CN114513077B - 绕组能量交换式无刷电励磁同步电机双绕组解耦排布结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绕组能量交换式无刷电励磁同步电机的双绕组解耦排布结构，属于无刷电励磁同步电机技术领域，包括：2M个第一绕组和M个第二绕组，M为正整数，其中，第一绕组为转子励磁绕组，第二绕组为转子接收绕组，2M个第一绕组和M个第二绕组绕制于同一铁芯下，相邻的第一绕组相差180°电角度，电流流向相反，2M个第一绕组所产生的N、S磁场中心上分别放置M个第二套绕组，每个第二套绕组的两边与相邻的第一绕组的两侧相差电角度保持一致。该结构使两套绕组穿过对方的磁通量为零，交互耦合能量互相抵消，实现了对单套绕组内能量流通的完全调控性，为电励磁电机准确调控磁场、调控转矩输出以及弱磁扩速等多种工况应用奠定重要基础。

Description

绕组能量交换式无刷电励磁同步电机双绕组解耦排布结构

技术领域

本发明涉及无刷电励磁同步电机技术领域，特别涉及一种绕组能量交换式无刷电励磁同步电机双绕组解耦排布结构。

背景技术

永磁同步电机因高功率密度得到了广泛应用，其由转子上的永磁体建立气隙磁场，因此其励磁不可调节，且永磁体在极端恶劣环境下有失磁隐患、价格昂贵、在高速时效率不高，一定程度上限制了永磁同步电机的发展。

电励磁同步电机无稀土永磁体，成本低，气隙磁场是由转子上的励磁绕组产生，通过控制励磁电流的大小，可灵活控制主极磁场的强弱，因此电励磁同步电机的低速转矩更大，高速恒功率范围更宽且功率因数可调易于实现单位功率因数控制。但传统的电励磁同步电机需要通过电刷滑环结构在转子旋转过程中及时换向，保证励磁绕组中电流的方向不变，产生旋转的磁场。电刷的存在降低了系统的可靠性，而且长期机械接触容易磨损，需定期更换，成本高，维护不便。无刷励磁问题已成为限制该种电机广泛应用的技术瓶颈，是电机系统前沿发展的重要科学问题。

已有的无刷化方案集中在励磁机式、感应式、谐波式、谐振耦合式等，其中励磁机式需要外加设备体积较大，后几种方式在电机内部即可完成。典型的绕组感应式励磁需要在定子端放置一套谐波绕组，转子端放置一套感应绕组获取能量为励磁绕组供电，致使定转子铁心上分别绕制两套绕组；谐波式励磁通常在转子端额外增设谐波绕组，获取气隙磁场的谐波能量后整流为励磁绕组供电；谐振耦合式励磁则利用无线电能传输技术复用定子电枢绕组作为无线发射端，转子端除了布置励磁绕组外，仍需增设一套接收绕组无线获取定子绕组传递的能量。可见，在感应式、谐波式以及谐振耦合式无刷化励磁中，定转子端存在两套绕组是常见现象，绕制在同一铁心中的绕组如果存在耦合，将会增加控制的难度和复杂度。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种绕组能量交换式无刷电励磁同步电机的双绕组解耦排布结构。

为达到上述目的，本发明实施例提出了绕组能量交换式无刷电励磁同步电机的双绕组解耦排布结构，包括：2M个第一绕组和M个第二绕组，M为正整数，其中，所述2M个第一绕组和所述M个第二绕组绕制于同一铁心下，相邻的第一绕组相差180°电角度，电流流向相反，所述2M个第一绕组所产生的N、S磁场中心上分别放置所述M个第二绕组，每个第二绕组的两边与两个第一绕组两边相差电角度保持一致。

本发明实施例的绕组能量交换式无刷电励磁同步电机的双绕组解耦排布结构，针对多套绕组结构，将绕制于同一铁心下的两套绕组采用解耦正交排布，使绕组间互相通过的磁通量为零，交互耦合能量互相抵消，解决了现有已有的感应式、谐波式以及谐振耦合式无刷化励磁方法中转子侧两套绕组未进行位置设计而存在耦合的问题，且当针对电励磁凸极同步电机，在转子极身中央开槽安放第二套绕组，可以规避已有感应式、谐波式无刷方案中将两套绕组上下平行缠绕在同一凸极极身上从而发生耦合的问题，进而实现对电机内绕组能量的完全调控，尤其针对电励磁电机励磁绕组，可根据电机需求的运行工况全自由度调控磁场和转矩，极大地拓展了控制灵活性，另外，除了用于无刷励磁之外，也可为在其它背景下电机内部绕组位置设计提供支持和借鉴。

