CN201323512Y - 一种轴向磁场的无刷双馈双机械端口电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种轴向磁场的无刷双馈双机械端口电机，属于交流电机及其控制技术领域。本实用新型由机械部分和电气部分组成，机械部分包括定子，以及位于定子内部且并排对立的内转子和外转子，内转子靠近外转子的一侧贴有内转子永磁体；电气部分包括定子绕组、外转子绕组和交—直—交电能变换器；外转子绕组包括独立外转子控制绕组和外转子复合绕组，外转子复合绕组本身为一套绕组，但通过绕组复用技术实现两套不同的、电气上不相连的绕组功能。外转子控制绕组与内转子永磁体相对应，它们之间的磁场相互耦合；外转子复合绕组一方面与定子控制绕组对应，它们之间的磁场相互耦合；另一方面与定子功率绕组对应，它们之间的磁场相互耦合，但两磁场相互解耦。本实用新型提高了绕组利用率，减小了电机的体积。

Description

一种轴向磁场的无刷双馈双机械端口电机

技术领域

本实用新型属于交流电机及其控制技术领域，具体涉及两种新型结构的双转子无电刷馈电的双机械端口电机。

背景技术

交流电机调速方法包括变极调速和变频调速，除此之外，交流感应电动机还可以变转差调速。变极调速不能连续调速，应用范围有限。变频调速需要使用和电机同容量的变频器，成本高。变转差调速又分为耗能型和回馈型变转差调速，前者调速时的耗能很大，运行效率低，使用范围也有限；后者可以将电机调速时的转差能量回送电源，运行效率高，如串极调速和双馈调速系统。

目前双馈调速交流感应电机转子上有一套三相绕组，通过集电环和电刷将转子三相绕组与电能变换器连接，并通过电能变换器与交流电网交换能量，调节电机的转速。为了消除集电环和电刷之间的磨损和运行的不可靠性，20世纪初，Hunt提出原型自级联电机并于70年代由Broadway等人改进成为的无刷双馈电机；Wallace Alan K于1994年设计一种无刷双馈电机，见Wallace Alan K，A Design Procedure For the Brushless Doubly-FedMachine Adjustable Speed Drive.ICEM，1994，该电机定子上有功率绕组和控制绕组，通过能量变换器调节控制绕组与交流电网之间的能量流动，可以调节电机转速。这种电机只有一个机械端口，原动机不能直接传递能量到负载。

上世纪90年代，瑞典皇家工学院的Nordlund等人提出一种双机械端口电机，于2005年发表论文，见E.Nordlund，The Four-Quadrant TransducerSystem for Hybrid Electric Vehicles.Doctor’s thesis，Royal Institute ofTechnology，Stockholm，May，2005，ISBN 91-7178-057-2，ISSN 1650-674X。该电机有两个转子，一个转子(内转子)与原动机相联，另一个转子(外转子)与负载相联，原动机可以直接传递机械能到负载，调节电机内转子和定子之间的能量流动，可以调节电机转速，这种电机能量变化灵活多样，而且电能变换器的容量通常也可以不用达到系统总的容量，降低了电能变换器的成本。但这种电机内转子绕组需要通过集电环和电刷引出电流，造成电机运行效率下降、可靠性降低以及经常需要对电刷等部件进行维护等弊端。

华中科技大学的黄声华教授等提出了一种无刷双馈双机械端口电机，(发明专利号：ZL 2007 2 0087223.1)，文中提出一种内转子上有两套绕组，外转子上内外侧各贴有一套永磁体，定子上有两套绕组的结构。从电气原理来看，此结构相当于一台永磁同步发电机、一台永磁同步电动机和一台绕线式异步电机的结合体。此结构从原理上可以解决由集电环和电刷引起的一系列问题，但是其使用绕组数量多，绕组利用率低，电机体积较大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种轴向磁场的无刷双馈双机械端口电机，提高了绕组利用率，减小了电机的体积。

一种轴向磁场的无刷双馈双机械端口电机，由机械部分和电气部分组成，机械部分包括定子3，以及位于定子3内部且并排对立的内转子1和外转子2，内转子1靠近外转子2的一侧装有内转子永磁体9；电气部分包括定子绕组、外转子绕组和交-直-交电能变换器4，其特征在于：

