CN106451976A - E型铁芯混合励磁磁通切换电机 - Google Patents

E型铁芯混合励磁磁通切换电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种E型铁芯混合励磁磁通切换电机，包括有均为凸极结构的定子和转子，其中定子又包含有偶数个沿周向依次排列的E型铁芯单元、位于相邻E型铁芯单元之间的永磁体以及电枢线圈和励磁线圈，永磁体均切向充磁，且相邻的两永磁体的充磁方向相反，相邻E型铁芯单元的相邻电枢齿和所夹永磁体组成一个定子极，各定子极上绕设有电枢线圈，以定子圆心对称分布的Ns/m个电枢线圈串联后组成一相电枢绕组，其中Ns为定子的极数，m为电机相数，其特征在于：各定子极上还绕设所述励磁线圈，且相邻定子极上的励磁线圈施加的励磁电流方向相反，各励磁线圈串联后组成励磁绕组。采用上述结构后，本发明不需要额外铜耗就能获得最大的永磁磁链，且调磁范围大。

Description

E型铁芯混合励磁磁通切换电机
技术领域
本发明涉及电机的技术领域，具体指一种E型铁芯混合励磁磁通切换电机的技术领域。
背景技术
磁通切换永磁电机是一种新型结构的定子永磁型双凸极电机，它的永磁磁钢和电枢绕组都位于定子上，而转子上既无绕组也无永磁体。由于其结构简单，运行可靠，易于散热，且还具有高功率密度、高效率、带载能力强、可获得高度正弦反电势等优点，而被认为可替代传统转子永磁型电机，具有较好的应用前景。
E型磁通切换永磁电机是磁通切换永磁电机中的一种，其定子铁心由硅钢片叠压而成，且定子铁心采用E字形硅钢片，如在2008年7月25日出版的中国电机工程学报(第28卷第21期第96页)上由吉敬华提出的《新型定子永磁式容错电机的工作原理和性能分析》中就披露了这样的电机，该电机的定子部分由E型定子铁心和永磁体组成，永磁体沿圆周方向间隔分布，且各永磁体夹在两个相邻的E型定子铁心之间，相邻的两个E型定子铁心的电枢齿和所夹的永磁体一起绕有电枢绕组，E型定子铁心的中间齿上无绕组。采用这种E型磁通切换永磁电机，不仅可节约永磁材料，并且由于中间齿的存在，使得磁通切换永磁电机还具有容错运行能力。
然而，上述E型磁通切换永磁电机由于只有永磁体励磁，其调磁能力有限。为此人们又设计出具有两个磁势源(即带有永磁体和励磁绕组)的混合励磁磁通切换电机来，如2009年10月10日出版的《电机和电子工程师协会磁学卷》(IEEE TRANSACTIONS ONMAGNETICS)，第45卷第10期第4728页至4731页上所披露的由花为教授提出的《一种新型的混合动力汽车用混合励磁磁通切换电机》。以及又如2011年5月4日出版的《电机和电子工程师协会车载技术卷》(IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY)，第60卷第4期第1365页至1373页上所披露的由陈金涛(J.T.cheng)提出的《一种新型的电动/混合动力汽车用混合励磁磁通切换电机》，二者均加入了励磁绕组，通过改变励磁绕组的电流大小，均可以获得增磁或弱磁的调磁能力，因而能较好地克服单纯E型磁通切换永磁电机的缺陷。但是前者的励磁绕组的加入牺牲了永磁体的空间，不可避免地降低了气隙磁密，并且功率密度和转矩等也会减小，如果需要提高磁链(增磁)，则需要在励磁绕组中施加增磁电流，可这又会增加额外铜耗。而后者设计的电机包括有均为凸极结构的定子1’和转子2’，其中定子又包含有多个沿周向依次排列的E型铁芯单元11’、位于相邻E型铁芯单元之间的永磁体12’以及电枢线圈13’和励磁线圈14’，如图1所示。由于励磁线圈14’绕制在E型磁通切换永磁电机的E型铁芯单元11’的中间容错齿上，在增磁(励磁电流大于0)时，即励磁绕组中通入了正的励磁电流，上述结构会加剧定子铁芯的饱和，使铁芯磁阻增大，导致了其增磁范围很小(见其论文中的图18)，甚至有可能磁场不增强，反而下降，如本说明书附图4虚线所示的调磁效果。即，该电机在希望增磁时，磁链能够变大，但这个能力很差，甚至与希望增磁的结果完全相反，即磁链有可能变小。而此电机在弱磁时同样会引起定子铁芯的局部饱和，使得铁芯磁阻增大，导致其弱磁调节范围也很小。