CN113078789B - 一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机，包括外定子,转子和内定子，外定子(1)和转子(2)之间用气隙隔开，内定子(3)和转子(2)之间用气隙隔开；外定子(1)沿圆周方向均匀设有12个外定子齿，外定子齿上绕有电枢绕组(4)；内定子(3)沿圆周方向均匀设有12个内定子齿，内定子齿上绕有集中式励磁绕组(5)，内定子轭部沿圆周方向均匀插入12个永磁体(6)，每块永磁体都是切向充磁，内定子(3)内侧均匀设有6个交替磁桥(7)连接调磁环(8)；中间转子由7个调磁块均匀放置组成。本发明实现了输出转矩可以随应用场合的需求上下调整,具有优越的灵活性。

Description

一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机
技术领域
本发明涉及一种永磁电机结构，具体涉及一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机结构，属于电工、电机领域。
背景技术
近年来，磁通切换电机因其高转矩和简单的转子结构而得到了广泛的研究。在风力发电、电动汽车等诸多领域有着广泛的应用前景。
通常所说的永磁磁通切换电机一般分为永磁体安装在定子上的定子永磁型和永磁体安装在转子上的转子永磁型两种。随着对永磁磁通切换电机研究的不断深入，学者发现这两种类型磁通切换电机的磁通调节能力较差。为了增加磁通切换电机的调磁能力，一种混合励磁磁通切换电机被提了出来，该种电机在定子上加入了励磁绕组，具有増磁和弱磁功能。但是传统的混合励磁磁通切换电机将永磁体、励磁绕组和电枢绕组配置在一个定子上，导致了严重的空间冲突，并牺牲了电机的电磁性能。为了有效地解决这些问题，有学者提出了定子分区混合励磁电机，电机的永磁体和磁场绕组被分配在一个定子上，而电枢绕组被放置在另一个定子上。因此，与混合励磁磁通切换电机相比，定子分区混合励磁电机不仅继承了磁通调节能力的优点，而且降低了绕组空间竞争，大大提高了转矩密度。然而，定子分区混合励磁电机的拓扑结构也有一个缺点，即内定子磁阻削弱了工作磁场的强度。这一缺点限制了定子分区混合励磁电机转矩密度的提高。
发明内容
本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机，其通过在内定子内部加入辅助调磁环，为电机1次工作波提供了新的磁路，有效降低电机1次工作波磁路的磁阻，保证电机转矩得到了有效的提高。
为达到上述目的，本发明的设计方案如下：一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机，该电机包括外定子(1),转子(2)和内定子(3)，外定子(1)和转子(2)之间用气隙隔开，内定子(3)和转子(2)之间用气隙隔开；外定子(1)沿圆周方向均匀设有12个外定子齿，外定子齿上绕有电枢绕组(4)；内定子(3)沿圆周方向均匀设有12个内定子齿，内定子齿上绕有集中式励磁绕组(5)，内定子轭部沿圆周方向均匀插入12个永磁体(6)，每块永磁体都是切向充磁，内定子(3)内侧均匀设有6个交替磁桥(7)连接调磁环(8)；中间转子由7个调磁块均匀放置组成。
进一步，外定子开有12个槽，槽内容纳电枢绕组，电枢绕组极对数为1；转子由7块均匀沿圆周分布的调磁块组成；内定子为凸极结构，有12个槽，槽内容纳励磁绕组，槽底开槽容纳永磁体，永磁体高度与内定子轭部高度大小相等，内定子内侧有6个交替磁桥沿圆周方向均匀排布连接调磁环；转子与内外定子之间的气隙宽度均为0.5mm。
进一步，所述励磁绕组(5)中通入频率为50Hz、极对数为P＝1的交流电。电枢绕组极对数Pa，转子调磁块数Pr，永磁体极对数Ps，满足以下关系式：Pr＝Pa+Ps。
