CN108011486B - 一种并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机，其组成包括：两块定子(1，2)、一块转子(3)和电枢绕组(8)，定子(1)采用分段拼接的结构，包括内部导磁环(101)、外部导磁环(102)、励磁极(103)、内部环形永磁体(4)和外部环形永磁体(5)；定子(2)采用切削加工的方式得到，包括内部导磁环(201)、外部导磁环(202)、励磁极(203)、绕制在励磁极(203)内外两侧的励磁绕组(6，7)。该电机不仅具有结构紧凑的优点，而且能实现空载励磁磁场和电枢磁场的磁分路，且空载励磁磁场和电枢磁场的主磁路相互分离，不仅抑制了铁心损耗，还改善了由于永磁体磁阻较大而抑制了电枢反应的问题。

Description

一种并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机
技术领域
本发明属于电机领域，具体涉及一种并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机。
背景技术
双凸极永磁电机(doubly salient permanent magnet motor,DSPM电机)的最初概念可以溯源至1955年，由Rauch和Johnson提出，但受到当时永磁材料和功率器件的限制，难以在实际中应用。
随着新的高磁能积的永磁材料的出现，在上世纪九十年代初DSPM电机又重新得到了重视，国内学者也对此进行了大量的研究工作，提出了各种结构形式的DSPM电机，并对电机的特性进行了深入的研究，从而为双凸极电机机理的深入理解作出了很大贡献。华中理工大学的詹琼华教授提出了一种单相4/6极DSPM电机，定子极采用阶梯形结构，使电机可以可靠起动，且实现双向起动能力(边敦新,詹琼华,哈里布·法迪,郭伟.一种新型双凸极单相永磁电动机的工作原理与参数计算[J].中国电机工程学报,2000,(10):15-19)。东南大学的程明教授提出一种新型的定子永磁型8/6极DSPM电机，相对于6/4极结构具有功率密度高、速度范围宽、转矩脉动小等优点，并针对DSPM电机存在的永磁磁场调节能力相比于电励磁较弱而导致的恒功率运行范围十分有限的问题，提出了采用***绕组扩展电机恒功率运行区的新方法(程明,周鹗.新型***绕组双凸极变速永磁电机的分析与控制[J].中国科学E辑:技术科学,2001,(03):228-237.)。东南大学的林明耀教授提出了一种新型12/8极DSPM电机，它集永磁无刷直流电机和SRM的主要优点于一身，加上其独特的转子斜槽和12/8极结构，该电机具有功率密度高、用铜量小、绕组电阻小和转矩脉动小等优点(林明耀,程明,周鹗.新型12/8极双凸极变速永磁电机的设计与分析[J].东南大学学报(自然科学版),2002,(06):944-948.)。
上述电机的空载励磁磁场和电枢磁场均采用共用定、转子轭部铁心磁路的方式，使得电机具有较长的饱和磁路，加剧了电机的铁心损耗；此外，由于采用稀土永磁体励磁，而稀土永磁体的磁阻较大，减弱了电枢电流产生的磁场，抑制了电枢反应。此外，永磁体的励磁不可调节，无法调节气隙磁场。
发明内容
本发明的目的是要提供一种并列式轴向磁通双凸极电机，它能实现空载励磁磁场和电枢磁场的磁分路，不仅改善了由于磁场叠加而使得电机具有较长的饱和磁路而产生较大铁心损耗的问题，还改善了由于永磁体磁阻较大而抑制了电枢反应的问题。此外，该电机还具有较好的弱磁调速能力。
实现本发明目的的技术解决方案为：
1、并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机，其组成包括：两块定子1，2、一块转子3、励磁绕组7、电枢绕组8、轴承9、转轴10、端盖12和机壳13。励磁绕组6和励磁绕组7分别绕制在定子2上励磁极203的内外侧，再将电枢绕组8绕制在两块定子1，2的励磁极103，203上；在电枢绕组8绕制完成后将两块定子1，2分别安装在转子3两侧的机壳13上；转子3通过键11固定在转轴10上；最后将两块定子1，2通过轴承9和端盖12固定安装在转轴10上。
2、定子1的组成主要包括：内部导磁环101、外部导磁环102、励磁极103、内部环形永磁体4和外部环形永磁体5。
3、定子2的组成主要包括：内部导磁环201、外部导磁环202、励磁极203、绕制在励磁极203内侧的励磁绕组6和绕制在励磁极203外侧的励磁绕组7。
4、定子1上安装有两块环形永磁体，包括内部环形永磁体4和外部环形永磁体5，且这两块环形永磁体采用聚磁形式，即一块环形永磁体沿径向向外充磁，另一块环形永磁体沿径向向内充磁。
