CN113364238B - 一种并列磁路混合励磁无刷电机 - Google Patents

一种并列磁路混合励磁无刷电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种并列磁路混合励磁无刷电机，包括同轴设置的定子电励磁电机和转子永磁型电机；定子电励磁电机包括定子铁心一、电枢绕组一、励磁绕组和凸极转子；电枢绕组一和励磁绕组均绕设在定子铁心一中；定子铁心一和凸极转子之间具有气隙一；转子永磁型电机包括定子铁心二、电枢绕组二和永磁体转子；永磁体转子和定子铁心二之间具有气隙二；凸极转子的转子凸极数与永磁体转子的转子极对数相等；电枢绕组一和电枢绕组二的相数相同，电枢绕组一的相绕组与电枢绕组二的相绕组串联构成总电枢绕组。本发明不仅充分利用了电机的内部空间，还避免了轴向并列所引入的轴向间隙、转轴长度增加等问题，从而有效提高空间利用率和功率密度。

Description

一种并列磁路混合励磁无刷电机
技术领域
本发明涉及电机设计和制造领域，特别是一种并列磁路混合励磁无刷电机。
背景技术
永磁电机具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点。根据永磁体的安装位置分类，永磁电机分为转子永磁型电机和定子永磁型电机。进一步，根据永磁体在转子上的安装方式分类，转子永磁型电机可分为表贴式永磁电机和内置式永磁电机。内置式永磁电机容易获得大的凸极率和磁阻转矩分量，可以获得比表贴式永磁电机更好的恒功率运行能力，其在电动汽车等需要宽转速范围驱动的场合已得到广泛应用。
然而，永磁电机的弱磁是通过控制电枢绕组中的直轴电流分量（-i d ）来实现，永磁体有着不可逆退磁的风险，且弱磁能力有限。而且，永磁电机在应用于航空电源等发电场合时，需要全功率的可控变换器来实现调压，系统重量和成本增加。
具有两个磁势源（励磁绕组和永磁体）的混合励磁电机，不仅具有电励磁电机磁场调节方便的优点，又具有永磁电机的高功率密度和高效率等优点。应用于发电场合时，通过调节混合励磁电机中直流励磁绕组的电流就可以实现绕组磁链和输出电压的有效的调节。而且，只需要低功率的直流变换器就能调节直流励磁绕组的电流。
对于转子永磁型混合励磁电机，其无刷化励磁的实现方式主要有三种：
（1）借助附加磁路和导磁部件来构建电励磁回路；结构复杂，调磁效率和功率密度都受到限制。
（2）采用专门的辅助励磁绕组和旋转整流器来实现无刷励磁；结构复杂、可靠性低。
（3）将定子电励磁电机与转子永磁型电机轴向并列组合；两部分绕组端部的存在，使得两部分电机的铁心之间存在较大的轴向间隙，空间利用率和功率密度低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种并列磁路混合励磁无刷电机，该并列磁路混合励磁无刷电机不仅充分利用了电机的内部空间，还避免了轴向并列所引入的轴向间隙、转轴长度增加等问题，从而有效提高空间利用率和功率密度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种并列磁路混合励磁无刷电机，包括从外至内或从内至外依次同轴设置的定子电励磁电机和转子永磁型电机。
定子电励磁电机包括定子铁心一、电枢绕组一、励磁绕组和凸极转子；电枢绕组一和励磁绕组均绕设在定子铁心一中；定子铁心一和凸极转子之间具有气隙一。
转子永磁型电机包括定子铁心二、电枢绕组二和永磁体转子；电枢绕组二绕设在定子铁心二中；永磁体转子和定子铁心二之间具有气隙二。
