CN102185451A - 分段转子式混合励磁磁通切换电机及调磁方法 - Google Patents

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邓智泉
王宇
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Abstract

本发明公开了一种分段转子式混合励磁磁通切换电机及调磁方法。所述电机包括定子轭、永磁体、励磁绕组、电枢绕组、分段转子和不导磁套筒。定子轭为12齿结构，由励磁齿和电枢齿交错放置而成。永磁***于励磁齿中，一面与转子相对，两边存在导磁桥；电枢绕组和励磁绕组均为集中式绕组，分别缠绕在电枢齿和励磁齿上；分段转子位于不导磁套筒中，使整个转子形成圆柱体结构。永磁体两边的导磁桥为励磁绕组产生的电励磁磁场提供了回路，使得永磁磁场依次经永磁体、定子轭、气隙、分段转子后闭合，电励磁磁场经定子轭、气隙、分段转子后闭合，通过调节励磁绕组电流即可实现宽范围调磁。本发明具有较宽的调磁范围和良好的容错能力，风阻油阻小，适用于高速航空领域。

Description

分段转子式混合励磁磁通切换电机及调磁方法
技术领域
本发明涉及一种分段转子式混合励磁磁通切换电机及调磁方法，适用于混合励磁高速航空领域。
背景技术
近年来，随着国民生活水平和消费水平的飞速提高，我国对于自然能源的消耗大幅上升，各种非再生能源逐渐呈绝对减少趋势，节能减排成为长盛不衰的课题。因此，电机驱动和调速***在不断扩大应用领域的同时，各项经济技术指标也在进行翻天覆地的改善和变革。广泛运用于社会生活生产以及军事等领域的新型驱动、调速电机已经成为当今研究的热点。
随着对永磁材料性能的不断提高和发展，永磁电机的发展日新月异，大大提高了电机的功率密度，主要分为转子永磁型和定子永磁型电机。法国学者E.Hoang提出的经典12/10 FSPM电机（永磁磁通切换式电机，Flux-Switching Permanent Magnet Machine）属于定子永磁型电机，与转子永磁型电机相比，永磁体安装简单，散热方便，转动惯量小，适于高速运行，工作安全系数高。除此之外，永磁磁通切换型电机还具有双极性正弦磁链、绕组端部小、铜耗小等优点。因此，自提出以来，永磁磁通切换型电机得到了飞速的发展。
然而除具备上述优点外，永磁磁通切换型电机还具有一般永磁电机共有的缺点：
1）  定位力矩大。
定位力矩是由于齿槽效应造成的能量波动而引起的，为高频周期性脉动波。对于永磁电机定位力矩大的问题，目前已提出了众多解决方案，如极对数匹配、基本参数优化（改变极弧系数、槽开口宽度、气隙长度）、斜槽、磁极形状优化、磁极移位、齿配对、辅助齿/槽、过渡圆角、电流谐波补偿法……均取得了一定效果。
2) 磁场调节困难。
永磁磁通切换式电机通过调节电枢绕组电流以达到调节磁场的目的，调节范围有限。为了在保留磁通切换型电机各项优势的前提下尽可能拓宽其调磁范围，以满足调速、发电等场合的要求，并进一步应用于航空领域，近年来国内外学者对于混合励磁磁通切换型电机进行了广泛而深入的研究。
发明内容
为解决永磁磁通切换型电机磁场调节困难的问题，本发明提出一种分段转子式混合励磁磁通切换电机。
分段转子式混合励磁磁通切换电机，包括励磁绕组、永磁体、电枢绕组、定子轭、分段转子和不导磁套筒，其特征在于定子轭上交错设置6个电枢齿和6个励磁齿，电枢齿两两相对设置，电枢齿上匝绕电枢绕组，励磁齿上匝绕励磁绕组，每个励磁齿于靠近内径处开槽放置永磁体，不导磁套筒与电机轴相连，分段转子通过燕尾槽卡在不导磁套筒中。
永磁体沿径向充磁，相邻放置的永磁体充磁方向相反。
励磁绕组相串联匝绕在励磁齿上，采用集中绕组；遵照右手定则，每个励磁绕组中的通电方向均应与其对应励磁齿上永磁体的充磁方向相同或相反。
电枢绕组分为三相，相对两个电枢齿上匝绕的电枢绕组反向串联组成一相。
定转子极数可以拓展为：12/5、12/7、12/8、12/10、12/11、24/10、24/14、24/16、24/20、24/22，其中斜杠前面为定子极数，斜杠后面为分块转子数。
分段转子式混合励磁磁通切换电机的调磁方法，永磁体分别放置在励磁齿靠近内径处的永磁槽中，一面与转子相对，沿径向充磁，相邻放置的永磁体充磁方向相反；永磁体两边存在导磁桥，为励磁绕组产生的电励磁磁场提供回路；永磁体的永磁磁场依次经永磁体、定子轭、气隙、分段转子后闭合，电励磁磁场经定子轭、气隙、分段转子后闭合，通过调节励磁绕组电流可实现宽范围调磁。