5、绕制在励磁极203内侧的励磁绕组6和绕制在励磁极203外侧的励磁绕组7的电流激励方向相反。
6、内部导磁环101，201和外部导磁环102，202均为环形柱状结构，而励磁极103，203呈扇形柱状结构，且沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个定子极距360°/Ns，其中Ns为定子极数。
7、转子3包括转子轭301和转子轭301两侧的转子极302，303，且转子极302，303沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个转子极距360°/Nr，其中Nr为转子极数。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
1、从磁路结构上看，该电机的永磁体励磁磁场和电励磁磁场均与电枢磁场的主磁路相互分离，在定、转子轭部不存在共用铁心磁路，改善了由于磁场叠加而使得电机具有较长的饱和磁路的问题，进而有效抑制电机的铁心损耗；
2、从永磁体励磁的磁路结构上看，该电机的永磁体励磁磁场和电枢磁场的主磁路相互分离，改善了由于永磁体磁阻较大而抑制了电枢反应的问题；
3、从空载励磁磁场的组成上看，该电机的空载励磁磁场由永磁体励磁磁场和电励磁磁场两部分组成，这两部分的空载主磁路相互独立，且电励磁具有较好的空载磁场调节能力，气隙的磁场控制可以方便的通过励磁绕组中励磁电流的调节来实现；
4、从空间利用率上看，该电机具有较高的内部空间利用率，具有结构紧凑的优点；
5、从制造工艺上看，该电机的定转子均采用分段拼接的方式，各分段均采用切削加工的新型软磁复合材料来实现，制造工艺简单，且电枢绕组结构简单，便于手工嵌线，且嵌线工艺简单；
6、从应用场合上看，由于是采用轴向磁通的盘式结构，该电机适用于低速大转矩的场合。
附图说明
图1是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的截面图；
图2(a)是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的永磁体励磁侧的结构示意图；
图2(b)是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的电励磁侧的结构示意图；
图3(a)是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的永磁体励磁侧的定子结构示意图；
图3(b)是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的电励磁侧的定子结构示意图；
图3(c)是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的转子结构示意图；
图4是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的***图；
图5是所述6/4极并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的1/2圆周的展开图；
图6是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的绕组匝链磁链、感生电势与转子位置角的关系曲线；
图7(a)是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的转子滑入过程；
图7(b)是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的转子滑出过程；
图8(a)是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的定义的磁链正方向和绕组同名端之间的关系；
图8(b)是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的一相绕组的等效电路；
图9(a)是a相绕组当通以正向励磁电流时的磁链示意图；
图9(b)是a相绕组当通以正向励磁电流时的等效电路；
图10(a)是a相绕组当通以负向励磁电流时的磁链示意图；
图10(b)是a相绕组当通以负向励磁电流时的等效电路；
图11是线性模型中相电感与转子位置角θ的关系曲线图；
图12是磁链与位置角的关系曲线图；
图13是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机在转子位置角为45度时的空载主磁路；