因此对于现有的E型铁芯混合励磁磁通切换电还有待于进一步的改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种同样不需要额外铜耗就能获得最大的永磁磁链且调磁范围大的E型铁芯混合励磁磁通切换电机。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种E型铁芯混合励磁磁通切换电机，包括有均为凸极结构的定子和转子，其中定子又包含有偶数个沿周向依次排列的E型铁芯单元、位于相邻E型铁芯单元之间的永磁体以及电枢线圈和励磁线圈，所述的永磁体均切向充磁，且相邻的两永磁体的充磁方向相反，相邻E型铁芯单元的相邻电枢齿和所夹永磁体组成一个定子极，各定子极上绕设有所述电枢线圈，以定子圆心对称分布的Ns/m个电枢线圈串联后组成一相电枢绕组，其中Ns为定子的极数，m为电机相数，其特征在于：各所述定子极上还绕设所述的励磁线圈，且相邻定子极上的励磁线圈施加的励磁电流方向相反，各励磁线圈串联后组成励磁绕组。
在上述方案中，较好的是励磁绕组和电枢绕组均采用集中式绕组，以减小端部铜耗。
在上述各方案中，所述转子可以设计成直极，如考虑电机齿槽转矩和谐波的关系，该转子就需要采用斜极。
与现有技术相比，由于本发明的励磁线圈绕制在定子凸极上，且相邻定子极上的励磁线圈施加的励磁电流方向相反，所有励磁线圈串联后组成励磁绕组，因此在调磁时，当励磁绕组通入电流后，励磁电流会在对应的定子凸极处形成一个偏磁磁场，该偏磁磁场会使每相中对称的电枢线圈的磁链分别向上、向下偏移，即该偏磁磁场使得电枢线圈所在定子铁芯中的磁密增加(即向上为正的增加，向下为负的增加，总之磁密是变大的)，且当励磁电流幅值越大时，上述偏磁磁场也越大，正是该偏磁磁场的存在，使得电枢线圈所在定子铁芯逐渐饱和，电枢线圈中的磁链随时间的变化率变小，从而使得合成的该相磁链会随着励磁电流幅值的变大而减小，即达到弱磁的功能；当在励磁电流为零时，可以获得最大的磁链。即本发明巧妙地利用定子铁芯的逐渐饱和，使得其容易调磁(弱磁)。故本发明可以明显提高电机的调磁性能，以满足电机的调速需求。
附图说明
图1为现有技术中陈金涛设计的电机的结构示意图；
图2为本发明实施例的结构示意图；
图3为本发明实施例中A相磁链随励磁电流变化图，其中，
图3a为当励磁电流为0A时的A相磁链变化图；
图3b为当励磁电流为10A时的A相磁链变化图；
图3c为当励磁电流为30A时的A相磁链变化图；
图4为本发明实施例与现有技术中陈金涛设计的电机的调磁对比图(A相磁链幅值随励磁电流变化)；
图5为现有技术中陈金涛设计的电机A相磁链随励磁电流变化图，其中，
图5a为当励磁电流为0A时的A相磁链变化图；
图5b为当励磁电流为10A时的A相磁链变化图；
图5c为当励磁电流为30A时的A相磁链变化图；
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图2所示，本E型铁芯混合励磁磁通切换电机包括有Ns个极数的定子1和Nr个极数的转子2，该定子1和转子2的极均设计成双凸极结构，其中定子1又包含有偶数个沿周向依次排列的E型铁芯单元11和位于相邻E型铁芯单元之间的永磁体12，本实施例以三相6/13极电机为例来说明(当然也适用于单相或相数大于三相的电机)，即定子有Ns＝6个凸极，转子有Nr＝13个凸极。定子的6个凸极分别为A1极，B1极、C1极、A2极，B2极、C2极，E型铁芯单元选取为6个，各E型铁芯单元11又由多个E字形硅钢片叠压而成；永磁体12也选为6个，各永磁体12均切向充磁，且相邻的两永磁体的充磁方向相反。相邻E型铁芯单元11的相邻电枢齿和所夹永磁体12组成一个定子极，各定子极上绕设有电枢线圈13和励磁线圈14，且相邻定子极上的励磁线圈施加的励磁电流方向相反。以定子圆心对称分布的Ns/m个电枢线圈串联后组成一相电枢绕组，其中m为电机相数，由于本实施例中，Ns＝6，m＝3，则上述6个电枢线圈13中相对称的两个电枢线圈串联后组成一相电枢绕组，即图1中的A1极电枢线圈和A2极电枢线圈相串联组成A相电枢绕组，B1极电枢线圈和B2极电枢线圈相串联组成B相电枢绕组，C1电枢线圈和C2极电枢线圈相串联组成C相电枢绕组，也就是采用集中式电枢绕组；而6个励磁线圈中相互串联后组成集中式励磁绕组。
