CN109378918A - 一种直流偏置电流型定转子双永磁游标电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流偏置电流型定转子双永磁游标电机，本发明的定子绕组采用分数槽非重叠集中绕组的结构，具有端部短、无重叠、可靠性高的优点；本电机拓扑充分挖掘了电机内腔的空间来放置永磁体，增强励磁磁场从而提高转矩密度；此外，采用直流偏置电流可以灵活调节磁负荷和电负荷的分配，能较好的提升电机功率因数，进一步实现转矩能力的提升。本发明的定子绕组中通入含有直流分量和交流分量的复合电流，该直流偏置电流可以灵活调节磁负荷和电负荷的分配，能较好的提升电机功率因数，具有较大的应用前景。

Description

一种直流偏置电流型定转子双永磁游标电机
技术领域
本发明属于电机领域，具体涉及一种直流偏置电流型定转子双永磁游标电机。
背景技术
提高电机的转矩密度，不仅能节约大量铜、铁等重金属资源，还能缩小电机体积。对多电/全电飞机和舰船推进、和直驱风力发电等应用场合而言，具有重要的意义。
基于磁场调制原理的游标永磁电机，具有超高的转矩密度，受到了大量的关注。为进一步提高电机的转矩密度，一般采用增加永磁体用量或者提高电机的极比，不可避免地降低了电机的其他性能(成本、功率因数等)。此外，现有的游标永磁电机基本采用与常规永磁电机类似的正弦电流驱动。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种直流偏置电流型定转子双永磁游标电机，通过采用直流偏置电流可以提高游标电机的转矩输出，并且直流偏置电流可以灵活调节磁负荷和电负荷的分配，有利于提高功率因数。
为了达到上述目的，本发明包括转子，转子外套设有定子，转子与定子间具有气隙；
定子包括定子铁芯、定子绕组和定子永磁体，定子铁芯包括定子轭部以及相邻结构不同的定子调制齿，在齿径较宽的带有齿靴的定子调制齿的中间***有定子永磁体，定子绕组采用分数槽非重叠集中绕组的结构缠绕在定子调制齿上；
定子绕组通入的复合电流分为两部分，一部分为由三相对称的交流分量和正的直流分量复合而成；另一部分是由三相对称的交流分量和负的直流分量复合而成。
定子绕组通入的复合电流按照iA+、iB-、iC+、iA-、iB+、iC-、iA+的顺序依次通入定子绕组，表达式为：
其中，Iac为交流分量的有效值，Idc为直流分量平均值，we为电角频率，а为初相角。
定子包括两种类型的定子调制齿，第一种为具有齿靴的大齿，大齿的齿面上固定有定子永磁体，定子永磁体将大齿分隔为两个调制齿，另一种为平行齿，平行齿的齿径宽小于大齿，两种类型的调制齿交替设置。
定子永磁体采用同一极性的磁化方式固定在大齿齿面上。
转子包括转子铁芯和转子永磁体，转子铁芯采用凸极结构，转子铁芯沿圆周表面均匀开设若干转子槽，转子槽中***有同一极性永磁体。
定子调制齿的个数Ns及转子调制齿的个数Nr满足以下关系式：
Pa＝|Nr±Pdc|＝|Nr±Pspm|＝|Ns±Prpm|
其中，Pa为定子绕组电流的交流分量产生的基波磁动势的极对数，Pdc为绕组电流的直流分量产生的基波磁动势的极对数，Pspm为定子永磁体基波极对数，Prpm为转子永磁体基波极对数。
电机的电磁转矩表达式为：
Tem＝Nr(ψpms+ψpmr+ψdc)Iq＝NrψpmsIac+NrψpmrIac+NrIdcLmIac
其中Nr为转子调制极极对数，ψpms为定子永磁体产生的磁链，ψpmr为永磁体转子产生的磁链，Iq为交流分量变换到d-q轴坐标下的q轴分量，Idc为直流分量的有效值，Iac为交流分量的有效值，Lm为变换到d-q轴坐标下的磁化电感。