进一步，电枢绕组(4)会产生的1次工作波具有较长的磁路，交替磁桥(7)和调磁环(8)能够有效降低1次工作波磁路磁阻，从而有效提高电机转矩。
进一步，永磁体(6)的位置位于内定子轭部，与内定子槽口的位置相对齐,永磁体的高度与内定子轭部高度大小相等，永磁体切向充磁,相邻的两块永磁体的充磁方向相反，内定子齿部与外定子槽口相对齐。
进一步，内定子直流励磁绕组通正向电流时,产生的磁路与永磁体产生的磁路方向相同,对电机增磁；内定子直流励磁绕组通反向电流时,产生的磁路与永磁体的磁路方向相反,对电机弱磁。
进一步，传统定子分区电机中1对极工作波要多次穿过永磁体和空气形成闭合回路，本发明电机在内定子铁芯上增加了交流磁通桥，连接极性相同的铁片，为1对极工作磁波改变原有磁路，提供新的磁路，减小定子内部磁阻。因此，本发明电机的空载反电动势和输出转矩均有明显改善。
采用上述的设计方案后本发明具备如下有益效果：
1)本发明电机采用定子分区的结构，将励磁绕组与电枢绕组分别安装于内外定子上,分区式的定子结构分别绕制电枢绕组和励磁绕组,而永磁体则位于转子上,避免了现有混合励磁电机使用的滑环电刷装置的同时,有效利用了电机内部空间,提高了电机空间利用率,且有利于保留永磁电机的高功率密度特点同时可以有效避免现有混合励磁同步电机励磁绕组、电枢绕组和永磁体三者之间安装空间上的矛盾。
2)本发明将电机的绕组和永磁体分开放置,将电枢绕组放置在外定子上,这样使电枢绕组产生的热量可以通过机壳进行散热,电枢绕组易于冷却,减小外定子铁芯损耗，提高电机运行效率。
3)本发明将电机的永磁体放置在内定子上,可以使永磁体产生的热量通过电机轴向外传递,降低永磁体的温度，可以有效避免永磁体发生不可逆退磁现象。
4)本发明电机的转子采用分割式结构,转子有效部分由若干个转子铁芯块组成,相比传统的双凸极电机,本发明可以有效减小电机转子的铁芯损耗,提高电机效率。
5)本发明电机的绕组与永磁体分离,使得绕组产生的热量对永磁体性能不会产生影响,这样就可以提高电流线负荷,增大电机功率密度。
6)本发明电机的永磁体相对切向充磁,具有很高的聚磁效应,可以增大电机气隙磁密,提高电机功率密度。
7)本发明电机中励磁绕组采用直流电励磁,通过控制励磁电流的大小和方向,可以实现气隙磁场的灵活控制，能够使得电机具有更广阔的调磁范围。励磁绕组是集中绕组,端部短,效率较高,可以自由控制励磁绕组直流电的大小和方向，来改变输出转矩，实现电机的调速功能。电枢反应磁通和永磁磁通在空间上相互垂直,磁路上是并联关系,使该电机具有较强的抗去磁能力。
8)本发明电机采用在现有定子分区结构基础上，对内定子结构进行了优化，内定子上增加了一个调磁环结构，从而提高了转矩密度。因为在内定子中增加的调磁环可以为1次工作磁场提供低磁阻磁路，使得电机转矩提升了20％左右。
附图说明
图1为传统定子分区电机结构示意图；
图2是本发明电机结构示意图；
图3是传统定子分区电机电枢反应磁场分布图；
图4是本发明电机电枢反应磁场分布图；
图5是传统定子分区电机电枢反应简化磁场图；
图6是本发明电枢反应简化磁场图；
图7本发明与传统定子分区电机电枢反应气隙磁密谐波分量对比图；
图8为本发明电机的増磁原理示意图；
图9为本发明电机的弱磁原理示意图
图10是本发明电机与传统定子分区电机A相空载反电势波形对比图；
图11是本发明电机与传统磁定子分区电机加载转矩波形对比图；
图12是本发明电机空载反电势调磁波形图；
图13是本发明电机负载转矩调磁波形图；
图中：外定子1，转子2，内定子3，电枢绕组4，励磁绕组5，永磁体6，磁桥7，调磁环8。
具体实施方式