本发明通过永磁体两边的导磁桥为电励磁磁场提供通路。由于定子轭磁场饱和程度不高，因而改变电励磁线圈中直流电流大小，即可对电机进行宽范围的磁场调节。通过改变导磁桥宽度，可改变电机磁场调节范围，以适应不同场合的要求。
由于采用分段转子这一特殊结构，且电枢绕组隔齿绕制，因而随着转子旋转，电枢绕组中匝链的磁链进行双极性变化，且具有短磁路特征，有效减小了电机铁损；同时该结构对磁路具有一定的约束作用，降低了绕组之间的相互作用，可使相绕组互感自感比降至5%以下，从而使电机本身具有较优的容错性能，提高了电机的可靠性。
综上所述，本发明提出的分段转子式混合励磁磁通切换电机在保有永磁磁通切换型电机优势的前提下，具有较宽的调磁范围和较好的容错性能，适用于高速运行的航空起动/发电***。
附图说明
图1 是本发明的结构截面示意图。
图中标号名称：(1)励磁绕组，(2)永磁体，(3)电枢绕组，(4)定子轭，(5)导磁桥，(6)分段转子导磁体，(7)不导磁套筒；
A1、A2、B1、B2、C1、C2：电枢齿及绕在电枢齿上的电枢线圈；
F1、F2、F3、F4、F5、F6：励磁齿及绕在电枢齿上的励磁线圈。
箭头方向为永磁体充磁方向。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出了一种分段转子式混合励磁磁通切换电机，由定子轭、永磁体、励磁绕组和电枢绕组、不导磁套筒、分段转子构成，其中：
定子部分由定子轭、永磁体、励磁绕组和电枢绕组构成。定子轭经硅钢片叠压而成，含有12个齿极，由6个电枢齿和6个励磁齿交错排列，分别匝绕电枢绕组和励磁绕组。励磁齿上靠近内径处开永磁槽，用于放置永磁体。6块永磁体均沿径向充磁，相邻放置的两块永磁体充磁方向相反，如图1中箭头所示，永磁体两边留有一定宽度的导磁桥，为电励磁磁场提供通路。励磁绕组和电枢绕组均为集中式绕组。6个励磁绕组经一定方式串联，保证通直流电时，遵循右手定则，励磁磁链方向与对应的永磁充磁方向相同或相反：方向相同时，电机工作在增磁状态；方向相反时，电机工作在弱磁状态。永磁磁场经永磁体-定子轭-气隙-分段转子闭合，电励磁磁场经定子轭（包括导磁桥）-气隙-分段转子闭合，由于定子轭磁场饱和程度不高，因而改变电励磁线圈中直流电流大小，即可对电机进行宽范围的磁场调节。通过改变导磁桥宽度，可改变电机磁场调节范围。6个电枢绕组分为三相，径向相对的电枢齿上匝绕的电枢绕组经反相串联形成一相，如线圈A1和A2反相串联为A相，线圈B1和B2反相串联为B相，线圈C1和C2反相串联为C相。
转子部分由8块可导磁的分段转子和不导磁套筒构成。不导磁套筒与电机转轴相连，分段转子经燕尾槽卡入不导磁套筒中。转子转动时，电枢绕组中匝链的磁链随转子位置进行双极性变化。此外该转子具有约束磁路的作用，不仅有效减短磁通路径，降低电机铁损，而且大大弱化了电枢绕组之间的互感，增强了电机的容错性能。整个转子部分呈圆柱体，可减小转动时的风阻、油阻，有利于电机高速运行。
本发明可以应用于其它分段转子式混合励磁磁通切换电机，如：
①    定子极数为12（6个电枢齿、6个励磁齿），转子极数（分段导磁块数）为5；
②    定子极数为12（6个电枢齿、6个励磁齿），转子极数为7；
③    定子极数为12（6个电枢齿、6个励磁齿），转子极数为8；
④    定子极数为12（6个电枢齿、6个励磁齿），转子极数为10；
⑤    定子极数为12（6个电枢齿、6个励磁齿），转子极数为11；
⑥    定子极数为24（12个电枢齿、12个励磁齿），转子极数为10；
⑦    定子极数为24（12个电枢齿、12个励磁齿），转子极数为14；
⑧    定子极数为24（12个电枢齿、12个励磁齿），转子极数为16；
⑨    定子极数为24（12个电枢齿、12个励磁齿），转子极数为20；
⑩    定子极数为24（12个电枢齿、12个励磁齿），转子极数为22。
上述拓扑中，①、②、⑤可使电机空载反电势具有较高的正弦度，但是由于转子极数为奇数，电机具有不对称磁拉力；③、④结构不存在转子不对称磁拉力，但是反电势正弦对不如结构①、②、⑤。⑥-⑩则可使电机在反电势正弦的同时，不存在不对称磁拉力。

