CN108964396A - 定子分区式交替极混合励磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子分区式交替极混合励磁电机，包括电枢绕组、励磁绕组、永磁体、电枢绕组所在定子、转子和励磁绕组所在定子。电枢绕组所在定子和励磁绕组所在定子分别设在转子的两侧，当电枢绕组所在定子为外定子时，励磁绕组所在定子为内定子；当励磁绕组所在定子为外定子时，电枢绕组所在定子为内定子。电枢绕组所在定子齿数为Nst，励磁绕组所在定子齿数为Nst/3。励磁绕组所在定子齿的齿顶朝向转子方向，每个励磁绕组所在定子齿的齿顶具有一个或两个永磁极，形成的极数均为3个；相邻励磁绕组所在定子齿上永磁体的充磁方向相反。本发明在解决永磁体和电枢绕组空间限制的同时，通过在定子上设置一套励磁绕组，实现气隙磁场的有效调节。

Description

定子分区式交替极混合励磁电机

技术领域

本发明涉及电机制造领域，特别是一种定子分区式交替极混合励磁电机。

背景技术

永磁电机具有结构简单、效率高和功率密度大等特点，已被广泛应用于家电、电动汽车、风力发电和航空航天等场合。

根据永磁体的摆放位置不同，永磁电机可分为转子永磁型和定子永磁型。定子永磁型电机作为近些年的研究热点，它的永磁体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、容错性能好和带载能力强等优点，因而具有良好的应用前景。

然而，正因为永磁体和电枢绕组都设置在定子侧，永磁体和电枢绕组存在着几何冲突，导致两者的可用空间受到了限制。从而，限制了转矩密度。

因此，Z. Q. Zhu （诸自强）教授等人于2015年在IEEE TRANSACTIONS ONMAGNETICS的51卷第4期的论文《Novel electrical machines having separate PMexcitation stator》和51卷第5期中的论文《Novel doubly salient permanent magnetmachines with partitioned stator and iron pieces rotor》提出了定子分区式的定子永磁型电机，其电枢绕组位于电枢绕组所在定子上，永磁***于励磁绕组所在定子上，解决了电枢绕组和永磁体的空间冲突，提高了转矩密度。

然而，因为永磁磁场是恒定磁场，定子分区式的永磁电机也面临着永磁电机的一个固有问题，即调磁能力有限。这使得该类电机的恒功率运行范围受到限制。尽管可以采用矢量控制的方式，通过在电枢绕组中施加负的直轴电流分量（-id）来削弱气隙磁场，但是受电枢电流大小、逆变器容量等限制，调速范围十分受限，且弱磁升速区间的效率和功率因素较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种定子分区式交替极混合励磁电机，该定子分区式交替极混合励磁电机能在解决永磁体和电枢绕组空间限制的同时，通过在定子上设置一套励磁绕组，实现气隙磁场的有效调节。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种定子分区式交替极混合励磁电机，包括电枢绕组、励磁绕组、电枢绕组所在定子、转子、励磁绕组所在定子和中心轴；转子与中心轴相连接。

转子包括周向交替排列的转子铁心块和非导磁块，且转子铁心块和非导磁块的数量均等于转子极数p。

电枢绕组所在定子、励磁绕组所在定子和转子铁心块均采用导磁材料制成。

电枢绕组所在定子和励磁绕组所在定子分别设置在转子的两侧，电枢绕组所在定子与转子之间具有气隙一，转子与励磁绕组所在定子之间具有气隙二。

当电枢绕组所在定子作为外定子时，励磁绕组所在定子为内定子；当励磁绕组所在定子作为外定子时，电枢绕组所在定子则为内定子；电枢绕组所在定子的齿数为Nst，励磁绕组所在定子的齿数为Nst/3；相邻励磁绕组所在定子齿上的励磁线圈通入的电流方向相反。

励磁绕组所在定子齿的齿顶朝向转子方向，每个励磁绕组所在定子齿的齿顶上均嵌套有一块或两块永磁体，形成一个或两个永磁极，每个励磁绕组所在定子齿顶形成的极数均为3个，所有励磁绕组所在定子齿上的永磁极数和铁心极数之和等于励磁绕组所在定子的极数Nsp，且Nsp=Nst；相邻励磁绕组所在定子齿上永磁体的充磁方向相反。

每个励磁绕组所在定子齿的齿顶中部各嵌套有一块永磁体，形成一个永磁极，永磁极的两边均为铁心极；也即每个励磁绕组所在定子齿均包括一个永磁极和两个铁心极。

每个励磁绕组所在定子齿的齿顶两侧各嵌套一块永磁体，形成两个永磁极，两个永磁极之间的励磁绕组所在定子部分形成一个铁心极；也即每个励磁绕组所在定子齿均包括两个永磁极和一个铁心极；相邻励磁绕组所在定子齿上永磁体的充磁方向相反，且同一励磁绕组所在定子齿上的两块永磁体的充磁方向相同。