图14是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机在转子位置角为30度时的永磁体励磁主磁路；
图15是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机在滑出端发电方式下转子位置角为30度时电枢磁场的磁路示意图；
图16是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机在滑入端发电方式下转子位置角为30度时电枢磁场的磁路示意图；
图17是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机在滑入、滑出端均发电方式下转子位置角为30时电枢磁场的磁路示意图；
图18是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机在滑出端电动方式下转子位置角为30度时电枢磁场的磁路示意图；
图19是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机在滑入端电动方式下转子位置角为30度时电枢磁场的磁路示意图；
图20是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机在滑入、滑出端均电动方式下转子位置角为30度时电枢磁场的磁路示意图；
图21是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的相绕组电感曲线及相应相绕组的理想方波电流驱动波形；
图22(a)是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机在转子位置角为30度时的空载永磁体励磁磁场的矢量分布；
图22(b)是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机在转子位置角为30度时的空载电励磁磁场的矢量分布；
图23(a)是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机在转子位置角为30度时仅由滑入端电枢绕组产生的电枢磁场的矢量分布；
图23(b)是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机在转子位置角为30度时仅由滑出端电枢绕组产生的电枢磁场的矢量分布；
图23(c)是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机在转子位置角为30度时由滑入端和滑出端电枢绕组共同作用产生的电枢磁场的矢量分布；
图24是所述并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机的空载励磁磁场的矢量分布。
图中：1为一侧定子，101为内部导磁环，102为外部导磁环，103为励磁极，2为另一侧定子，201为内部导磁环，202为外部导磁环，203为励磁极，3为转子，301为转子轭，302为一侧转子极，303为另一侧转子极，4为内部环形永磁体，5为外部环形永磁体，6为绕制在励磁极内侧的励磁绕组，7为绕制在励磁极外侧的励磁绕组，8为电枢绕组，9为轴承，10为转轴，11为键，12为端盖，13为机壳。
具体实施方式
一种并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机，其组成包括：两块定子1，2、一块转子3和电枢绕组8，其特征在于：定子1采用分段拼接的结构，包括内部导磁环101、外部导磁环102、励磁极103、内部环形永磁体4和外部环形永磁体5；定子2采用切削加工的方式得到，包括内部导磁环201、外部导磁环202、励磁极203、绕制在励磁极203内外两侧的励磁绕组6，7。该技术方案具体实施如下：
1.电机结构和电气定义
1.1电机结构
双凸极电机相数m、定子极数Ns和转子极数Nr之间有多种可能的组合。为使双凸极电机在电动运行时，在任一方向上均具有自起动能力，电机的相数应大于等于3，因而Ns/Nr＝6/4，8/6，12/8，16/12是可选的定、转子极对数比。本专利所述的DSHE电机采用三相6/4极结构。
图1为所述的并列式轴向磁通DSHE电机截面图。所述并列式轴向磁通DSHE电机由两部分组成：一侧为DSPM电机，另一侧为DSEM电机。
在DSPM电机中，定、转子均为凸极齿槽结构，定子和转子铁芯均采用软磁复合材料切削加工而成，定子上装有永磁体和集中电枢绕组，转子上无绕组，空间相对的二个定子极上的线圈串联构成一组，形成三相绕组。定子极弧为定子极距的1/2，即π/6机械角，这样可以保证一个极下转子极与定子极的重叠角之和恒等于转子极弧，而与转子位置角无关，线性分析时合成气隙磁导为一常数，磁铁工作点将不随转子位置角而改变，任一相定子绕组所交链的永磁磁链仅与该相磁导成正比。转子极弧与定子极弧宽度相等。6/4极DSPM电机侧的结构示意图如图2(a)所示。
