CN1285158C - 宽调速双凸极混合励磁无刷电机及其弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

宽调速双凸极混合励磁无刷电机是一种适合于电动车等需要大范围变速运行的应用场合的双凸极无刷电机，其结构是在双凸极混合励磁电机的定子(2)上的电枢绕组(5)之间设有直流励磁线圈(4)，在直流励磁线圈(4)的外侧对应的设有永磁体(7)，在直流励磁线圈(4)与永磁体(7)之间设有导磁桥(6)，永磁体(7)的磁场方向为沿着电机的圆周方向。其弱磁控制方法是采用永磁励磁和电励磁相结合的混合励磁的方法对双凸极混合励磁电机进行无级弱磁控制，用较小的电励磁增大电机的调速范围。

Description

宽调速双凸极混合励磁无刷电机及其弱磁控制方法

                             技术领域

本发明是一种适合于电动车等需要大范围变速运行的应用场合的双凸极永磁无刷电机，属于双凸极无刷电机制造的技术领域。

                             技术背景

90年代初，美国电机专家T.A.Lipo等人针对开关磁阻电机的不足，在开关磁阻电机的定子或转子上加装现代高性能永磁体，形成了一种全新的电机—双凸极永磁电机。已有研究结果表明双凸极电机具有功率密度高，结构简单、容错性能好、控制灵活等优点。然而由于永磁材料的固有特性，双凸极永磁电机的励磁无法调节，在诸如电动汽车等需宽调速驱动的场合的应用受到限制，所以恒功率弱磁控制是双凸极永磁电机的应用难点之一。

为了提高双凸极电机的转速范围，国内外先后有人提出了四种方案来削弱双凸极永磁电机的磁场，达到恒功率弱磁控制的目的。第一种方案是采用机械方法将永磁体从定子铁芯中拉出，以削弱永磁磁场，原理见图1。第二种方案是在定子外面用两个导磁体，将永磁体两端直接短路，使永磁磁通从该导磁体中通过，从而减小电枢每相绕组中的永磁磁通和电机的气隙磁通，原理见图2。第三种方案是采用多级抽头绕组的宽调速双凸极永磁电机，目前该电机已获得中国发明专利，专利号为(ZL98111107.6)。该种电机定子上套有具有多级抽头的集中式绕组，抽头的多少及每一级抽头所对应的绕组匝数可根据调速范围要求而定。该电机在低速运行时，每相绕组有较多的匝数，随着转速的升高，通过抽头的切换，将每相绕组匝数减少，永磁磁场在每相绕组中产生的反电势亦成比例减少，绕组电感按平方关系下降，绕组电流增加，从而使电机的恒功率转速范围增大。第四种方案是采用电励磁双凸极电机，通过调节直流励磁电流，可实现对气隙磁场的控制。

前两种方案都属于机械型，需要专用工具，操作困难。在第一种方案中还必须保证永磁体能在铁芯中自由滑动，既增大了附加气隙，也使制造和安装更加复杂，前两种方案缺点显而易见，实用价值不大。方案三结构简单，控制方便，具有一定的实用性，但在电机宽调速运行过程中要频繁切换控制匝数，电枢绕组中将出现较大的电压、电流的变化率，需专门的续流或能量回馈电路，控制成本相对增加。方案四中由于没有采用高性能的永磁体，只采用直流励磁，励磁损耗增加，电机的效率也将受到一定影响。

                        发明内容

技术问题：本发明目的是提供一种宽调速双凸极混合励磁无刷电机及其弱磁控制方法，该电机弱磁能力更强，电机效率提高，具有宽广的恒功率调速范围，特别适合于电动车等需要大范围变速运行的应用场合。

技术方案：本发明的宽调速双凸极混合励磁无刷电机的结构是在双凸极永磁电机的定子上的电枢绕组之间设有直流励磁线圈，在直流励磁线圈的外侧对应的设有永磁体，在直流励磁线圈与永磁体之间设有导磁桥，永磁体的磁场方向为沿着电机的圆周方向。直流励磁线圈有两对或两对以上，与永磁体数量相对应，均匀分布在双凸极电机的定子上。

本发明的宽调速双凸极混合励磁无刷电机的弱磁控制方法是采用永磁励磁和电励磁相结合的混合励磁的方法对双凸极电机进行无级弱磁控制，用较小的电励磁增大电机的调速范围，其具体方法是在双凸极混合励磁电机定子上与定子永磁体产生的磁场轴线相垂直的位置放置一个直流励磁绕组，用该励磁绕组中通入直流电流所产生的磁场方向与永磁体磁场方向相反的方式实现双凸极永磁电机的弱磁控制；另外，在电机的永磁体与该励磁绕组之间还设置了导磁桥，使电机定子铁心保持一个整体，为直流励磁磁通提供一个额外的通路。

有益效果：

1.电机定子上的永磁体和定子上的电励磁绕组产生的混合励磁磁场在气隙中是迭加的，共同作用形成电机的主磁场，由于电励磁磁场的存在使得气隙磁场不但平滑可调而且调节范围很大，可从两倍永磁体磁场调至零，使该电机具有宽广的恒功率调速范围。

