CN112467951A - 一种双定子交替极无刷混合励磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及永磁电机设计领域，具体的是一种双定子交替极无刷混合励磁电机。本发明包括内定子、外定子和转子，外定子放置电枢绕组，内定子放置交流励磁绕组，转子放置在内、外定子中。内定子采用交流励磁绕组，与电枢绕组分开放置，实现无刷混合励磁，减少绕组间耦合，省去电枢与滑环，提高电机的可靠性与利用率。电枢绕组采用分数槽集中绕组，交流励磁绕组采用分数槽分布绕组。内、外定子的槽数相同，内定子齿(槽)中心线与外定子槽(齿)中心线重相同，减少漏磁，易于控制。转子采用U型永磁极与铁心极交替放置形式，相邻同极性的U型永磁极中放置一个铁心极，铁心极提供交流励磁路径，能减少永磁体用量，节约生产成本。

Description

一种双定子交替极无刷混合励磁电机
技术领域
本发明涉及永磁电机设计领域，具体的是一种双定子交替极无刷混合励磁电机。
背景技术
永磁电机以其高效率、高功率密度等优势在电动汽车、数控机床等领域得到广泛应用。传统永磁同步电机只有单一的永磁励磁源，存在永磁体容易退磁、磁场调节困难等问题，使其使用受到限制。通常采用两种方法解决永磁电机磁场难以调节问题，一是增大系统逆变器容量，提高电机的极限电压来提高弱磁扩速能力，但需要扩大电力电子装置容量，增加成本。二是增加电励磁方式，实现气隙磁场宽速范围调节，该方法基于传统永磁同步电机，不需要大功率电力电子装备，成本低、工作可靠。与传统永磁电机相比，混合励磁电机将两种励磁源结合，实现气隙磁场的灵活调节，同时额外的励磁源还可作为永磁励磁的热备份，提高系统的可靠性与容错性。
目前，转子永磁型电机被广泛应用在各类商业产品中，其直轴同步电感大，抗不可逆退磁能力强，转子机械强度高。实现转子永磁型电机的混合励磁方法是将励磁绕组绕组在转子上，使之与永磁体同步旋转，用直流励磁产生与永磁磁场相对静止的电励磁磁场，通过电刷与滑环实现电机气隙磁场调节与控制，但由于增加了电刷与滑环，电机成本变高，同时系统可靠性降低。
永磁电机由于使用稀土永磁材料，使电机制造成本昂贵。因此，少稀土永磁电机应运而生。交替极永磁电机是使得在较少永磁体用量的同时实现相同的电机性能，其转子包含永磁极与铁心极，永磁极磁阻较大，难以进行磁场调节，而铁心极磁阻较大，磁场调节容易，交替极结构在混合励磁电机方面具有较大应用潜力。如何实现转子永磁型电机无刷混合励磁是本发明亟需解决的问题。
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双定子交替极无刷混合励磁电机，解决传统转子永磁电机无法实现宽调速范围、成本高等问题。设计永磁体为U型结构，并采用交替极与交流励磁绕组，解决转子永磁型电机成本高、励磁调节困难等问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种双定子交替极无刷混合励磁，包括外定子、内定子和转子，所述转子设置在外定子和内定子的中间，外定子、转子和内定子由外向内依次设置，外定子和内定子的槽数相同；
所述外定子内设置有电枢绕组，内定子内设置有交流励磁绕组，转子中均匀交替设置有U型永磁极和铁心极。
进一步地，所述外定子、内定子和转子均为圆柱体，且三者同轴放置。
进一步地，所述外定子的齿与内定子的槽的中心线重合，外定子的槽与内定子的齿的中心线重合。
进一步地，所述电枢绕组采用分数槽集中绕组，交流励磁绕组采用分数槽短距分布绕组。
进一步地，相邻极性的所述U型永磁极中设置铁心极，相邻铁心极的极性相反，U型永磁极的极对数和铁心极的极对数之和为电枢绕组极对数，交流励磁绕组的极对数和铁心极的极对数相同，铁心极极对数是U型永磁极极对数的一半。
本发明的有益效果：
1、本发明内、外定子的槽数相同，同时外定子齿(槽)中心线与内定子槽(齿)中心线重合，减少漏磁，方便进行双定子控制；
2、本发明采用交流励磁绕组，实现无刷化励磁，省去电刷与滑环，与外定子电枢绕组分别放置，减少绕组间耦合；
3、本发明的电枢绕组采用分数槽集中绕组，具有端部短、铜耗低等优势；交流励磁绕组采用分数槽短距分布绕组，能有效削弱齿谐波，降低齿槽转矩；
4、本发明采用内定子结构，充分利用电机内部空间，提高电机利用效率；
5、本发明采用U型永磁体与铁心极交替放置形式，在实现传统转子永磁电机性能同时，减少永磁体用量，降低生产成本。
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剖面示意图；
图2是本发明无刷混合励磁电机三维结构示意图；
图3是本发明无刷混合励磁电机磁场调节示意图。
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。
一种双定子交替极无刷混合励磁电机，如图1和2所示，包括外定子1、内定子4和转子3，外定子1、内定子4和转子3均为圆柱体，且三者同轴设置，转子3设置在外定子1和内定子4的中间，外定子1、转子3和内定子4由外向内依次设置，外定子1和内定子4的槽数相同。
外定子1的齿与内定子4的槽的中心线重合，外定子1的槽与内定子4的齿的中心线重合，二者均重合能够减少漏磁，更加方便进行双定子控制。
外定子1内设置有电枢绕组2，内定子4内设置有交流励磁绕组5，电枢绕组2和交流励磁绕组5分别放置，减少绕组间的耦合，提高了系统可靠性。采用交流励磁绕组5，省去电刷和滑环，实现无刷励磁，在电枢绕组2发生故障时，可以进行转矩输出，提高系统容错性。电枢绕组2采用分数槽集中绕组，端部短、铜耗低。交流励磁绕组5采用分数槽短距分布绕组，能有效削弱齿谐波，降低齿槽转矩。
转子3中均匀交替设置有U型永磁极6和铁心极7，相邻极性的U型永磁极6中设置铁心极7，相邻铁心极7的极性相反，U型永磁极6的极对数和铁心极7的极对数之和为电枢绕组2极对数，交流励磁绕组5的极对数和铁心极7的极对数相同，铁心极7极对数是U型永磁极6极对数的一半。
如图3所示，通过控制交流励磁绕组5中电流的大小和方向，能实现电机的增磁与弱磁，实现磁场调节，其中U型永磁极6和铁心极7分为可调节磁场和不可调节磁场。当交流励磁绕组5通正向电流时产生的励磁磁链与U型永磁极6产生的永磁磁链相同时，外侧气隙磁密增强，内侧气隙磁密减弱；当交流励磁绕组5通反向电流时产生的励磁磁链与U型永磁极6产生的永磁磁链相同时，外侧气隙磁密减弱，内侧气隙磁密增强；双定子交替极无刷混合励磁电机磁场调节原理如图3所示。其中，图3中(1)图为增磁时磁场调节示意图，图3中(2)图为弱磁时磁场调节示意图。
同时，本发明所述结构同样适用于不同的齿槽配合与永磁体形状。
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 (5)