DSEM电机与DSPM电机的主要差别在于励磁方式的不同。图2(b)为6/4极DSEM电机侧的结构示意图，其激磁电源通过励磁绕组给电机励磁。
所述的三相并列式轴向磁通DSHE电机由DSPM电机和DSEM电机两个部分组成，两部分电机同轴，均采用6/4极结构，定子极槽对齐，转子极槽对齐，两部分电机的定转子极槽宽度相同，励磁绕组不共用。DSPM电机和DSEM电机两部分的电枢绕组串联连接。
永磁体励磁部分与电励磁部分分别位于转子两侧，两部分电机磁势建立的磁通互不关联，经各自的磁路闭合。由于并列式DSHE电机中永磁体励磁和电励磁两部分电机的磁路是分开的，两者间仅有电路的联系，因此并列式DSHE电机的磁链、感应电势、电感均可由两部分电机的磁链、感应电势和电感分别叠加而成。由于永磁体采用了最大磁能积、剩磁、最大矫顽力都较大的永磁材料，因而有高的功率密度。电励磁部分定子上的励磁绕组，起励磁调节的作用，它与一般的的DSEM电机相比，励磁绕组的功率和损耗较小，同时还具有较小的励磁时间常数，可实现双向快速励磁电流控制。因此，并列式DSHE电机继承了DSPM电机的优点，又增加了励磁可调的优点，结构简单，控制灵活，可高速运行。
所述的并列式轴向磁通DSHE电机的各部位结构如图4～6所示，其中图3(a)为DSPM电机侧的定子结构示意图，图3(b)为DSEM侧的定子结构示意图，图3(c)为转子结构示意图。所述的并列式轴向磁通DSHE电机的***模型如图4所示。
所述的并列式轴向磁通DSHE电机采用分段拼接的方式。所述电机的铁心采用软磁复合材料，通过对该铁心材料进行切削加工得到定子的各分段铁心，再对定子的各分段铁心和内外部环形永磁体进行拼接并固定安装在机壳内，而转子则可通过整块软磁复合材料进行切削加工而成，无需采用分段拼接的方式。
1.2电机旋转正方向和转子位置角的定义
图5为6/4极DSHE电机1/2圆周的展开图，用以给出电机旋转正方向和转子位置角的定义。电机旋转正方向定义为逆时针旋转方向。转子位置角θr定义为转子槽中心线与a相定子极中心线的距离。并且规定：转子槽中心线沿逆时针超前a相定子极中心线时，转子位置角值为正，θr>0；否则为负，θr<0。
1.3电机的磁链、电势和频率
双凸极电机电枢绕组所匝链的磁链和绕组感生电势与转子位置角的关系曲线如图6所示。6/4极双凸极电机的转子旋转一圈，一相电枢绕组所匝链的磁链共变化4次，即4个转子极相当于4对极，故一相电枢绕组感生电势的频率
Figure GDA0001600650480000071
式中：n为电机转速，单位为r/min；Nr为转子极数；f为感生电势频率，单位为Hz。1.4电机滑入过程、滑出过程的定义
电机转子在旋转时，a相定转子极重叠角从零逐渐增大至最大值，a相绕组匝链的磁链随着转子位置角增大而增大，这一过程定义为转子滑入过程，图7(a)给出这一过程的示意图。电机转子在旋转过程中，a相定转子极重叠角从最大值逐渐减小至零，a相绕组匝链的磁链随着转子位置角增大而减小，这一过程定义为转子滑出过程，图7(b)给出这一过程的示意图。
1.5电机相绕组磁链、电势、电流正方向及同名端的定义
6/4极结构双凸极电机每相绕组由每相所对应的空间两个定子极上的线圈经串联或并联方式组合而成。为便于分析，首先对每相绕组同名端和电势正方向进行定义。如图8(a)，给出电机结构所示的各相磁链与绕组连接的关系，及同名端的定义。图8(b)给出电机a相绕组等效示意图，这里忽略了绕组电阻和相间互感，从而等效为电势ea与自感La的串联组合，绕组电势正方向的定义与磁链正方向满足右手定则。电流正方向与电势正方向满足正相关关系。
1.6电机正、负励磁的定义
电励磁励磁电流可以取正，也可取负。以a相为例，如图9(a)，当电励磁电流寿的极性使得匝链a相的电励磁磁链ψem与永磁磁链ψpm方向相同时，励磁电流定义为正方向。相应的，电励磁部分产生的电势ea(em)与永磁部分产生的电势ea(pm)方向相同，等效电路如图9(b)所示。
如图10(a)，当电励磁电流极性使得匝链a相的电励磁磁链ψem与永磁磁链ψpm方向相反时，励磁电流定义为负方向。相应的，电励磁部分产生的电势ea(em)与永磁部分产生的电势ea(pm)方向相反，等效电路如图10(b)所示。
通过控制励磁绕组电流的大小和方向，可以调节合成气隙磁场，从而在发电运行时，可实现并列式DSHE电机输出电压的宽范围调节，电动运行时，可拓宽其恒功率运行范围。
