CN113346656B - 一种交流调磁的定子双绕组永磁电机 - Google Patents

一种交流调磁的定子双绕组永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交流调磁的定子双绕组永磁电机，永磁电机包括同轴安装的定子组件与转子组件，且转子组件位于定子组件内部，定子组件包括定子铁心、电枢绕组以及励磁绕组，转子组件包括传动轴、转子铁心以及切向永磁体，转子铁心内部设有多个关于传动轴中心对称的磁障，磁障为沿转子铁心轴向延伸的空腔；电枢绕组与励磁绕组位于定子铁心的定子槽内，切向永磁体间隔嵌入安装在转子铁心内，相邻的切向永磁体的充磁方向相反；每个切向永磁体的两侧均设有磁障，相邻磁障之间的转子铁心部分构成转子组件的主磁极，定子铁心与转子铁心之间以主气隙分隔。本发明通过控制励磁绕组电流的幅值和相位，实现了对永磁电机主气隙磁场的高效调节。

Description

一种交流调磁的定子双绕组永磁电机
技术领域
本发明涉及无刷励磁同步电机技术领域，具体涉及一种交流调磁的定子双绕组永磁电机。
背景技术
混合励磁电机结合了永磁同步电机高功率密度和电励磁电机气隙磁场可调的特点。从永磁磁势和励磁磁势的相互关系来看，混合励磁电机可分为串联式和并联式，串联式的励磁磁通经过永磁体，会对永磁体产生退磁的风险，而并联式的励磁磁通和永磁磁通相互独立。
为了实现混合励磁电机的无刷励磁技术，通常有两种方法，第一种是；励磁绕组放置在转子上，通过旋转整流器给励磁绕组提供直流电，比如两级式励磁电机、励磁机式励磁电机等，该方法磁路短，定转子铁心均可用叠压材料，但是结构复杂，可靠性低；第二种是励磁绕组处于静止状态，通过增加导磁部件，为轴向端的励磁绕组，提供轴向的励磁路径，比如磁分路式电机、爪极式电机等，该方法可靠性高，但是导磁部件多为实体铁心，轴向磁路较长，漏磁偏大，降低了励磁效率。这两种方法都采用了直流励磁，产生固定不变的磁场。
当电机转子尺寸一定时，切向式永磁电机相对于径向式永磁电机结构，能够有效增大磁通面积，提高主气隙磁通，但是传统的切向式结构转子铁心磁极的磁密很高，其漏磁较大，使电机的磁通利用率降低，从而使电机的功率密度降低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种交流调磁的定子双绕组永磁电机。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种交流调磁的定子双绕组永磁电机，所述永磁电机包括同轴安装的定子组件与转子组件，且所述转子组件位于定子组件内部，所述定子组件包括定子铁心、电枢绕组以及励磁绕组，所述转子组件包括传动轴、转子铁心以及切向永磁体，其中，所述转子铁心内部设有多个关于传动轴中心对称的磁障，所述磁障为沿转子铁心轴向延伸的空腔；
所述电枢绕组与励磁绕组位于定子铁心的定子槽内，所述切向永磁体间隔嵌入安装在所述转子铁心内，相邻的切向永磁体的充磁方向相反；每个所述切向永磁体的两侧均设有磁障，相邻磁障之间的转子铁心部分构成转子组件的主磁极，所述定子铁心与转子铁心之间以主气隙分隔。
进一步的，所述转子铁心靠近传动轴的部分具有转子轭。
进一步的，当所述电枢绕组与励磁绕组未注入交流电时，所述切向永磁体的一大部分磁通由永磁体的N极出发，经过主气隙、定子铁心再回到主气隙，最后到达永磁体的S极，这一大部分磁通与电枢绕组匝链，产生主气隙磁通；所述切向永磁体的另一部分磁通由切向永磁体的N极出发，围绕磁障，经过主磁极和转子轭，回到切向永磁体的S极，产生旁路磁通。
进一步的，当励磁绕组注入交流电后，形成励磁磁通；所述励磁磁通的路径经过定子铁心与主气隙，并围绕磁障经过主磁极、转子轭以及主气隙，回到定子铁心。
进一步的，述电枢绕组与励磁绕组之间具有绝缘材料。
进一步的，所述电枢绕组与励磁绕组均为交流绕组。
进一步的，所述电枢绕组采用双层60度相带分布绕组，输出三相正弦交流电。
进一步的，所述励磁绕组采用单层60度相带分布绕组；当向励磁绕组内输入三相对称交流电时，所述励磁绕组输出直轴同步旋转磁场，所述直轴同步旋转磁场的极对数与励磁绕组的极对数相同。
进一步的，所述定子铁心与转子铁心的材料均为叠压铁心材料。