所述定子绕组包括定子功率绕组10和定子控制绕组6；

所述外转子绕组包括独立外转子控制绕组8和外转子复合绕组7，外转子复合绕组7的各相绕组由一个或以上的线圈串联构成，每个线圈由两个导体并联构成，各相绕组端口与所述独立外转子控制绕组8反相序相连，在电机运行时，外转子复合绕组7对外同时表现出两种极对数，两种极数的磁场相互正交，互不影响，在电气上完全独立；

独立外转子控制绕组8与内转子永磁体9相对应，它们之间的磁场相互耦合；外转子复合绕组7一方面与定子控制绕组6对应，它们之间的磁场相互耦合；另一方面与定子功率绕组10对应，它们之间的磁场相互耦合；

定子功率绕组10和定子控制绕组6通过交-直-交电能变换器相连接。

作为本实用新型的改进，所述交-直-交电能变换器4包括整流器和逆变器，整流器交流侧与定子控制绕组6电气连接，逆变器交流侧与定子功率绕组10电气连接，整流器和逆变器的直流侧互相电气连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述整流器和逆变器之间并联直流电源，所述直流电源为蓄电池、超级电容和直流电网中的一种。

本实用新型的技术效果体现在：

本实用新型将永磁体贴于内转子与外转子相对的表面，且只有一套，外转子上有两套绕组。对于轴向磁场结构，轴向磁场结构使得电机结构在径向方向上得以简化，而且机械结构较为简单，电机为盘式大力矩电机，适合用于混合动力拖动系统中。对于混合磁场结构：混合方向磁场结构使得永磁同步电机磁场方向与绕线式异步电机磁场方向在空间上垂直，减弱了磁场之间的耦合。

本新型结构采用绕组复用技术，即由一套绕组通过特定的接法实现两套功能不同的、电气上不相连的绕组的功能，提高了绕组利用率，也减小了电机体积。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例结构示意图；

图2为本实用新型第二实施例结构示意图；

图3为本实用新型外转子复合绕组接法示意图；

图4为本实用新型电气原理图。

具体实施方式

图1为本发明第一实施例结构示意图，实施例由机械部分和电气部分组成，机械部分包括内转子1、外转子2和定子3，两转子并行相对而立，在它们的外部设有定子3。外转子2与内转子1和定子3通过轴承转动连接，内转子1与外转子2和定子3通过轴承转动连接，内转子轴与内燃机(ICE)相连，作为动力输入；外转子轴与机械负载相连，作为动力输出；内转子1靠近外转子的一侧贴装有内转子永磁体9。

电气部分包括定子绕组、外转子绕组和电能变换器4。所述定子绕组包括定子功率绕组10和定子控制绕组6，所述外转子绕组包括一套外转子功率绕组和两套外转子控制绕组，其中，第一外转子控制绕组8与内转子永磁体9相对应，它们之间的磁场相互耦合，组成一台永磁同步发电机；第二外转子控制绕组7-1与定子控制绕组6对应，它们之间的磁场相互耦合，组成一台绕线式异步电机；外转子功率绕组7-2与定子功率绕组10对应，它们之间的磁场相互耦合，组成一台鼠笼式异步电机。从磁场方向来看本结构电机为轴向磁场方向。

本实用新型将上述的第二外转子控制绕组7-1和外转子功率绕组7-2，通过绕组复用技术共用一套绕组，即外转子复合绕组7。因此，从绕组使用情况看，可将第一外转子控制绕组8称为独立外转子控制绕组8，将第二转子控制绕组7-1称为非独立第二转子控制绕组7-1。绕组复用技术，见王雪帆，利用串级联接调速原理的变极起动绕线转子感应电动机，中国电机工程学报，Vol.24，No.5，May 2004，具体接法如图3所示，外转子复合绕组7包括A、B、C相绕组，每相绕组由至少一个线圈串联构成，每个线圈又由两个导体并联构成，其中A，B，C相端口与独立外转子控制绕组8反相序相连。线圈的数量依据电机磁场极对数确定。对于p对极的绕线式电机和q对极的鼠笼式电机，A，B，C端口通入p极感应电流，定子侧在此外转子绕组中感应出q极感应电流。对于每对线圈，p极感应电流同向流过，而q极感应电流反向流过，即q极感应电流在每个线圈小回路中形成环流。运用此绕组接法，在电机运行情况下，一套绕组能够同时对外表现出两种极对数，两种极数的磁场相互正交，互不影响，在电气上完全独立。即用一套绕组实现了两套绕组的功能，运用此种接法即可提高绕组利用率。