2.DSPM电机的数学模型
由于双凸极结构以及磁路饱和效应等因素的影响，电机参数如磁链、电感等都不是常数，不仅与转子位置有关，而且是绕组电流和励磁绕组电流的函数，无法用解析式准确表达，但是双凸极电机在运行过程中仍满足电工理论中的基本原理和定律，如能量守恒原理、磁路基本定律、电压基本定律和牛顿运动定律等。
2.1磁链方程
对于6/4极双凸极电机，电枢绕组中通以电流时，三相绕组中匝链的磁链可用下式表示
[ψ]＝[ψf]+[L][I] (2-1)
式中，[ψ]为各相绕组所匝链的磁链矩阵；[ψf]为各相绕组所匝链的励磁磁链矩阵；[L]为绕组电感矩阵；[I]为绕组中电流矩阵。
Figure GDA0001600650480000081
式中，ψa、ψb、ψc分别为a、b、c相电枢绕组匝链的磁链。
(1)DSPM电机磁链方程
对于DSPM电机，[ψf]为永磁磁链矩阵
Figure GDA0001600650480000082
Figure GDA0001600650480000083
Figure GDA0001600650480000084
式中，ψpma、ψpmb、ψpmc分别为a、b、c相电枢绕组匝链的永磁磁链，Laa、Lbb、Lcc分别为a、b、c相的自感，Lab、Lbc、Lca分别为各相之间的互感，ia、ib、ic分别为a、b、c相电枢绕组中的电流。
在双凸极电机中，磁链是转子位置角和电流的函数，自感和互感也是转子位置角和电流的函数。所述电机的相绕组电感关于转子位置角的变化曲线如图11所示。由图11可知，当转子处于转子槽中轴线与定子极轴向对齐位置时，相绕组电感最小；当转子处于转子极轴线与定子极轴线对齐位置时，相绕组电感达到最大。所述电机的自感磁链关于转子位置角的变化曲线如图12所示，图中θon和θoff分别绕组开通和关断角。
(2)DSEM电机磁链方程
对于DSEM电机，[ψf]为电励磁磁链方程
Figure GDA0001600650480000091
式中，Laf、Lbf、Lcf分别为a、b、c相绕组与励磁绕组之间的互感，if为励磁电流。
绕组电感矩阵[L]和绕组电流矩阵[I]分别与式(2-4)和(2-5)在形式上相同。
(3)并列式DSHE电机磁链方程
对于并列式DSHE电机，[ψf]为永磁磁链与电励磁磁链之和形成的磁链矩阵
Figure GDA0001600650480000092
励磁电流为正时，永磁磁链和电励磁磁链相加；励磁电流为负时，永磁磁链和电励磁磁链相减。
因DSHE电机中电枢绕组为永磁和电励磁两部分共用，因而电枢电流相同，从而总的绕组电感[L]是永磁部分的电感与电励磁部分的电感之和，[LHE]＝[Lpm]+[Lem]。
在双凸极电机中，磁链是转子位置角和电流的函数，自感和互感也是转子位置角和电流的函数。
2.2感生电势
随着电机转动，各绕组所匝链的磁链发生变化，在绕组中产生感应电势
Figure GDA0001600650480000093
式中，
Figure GDA0001600650480000094
ea、eb、ec分别为a、b、c相电枢绕组中感生的电势。
(1)DSPM电机感生电势
对于DSPM电机，[e]对应永磁体作用后所产生的感生电势
Figure GDA0001600650480000095
(2)DSEM电机感生电势
对于DSEM电机，[e]对应励磁电流作用后所产生的感生电势
Figure GDA0001600650480000101
式中：励磁电流为常数，if＝If。
(3)并列式DSHE电机感生电势
对于并列式DSHE电机，感生电势ehe为永磁电势epm与电励磁电势eem之和，[ehe]＝[epm]+[eem]。励磁电流为正时，DSHE电机的永磁电势和电励磁电势相加；励磁电流为负时，DSHE电机的永磁电势和电励磁电势相减。
2.3电压方程
根据基尔霍夫电压定律和电磁感应定律，绕组端电压等于感生电势与内抗压降之差，即
Figure GDA0001600650480000102
式中，[U]为绕组端电压，
Figure GDA0001600650480000103
[R]为绕组内阻，
Figure GDA0001600650480000104
Ra、Rb、Rc分别为a、b、c相绕组电阻。
对于DSHE电机，[R]可视为永磁部分所对应的电枢绕组电阻和电励磁部分所对应的电枢绕组电阻之和。有
[R]＝[Rpm]+[Rem] (2-12)
2.4转矩方程
转矩求解方程可以通过功率平衡原理得到。
忽略三相电枢绕组电阻后，可推导得出双凸极电机的输出转矩
Te＝Tf+Tsr+Tmr (2-13)