本发明的一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机，图1是传统定子分区电机结构，图2是本发明一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机结构。该电机包括外定子，转子和内定子组成；外定子、中间转子和内定子,外定子内表面和中间转子外表面之间具有外气隙,中间转子内表面和内定子外表面之间具有内气隙；外定子、中间转子和内定子为同轴安装,内定子为凸极结构,凸极齿上绕有励磁绕组，内定子轭部插入永磁体。外定子和电机外壳相连,外定子齿上绕有励磁绕组，中间转子与电机转矩输出轴相连,内定子的内表面附有磁桥,用于连接调磁环,内定子与电机固定轴相连。外定子、中间转子、内定子、磁桥和调磁环都是由硅钢片叠压而成,电机转矩输出轴和电机外壳均为非导磁材料组成。
图3是传统定子分区电机电枢反应磁场分布图，图4是本发明电枢反应磁场分布图，从中可以看出在本发明内置调磁环式定子分区混合励磁磁通切换电机中，电枢反应磁场以一次工作波为主，对比传统定子分区混合励磁磁通切换电机，本发明外定子轭部磁力线更加密集，一次工作波幅值得到有效提升。
图5是传统定子分区电机电枢反应简化磁场图，从图5中可以看出，电机主磁路为：由永磁体产生，经过内定子齿、内气隙、转子调磁块、内气隙、内定子齿部、永磁体、内定子齿部、内气隙、转子调磁块、内气隙、内定子齿部、永磁体、内定子齿部、内气隙、转子调磁块、外气隙、外定子、外气隙、转子调磁块、内气隙、内定子齿部，再回到永磁体形成回路。
图6是本发明电枢反应简化磁场图，从图6中可以看出，电机主磁路为：由永磁体产生，经过磁桥、调磁环、磁桥、内定子齿、内气隙、转子调磁块、外气隙、外定子、外气隙、转子调磁块、内气隙、内定子齿部，再回到永磁体形成回路。对比图5和图6两者磁路可以发现，调制出来的1对极工作波在传统定子分区电机中要反复穿越转子和气隙四次，穿过永磁体三次。永磁体和气隙的磁阻很大，削弱了磁通调制效应，降低了转矩密度，这种现象被称为通量阻挡效应。但是本发明的电机中调制出来的1对极工作波穿越转子和气隙二次，穿过永磁体一次，该磁场通过磁桥和调磁环，磁阻较小，磁通调制效应更强，所以本发明电机具有良好的转矩能力。
图7比较了本发明与传统定子分区电机电枢反应气隙磁密的谐波分量。如图所示，由于内置调磁环能够有效降低电机1次工作波波磁路的磁阻，本发明的内置调磁环电机的电枢反应磁场具有更高的1次工作波，因此本发明电机具有更优的性能。
图8和图9为本发明电机的调磁原理示意图，通过对内定子上的内直流励磁绕组一施加直流电产生电励磁磁场，进而调节电机主磁场。当电励磁磁场与永磁磁场方向相同时，主磁场增强，对电机起增磁作用当电励磁磁场与永磁磁场方向相反时，主磁场减弱,起弱磁作用。参见图8，直流励磁绕组通正向电流,产生的电励磁磁通经过中间转子和外定子齿形成闭合磁路，该磁路与永磁体产生的磁路方向相同,主磁场增强，对电机起增磁作用。参见图9，直流励磁绕组通反向电流，产生的电励磁磁通经过中间转子和外定子齿形成闭合磁路，该磁路永磁体产生的磁路方向相反，主磁场减弱,对电机起弱磁作用。
图10比较了本发明与传统定子分区电机的A相空载反电势波形。通过有限元分析，从图中可以看出本发明电机的反电势高于传统定子分区电机，本发明电机的三相反电势幅值约为4V，传统定子分区电机的三相反电势幅值约为3V，反电势幅值提升约为33％。这说明内置调磁环有效的降低了电机磁阻，促使电机性能出现明显的提升。
图11比较了本发明与传统定子分区电机加载转矩波形。通过有限元分析，从图中可以看出电机转矩性能变化与反电势相似，本发明电机的转矩也高于传统定子分区电机，本发明电机的转矩约为0.85Nm，传统定子分区电机的转矩约为0.7Nm，反电势幅值提升约为20％。这说明在本发明电机中内置调磁环确实让电机转矩得到提升。
图12是本发明电机空载反电势调磁波形图，从图12中可以看出，不同励磁条件下500r/min时的空载反电动势相位波形，励磁绕组通入直流，电流密度为5A/mm2，可以看出本发明电机具有较大的调磁范围，磁通调节比为15％。