1.一种双定子交替极无刷混合励磁电机，包括外定子(1)、内定子(4)和转子(3)，其特征在于，所述转子(3)设置在外定子(1)和内定子(4)的中间，外定子(1)、转子(3)和内定子(4)由外向内依次设置，外定子(1)和内定子(4)的槽数相同；
所述外定子(1)内设置有电枢绕组(2)，内定子(4)内设置有交流励磁绕组(5)，转子(3)中均匀交替设置有U型永磁极(6)和铁心极(7)。
2.根据权利要求1所述的一种双定子交替极无刷混合励磁电机，其特征在于，所述外定子(1)、内定子(4)和转子(3)均为圆柱体，且三者同轴放置。
3.根据权利要求1所述的一种双定子交替极无刷混合励磁电机，其特征在于，所述外定子(1)的齿与内定子(4)的槽的中心线重合，外定子(1)的槽与内定子(4)的齿的中心线重合。
4.根据权利要求1所述的一种双定子交替极无刷混合励磁电机，其特征在于，所述电枢绕组(2)采用分数槽集中绕组，交流励磁绕组(5)采用分数槽短距分布绕组。
5.根据权利要求1所述的一种双定子交替极无刷混合励磁电机，其特征在于，相邻极性的所述U型永磁极(6)中设置铁心极(7)，相邻铁心极(7)的极性相反，U型永磁极(6)的极对数和铁心极(7)的极对数之和为电枢绕组(2)极对数，交流励磁绕组(5)的极对数和铁心极(7)的极对数相同，铁心极(7)极对数是U型永磁极(6)极对数的一半。
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