电枢绕组和励磁绕组均采用集中式绕组。

每相电枢绕组由Nst/m个线圈串联而成，其中m为电机相数。

励磁绕组由Nst/3个线圈串联而成。

励磁绕组产生的磁通是通过“铁心极→气隙二→转子铁心块→气隙一→电枢绕组所在定子铁心→气隙一→转子铁心块→气隙二→励磁绕组所在定子铁心”进行闭合。

通过在励磁绕组中通入正的励磁电流，实现增磁；通入负的励磁电流，实现弱磁。

本发明具有如下有益效果：本发明通过在定子上设置一套励磁绕组，从而使定子上具有两个励磁源（永磁体和励磁绕组）。在励磁绕组中通入正的励磁电流，可以实现增磁；在励磁绕组中通入负的励磁电流，则能实现弱磁。而且，本发明的励磁绕组产生的磁场（励磁磁场）不经过永磁体，避免了永磁体的不可逆退磁。另外，励磁绕组位于定子上，实现了无刷化励磁。

附图说明

图1显示了一种定子分区式交替极混合励磁电机实施例1中励磁绕组所在定子齿的第一种结构图。

图2显示了一种定子分区式交替极混合励磁电机实施例1中励磁绕组所在定子齿的第二种结构图。

图3显示了本发明一种定子分区式交替极混合励磁电机的调磁效果示意图。

其中有：

10.电枢绕组所在定子；11.电枢绕组；

20.励磁绕组所在定子；21.永磁极；22.励磁绕组；23.铁心极；

31.转子铁心；32.非导磁块。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1和图2所示，一种定子分区式交替极混合励磁电机，包括电枢绕组11、励磁绕组22、电枢绕组所在定子10、转子、励磁绕组所在定子20和中心轴。

电枢绕组所在定子和励磁绕组所在定子分别设置在转子的两侧，电枢绕组所在定子作为外定子，励磁绕组所在定子为内定子。

电枢绕组所在定子与转子之间具有气隙一，转子与励磁绕组所在定子之间具有气隙二。

转子可以通过轴承与中心轴相连接，中心轴不动，形成直驱电机；转子也可以与中心轴固定连接，带动中心轴转动。

电枢绕组优选采用集中式绕制的方式绕制在电枢绕组所在定子齿上，假设电枢绕组所在定子齿的数量为Nst，每相电枢绕组由Nst/m个线圈串联而成，其中m为电机相数。

励磁绕组优选采用集中式绕制的方式绕制在励磁绕组所在定子齿上，相邻励磁绕组所在定子齿上的励磁绕圈通入的电流方向相反。励磁绕组由Nst/3个线圈串联而成。

本发明以三相电机m=3，Nst =18，p=17为例，对本发明进行详细的说明。

如图1和图2所示，电枢绕组所在定子上具有三相电枢绕组A、B和C；每相电枢绕组由6个线圈串联而成，例如A相绕组，由A1—A6串联而成。励磁绕组由6个线圈串联而成。

转子包括周向交替排列的转子铁心块31和非导磁块32，且转子铁心块和非导磁块的数量均等于转子极数p，也即均等于17。

电枢绕组所在定子、励磁绕组所在定子和转子铁心块均采用导磁材料制成。

励磁绕组所在定子齿的数量为Nst/3，也即为6个。

励磁绕组所在定子齿的齿顶朝向转子方向，每个励磁绕组所在定子齿的齿顶上均嵌套有一块或两块永磁体，形成一个或两个永磁极，每个励磁绕组所在定子齿顶形成的极数为3个，所有励磁绕组所在定子上的永磁极数和铁心极数之和等于励磁绕组所在定子的极数Nsp，且Nsp=Nst；永磁体优选采用径向或平行充磁的方式，相邻励磁绕组所在定子齿上永磁体的充磁方向相反，具体见图1和图2所示，其中箭头表示充磁方向。

励磁绕组所在定子齿的定子极数优选有如下两种布设方式。

第一种结构

如图1所示，每个励磁绕组所在定子齿的齿顶中部各嵌套有一块永磁体，形成一个永磁极，永磁极的两边均为铁心极；也即每个励磁绕组所在定子齿均包括一个永磁极21和两个铁心极23，则励磁绕组所在定子具有6个永磁极和12个铁心极。

第二种结构

如图2所示，每个励磁绕组所在定子齿的齿顶两侧各嵌套一块永磁体，形成两个永磁极，两个永磁极之间的励磁绕组所在定子部分形成一个铁心极；也即每个励磁绕组所在定子齿均包括两个永磁极和一个铁心极；则励磁绕组所在定子具有12个永磁极和6个铁心极。

相邻励磁绕组所在定子齿上永磁体的充磁方向相反，且同一励磁绕组所在定子齿上的两块永磁体的充磁方向相同。

励磁绕组的调磁能力受其磁通路径上磁阻的限制。根据“磁阻最小”原理，磁力线总是通过磁阻最小的路径进行闭合。由于永磁体的磁阻远大于铁心的磁阻，本发明的励磁绕组产生的磁通不经过永磁体，通过“铁心极→气隙二→转子铁心块→气隙一→电枢绕组所在定子铁心→气隙一→转子铁心块→气隙二→励磁绕组所在定子铁心”进行闭合。因此，本发明既有良好的调磁的调磁能力，也避免了励磁磁场引起的永磁体发生不可逆退磁。