另外，根据本发明上述实施例的绕组能量交换式无刷电励磁同步电机的双绕组解耦排布结构还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一绕组为转子励磁绕组，所述第二绕组为转子接收绕组。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述2M个第一绕组之间设置预设极距。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述2M个第一绕组建立磁场的磁力线穿入和穿出所述M个第二绕组的通量大小相同。

进一步地，在本发明的一个实施例中，当电机转子为均匀开槽的隐极式结构时，槽内依次安放所述2M个第一绕组放置和所述M个第二绕组，其中，相邻第一绕组电流方向相反。

进一步地，在本发明的一个实施例中，当电机转子为非均匀磁路的凸极式结构时，在凸极极身中央开槽，槽内安放M个第二绕组，槽外两侧分别放置所述2M个第一绕组，其中，所述第一绕组缠绕在凸极极身上，相邻第一绕组电流方向相反。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的绕组能量交换式无刷电励磁同步电机的双绕组解耦排布结构的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的隐极式电机转子双套绕组位置结构图，其中，（a）为8个第一绕组，（b）为4个第二绕组；

图3是本发明一个实施例的凸极式电机转子双套绕组位置结构图，其中，（a）为8个第一绕组，（b）为4个第二绕组；

图4是本发明一个具体实施例的转子接收、励磁绕组位置结构图，其中，（a）为励磁绕组（8个第一绕组），（b）为接收绕组（4个第二绕组），（c）为励磁、接收绕组展开平面示意图；

图5是本发明一个具体实施例的谐振耦合无刷励磁同步电机转子接收、励磁绕组互感曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的绕组能量交换式无刷电励磁同步电机的双绕组解耦排布结构。

图1是本发明一个实施例的绕组能量交换式无刷电励磁同步电机的双绕组解耦排布结构的结构示意图。

如图1所示，该绕组能量交换式无刷电励磁同步电机的双绕组解耦排布结构包括：2M个第一绕组和M个第二绕组，M为正整数，其中，所述2M个第一绕组和所述M个第二绕组绕制于同一铁心下，相邻的第一绕组相差180°电角度，电流流向相反，所述2M个第一绕组所产生的N、S磁场中心上分别放置所述M个第二绕组，每个第二绕组的两边与相邻的第一绕组的两侧相差电角度保持一致。

需要说明的是，本发明实施例涉及的电励磁电机内部定转子铁心、绕组分布、齿槽结构等，对于电励磁同步电机，定子、转子端一般分别设有电枢绕组、励磁绕组，定子电枢绕组在空间中产生N、S极性交替的电枢磁场，转子结构可以为隐极或者凸极，转子上的励磁绕组在空间同样建立N、S极性交替的主极磁场。由于电机内部槽数、绕组数较多，此处以一对磁极下的解耦子单元为例进行说明，具体如下：

如图1所示，两套绕组按照“绕组1-绕组2-绕组1”的形式组成单元进行排布，第一绕组通常指转子励磁绕组，单匝绕组两侧跨过一个预设极距，相差180°电角度，电流流向相反，以产生不同极性的磁场，在第一绕组所产生的N、S磁场中心放置第二绕组，第二绕组的两边与第一个绕组两边相差电角度保持一致从而二者形成正交，此时，第一绕组建立磁场的磁力线穿入和穿出第二绕组的通量大小相同，相互抵消，同时第二绕组在与其正交的两个第一绕组中建立的磁场通量同样相互抵消，从而实现两套绕组的解耦正交排布设计。位置解耦从而无能量耦合，两套绕组中的电流即可实现独立控制，尤其针对电励磁电机励磁绕组，实现对励磁电流的全自由度调控便可以准确调控磁场的性质以及大小，调节电机转矩的恒定或者高范围输出，同时可以结合MTPA、弱磁等多种控制策略精确获取理想的T-n、P-n输出特性以满足电机不同工况需求。

