体均安装在定子上，因此在电机外径不变的情况下，永磁体、励磁绕组和电枢绕组的尺寸存在着制约关系，即电机的调磁范围和转矩密度存在制约限制。为了保证电机的调磁性能和转矩密度同时满足要求，有学者提出了双定子混合励磁电机，电枢绕组和直流励磁绕组分别安装在内定子、外定子或外定子、内定子上，比如中国专利公开号为CN111509938A和CN110932510的文献中就分别公开了应用于交通运输领域和风力发电领域的双定子混合励磁电机，电机的调磁性能和转矩密度同时得到了提升，但是其定子结构比较复杂，而且当电机发生短路故障时会增加永磁体的不可逆退磁的风险。中国专利公开号为CN108923563A和CN208174507U的文献中公开了一种交替磁极转子混合励磁同步电机，该电机定子铁心和转子磁极沿轴向分成两段，电励磁绕组放置在电机中间设置的导磁支架上。转子磁极由永磁极和铁磁极组成，二者交错排列。该电机的电励磁绕组位于定子上，结构相对简单，不存在附加气隙，易于调磁，可靠性高，但是由于电机需要单独设置导磁支架和电励磁绕组的安装空间，电机功率密度较低，同时电励磁绕组安装在导磁支架上，绕组每匝长度太长，电励磁损耗较大。
综上，现有混合励磁电机调磁范围和转矩密度存在制约限制，调磁能力差，并且存在定子结构复杂、电机的电励磁损耗较大导致电机效率较低、功率密度较低等问题。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种宽调速范围混合励磁同步电机，其目的在于解决现有混合励磁电机的调磁范围和转矩密度的制约限制关系，调磁能力差，而且电机的电励磁损耗较大导致电机效率较低、功率密度较低等问题。
技术方案：
一种宽调速范围混合励磁同步电机，该结构的转轴上固定有转子轭部，转子轭部上固定设置有转子磁极，转子磁极由交错设置的永磁磁极和铁磁极组成，转子磁极的外周圈固定设置有定子齿部，定子齿部的定子槽内放置有电励磁绕组，定子齿部上缠绕有定子电枢绕组，定子齿部和定子轭部卡接，所述转轴、转子轭部、永磁磁极和铁磁极构成转子；所述定子齿部、电励磁绕组、电枢绕组、定子轭部构成定子；定子和转子之间为空气隙。
定子轭部1由非晶合金带材卷绕制成。
定子齿部2由非晶合金带材叠压制成。
定子齿部设置为两组相同结构的第一定子齿部和第二定子齿部，第一定子齿部和第二定子齿部对应固定连接。
定子电枢绕组为m相对称绕组，采用分数槽集中绕组，定子电枢绕组3中通入m相对称交流电流，形成2p极数磁场，其中m、p为正整数。
电励磁绕组由两组匝数相同的第一线圈和第二线圈组成，第一线圈和第二线圈对应放置在定子齿部的定子槽内；第一线圈和第二线圈中通入大小相同、方向相反的直流电流。
转子磁极由2p个永磁磁极和2p个铁磁极组成，永磁磁极分为N极和S极。
铁磁极采用硅钢片软磁材料叠压制成。
有益效果：
本发明的定子齿部和定子轭部采用非晶合金软磁材料制成，非晶合金软磁材料具有极低的铁耗，只有常规硅钢片损耗值的1/5～1/10，将非晶合金软磁材料应用于电机定子齿部和定子轭部铁心来替代常规硅钢片材料，极大降低了电机的铁耗，提高了电机的效率。电机无需设置导磁背轭，减小了电机体积，提高了电机的功率密度。电励磁绕组安装在定子槽中，节省了电励磁绕组的安装空间，进一步减小了电机的体积，提高了电机的功率密度，同时提高了电机电励磁效率。本发明具有高效率、高功率密度、易于调磁的优点。
附图说明
图1为一种宽调速范围混合励磁同步电机结构示意图；
图2为一种宽调速范围混合励磁同步电机的左视图；
图3为一种宽调速范围混合励磁同步电机的剖面图；
图4为一种宽调速范围混合励磁同步电机的爆炸图；
图中标注：1、定子轭部，2、定子齿部，2-1、第一定子齿部，2-2、第二定子齿部，3、定子电枢绕组，4、电励磁绕组，4-1、第一线圈，4-2、第二线圈，5、永磁磁极，6、铁磁极，7、转子轭部，8、转轴，9、空气隙。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1-4所示，一种宽调速范围混合励磁同步电机，该结构包括定子轭部1、定子齿部2、定子电枢绕组3、电励磁绕组4、永磁磁极5、铁磁极6、转子轭部7、转轴8、定转子之间的空气隙9。转轴8通过铁芯压板、螺母、键槽与转子轭部7固定连接，转子轭部由实心导磁钢制成。转子磁极通过设置在转子轭部7上的凹槽卡接固定，转子磁极沿轴向上分为两段，转子磁极由交错设置的永磁磁极5和铁磁极6组成。定子齿部2通过设置在定子轭部1上的鸽尾槽卡接固定连接，定子齿部2的定子槽内放置有电励磁绕组4，定子齿部2上缠绕有定子电枢绕组3。定子轭部1、定子齿部2、定子电枢绕组3、电励磁绕组4构成电机定子，永磁磁极5、铁磁极6、转子轭部7、转轴8构成电机转子，定子和转子之间为电机的空气隙9。