2.本发明的另一个优点是导磁桥的引入，不仅使电机的定子铁心可以保持完整，不再分成多瓣，而且为电磁励提供了额外的通路，使得电励磁磁场回路的磁阻大大减小，用较小的励磁磁势可以产生较大的去磁磁通，弱磁能力更强，电机效率提高。

3.通过控制电励磁电流的大小和方向，不仅可以进行弱磁控制，还可以进行增磁控制，满足负载低速大转矩的要求。

4.通过电励磁电流与电枢电流的协调控制，可对电机进行在线效率优化，实现最优效率分布，特别适合于电动车等需要大范围变速运行的应用场合。

本发明的优点是采用高性能永磁体和直流励磁绕组共同在电机气隙中形成磁场的混合励磁方法，在双凸极混合励磁电机中首次引入了导磁桥，使混合励磁双凸极永磁电机既继承了双凸极永磁电机的功率密度大、控制灵活等优点，同时又有效解决了双凸极永磁电机难以实现弱磁控制、恒功率调速范围较小的不足，使电机具有宽广的恒功率转速范围，适合电动汽车等需频繁启动、加速、高速运行、减少和停车等应用场合。具有一定的科研和利用价值。

                       附图说明

图1是现有技术的机械式弱磁双凸极永磁电机的结构示意图。

图2是现有技术的带定子导磁套轭的双凸极永磁电机的结构示意图。

图3为本发明的12/8极双凸极混合励磁电机的截面示意图。

图4为12/8极双凸极混合励磁电机的电机在空载时的等效磁路示意图。

                      具体实施方式

本发明是在高性能双凸极永磁电机的基础上，采用永磁励磁和电励磁相结合的混合励磁的方法对电机进行无级弱磁控制，用较小的电励磁增大电机的调速范围，以进一步拓宽双凸极永磁电机的适用范围。

在双凸极电机定子上与定子永磁体产生的磁场轴线相垂直的位置放置一个专门的绕组(直流励磁绕组)，当该励磁绕组中通入直流电流所产生的磁场方向与永磁磁场方向相反时，即可实现双凸极永磁电机的弱磁控制。在电机的永磁体与该励磁绕组之间特别设置了导磁桥，一方面使电机定子铁心保持一个整体，另一方面为直流励磁磁通提供一个通路，分析表明，正是由于创造性地引入导磁桥，为直流励磁绕组提供了额外的磁路，有效地增强了直流励磁绕组的弱磁功能，即用较小的直流励磁磁势可以获得较大的弱磁能力。其具体结构是在双凸极永磁电机的定子2上的电枢绕组5之间设有直流励磁线圈4，在直流励磁线圈4的外侧对应的设有永磁体7，在直流励磁线圈4与永磁体7之间设有导磁桥6，永磁体7的磁场方向为沿着电机的圆周方向。直流励磁线圈4有两对或两对以上，均匀分布在双凸极永磁电机的定子2上。

以一台12/8极双凸极永磁电机为例，其截面如图3所示，定子上有12个均匀分布的齿，转子上有8个均匀分布的齿。用厚度为0.5mm的硅钢片按图3所示的形状冲成定子冲片和转子冲片，用足量的冲片叠压成定子铁心和转子铁心，在定子铁心上布置4块永磁体，并在与永磁体相邻的定子槽中放置直流励磁线圈。在每个定子齿上套一个线圈，处于空间相同位置齿上的线圈经串联或并联构成一相绕组，12个定子齿上的线圈共组成三相电枢绕组。

以下是一台额定功率P_N＝750W，额定转速n_N＝1500rpm，额定电压48V，额定电流6.5A的12/8极混合励磁双凸极电机的主要设计数据：

定子内径：75mm，硅钢片叠片长：75mm，气隙长：0.45mm，定子极弧20°，定子极高：15mm，转子极高：9mm，每相绕组匝数为：260匝，永磁体尺寸为：75mm×18.5mm×4mm，直流励磁绕组匝数为：80匝。定转子冲片均采用厚为0.5mm的硅钢片叠压。

Claims (3)

1、一种宽调速双凸极混合励磁无刷电机，其特征在于在双凸极永磁电机的定子(2)上的电枢绕组(5)之间设有直流励磁线圈(4)，在直流励磁线圈(4)的外侧对应的设有永磁体(7)，在直流励磁线圈(4)与永磁体(7)之间设有导磁桥(6)，永磁体(7)的磁场方向为沿着电机的圆周方向。

2、根据权利要求1所述的宽调速双凸极混合励磁无刷电机，其特征在于直流励磁线圈(4)有两对或两对以上，均匀分布在双凸极永磁电机的定子(2)上。

3、一种适用于权利要求1所述的宽调速双凸极混合励磁无刷电机的弱磁控制方法，其特征在于采用永磁励磁和电励磁相结合的混合励磁的方法对双凸极永磁电机进行无级弱磁控制，用较小的电励磁增大电机的调速范围，其具体方法是在双凸极永磁电机定子上与定子永磁体产生的磁场轴线相垂直的位置放置一个直流励磁绕组，用该励磁绕组中通入直流电流所产生的磁场方向与永磁体磁场方向相反的方式实现双凸极永磁电机的弱磁控制；在电机的永磁体与该励磁绕组之间还设置了导磁桥，使电机定子铁心保持一个整体，为直流励磁磁通提供一个通路。

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