进一步的，所述切向永磁体与定子铁心之间设有交轴气隙，所述主磁极与定子铁心之间设有直轴气隙，所述交轴气隙远大于直轴气隙。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明所提供的永磁电机采用交流励磁的方式，将励磁绕组和电枢绕组共同放置在定子槽中，给励磁绕组施加直轴电流，其中交轴电流为零，以调节主气隙磁通；此方式只需要很小的励磁电流就可以产生较大的励磁效果。并且不同于传统切向永磁电机，在转子铁心内部设有若干磁障，转子铁心间隔嵌入若干切向永磁体，切向永磁体被磁障围绕，相邻磁障之间的转子铁心构成主磁极，增强电机的聚磁能力，提高电机的磁通利用率，同时减少电机重量。切向永磁体产生的切向磁路磁通与励磁产生的径向磁路磁通构成并联磁路磁通并与电枢绕组匝链，调节方便。所述电机是用定子静止交流励磁绕组代替转子旋转直流绕组，既不存在轴向混合励磁电机复杂轴向励磁磁路，也不需要传统无刷交流电励磁同步电机的励磁机、旋转整流器等部件，通过控制励磁绕组电流的幅值和相位，实现了对永磁电机主气隙磁场的高效调节。
附图说明
图1为本发明实施例中交流调磁的定子双绕组永磁电机结构示意图；
图2为本发明实施例中电枢绕组绕组连接示意图；
图3为本发明实施例中励磁绕组绕组连接示意图；
图4为本发明实施例中永磁电机磁通路径示意图；
图5为本发明实施例中永磁电机增磁时励磁磁通路径示意图；
图6为本发明实施例中电机的空载特性示意图；
图中：100、定子铁心；101、电枢绕组；102、励磁绕组；200、传动轴；201、转子铁心；202、切向永磁体；203、磁障；204、主磁极；205、转子轭；300、主气隙；301、交轴气隙；302、直轴气隙；400、主气隙磁通；401、旁路磁通；402、励磁磁通。
具体实施方式
以下将结合附图，以24槽、2对极三相交流调磁的定子双绕组永磁电机为例对本发明的实施方法作进一步详细说明。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例提供了一种交流调磁的定子双绕组永磁电机，参照附图1，包括同轴安装的定子组件与转子组件，且转子组件位于定子组件内部，定子组件包括定子铁心100、电枢绕组101以及励磁绕组102，转子组件包括传动轴200、转子铁心201以及切向永磁体202，其中，转子铁心201内部设有多个关于传动轴200中心对称的磁障203，磁障203为沿转子铁心201轴向延伸的空腔；定子铁心100与转子铁心201的材料均为叠压铁心材料，电枢绕组101与励磁绕组102位于定子铁心100的定子槽内，电枢绕组101与励磁绕组102之间具有绝缘材料。切向永磁体202间隔嵌入安装在转子铁心201内，相邻的切向永磁体202的充磁方向相反；每个切向永磁体202的两侧均设有磁障203，相邻磁障203之间的转子铁心201部分构成转子组件的主磁极204，定子铁心100与转子铁心201之间以主气隙300分隔，通过改变主磁极204宽度可以调整电枢绕组101的剩磁电压，该转子组件的结构可增强永磁电机的聚磁能力。转子铁心201靠近传动轴200的部分具有转子轭205。
请参照附图2，电枢绕组101采用双层60度相带分布绕组，其极对数为2，输出三相正弦交流电。
请参照附图3，励磁绕组102采用单层60度相带分布绕组，其极对数为2；当向励磁绕组102内输入三相对称交流电时，励磁绕组102输出直轴同步旋转磁场，直轴同步旋转磁场的极对数与励磁绕组102的极对数相同，且交轴电流为零。其中，交轴电流指的是励磁绕组102通入的三相对称交流电，在旋转坐标系下可以分解为d，q轴(直轴和交轴)，在这个方向上的电流为0，即具体实施时使励磁电流A相初始位置处在交轴轴线上，以调节主气隙磁场。此时，由电枢绕组通电产生的电枢磁势与励磁绕组通电产生的励磁磁势的夹角为30度。电枢绕组101与励磁绕组102均为交流绕组。
参照附图4，当电枢绕组101与励磁绕组102未注入交流电时，切向永磁体202的一大部分磁通由切向永磁体202的N极出发，经过主气隙300、定子铁心100再回到主气隙300，最后到达切向永磁体202的S极，这一大部分磁通与电枢绕组101匝链，产生主气隙磁通400；切向永磁体202的另一部分磁通由切向永磁体202的N极出发，围绕磁障203，经过主磁极204和转子轭205，回到切向永磁体202的S极，产生旁路磁通401。