定子轭部1由非晶合金带材卷绕制成。定子齿部2由非晶合金带材叠压制成。本发明中定子铁心采用模块化结构，结合电机径向和轴向磁路并存的特点和非晶合金带材可采用叠压或卷绕制作成铁心的特点，定子轭部1由带材卷绕制成，定子齿部2由带材叠压制成，利用鸽尾槽实现定子齿部2和定子轭部1的连接，即定子“卷绕轭+叠压齿”结构。极大降低了电机的铁耗，提高了电机的效率。
为了方便两组电励磁绕组4的安装，如图4所示，定子齿部2在轴向上分为两组模块，定子齿部2设置为两组相同结构的第一定子齿部2-1和第二定子齿部2-2，第一定子齿部2-1和第二定子齿部2-2通过螺栓固定连接。
定子电枢绕组3为m相对称绕组，采用分数槽集中绕组，定子电枢绕组3中通入m相对称交流电流，形成2p极数磁场，其中m、p为正整数。定子电枢绕组3采用集中绕组，定子电枢绕组3直接缠绕在定子齿部2上。
如图4所示，电励磁绕组4由两组匝数相同的第一线圈4-1和第二线圈4-2组成，第一线圈4-1和第二线圈4-2对应放置在定子齿部2的定子槽内；第一线圈4-1和第二线圈4-2中通入大小相同、方向相反的直流电流，形成电励磁磁场。
当电励磁绕组4中通入的直流电流产生的磁通与永磁磁极5磁通方向相同时，电机每极磁通增加，电励磁起增磁作用。当电励磁绕组4中通入的直流电流产生的磁通与永磁磁极5磁通方向相反时，电机每极磁通减小，电励磁起去磁作用。电励磁绕组4产生的磁通是经过“铁磁极-定子齿-定子轭-定子齿-铁磁极-转子轭”形成闭合回路。两组第一线圈4-1和第二线圈4-2沿轴向分别放置在与转子永磁磁极5和铁磁极6对应的定子槽中。在加工时，两组第一线圈4-1和第二线圈4-2可以直接缠绕在两组第一定子齿部2-1和第二定子齿部2-2的顶部，本发明相比于现有交替磁极转子混合励磁同步电机，省去定子导磁背轭，电机功率/转矩密度高。同时缩短电励磁绕组4的每匝长度，使电励磁绕组4电阻减小，电励磁绕组4铜耗降低，从而提高电机效率。
转子磁极由2p个永磁磁极5和2p个铁磁极6组成，永磁磁极5分为N极和S极，永磁磁极5提供永磁励磁磁场，铁磁极6构成电励磁磁通路径。
为了减小铁磁极6中的涡流损耗，铁磁极6采用硅钢片软磁材料叠压制成。
本发明相比于电励磁绕组位于端部上的混合励磁同步电机，本发明电机结构相对简单，调磁能力强。本发明电机的电励磁磁通主要经过铁磁极闭合，不需要在电机端部构建导磁桥，电机结构相对简单。同时电励磁磁路不存在附加气隙，磁路磁阻小，产生相同励磁磁场需要的励磁磁动势较小，调磁能力强。
本发明相比于电励磁绕组位于转子上的混合励磁同步电机，本发明电机实现无刷化，转子结构相对简单，可靠性高。本发明电机电励磁绕组安放在定子上，电励磁绕组无需电刷和滑环连接，转子结构简单，电机运行时可靠性高。

Claims (5)

1.一种宽调速范围混合励磁同步电机，其特征在于：该结构的转轴（8）上固定有转子轭部（7），转子轭部（7）上固定设置有转子磁极，转子磁极由交错设置的永磁磁极（5）和铁磁极（6）组成，转子磁极的外周圈固定设置有定子齿部（2），定子齿部（2）的定子槽内放置有电励磁绕组（4），定子齿部（2）上缠绕有定子电枢绕组（3），定子齿部（2）和定子轭部（1）卡接，所述转轴（8）、转子轭部（7）、永磁磁极（5）和铁磁极（6）构成转子；所述定子齿部（2）、电励磁绕组（4）、电枢绕组（3）、定子轭部（1）构成定子；定子和转子之间为空气隙（9）；
电励磁绕组（4）由两组匝数相同的第一线圈（4-1）和第二线圈（4-2）组成，第一线圈（4-1）和第二线圈（4-2）对应放置在定子齿部（2）的定子槽内；第一线圈（4-1）和第二线圈（4-2）中通入大小相同、方向相反的直流电流；
定子轭部（1）由非晶合金带材卷绕制成；
定子齿部（2）由非晶合金带材叠压制成；
定子齿部（2）设置为两组相同结构的第一定子齿部（2-1）和第二定子齿部（2-2），第一定子齿部（2-1）和第二定子齿部（2-2）通过螺栓固定连接；
两组第一线圈（4-1）和第二线圈（4-2）直接缠绕在两组第一定子齿部（2-1）和第二定子齿部（2-2）的顶部。
2.根据权利要求1所述的宽调速范围混合励磁同步电机，其特征在于：定子齿部（2）设置为两组相同结构的第一定子齿部（2-1）和第二定子齿部（2-2），第一定子齿部（2-1）和第二定子齿部（2-2）对应固定连接。
3.根据权利要求1所述的宽调速范围混合励磁同步电机，其特征在于：定子电枢绕组（3）为m相对称绕组，采用分数槽集中绕组，定子电枢绕组（3）中通入m相对称交流电流，形成2p极数磁场，其中m、p为正整数。
4.根据权利要求1所述的宽调速范围混合励磁同步电机，其特征在于：转子磁极由2p个永磁磁极（5）和2p个铁磁极（6）组成，永磁磁极（5）分为N极和S极。
5.根据权利要求4所述的宽调速范围混合励磁同步电机，其特征在于：铁磁极（6）采用硅钢片软磁材料叠压制成。
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