凸极转子的转子凸极数与永磁体转子的转子极对数相等。
电枢绕组一和电枢绕组二的相数相同，电枢绕组一的相绕组与电枢绕组二的相绕组串联构成混合励磁无刷电机的总电枢绕组。
当定子电励磁电机位于转子永磁型电机外侧时，定子铁心一、凸极转子、永磁体转子和定子铁心二从外至内依次同轴设置；当定子电励磁电机位于转子永磁型电机内侧时，定子铁心一、凸极转子、永磁体转子和定子铁心二从内至外依次同轴设置。
永磁体转子为表贴式永磁体转子或内置式永磁体转子；其中，内置式永磁体转子中的永磁体为一”字型、V型、W型、U型或多层混合型。
励磁绕组为直流励磁绕组，通过改变励磁绕组的电流，改变电枢绕组一的相磁链和反电动势，进而调节总电枢绕组的相磁链和反电动势。
增磁时，电枢绕组一和电枢绕组二的相反电动势相位应相同，电枢绕组一的相磁链与电枢绕组二的相磁链正向叠加，从而实现增压；弱磁时，电枢绕组一和电枢绕组二的相反电动势相位应相反，电枢绕组一的相磁链与电枢绕组二的相磁链反向抵消，从而实现降压。
凸极转子包括转子铁心一，永磁体转子包括转子铁心二，转子铁心一的轭部和转子铁心二的轭部一体设置。
凸极转子包括转子铁心一，永磁体转子包括转子铁心二，转子铁心一的轭部和转子铁心二的轭部通过隔磁环相连接。
定子铁心一、定子铁心二、转子铁心一和转子铁心二均采用导磁材料制成。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明的并列磁路混合励磁无刷电机做发电机时，不需要全功率可控变换器，只需要低功率的直流变换器就能调节直流励磁绕组的电流（进而实现调压），大大降低了变换器的容量和系统成本。
2、本发明两部分的内外并列，不仅充分利用了电机的内部空间，还避免了轴向并列所引入的轴向间隙、转轴长度增加等问题，从而有效提高空间利用率和功率密度。
3、此外，轴向并列的混合励磁电机，轴向磁路分布不对称，这会产生轴向不平衡磁拉力，从而降低轴承寿命，并影响电机的运行品质。而本发明的轴向两侧磁路分布对称，避免了轴向并列所引入的轴向不平衡磁拉力。
附图说明
图1显示了本发明一种并列磁路混合励磁无刷电机第一种实施例的结构示意图。
图2显示了单独电励磁工作模式下的磁力线分布图。
图3显示了第一种实施例中单独永磁工作模式下的磁力线分布图。
图4显示了第一种实施例中单独电励磁工作模式下的绕组磁链与转子位置关系图。
图5显示了第一种实施例中单独永磁工作模式下的绕组磁链与转子位置关系图。
图6显示了第一种实施例中单独永磁工作模式下的相电压与转子位置关系图。
图7显示了第一种实施例中混合励磁时增磁模式下的相电压与转子位置关系图。
图8显示了本发明一种并列磁路混合励磁无刷电机第二种实施例的结构示意图。
图9显示了本发明一种并列磁路混合励磁无刷电机第三种实施例的结构示意图。
其中有：
11.定子铁心一；12.电枢绕组一；13.励磁绕组；14.转子铁心一；15.转子凸极；
21.定子铁心二；22.电枢绕组二；23.转子铁心二；24.永磁体；25.隔磁环。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
本发明中的并列磁路混合励磁无刷电机，以三相m=3，Ns1=12，Ns2=24，p=10为例，进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种并列磁路混合励磁无刷电机，包括从外至内依次同轴设置的定子电励磁电机和转子永磁型电机，两者内外同心复合。
定子电励磁电机包括定子铁心一11、电枢绕组一12、励磁绕组13和凸极转子。
