CN109831082B - 基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机，包括定子和内置磁钢转子。定子的定子槽内分别绕制有电枢绕组和交流励磁绕组，电枢绕组和交流励磁绕组均为交流绕组；内置磁钢转子包括转子铁心和沿转子铁心周向均匀布设的2p组内置磁钢；每组内置磁钢均为“一”字型、V型、W型、U型和弧型磁钢中的一种、两种或多种组合；当每组内置磁钢中包括“一”字型磁钢时，“一”字型磁钢的长边垂直于径向布设。本发明采用无刷交流励磁和内置磁钢转子，针对不同形状的内置磁钢，均能避免电励磁引起的不可逆退磁，又利于磁场调节。另外，在转子交轴磁路上设置磁障，以降低电枢反应对交流励磁磁场及永磁磁场的影响，提高电机的输出能力。

Description

基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机

技术领域

本发明涉及电机设计领域，特别是一种基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机。

背景技术

永磁电机具有高转矩密度、高功率密度和高效率等优点，已在许多场合得到应用。根据永磁***置分类，永磁电机分为转子永磁型电机和定子永磁型电机。其中，转子永磁型电机又可分为表贴式永磁电机和内置式永磁电机。由于内置式永磁电机容易获得大的凸极率和磁阻转矩分量，从而可以获得比表贴式永磁电机更好的恒功率运行能力。然而，永磁电机的弱磁是通过在电枢绕组中施加负的直轴电流分量（-i _d ）来实现，永磁体有着不可逆退磁的风险，且弱磁能力有限。

混合励磁电机具有两个磁势源（励磁绕组和永磁体），即具备电励磁电机磁场调节方便的优点，又具有永磁电机的高功率密度和高效率等优点。因此，混合励磁电机在电动汽车和航空航天等宽转速范围运行场合有着很大的应用潜力。

现有的混合励磁电机（无论是转子永磁型还是定子永磁型）都采用直流励磁。其中，转子永磁型混合励磁电机实现无刷化励磁的方式主要有如下三种：

（1）借助附加磁路和导磁部件来构建电励磁回路。这种励磁方式结构复杂，调磁效率和功率密度都受到限制。

（2）采用专门的励磁机和旋转整流器来实现两级式无刷励磁。这种励磁方式结构复杂、可靠性低。

（3）将定子电励磁电机与转子永磁型电机并列组合。这种励磁方式的结构仍过于复杂，空间利用率低和功率密度低。另外，定子永磁型混合励磁电机将直流励磁绕组设置于定子，无刷化励磁简单可靠；进一步，该类电机转子无源，导致定子几何约束严重，电机材料利用率低和励磁效率低。

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，而提供一种基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机，该基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机采用无刷交流励磁和内置磁钢转子，针对不同形状的内置磁钢，均能避免电励磁引起的不可逆退磁，又利于磁场调节。另外， 在转子交轴磁路上设置磁障，以降低电枢反应对交流励磁磁场及永磁磁场的影响，提高电机的输出能力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机，包括定子和内置磁钢转子，定子和内置磁钢转子之间具有气隙。

定子的定子槽内分别绕制有电枢绕组和交流励磁绕组，电枢绕组和交流励磁绕组均为交流绕组，电枢绕组极对数与交流励磁绕组极对数相等，且均等于内置磁钢转子极对数p。

内置磁钢转子包括转子铁心和沿转子铁心周向均匀布设的2p组内置磁钢，相邻两组内置磁钢的充磁方向相反。

每组内置磁钢均为“一”字型、V型、W型、U型和弧型磁钢中的一种、两种或多种组合。

当每组内置磁钢中包括“一”字型磁钢时，“一”字型磁钢的长边垂直于径向布设。

通过控制交流励磁绕组的电流，产生与转子同步旋转的励磁磁场，实现无刷交流励磁。

每组内置磁钢中均设置有导磁桥，为交流励磁磁场提供低磁阻路径，使得交流励磁磁势和永磁磁势呈并联关系，交流励磁绕组产生的磁通从相应的导磁桥中通过，而不经过内置磁钢；既能避免电励磁引起的不可逆退磁，又利于磁场调节。

通过控制交流励磁绕组电流中励磁分量的大小与方向来实现磁场的调节；当交流励磁绕组产生在气隙的磁场方向与内置磁钢产生在对应气隙的磁场方向相同时，电机工作在增磁模式；当交流励磁绕组产生在气隙的磁场方向与磁钢产生在对应气隙的磁场方向相反时，电机工作在弱磁模式。

每组内置磁钢均为V型磁钢，导磁桥设置在V型磁钢的顶部、边腿中部或底部。

每组内置磁钢均包括V型磁钢和“一”字型磁钢，对于其中的V型磁钢，导磁桥设置在V型磁钢的顶部、边腿中部或底部；对于其中的“一”字型磁钢，导磁桥设置在“一”字型磁钢的两侧、中部或其中一侧。