图13是本发明电机负载转矩调磁波形图，从图13中可以看出，不同励磁条件下500r/min时的负载转矩波形，电枢绕组通入交流，电流密度为5A/mm2，此时本发明电机増磁转矩为0.9Nm，弱磁转矩0.8Nm，所以转矩调节比为12％。但是需要注意的是，电机转矩可以无限降低，只要励磁直流加的足够大，转矩可以无限接近于0Nm，然而电机转矩的提升是有限的，因为电机磁路饱和的原因，电机转矩不可能无限提升。
本发明一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机提出并分析了内定子中的磁桥和调磁环。这些磁桥和调磁环减小了转子磁动势的振荡，并从另一个从这个角度来看，它们为1对极工作波提供了低磁阻磁通路径，消除磁通障碍，使之本发明电机具有更高的转矩密度。此外,励磁绕组的加入实现磁链可调节,内定子直流励磁绕组通正向电流时,产生的磁路与永磁体产生的磁路方向相同,对电机增磁；内定子直流励磁绕组通反向电流时,产生的磁路与永磁体的磁路方向相反,对电机弱磁。实现了输出转矩可以随应用场合的需求上下调整,具有优越的灵活性.
综上，本发明所述一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机的输出转矩得到了提升。因为，本发明电机采用辅助调磁环来减小定子内部磁阻。另外，在内定子铁芯上增加了交流磁通桥，连接极性相同的铁片，为工作磁场提供磁路。因此，本发明一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机的空载反电动势和输出转矩均有明显改善。在固定电流密度下，将本发明电机和传统定子分区电机进行了比较。结果表明，本发明电机的转矩输出有所提高。
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)

1.一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机，其特征在于：该电机包括外定子(1),转子(2)和内定子(3)，外定子(1)和转子(2)之间用气隙隔开，内定子(3)和转子(2)之间用气隙隔开；外定子(1)沿圆周方向均匀设有12个外定子齿，外定子齿上绕有电枢绕组(4)；内定子(3)沿圆周方向均匀设有12个内定子齿，内定子齿上绕有集中式励磁绕组(5)，内定子轭部沿圆周方向均匀插入12个永磁体(6)，每块永磁体都是切向充磁，内定子(3)内侧均匀设有6个交替磁桥(7)连接调磁环(8)；中间转子由7个调磁块均匀放置组成；
永磁体(6)的位置位于内定子轭部，与内定子槽口的位置相对齐,永磁体的高度与内定子轭部高度大小相等，永磁体切向充磁,相邻的两块永磁体的充磁方向相反，内定子齿部与外定子槽口相对齐。
2.根据权利要求1所述一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机，其特征在于：所述励磁绕组(5)中通入频率为50Hz、极对数为P＝1的交流电。
3.根据权利要求1所述一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机，其特征在于：电枢绕组(4)极对数Pa，转子调磁块数Pr，永磁体极对数Ps满足以下关系式：Pr＝Pa+Ps。
4.根据权利要求1所述一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机，其特征在于：电枢绕组(4)会产生的1次工作波具有较长的磁路，交替磁桥(7)和调磁环(8)能够有效降低1次工作波磁路磁阻。
5.根据权利要求1所述一种具有内置调磁环结构的定子分区式混合励磁电机，其特征在于：励磁绕组(5)通正向电流时,产生的磁路与永磁体(6)产生的磁路方向相同,对电机增磁；励磁绕组通反向电流时,产生的磁路与永磁体的磁路方向相反,对电机弱磁。
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