Claims (6)

1.一种分段转子式混合励磁磁通切换电机，包括励磁绕组(1) 、永磁体(2)、电枢绕组(3) 、定子轭(4)、分段转子(6)和不导磁套筒(7)，其特征在于定子轭(4)上交错设置6个电枢齿和6个励磁齿，电枢齿两两相对设置，电枢齿上匝绕电枢绕组（3），励磁齿上匝绕励磁绕组(1)，每个励磁齿于靠近内径处开槽放置永磁体（2），不导磁套筒（7）与电机轴相连，分段转子(6)通过燕尾槽卡在不导磁套筒中。
2.根据权利要求1所述的分段转子式混合励磁磁通切换电机，其特征在于：永磁体（2）沿径向充磁，相邻放置的永磁体充磁方向相反。
3.根据权利要求1所述的分段转子式混合励磁磁通切换电机，其特征在于：励磁绕组(1)相串联匝绕在励磁齿上，采用集中绕组；遵照右手定则，每个励磁绕组中的通电方向均应与其对应励磁齿上永磁体的充磁方向相同或相反。
4.根据权利要求1所述的分段转子式混合励磁磁通切换电机，其特征在于：电枢绕组(3)分为三相，相对两个电枢齿上匝绕的电枢绕组反向串联组成一相。
5.根据权利要求1所述的分段转子式混合励磁磁通切换电机，其特征在于：定转子极数拓展为：12/5、12/7、12/8、12/10、12/11、24/10、24/14、24/16、24/20、24/22，其中斜杠前面为定子极数，斜杠后面为分块转子数。
6.一种基于权利要求1所述的分段转子式混合励磁磁通切换电机的调磁方法，其特征在于：永磁体(2)分别放置在6个励磁齿靠近内径处的永磁槽中，一面与转子相对，沿径向充磁，相邻放置的永磁体充磁方向相反；永磁体两边存在导磁桥(5)，为励磁绕组(1)产生的电励磁磁场提供回路；永磁体的永磁磁场依次经永磁体、定子轭、气隙、分段转子后闭合，电励磁磁场经定子轭、气隙、分段转子后闭合，通过调节励磁绕组电流可实现宽范围调磁。
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