内置磁钢转子的外表面沿周向均匀布设有2p个表面交轴磁障，表面交轴磁障为气隙或非导磁材料。

内置磁钢转子的转子铁心中设置有2p个条形内置交轴磁障，条形内置交轴磁障设置在每组内置磁钢的对称轴线上；条形内置交轴磁障为气隙或非导磁材料。

内置磁钢转子的转子铁心中还设置有4p个异弧形磁障，每个条形内置交轴磁障的两侧对称设置一组异弧形磁障，且异弧形磁障位于内置磁钢的导磁桥处；每个异弧形磁障均为气隙或非导磁材料。

每组内置磁钢均采用平行或径向充磁。

定子和转子铁心采用导磁材料。

本发明具有如下有益效果：

1、通过控制定子交流励磁绕组的电流，产生与转子同步旋转的励磁磁场，从而实现简单可靠的无刷化励磁。

2、利用内置磁钢转子和导磁桥使得交流励磁磁势和永磁磁势呈并联关系，即避免了电励磁引起的不可逆退磁，又利于磁场调节。

3、而且，无励磁磁动势时，永磁主磁场在转子内部自闭合，故障灭磁简单。

4、无附加磁路和附加气隙，结构简单、励磁效率高。

5、交流励磁绕组和永磁体分别位于定子和转子上，通过双边励磁显著降低几何约束程度，提高了电机空间和材料利用率。

6、转子交轴磁路上设有磁障，降低了电枢反应对交流励磁磁场及永磁磁场的影响，提高了电机的输出能力。

7、本发明既可以为内转子电机，也可以为外转子电机。即可电动运行，也可发电运行。

8、本发明采用内置磁钢，转子铁心对永磁体有保护作用，适于高速运行。 9、采用多层混合结构，反电动势波形的正弦度好，利于降低定子铁心损耗和永磁体损耗。

附图说明

图1显示了实施例1中基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机的结构示意图。

图2a显示了实施例1中永磁磁场分布图。

图2b显示了实施例1中电励磁磁场分布图。

图3显示了实施例1中不同励磁模式下的空载反电动势。

图4显示了实施例2中基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机的结构示意图。

图5显示了实施例3中基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机的结构示意图。

图6显示了实施例4中基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机的结构示意图。

图7显示了实施例5中基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机的结构示意图。

图8显示了实施例5中电励磁单独产生的磁场分布图。

图9显示了实施例6中基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机的结构示意图。

图10显示了实施例6中电励磁单独产生的磁场分布图。

图11显示了实施例7中基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机的结构示意图。

图12显示了实施例7中电励磁单独产生的磁场分布图。

其中有：

1.定子；11.电枢绕组；12.交流励磁绕组；

2.转子磁心；21.内置磁钢；22.导磁桥；23.表面交轴磁障；24.条形内置交轴磁障；25.异弧形内置交轴磁障。

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。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

本发明的基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机，既可以为内转子电机，也可以为外转子电机。具有如下几种优选实施例。

实施例1

以三相内转子电机m=3，N _s =24，p=2为例进行说明，其中，m表示电机相数，N _s 表示定子槽数，p表示内置磁钢转子极对数。

如图1所示，一种基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机，包括定子1和内置磁钢转子，定子和内置磁钢转子之间具有气隙。

定子的定子槽内分别绕制有电枢绕组11和交流励磁绕组12，电枢绕组和交流励磁绕组均为交流绕组，电枢绕组极对数与交流励磁绕组极对数相等，且均等于内置磁钢转子极对数p，也即为2。

电枢绕组和励磁绕组分别绕制在定子中的定子槽两侧。电枢绕组和励磁绕组的相对绕制位置可调换，即电枢绕组在槽内侧时励磁绕组在槽外侧，或电枢绕组在槽外侧时励磁绕组在槽内侧。

励磁绕组的相数可以与电枢绕组的相数相同，也可不同。本实施例1中，电枢绕组的相数为图1中的A、B、C三相，电枢绕组的相数也为三相，分别为X、Y、Z，图1中只画出X相绕组，X、Y、Z相按逆时针依次相差120°。

内置磁钢转子包括转子铁心2和沿转子铁心周向均匀布设的2p组内置磁钢21。

定子和转子铁心均采用导磁材料。

每组内置磁钢均采用平行或径向充磁，相邻两组内置磁钢的充磁方向相反。

每组内置磁钢均为“一”字型、V型、W型、U型和弧型磁钢等中的一种、两种或多种组合。本实施例1中，每组内置磁钢均为V型磁钢，其尖顶部优选朝向内置磁钢转子的內圆。V型磁钢的两条边腿中各内置一块磁钢，每块磁钢均可由数块分段磁钢拼接而成，从而降低磁钢的涡流损耗。

本申请中所提及的“一”字型、V型、W型、U型和弧型，均为广义上的形状，包括对称“一”字型、对称V型、对称W型、对称U型和对称弧型，但也包括类似“一”字型、类似V型、类似W型、类似U型和类似弧型。