电枢绕组一和励磁绕组均绕设在定子铁心一中。
定子铁心一和凸极转子之间具有气隙一。
转子永磁型电机包括定子铁心二21、电枢绕组二22和永磁体转子；电枢绕组二绕设在定子铁心二中；永磁体转子和定子铁心二之间具有气隙二。
在本实施例中，电枢绕组一绕组在定子铁心一中定子齿的齿根部，励磁绕组绕制在定子铁心一中定子齿的齿顶部。
定子铁心一的定子齿数Ns1=12，定子铁心二的定子齿数Ns2=24。
凸极转子和永磁体转子，共轴旋转。
凸极转子的转子凸极数与永磁体转子的转子极对数相等，均为p=10。
凸极转子包括转子铁心一14，具有10个转子凸极15；永磁体转子包括转子铁心二23和永磁体24，定子铁心一、凸极转子、永磁体转子和定子铁心二从外至内依次同轴设置；其中，转子铁心一的轭部和转子铁心二的轭部一体设置。
上述定子铁心一、定子铁心二、转子铁心一和转子铁心二均优选采用导磁材料制成。
永磁体转子优选为表贴式永磁体转子或内置式永磁体转子；其中，内置式永磁体转子中的永磁体为一”字型、V型、W型、U型或多层混合型等。
电枢绕组一和电枢绕组二的相数相同，均为m=3。电枢绕组一的相绕组与电枢绕组二的相绕组串联构成混合励磁无刷电机的总电枢绕组。
在本实施例中，电枢绕组一包括A、B、C三相绕组，其中A相可由A1、A2、A3、A4线圈串联而成，也可由A1-A2、A3-A4分别串联后再并联；B相和C相以此类推。
电枢绕组二包括a、b、c三相绕组，其中a相可由a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8线
圈串联而成，也可由它们串并联而成；b相和c相以此类推。
本发明的并列磁路混合励磁无刷电机的每相电枢绕组是由电枢绕组一和电枢绕组一的相绕组串联而成。具体地， U相绕组为A相绕组和a相绕组串联而成、V相绕组为B相绕组和b相绕组串联而成、W相绕组为C相绕组和c相绕组串联而成。
本发明电机的定子电励磁电机和转子永磁型电机两部分呈并列磁路关系：电励磁产生的主磁通经过“定子铁心一→气隙→铁心凸极（高磁导）→转子铁心一的轭部→气隙→定子铁心一”进行闭合，不经过电枢绕组二所在的定子铁心二，如图2所示；永磁体产生的主磁通经过“N极永磁体→气隙→定子铁心二→气隙→S极永磁体→转子铁心二的轭部”进行闭合，不经过电枢绕组一所在的定子铁心一，如图3所示。
电枢绕组一（A、B、C三相）中的相磁链仅由电励磁绕绕组产生，如图4所示。电枢
绕组二（a、b、c三相）的磁链仅由永磁体产生，如图5所示。两部分主磁路无耦合，仅存在电路上的耦合（电枢绕组一和二串联）。
励磁绕组为直流励磁绕组，通过改变直流励磁绕组的电流就可以改变电枢绕组一的相磁链和反电动势，进而可以调节总电枢绕组的相磁链和反电动势。为提高调磁和调压效率，电枢绕组一和电枢绕组二的相反电动势相位应相同或相反，从而使得两部分的相反电动势实现正向叠加或反向抵消。
图6为单独永磁工作模式下的电枢绕组二的相反电动势。增磁时，电枢绕组一的相磁
链与电枢绕组二的相磁链正向叠加，从而实现增压，如图7所示；弱磁时，电枢绕组一的相磁链与电枢绕组二的相磁链反向抵消，从而实现降压。
本发明的并列磁路混合励磁无刷电机做发电机时，不需要全功率可控变换器，只需要低功率的直流变换器就能调节直流励磁绕组的电流，大大降低了变换器的容量和系统成本。
本发明两部分的内外并列，不仅充分利用了电机的内部空间，还避免了轴向并列所引入的轴向间隙、转轴长度增加等问题，从而有效提高空间利用率和功率密度。此外，本发明还可以避免轴向并列所引入的轴向不平衡磁拉力。