定子的两套绕组通过交-直-交电能变换器4相连接。

图4为本实用新型电气原理图，内燃机作为原动机旋转带动永磁同步发电机发电，由于在电动汽车运行的绝大部分时间里，内转子1转速高于外转子2转速，故仅有一部分能量直接传递给外转子用于拖动负载旋转，其余能量可以通过第二外转子控制绕组与定子控制绕组6的相互感应通过整流器4-1储存到直流电源5中。当负载转矩增加时，可以从直流电源5中取出能量，通过逆变器4-2供给鼠笼电机，提供附加转矩，从而使总转矩与负载转矩平衡。

交-直-交电能变换器4包括整流器4-1和逆变器4-2，整流器4-1交流侧与定子控制绕组6电气连接，逆变器4-2交流侧与定子功率绕组10电气连接，整流器和逆变器的直流侧互相电气连接。

整流器4-1和逆变器4-2之间可以并联直流电源5，调整电机输入和输出机械功率之间的不平衡。

图2为本发明第二实施例，第二实施例与第一实施例的区别点在于，定子控制绕组6、定子功率绕组10、独立外转子控制绕组8和外转子复合绕组7之间的相对位置不同，绕线式电机和鼠笼式电机的磁场方向为径向方向，电机磁场方向为混合磁场方向。

对于混合动力电动汽车来讲，内燃机经常因为受到负载工况的影响而频繁改变工作点，但大部分工作点又不是内燃机工作的高效率点，所以导致内燃机效率低下，能量损耗严重，但是采用无刷双机械端口电机作为传动系统，内燃机可以工作在一个固定的工作点，而负载的工况却可以任意调节，从而使输入和输出之间没有直接的机械联系，内燃机可以长期工作在高效率工作点，从而提高燃料利用率，降低损耗。而且在电能变换器中间直流环节加入蓄电池，更可以使输入功率和输出功率不一定要相等。由蓄电池弥补输入同输出之间的功率差，内燃机的功率也可以不需要随负载工况快速变化而变化，从而可以有效地保证负载工况频繁变动的情况下内燃机始终工作于高效区。

Claims (3)

1.一种轴向磁场的无刷双馈双机械端口电机，由机械部分和电气部分组成，机械部分包括定子(3)，以及位于定子(3)内部且并排对立的内转子(1)和外转子(2)，内转子(1)靠近外转子(2)的一侧装有一套内转子永磁体(9)；电气部分包括定子绕组、外转子绕组和交-直-交电能变换器(4)，其特征在于：

所述定子绕组包括定子功率绕组(10)和定子控制绕组(6)；

所述外转子绕组包括独立外转子控制绕组(8)和外转子复合绕组(7)，外转子复合绕组(7)为三相对称Y型绕组，其各相绕组由一个或以上的线圈串联构成，每个线圈由两个导体并联构成，各相绕组端口与所述独立外转子控制绕组(8)反相序相连，在电机运行时，外转子复合绕组(7)对外同时表现出两种极对数，两种极数的磁场相互正交，互不影响，在电气上完全独立；

独立外转子控制绕组(8)与内转子永磁体(9)相对应，它们之间的磁场相互耦合；外转子复合绕组(7)一方面与定子控制绕组(6)对应，它们之间的磁场相互耦合；另一方面与定子功率绕组(10)对应，它们之间的磁场相互耦合；

定子功率绕组(10)和定子控制绕组(6)通过交-直-交电能变换器相连接。

2.如权利要求1所述的一种轴向磁场的无刷双馈双机械端口电机，其特征在于：所述交-直-交电能变换器(4)包括整流器和逆变器，整流器交流侧与定子控制绕组(6)电气连接，逆变器交流侧与定子功率绕组(10)电气连接，整流器和逆变器的直流侧互相电气连接。

3.如权利要求2所述的一种轴向磁场的无刷双馈双机械端口电机，其特征在于：所述整流器和逆变器之间并联直流电源，所述直流电源为蓄电池、超级电容和直流电网中的一种。

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