式中，Tf为电枢绕组所匝链的励磁磁链随转子位置角变化而产生的转矩分量，称为励磁转矩；Tsr为电枢绕组中通入电流时，绕组自感随转子位置角变化而产生的转矩分量，称为自感磁阻转矩；Tmr为电枢绕组中通入电流时，绕组间互感随转子位置角变化而产生的转矩分量，称为互感磁阻转矩。自感磁阻转矩和互感磁阻转矩合称为磁阻转矩Tr。
(1)DSPM电机转矩方程
在DSPM电机中，励磁转矩为永磁转矩
Figure GDA0001600650480000111
自感磁阻转矩为
Figure GDA0001600650480000112
互感磁阻转矩为
Figure GDA0001600650480000113
永磁转矩是DSPM电机输出转矩的主要构成部分。
(2)DSEM电机转矩方程
在DSEM电机中，励磁转矩为电励磁转矩
Figure GDA0001600650480000114
自感磁阻转矩和互感磁阻转矩的表达式分别与DSPM电机中的表达式(2-15)、(2-16)相同。
电励磁转矩是DSEM电机输出转矩的主要构成部分。
(3)DSHE电机转矩方程
在并列式DSHE电机中，Tf为永磁转矩和电励磁转矩之和Tf＝Tpm+Tem。
励磁电流为正时，两部分电机分别产生的永磁励磁转矩Tpm与电励磁励磁转矩Tem互为增加，电枢电流不变的情况下，电机总的出力随励磁电流的增大而增大；励磁电流为负时，两部分电机分别产生的永磁励磁转矩Tpm与电励磁励磁转矩Tem互为削弱，电枢电流不变的情况下，电机总的出力随励磁电流幅值的增大而减小。磁阻转矩为两部分电机对应磁阻转矩之和。
2.5机械运动方程
旋转电机的机械运动方程为
Figure GDA0001600650480000115
Figure GDA0001600650480000116
式中：J为***转动惯量；B为***摩擦系数；Tl***负载转矩。
归纳上述方程式，式(2-11)、(2-13)、(2-18)构成了双凸极电机的动态数学模型。
3.电机的基本原理
3.1空载磁场
在转子极滑入a相定子极的过程中，a相绕组所交链的空载磁通随定转子重叠角增大而逐渐增强；在转子极滑出a相定子极的过程中，a相绕组所交链的空载磁通随定转子重叠角减小而逐渐减弱。
图13以a相定子极与转子极重叠位置，即θr＝45°为例，给出了混合励磁而产生的空载主磁路。该空载主磁路由永磁体励磁磁路和电励磁磁路两部分组成。
由于内外环形永磁极采用聚磁形式，内外环形永磁体的励磁方向相对，内部环形永磁体沿径向方向向外充磁，而外部环形永磁体沿径向方向向内充磁，进而两块环形永磁体在所述的DSHE电机内产生空载磁场，该空载磁场的主磁路如图13所示。该空载主磁路由两部分组成，一部分空载主磁路由内部环形永磁体产生，经由定子励磁极、中间气隙、转子极、内部气隙、内部导磁环并最终到达内部环形永磁体形成闭合磁通回路；另一部分空载主磁路由外部环形永磁体产生，经由定子励磁极、中间气隙、转子极、外部气隙、外部导磁环并最终到达外部环形永磁体形成闭合磁通回路。
由于绕制在励磁极内外两侧的励磁绕组的电流激励方向相反，产生的电励磁空载磁路如图13所示。该空载主磁路由两部分组成，一部分空载主磁路由内部励磁绕组产生，经由定子励磁极、中间气隙、转子极、内部气隙、内部导磁环并最终到达励磁极形成闭合磁通回路；另一部分空载主磁路由外部励磁绕组产生，经由定子励磁极、中间气隙、转子极、外部气隙、外部导磁环并最终到达励磁极形成闭合磁通回路。
3.2电枢磁场
双凸极电机空载时，气隙中仅有励磁磁场。负载时，电枢绕组中流过电流，电枢电流产生的电枢磁势也作用于气隙，并与励磁磁势共同产生气隙合成磁场。合成磁场的分布不同于空载时的主磁场。双凸极电机中电枢磁势使气隙磁场发生的变化，称作电枢反应。本节首先从磁路角度出发，分析双凸极电机的电枢反应，继而通过负载下的磁场仿真验证原理分析，从而揭示出双凸极电机电枢反应的规律。此外，负载后，电枢电流还改变了铁芯的饱和程度，导致电机电感的变化。
3.2.1电枢反应
三相双凸极电机发电运行时，可工作于滑出端发电、滑入端发电，和滑入滑出端均发电三种方式。三相双凸极电机电动运行时，可工作于一相通电、两相通电，和三相通电模式。为便于揭示电枢反应的规律，本节分析只考虑任一时刻只有一相绕组通电或两相绕组同时通电的工作方式。
首先对双凸极电机发电运行时的电枢反应规律进行分析，再对电动运行时的电枢反应规律进行分析。图14给出DSHE电机θr＝30°下由永磁体励磁产生的空载磁路示意图，图中仅对c、a相的两个齿作表示，其余齿上的空载磁路依此类推。由电励磁产生的空载磁路与由永磁体励磁产生的空载磁路类似。
(1)滑出端发电方式下的电枢反应
图15给出DSHE电机滑出端发电方式下θr＝30°时电枢磁场的磁路示意图，电机只有c相流过电流。电枢磁场方向与永磁体励磁方向相同，图中仅对电机c相的一个齿进行了标示，c相的其它三个齿可作类似分析。c相流过电流后，电枢磁场对励磁磁场表现为增磁作用，即在滑出端发电方式下，一相通电时，DSHE电机为直轴增磁电枢反应。