进一步地，在本发明的一个实施例中，当电机转子为均匀开槽的隐极式结构时，槽内依次安放所述2M个第一绕组放置和所述M个第二绕组，其中，相邻第一绕组电流方向相反。

具体地，如图2所示，当电机转子为均匀开槽的隐极式结构时，两套绕组按照上述位置解耦设计安放在转子各个槽中，图（a）、（b）分别展示出在电机内建立磁场的第一绕组以及第二绕组的放置方式，N、S为磁场极性，符号“×”表示电流流入，符号“·”表示电流流出，二者表示一个绕组线圈的两边。

进一步地，在本发明的一个实施例中，当电机转子为非均匀磁路的凸极式结构时，在凸极极身中央开槽，槽内安放M个第二绕组，槽外两侧分别放置所述2M个第一绕组，其中，所述第一绕组缠绕在凸极极身上，相邻第一绕组电流方向相反。

具体地，如图3所示，当电机转子为非均匀磁路的凸极式结构时，在已有感应式、谐波式无刷励磁方案中，采用传统结构常将两套绕组上下平行缠绕在凸极极身上，致使二者之间必定存在耦合，本发明实施例在凸极极身中央开槽放置转子端新增设的接收绕组，励磁绕组缠绕在凸极极身上，此时两套绕组的位置同样与本发明提出的解耦正交排布设计保持一致。需要说明的是，图2、3所示电机极数为8极，对于其他任意极数的电机本领域技术人员可以按照本发明进行凸极转子开槽以及绕组摆放，在此不做具体限定。

下面通过一个具体实施例对本发明实施例提出的绕组能量交换式无刷电励磁同步电机双绕组解耦排布结构进一步说明。

如图4所示，以一台定转子48/24槽的8极谐振耦合无线励磁同步电机结构为例进行说明，转子为均匀开槽的隐极式结构，按照本发明提出的解耦设计方法在转子端进行接收、励磁绕组的排布，得到如图5所示的接收绕组与和其正交两励磁绕组的互感在零轴上下呈对称分布，互相抵消，与理论设计保持一致。

根据本发明实施例提出的绕组能量交换式无刷电励磁同步电机双绕组解耦排布结构，针对定转子存在多套绕组结构，将绕制于同一铁心下的两套绕组采用解耦正交排布，使绕组间互相通过的磁通量为零，交互耦合能量互相抵消，解决了现有已有的感应式、谐波式以及谐振耦合式无刷化励磁方法中转子侧两套绕组未进行位置设计而存在耦合的问题，且当针对电励磁凸极同步电机，在转子极身中央开槽安放第二套绕组，可以规避已有感应式、谐波式无刷方案中将两套绕组上下平行缠绕在同一凸极极身上从而发生耦合的问题，进而实现对电机内绕组能量的完全调控，尤其针对电励磁电机励磁绕组，可根据电机需求的运行工况全自由度调控磁场和转矩，极大地拓展了控制灵活性，另外，除了用于无刷励磁之外，也可为在其它背景下电机内部绕组位置设计提供支持和借鉴。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种绕组能量交换式无刷电励磁同步电机双绕组解耦排布结构，其特征在于，包括：2M个第一绕组和M个第二绕组，所述第一绕组为转子励磁绕组，所述第二绕组为转子接收绕组，M为正整数，其中，

所述2M个第一绕组和所述M个第二绕组绕制于同一铁心下，相邻的第一绕组相差180°电角度，电流流向相反，所述2M个第一绕组所产生的N、S磁场中心上分别放置所述M个第二绕组，每个第二绕组的两边与相邻的第一绕组的两侧相差电角度保持一致。

2.根据权利要求1所述的绕组能量交换式无刷电励磁同步电机双绕组解耦排布结构，其特征在于，所述2M个第一绕组之间设置预设极距。

3.根据权利要求1所述的绕组能量交换式无刷电励磁同步电机双绕组解耦排布结构，其特征在于，所述2M个第一绕组建立磁场的磁力线穿入和穿出所述M个第二绕组的通量大小相同。

4.根据权利要求1所述的绕组能量交换式无刷电励磁同步电机双绕组解耦排布结构，其特征在于，当电机转子为均匀开槽的隐极式结构时，槽内依次安放所述2M个第一绕组和所述M个第二绕组。

5.根据权利要求1所述的绕组能量交换式无刷电励磁同步电机双绕组解耦排布结构，其特征在于，当电机转子为非均匀磁路的凸极式结构时，在凸极极身中央开槽，槽内安放M个第二绕组，槽外两侧分别放置所述2M个第一绕组，其中，所述第一绕组缠绕在凸极极身上。