上述转子2位于由上述6个E型铁芯单元11和6个永磁体12拼成的空间内，该转子2采用导磁材料制成，安装在不导磁材料制成的转轴上。该转子设计成13个直极，当然也可以为13个斜极，或安装在导磁材料制成的转轴上。
本实施例中的电机，可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行。
采用上述结构的电机，既保留了磁通切换永磁电机的高功率密度、高效率、带载能力强、可获得高度正弦反电势等优点，并因容错齿的存在，使得电机具有容错运行能力，同时还具有加工容易的优点，尤其是实施例中的电机具有较好的调磁性能。
由于电机的每相磁链的变化规律一样，现以分析A相的磁链随励磁电流变化为例来说明本实施例的电机具有较好的调磁性能。
下述所述的磁链是空载磁链，即电枢绕组没有通入电流时，永磁体和励磁绕组共同所提供的磁链。如图3所示，图中的细实线为A1极电枢线圈在转子转动一个电周期内的磁链变化，虚线为A2极电枢线圈在转子转动一个电周期内的磁链变化，粗实线为A1极电枢线圈的磁链和A2极电枢线圈的磁链合成后的A相磁链在转子转动一个电周期内的磁链变化。从图3a中可以看到，当励磁电流If为0A时，A相磁链的变化范围在－0.0652Wb～﹢0.0652Wb；由图3b中可以看到，当励磁电流If为10A时，A相磁链的变化范围大约在－0.052Wb～﹢0.052Wb；由图3c中可以看到，当励磁电流If为30A时，A相磁链的变化范围大约在－0.008Wb～﹢0.008Wb，由此可见，因励磁电流形成了一个偏磁磁场，使A1极电枢线圈和A2极电枢线圈的磁链分别向上、向下偏移，而合成的A相磁链随着励磁电流幅值的变大而减小。按上述变化图可以画出A相磁链随励磁电流变化的幅值变化图，如图4中的实线所示。由图4的实线可知，在当励磁电流If从0A增大到40A时，A相磁链幅值范围在﹢0.0652Wb～﹢0.0046Wb变化，表明A相磁链随着励磁电流幅值的变大而减小的规律，且A相磁链幅值范围较大。
而现有技术中陈金涛设计的电机，在同样条件下，从图5a中可以看到，当励磁电流为0A时，A相磁链的变化范围大约在－0.0652Wb～﹢0.0652Wb；由图5b中可以看到，当励磁电流为10A时，A相磁链的变化范围大约在－0.0636Wb～﹢0.0636Wb；由图5c中可以看到，当励磁电流为30A时，A相磁链的变化范围大约在－0.0576Wb～﹢0.0576Wb，由此可见，A1极电枢线圈的磁链和A2极电枢线圈的磁链是关于X轴(A相磁链等于零时的水平线)对称的减小，合成的A相磁链也随着励磁电流幅值的变大而减小，但幅值范围较小。由上述变化图画出陈金涛设计的电机的A相磁链随励磁电流变化的幅值变化图，如图4的虚线所示。由图4虚线可知，在当励磁电流从0A增大到40A时，A相磁链幅值范围在﹢0.065 2Wb～﹢0.054Wb，A相磁链幅值范围较小，表明其调磁能力有限。
因此，从图4中可以看到，本实施例中电机的调磁范围远大于现有技术中电机的调磁范围。

Claims (3)

1.一种E型铁芯混合励磁磁通切换电机，包括有均为凸极结构的定子(1)和转子(1)，其中定子(1)又包含有偶数个沿周向依次排列的E型铁芯单元(11)、位于相邻E型铁芯单元之间的永磁体(12)以及电枢线圈(13)和励磁线圈(14)，所述的永磁体(12)均切向充磁，且相邻的两永磁体(12)的充磁方向相反，相邻E型铁芯单元(11)的相邻电枢齿和所夹永磁体(12)组成一个定子极，各定子极上绕设有所述电枢线圈(13)，以定子圆心对称分布的Ns/m个电枢线圈串联后组成一相电枢绕组，其中Ns为定子的极数，m为电机相数，其特征在于：各所述定子极上还绕设所述的励磁线圈(14)，且相邻定子极上的励磁线圈(14)施加的励磁电流方向相反，各励磁线圈(14)串联后组成励磁绕组。
2.根据权利要求1所述的E型铁芯混合励磁磁通切换电机，其特征在于：所述励磁绕组和电枢绕组均采用集中式绕组。
3.根据权利要求1或2所述的E型铁芯混合励磁磁通切换电机，其特征在于：所述转子(2)设计成直极或斜极。
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