另外，通过在励磁绕组中通入正的励磁电流，实现增磁；通入负的励磁电流，实现弱磁。

本发明具有如下有益效果：

1、采用分区式定子，解决了永磁体和电枢绕组的空间限制，提高了转矩密度。

2、励磁绕组的调磁能力受其磁通路径上磁阻的限制。根据“磁阻最小”原理，磁力线总是通过磁阻最小的路径进行闭合。由于永磁体的磁阻远大于铁心的磁阻，本发明的励磁绕组产生的磁通不经过永磁体，通过“铁心极→气隙二→转子铁心块→气隙一→电枢绕组所在定子铁心→气隙一→转子铁心块→气隙二→励磁绕组所在定子铁心”进行闭合。因此，本发明既有良好的调磁的调磁能力，也避免了励磁磁场引起的永磁体发生不可逆退磁。

3.通过施加正的励磁电流（增磁）和负的励磁电流（弱磁），其空载反电势的调节效果，具体见图3。

3、本发明的励磁绕组所在定子，尽管也是永磁极和铁心极交替排列，但是其含有磁化方向相反的永磁体，因此不存在单极性漏磁以及机械部件被磁化的问题。

4、励磁绕组位于定子上，实现了无刷化励磁。

5、本发明电机既可以作电动运行，又可以作发电运行。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，不同点在于，励磁绕组所在定子与电枢绕组所在定子结构进行交换。也即励磁绕组所在定子作为外定子，电枢绕组所在定子为内定子。

此时，励磁绕组所在定子齿的具体结构与实施例1相同，这里将不再赘述。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种定子分区式交替极混合励磁电机，其特征在于：包括电枢绕组、励磁绕组、电枢绕组所在定子、转子、励磁绕组所在定子和中心轴；转子与中心轴相连接；

转子包括周向交替排列的转子铁心块和非导磁块，且转子铁心块和非导磁块的数量均等于转子极数p；

电枢绕组所在定子、励磁绕组所在定子和转子铁心块均采用导磁材料制成；

电枢绕组所在定子和励磁绕组所在定子分别设置在转子的两侧，电枢绕组所在定子与转子之间具有气隙一，转子与励磁绕组所在定子之间具有气隙二；

当电枢绕组所在定子作为外定子时，励磁绕组所在定子为内定子；当励磁绕组所在定子作为外定子时，电枢绕组所在定子则为内定子；电枢绕组所在定子的齿数为Nst，励磁绕组所在定子的齿数为Nst/3；相邻励磁绕组所在定子齿上的励磁线圈通入的电流方向相反；

励磁绕组所在定子齿的齿顶朝向转子方向，每个励磁绕组所在定子齿的齿顶上均嵌套有一块或两块永磁体，形成一个或两个永磁极，每个励磁绕组所在定子齿顶形成的极数均为3个，所有励磁绕组所在定子齿上的永磁极数和铁心极数之和等于励磁绕组所在定子的极数Nsp，且Nsp=Nst；相邻励磁绕组所在定子齿上永磁体的充磁方向相反。

2.根据权利要求1所述的定子分区式交替极混合励磁电机，其特征在于：每个励磁绕组所在定子齿的齿顶中部各嵌套有一块永磁体，形成一个永磁极，永磁极的两边均为铁心极；也即每个励磁绕组所在定子齿均包括一个永磁极和两个铁心极。

3.根据权利要求1所述的定子分区式交替极混合励磁电机，其特征在于：每个励磁绕组所在定子齿的齿顶两侧各嵌套一块永磁体，形成两个永磁极，两个永磁极之间的励磁绕组所在定子部分形成一个铁心极；也即每个励磁绕组所在定子齿均包括两个永磁极和一个铁心极；相邻励磁绕组所在定子齿上永磁体的充磁方向相反，且同一励磁绕组所在定子齿上的两块永磁体的充磁方向相同。

4.根据权利要求1所述的定子分区式交替极混合励磁电机，其特征在于：电枢绕组和励磁绕组均采用集中式绕组。

5.根据权利要求4所述的定子分区式交替极混合励磁电机，其特征在于：每相电枢绕组由Nst/m个线圈串联而成，其中m为电机相数。

6.根据权利要求4所述的定子分区式交替极混合励磁电机，其特征在于：励磁绕组由Nst/3个线圈串联而成。

7.根据权利要求1所述的定子分区式交替极混合励磁电机，其特征在于：励磁绕组产生的磁通是通过“铁心极→气隙二→转子铁心块→气隙一→电枢绕组所在定子铁心→气隙一→转子铁心块→气隙二→励磁绕组所在定子铁心”进行闭合。

8.根据权利要求1所述的定子分区式交替极混合励磁电机，其特征在于：通过在励磁绕组中通入正的励磁电流，实现增磁；通入负的励磁电流，实现弱磁。