参照附图5当励磁绕组102注入交流电后，形成励磁磁通402；励磁磁通402的路径经过定子铁心100与主气隙300，并围绕磁障203经过主磁极204、转子轭205以及主气隙300，回到定子铁心100。若励磁绕组102产生的励磁磁通402与切向永磁体202产生的旁路磁通401方向相反时，即励磁磁势阻碍旁路磁通401，对主气隙磁场起增磁作用；若励磁绕组102产生的励磁磁通402与切向永磁体202产生的旁路磁通401方向相同时，即励磁磁势增强旁路磁通401，对主气隙磁场起弱磁作用，输出电压减小。
其中，磁障203顶端与主气隙300之间的距离不能过大，保证此处磁密处于饱和状态，使得切向永磁体202的主磁通与励磁磁通402处于并联状态，相互独立；仅有励磁磁通402调节旁路磁通，和切向永磁体202的主磁通共同提供气隙磁场。另外磁障203的底部和切向永磁体202之间存在较小的间隔，在不影响漏磁的前提下，可以保证加工的强度。
切向永磁体202与定子铁心100之间设有交轴气隙301，主磁极204与定子铁心100之间设有直轴气隙302，交轴气隙301远大于直轴气隙302。
永磁电机的空载特性即励磁磁势对输出电压的调节能力，参照附图6，永磁电机输出电压随着励磁磁势的增加而增加，且随着励磁磁势的增加，转子铁心201逐渐进入饱和状态。不加励磁电流时，输出电压为93V，励磁磁势为230安匝时，输出电压达到220V，当励磁磁势增加至500安匝时，输出电压为275V，实现了励磁磁势的宽调节能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种交流调磁的定子双绕组永磁电机，所述永磁电机包括同轴安装的定子组件与转子组件，且所述转子组件位于定子组件内部，其特征在于：所述定子组件包括定子铁心、电枢绕组以及励磁绕组，所述转子组件包括传动轴、转子铁心以及切向永磁体，其中，所述转子铁心内部设有多个关于传动轴中心对称的磁障，所述磁障为沿转子铁心轴向延伸的空腔；
所述电枢绕组与励磁绕组位于定子铁心的定子槽内，所述切向永磁体间隔嵌入安装在所述转子铁心内，相邻的切向永磁体的充磁方向相反；每个所述切向永磁体的两侧均设置磁障，相邻两个磁障之间的转子铁心部分构成转子组件的主磁极；所述定子铁心与转子铁心之间以主气隙分隔；
所述转子铁心靠近传动轴的部分具有转子轭；
当所述电枢绕组与励磁绕组未注入交流电时，所述切向永磁体的一大部分磁通由永磁体的N极出发，经过主气隙、定子铁心再回到主气隙，最后到达永磁体的S极，这一大部分磁通与电枢绕组匝链，产生主气隙磁通；所述切向永磁体的另一部分磁通由切向永磁体的N极出发，围绕磁障，经过主磁极和转子轭，回到切向永磁体的S极，产生旁路磁通；
当励磁绕组注入交流电后，形成励磁磁通；所述励磁磁通的路径经过定子铁心与主气隙，并围绕磁障经过主磁极、转子轭以及主气隙，回到定子铁心。
2.根据权利要求1所述的交流调磁的定子双绕组永磁电机，其特征在于：所述电枢绕组与励磁绕组之间具有绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的交流调磁的定子双绕组永磁电机，其特征在于：所述电枢绕组与励磁绕组均为交流绕组。
4.根据权利要求1所述的交流调磁的定子双绕组永磁电机，其特征在于：所述电枢绕组采用双层60度相带分布绕组，输出三相正弦交流电。
5.根据权利要求1所述的交流调磁的定子双绕组永磁电机，其特征在于：所述励磁绕组采用单层60度相带分布绕组；当向励磁绕组内输入三相对称交流电时，所述励磁绕组输出直轴同步旋转磁场，所述直轴同步旋转磁场的极对数与励磁绕组的极对数相同。
6.根据权利要求1所述的交流调磁的定子双绕组永磁电机，其特征在于：所述定子铁心与转子铁心的材料均为叠压铁心材料。
7.根据权利要求1所述的交流调磁的定子双绕组永磁电机，其特征在于：所述切向永磁体与定子铁心之间设有交轴气隙，所述主磁极与定子铁心之间设有直轴气隙，所述交轴气隙大于直轴气隙。
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