与现有技术相比，本发明的定子绕组采用分数槽非重叠集中绕组的结构，具有端部短、无重叠、可靠性高的优点；本电机拓扑充分挖掘了电机内腔的空间来放置永磁体，增强励磁磁场从而提高转矩密度；此外，采用直流偏置电流可以灵活调节磁负荷和电负荷的分配，能较好的提升电机功率因数，进一步实现转矩能力的提升。本发明的定子绕组中通入含有直流分量和交流分量的复合电流，该直流偏置电流可以灵活调节磁负荷和电负荷的分配，能较好的提升电机功率因数，具有较大的应用前景。本发明利用定转子上的永磁体产生的磁场来增加气隙中的磁负荷，从而来提高电机的平均转矩输出；利用直流偏置电流也可灵活调节电机的磁负荷和电负荷的分配，达到提高功率因数的作用。
进一步的，本发明的定子和转子采用双永磁体的设计，可以提高电机的励磁磁场，能够进一步增加电机输出转矩，达到电机的更高效利用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中定子的局部示意图；
其中，1、转子；2、气隙；3、定子；4、定子铁芯；5、定子绕组；6、定子永磁体；7、定制调制齿；3-1、大齿；3-2、调制齿；3-3、平行齿。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括转子1，转子1外套设有定子3，转子1与定子3间具有气隙2；
转子1包括转子铁芯和转子永磁体，转子铁芯采用凸极结构，转子铁芯沿圆周表面均匀开设若干转子槽，转子槽中***有同一极性永磁体。
定子3包括定子铁芯4、定子绕组5和定子永磁体6，定子铁芯4包括定子轭部以及相邻结构不同的定子调制齿7，在齿径较宽的带有齿靴的定子调制齿7的中间***有定子永磁体6，定子调制齿不仅可以放置线圈，同时对定转子产生的永磁体磁场以及电流直流分量产生的静止磁场起到调制的作用，定子绕组5采用分数槽非重叠集中绕组的结构缠绕在定子调制齿7上，可以让线圈绕各个调制齿进行环绕安装，这种安装方式具有端部短、无重叠、可靠性高的优点，定子永磁体6采用同一极性的磁化方式固定在大齿3-1齿面上；
定子绕组5通入的复合电流分为两部分，一部分为由三相对称的交流分量和正的直流分量复合而成；另一部分是由三相对称的交流分量和负的直流分量复合而成。
定子绕组5通入的复合电流按照iA+、iB-、iC+、iA-、iB+、iC-、iA+的顺序依次通入定子绕组，表达式为：
其中，Iac为交流分量的有效值，Idc为直流分量平均值，we为电角频率，а为初相角。
参见图2，定子3包括两种类型的定子调制齿7，第一种为具有齿靴的大齿3-1，大齿3-1的齿面上固定有定子永磁体6，定子永磁体6将大齿3-1分隔为两个调制齿3-2，磁力线可绕开磁阻较大的永磁体通过两个小调制齿进行流通，这样可充分利用定子铁芯的内腔；另一种为平行齿3-3，平行齿3-3的齿径宽小于大齿3-1，两种类型的调制齿交替设置。
为了更好的解释本电机的极对数关系，下面结合附图1对本发明极对数关系进行说明，定子调制齿中的大齿槽内放置同一级性的永磁体，则定子永磁体极对数Pspm为6，而转子永磁体极对数Prpm为10，定子调制齿(调制极)Ns的个数为18，转子调制齿(调制极)Nr个数为10，则经转子调制齿调制后的绕组电流的直流分量产生的基波磁动势的极对数为Pdc为6，绕组电流中的交流分量产生基波磁动势的极对数Pa为4，定子调制齿的个数Ns及转子调制齿的个数Nr满足以下关系式：
Pa＝|Nr±Pdc|＝|Nr±Pspm|＝|Ns±Prpm|
其中，Pa为定子绕组电流的交流分量产生的基波磁动势的极对数，Pdc为绕组电流的直流分量产生的基波磁动势的极对数，Pspm为定子永磁体基波极对数，Prpm为转子永磁体基波极对数。
本发明电机的电磁转矩表达式为：
Tem＝Nr(ψpms+ψpmr+ψdc)Iq＝NrψpmsIac+NrψpmrIac+NrIdcLmIac