(2)滑入端发电方式下的电枢反应
图16给出DSHE电机滑入端发电方式下θr＝30°时电枢磁场的磁路示意图，电机只有a相流过电流。电枢磁场方向与永磁体励磁方向相反，图中仅对电机a相的一个齿进行了标示，a相的其它三个齿可作类似分析。a相流过电流后，电枢磁场对励磁磁场表现为去磁作用，即在滑入端发电方式下，一相通电时，DSHE电机为直轴去磁电枢反应。
(3)滑入、滑出端均发电方式下的电枢反应
图17给出DSHE电机滑入、滑出端均发电方式下θr＝30°时电枢磁场的磁路示意图，电机a、c两相流过电流。从图17可见，在励磁电流所经过的磁路中，a、c两相电流分别产生的电枢磁场方向相反而互消，因而电枢磁场的磁路如图17所示。图中仅对电机a相的一个齿和c相的一个齿进行了标示，a相的其它三个齿和c相的其它三个齿可作类似分析。a、c两相流过电流后，c相增磁，a相去磁，因电机磁路饱和，增磁量小而去磁量多，电枢磁场对励磁磁场表现为去磁反应。
三相双凸极电机电动运行时，一相通电和两相通电的电枢反应规律也不同。一相通电时，可在滑入端通电，也可在滑出端通电，分别称为滑入端电动、滑出端电动，滑入、滑出端均电动，即两相均通电的电动方式。
为便于与发电运行时的电枢反应进行比较，仍对DSHE电机在θr＝30°时的情况进行研究，电动运行的相电流方向与发电运行的相电流方向相反。
(1)滑出端电动方式下的电枢反应
图18给出DSHE电机滑出端电动方式下，θr＝30°时电枢磁场磁路示意图，电机只有c相流过电流，电枢磁场方向与永磁体励磁方向相反，图中仅对电机c相的一个齿进行了标示，c相的其它三个齿可作类似分析。c相流过电流后，电枢磁场对励磁磁场表现为去磁作用，即在滑出端电动方式下，一相通电时，DSHE电机为直轴去磁电枢反应。
(2)滑入端电动方式下的电枢反应
图19给出DSHE电机滑入端电动方式下，θr＝30°时电枢磁场的磁路示意图，电机只有a相流过电流，电枢磁场方向与永磁体励磁方向相同，图中仅对电机a相的一个齿进行了标示，a相的其它三个齿可作类似分析。a相流过电流后，电枢磁场对励磁磁场表现为增磁作用，即在滑入端电动方式下，一相通电时，DSHE电机为直轴增磁电枢反应。
(3)滑入、滑出端均电动的两相通电情况下的电枢反应
图20给出DSHE电机滑入、滑出端均电动的两相通电方式下，θr＝30°时电枢磁场的磁路示意图，电机工作在饱和状态下，a、c两相流过电流。a相电流增磁，c相电流去磁，由于磁路总的起去磁作用。
由上分析研究，可归纳得出双凸极电机的电枢反应规律：
1)滑出端发电和滑出端电动方式下，电枢磁场为直轴电枢反应磁场。滑出端发电方式下，电枢电流为直轴增磁电枢反应；滑出端电动方式下，电枢电流与滑出端发电方式下的电枢电流方向相反，电枢电流为直轴去磁电枢反应；
2)滑入端发电和滑入端电动方式下，电枢磁场为直轴电枢反应磁场。滑入端发电方式下，电枢电流为直轴去磁电枢反应；滑入端电动方式下，电枢电流与滑入端发电方式下的电枢电流方向相反，电枢电流为直轴增磁电枢反应；
3)滑入、滑出端均发电和滑入、滑出端均电动方式下，电枢电流不产生直轴电枢反应，只产生交轴电枢反应。对于永磁体励磁部分，若永磁体矫顽力较小，磁路不饱和，则增磁、去磁相同，电枢电流对主磁场没有影响。永磁体矫顽力较大，铁芯饱和时，电机总体表现为去磁。铁芯饱和程度加大，电枢电流去磁作用加强。
3.2.2等效电感
双凸极电机负载工作时，相电感发生变化，从而引起区间等效电感的变化。
作为发电机接负载运行时，在滑出端发电方式下，因电枢电流增磁，与空载相比，等效电感减小；在滑入端发电方式下，因电枢电流去磁，与空载相比，等效电感增大；在滑入滑出端均发电方式下，等效电感增大或减小取决于工作状态下的励磁电流和电枢电流大小，需根据实际工况计算才能得出。
作为电动机负载运行时，在滑出端电动时，电枢电流去磁，与空载相比，等效电感增大；在滑入端电动时，电枢电流增磁，与空载相比，等效电感减小；在滑入端和滑出端均电动时，区间等效合成电感增大还是减小也取决于工作状态下的励磁电流和电枢电流大小，需根据实际工况计算才能得出。
3.3控制规则
所述DSHE电机的各相绕组的电感曲线及各相绕组的等效方波电流如图21所示。由图19可知，各相绕组的电感曲线互差一个步距角
Figure GDA0001600650480000151
(q为DSHE电机的相数)。对于任意一相绕组，当该相绕组处于电感上升区时，给该相通以正向绕组电流，该正向绕组电流对空载磁场起增磁作用；而当该相绕组处于电感下降区时，给该相通以反向绕组电流，该反向绕组电流对空载磁场起去磁作用。