根据不同应用场合和要求，灵活调节定子电励磁电机和转子永磁型电机两部分的内外相对位置以及不同绕组（电枢绕组一、电枢绕组二和励磁绕组）的功率分配。
实施例2
定子电励磁电机同轴位于转子永磁型电机内侧。此时，定子铁心一、凸极转子、永磁体转子和定子铁心二从内至外依次同轴设置。 其余，均与实施例1相同。
实施例3
转子铁心一的轭部和转子铁心二的轭部通过隔磁环25相连接，其余均与实施例1相同。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种并列磁路混合励磁无刷电机，其特征在于：包括从外至内或从内至外依次同轴设置的定子电励磁电机和转子永磁型电机；
定子电励磁电机包括定子铁心一、电枢绕组一、励磁绕组和凸极转子；电枢绕组一和励磁绕组均绕设在定子铁心一中；定子铁心一和凸极转子之间具有气隙一；
转子永磁型电机包括定子铁心二、电枢绕组二和永磁体转子；电枢绕组二绕设在定子铁心二中；永磁体转子和定子铁心二之间具有气隙二；
凸极转子的转子凸极数与永磁体转子的转子极对数相等；
凸极转子包括转子铁心一，永磁体转子包括转子铁心二，转子铁心一的轭部和转子铁心二的轭部通过隔磁环相连接；
电枢绕组一和电枢绕组二的相数相同，电枢绕组一的相绕组与电枢绕组二的相绕组串联构成混合励磁无刷电机的总电枢绕组；
定子电励磁电机和转子永磁型电机两部分呈并列磁路关系：电励磁产生的主磁通经过“定子铁心一→气隙→铁心凸极→转子铁心一的轭部→气隙→定子铁心一”进行闭合，不经过电枢绕组二所在的定子铁心二；永磁体产生的主磁通经过“N极永磁体→气隙→定子铁心二→气隙→S极永磁体→转子铁心二的轭部”进行闭合，不经过电枢绕组一所在的定子铁心一；
电枢绕组一中的相磁链仅由电励磁绕绕组产生，电枢绕组二的磁链仅由永磁体产生，两部分主磁路无耦合，仅存在电路上的耦合；
励磁绕组为直流励磁绕组，通过改变直流励磁绕组的电流就能改变电枢绕组一的相磁链和反电动势，进而调节总电枢绕组的相磁链和反电动势；为提高调磁和调压效率，电枢绕组一和电枢绕组二的相反电动势相位应相同或相反，从而使得两部分的相反电动势实现正向叠加或反向抵消；
增磁时，电枢绕组一和电枢绕组二的相反电动势相位应相同，电枢绕组一的相磁链与电枢绕组二的相磁链正向叠加，从而实现增压；弱磁时，电枢绕组一和电枢绕组二的相反电动势相位应相反，电枢绕组一的相磁链与电枢绕组二的相磁链反向抵消，从而实现降压；
并列磁路混合励磁无刷电机做发电机时，不需要全功率可控变换器，只需要低功率的直流变换器就能调节直流励磁绕组的电流，能降低变换器的容量和系统成本；
根据不同应用场合和要求，灵活调节定子电励磁电机和转子永磁型电机两部分的内外相对位置以及电枢绕组一、电枢绕组二和励磁绕组的功率分配。
2.根据权利要求1所述的并列磁路混合励磁无刷电机，其特征在于：当定子电励磁电机位于转子永磁型电机外侧时，定子铁心一、凸极转子、永磁体转子和定子铁心二从外至内依次同轴设置；当定子电励磁电机位于转子永磁型电机内侧时，定子铁心一、凸极转子、永磁体转子和定子铁心二从内至外依次同轴设置。
3.根据权利要求1所述的并列磁路混合励磁无刷电机，其特征在于：永磁体转子为表贴式永磁体转子或内置式永磁体转子；其中，内置式永磁体转子中的永磁体为一”字型、V型、W型、U型或多层混合型。
4.根据权利要求1所述的并列磁路混合励磁无刷电机，其特征在于：定子铁心一、定子铁心二、转子铁心一和转子铁心二均采用导磁材料制成。
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