其中Nr为转子调制极极对数，ψpms为定子永磁体产生的磁链，ψpmr为永磁体转子产生的磁链，Iq为交流分量变换到d-q轴坐标下的q轴分量，Idc为直流分量的有效值，Iac为交流分量的有效值，Lm为变换到d-q轴坐标下的磁化电感。
本发明的气隙磁场存在多个磁源：其中电机励磁磁场包含三部分：(1)绕组直流分量经过转子调制极调制所产生的电励磁磁场；(2)定子永磁磁势经过转子调制极调制所产生的定子永磁励磁磁场；(3)转子永磁磁势经过定子调制极调制所产生的转子永磁励磁磁场。励磁磁场的强弱可通过调节绕组电流中的直流分量的大小进行调节。绕组电流中的交流分量产生电气旋转磁场，该电气旋转磁场和电机励磁磁场相互作用产生恒定转矩。其多个磁场的耦合程度更强，可以明显增大了磁通密度，有效增加转矩输出。
本发明能够通过调节绕组电流的配置(即直流分量和交流分量的配比)来实现最大转矩和最高功率因数的控制。

Claims (7)

1.一种直流偏置电流型定转子双永磁游标电机，其特征在于，包括转子(1)，转子(1)外套设有定子(3)，转子(1)与定子(3)间具有气隙(2)；
定子(3)包括定子铁芯(4)、定子绕组(5)和定子永磁体(6)，定子铁芯(4)包括定子轭部以及相邻结构不同的定子调制齿(7)，在齿径较宽的带有齿靴的定子调制齿(7)的中间***有定子永磁体(6)，定子绕组(5)采用分数槽非重叠集中绕组的结构缠绕在定子调制齿(7)上；
定子绕组(5)通入的复合电流分为两部分，一部分为由三相对称的交流分量和正的直流分量复合而成；另一部分是由三相对称的交流分量和负的直流分量复合而成。
2.根据权利要求1所述的一种直流偏置电流型定转子双永磁游标电机，其特征在于，定子绕组(5)通入的复合电流按照iA+、iB-、iC+、iA-、iB+、iC-、iA+的顺序依次通入定子绕组，表达式为：
其中，Iac为交流分量的有效值，Idc为直流分量平均值，we为电角频率，а为初相角。
3.根据权利要求1所述的一种直流偏置电流型定转子双永磁游标电机，其特征在于，定子(3)包括两种类型的定子调制齿(7)，第一种为具有齿靴的大齿(3-1)，大齿(3-1)的齿面上固定有定子永磁体(6)，定子永磁体(6)将大齿(3-1)分隔为两个调制齿(3-2)，另一种为平行齿(3-3)，平行齿(3-3)的齿径宽小于大齿(3-1)，两种类型的调制齿交替设置。
4.根据权利要求3所述的一种直流偏置电流型定转子双永磁游标电机，其特征在于，定子永磁体(6)采用同一极性的磁化方式固定在大齿(3-1)齿面上。
5.根据权利要求1所述的一种直流偏置电流型定转子双永磁游标电机，其特征在于，转子(1)包括转子铁芯和转子永磁体，转子铁芯采用凸极结构，转子铁芯沿圆周表面均匀开设若干转子槽，转子槽中***有同一极性永磁体。
6.根据权利要求1所述的一种直流偏置电流型定转子双永磁游标电机，其特征在于，定子调制齿(7)的个数Ns及转子调制齿的个数Nr满足以下关系式：
Pa＝|Nr±Pdc|＝|Nr±Pspm|＝|Ns±Prpm|
其中，Pa为定子绕组电流的交流分量产生的基波磁动势的极对数，Pdc为绕组电流的直流分量产生的基波磁动势的极对数，Pspm为定子永磁体基波极对数，Prpm为转子永磁体基波极对数。
7.根据权利要求1所述的一种直流偏置电流型定转子双永磁游标电机，其特征在于，电机的电磁转矩表达式为：
Tem＝Nr(ψpms+ψpmr+ψdc)Iq＝NrψpmsIac+NrψpmrIac+NrIdcLmIac
其中Nr为转子调制极极对数，ψpms为定子永磁体产生的磁链，ψpmr为永磁体转子产生的磁链，Iq为交流分量变换到d-q轴坐标下的q轴分量，Idc为直流分量的有效值，Iac为交流分量的有效值，Lm为变换到d-q轴坐标下的磁化电感。
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