4.仿真分析
当作电动运行时，通过仿真计算得到所述并列式轴向磁通DSHE电机在θr＝30°时的空载永磁体励磁磁场和电励磁磁场的矢量分布分别如图22(a)和22(b)所示，在θr＝30°时仅由滑入端电枢绕组产生的电枢磁场的矢量分布如图23(a)所示，在θr＝30°时仅由滑出端电枢绕组产生的电枢磁场的矢量分布如图23(b)所示，由滑入端和滑出端电枢绕组共同作用产生的电枢磁场的矢量分布如图23(c)所示。该电机的空载励磁磁场的矢量图如图24所示。由图22可知，空载永磁体励磁磁场和电励磁磁场的主磁路仅从转子极流通，而不经过转子轭。由图23可知，由电枢绕组产生的电枢磁场从转子轭部流通。由图24可知，空载永磁体励磁磁场和电励磁磁场的主磁路相互独立。
综上所述，该电机的永磁体励磁磁场和电枢磁场的主磁路相互分离，在定、转子轭部不存在共用铁心磁路，改善了由于磁场叠加而使得电机具有较长的饱和磁路的问题，进而有效抑制电机的铁心损耗。此外，由图22和23可知，这种磁分路的结构使得电枢磁场的主磁路仅由定转子铁心磁路和定转子极间气隙组成，而不经过内外环形永磁体形成闭合磁路，改善了由于永磁体磁阻较大而抑制电枢反应的问题。

Claims (6)

1.一种并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机，其组成包括：左侧定子(1)、右侧定子(2)、一块转子(3)、内侧励磁绕组(6)、外侧励磁绕组(7)、电枢绕组(8)、轴承(9)、转轴(10)、端盖(12)和机壳(13)，内侧励磁绕组(6)和外侧励磁绕组(7)分别绕制在右侧定子(2)上右侧励磁极(203)的内外侧，再将电枢绕组(8)绕制在左侧定子(1)的左侧励磁极(103)上和右侧定子(2)的右侧励磁极(203)上；在电枢绕组(8)绕制完成后将左侧定子(1)和右侧定子(2)分别安装在转子(3)两侧的机壳(13)上；转子(3)通过键(11)固定在转轴(10)上；最后将左侧定子(1)和右侧定子(2)通过轴承(9)和端盖(12)固定安装在转轴(10)上；电机的永磁体励磁磁场和电励磁磁场均与电枢磁场的主磁路相互分离，且在定、转子轭部不存在共用铁心磁路，其特征在于：左侧定子(1)的组成主要包括：左侧内部导磁环(101)、左侧外部导磁环(102)、左侧励磁极(103)、内部环形永磁体(4)和外部环形永磁体(5)；右侧定子(2)的组成主要包括：右侧内部导磁环(201)、右侧外部导磁环(202)、右侧励磁极(203)、绕制在右侧励磁极(203)内侧的内侧励磁绕组(6)和绕制在右侧励磁极(203)外侧的外侧励磁绕组(7)。
2.根据权利要求1所述的并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机，其特征在于：左侧定子(1)上安装有两块环形永磁体，包括内部环形永磁体(4)和外部环形永磁体(5)，且这两块环形永磁体采用聚磁形式，即一块环形永磁体沿径向向外充磁，另一块环形永磁体沿径向向内充磁。
3.根据权利要求1所述的并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机，其特征在于：绕制在右侧励磁极(203)内侧的内侧励磁绕组(6)和绕制在右侧励磁极(203)外侧的外侧励磁绕组(7)的电流激励方向相反。
4.根据权利要求1所述的并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机，其特征在于：左侧励磁极(103)和右侧励磁极(203)呈扇形柱状结构，且沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个定子极距360°/Ns，其中Ns为定子极数,且左侧定子极数与右侧定子极数相等。
5.根据权利要求2所述的并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机，其特征在于：左侧内部导磁环(101)、右侧内部导磁环(201)、左侧外部导磁环(102)和右侧外部导磁环(202)均为环形柱状结构。
6.根据权利要求1所述的并列式轴向磁通混合励磁双凸极电机，其特征在于：转子(3)包括转子轭(301)和转子轭(301)两侧的左侧转子极(302)和右侧转子极(303)，且左侧转子极(302)和右侧转子极(303)沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个转子极距360°/Nr，其中Nr为转子极数。
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