对称“一”字型、对称V型、对称W型、对称U型和对称弧型均为常规所理解的对称图形。

类似V型，则是将“V型”以对称轴为基准，将“V型”的两个边腿与对称轴的夹角、两个边腿的腿长等进行适当调整，所形成的类V型结构。

同理，上述类似“一”字型、类似W型、类似U型或类似弧型，均是在对应对称“一”字型、对称W型、对称U型或对称弧型的基础上所做的微变形或调整，也均在本申请的保护范围之内。

通过控制交流励磁绕组的电流，产生与转子同步旋转的励磁磁场，从而实现简单可靠的无刷化励磁。

每组内置磁钢中均设置有导磁桥22，本实施例1中，导磁桥设置在V型磁钢的顶部，也即V型磁钢两边腿的开口尾部外侧。

上述导磁桥的设置，为交流励磁磁场提供低磁阻路径，使得交流励磁磁势和永磁磁势呈并联关系，交流励磁绕组产生的磁通从相应的导磁桥中通过，而不经过内置磁钢，如图2b所示；既能避免电励磁引起的不可逆退磁，又利于磁场调节。

从图2a可以看出，无励磁磁动势时（只有永磁体励磁），永磁主磁场在转子内部自闭合；因此，故障灭磁简单。

本发明中具有两个励磁源，也即励磁绕组和永磁体。其中，电枢绕组用于做功。另外，本发明中的电励磁磁场是指电励磁（也即励磁绕组）单独作用（永磁不作用）时的磁场。永磁磁场是指永磁体单独作用（电励磁不作用）的磁场。

通过控制交流励磁绕组电流中励磁分量的大小与方向来实现磁场的调节；当交流励磁绕组产生在气隙的磁场方向与内置磁钢产生在对应气隙的磁场方向相同时，电机工作在增磁模式；当交流励磁绕组产生在气隙的磁场方向与磁钢产生在对应气隙的磁场方向相反时，电机工作在弱磁模式。不同励磁模式下的空载反电动势如图3所示，本发明具有良好的调磁性能。

实施例2

在实施例1内磁钢转子的交轴磁路上设置磁障，以降低电枢反应对交流励磁磁场及永磁磁场的影响，提高电机的输出能力。

本实施例1的磁障为表面交轴磁障23，表面交轴磁障数量为2p个，本实施例2中为4个，沿内置磁钢转子的外表面周向均匀布设；如图4所示，目的为增加交轴磁路的气隙。交轴磁障为气隙或非导磁材料。

实施例3

在实施例2的基础上，内置磁钢转子的转子铁心中还设置有2p个（也即4个）条形内置交轴磁障24，条形内置交轴磁障设置在每组内置磁钢的对称轴线上，如图5所示。条形内置交轴磁障为气隙或非导磁材料。

实施例4

在实施例1的基础上，内置磁钢转子的转子铁心中设置有2p个（也即4个）条形内置交轴磁障24和4p个（也即8个）异弧形磁障。

条形内置交轴磁障的设置方式，同实施例3。

每个条形内置交轴磁障的两侧对称设置一组异弧形磁障，且异弧形磁障位于内置磁钢的导磁桥处，如图6所示。每个异弧形磁障均为气隙或非导磁材料。作为替换，异弧形磁障也可在实施例2的基础上进行设置。

实施例5

与实施例3基本相同，不同点在于导磁桥设置在V型磁钢的底部，如图7所示。电励磁单独作用下的磁场分布，如图8所示。

实施例6

与实施例3基本相同，不同点在于导磁桥设置在V型磁钢的两条边腿中部，如图9所示。电励磁单独作用下的磁场分布，如图10所示。

实施例7

如图11所示，与实施例4基本相同，不同点在于每组内置磁钢均包括V型磁钢和“一”字型磁钢，“一”字型磁钢的长边垂直于径向布设。

对于其中的V型磁钢，导磁桥设置在V型磁钢的顶部，但可以在边腿中部或底部；对于其中的“一”字型磁钢， 导磁桥设置在“一”字型磁钢的两侧，但也可以为一侧或中部。电励磁单独作用下的磁场分布，如图12所示。

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 (4)

1.一种基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机，其特征在于：包括定子和内置磁钢转子，定子和内置磁钢转子之间具有气隙；

定子的定子槽内分别绕制有电枢绕组和交流励磁绕组，电枢绕组和交流励磁绕组均为三相交流绕组，电枢绕组极对数与交流励磁绕组极对数相等，且均等于内置磁钢转子极对数p；

内置磁钢转子包括转子铁心和沿转子铁心周向均匀布设的2p组内置磁钢，相邻两组内置磁钢的充磁方向相反；

每组内置磁钢均为“一”字型、V型、W型、U型和弧型磁钢中的一种、两种或多种组合；

当每组内置磁钢中包括“一”字型磁钢时，“一”字型磁钢的长边垂直于径向布设；

通过控制交流励磁绕组的电流，产生与转子同步旋转的励磁磁场，实现无刷交流励磁；

每组内置磁钢中均设置有导磁桥，为交流励磁磁场提供低磁阻路径，使得交流励磁磁势和永磁磁势呈并联关系，交流励磁绕组产生的磁通从相应的导磁桥中通过，而不经过内置磁钢；既能避免电励磁引起的不可逆退磁，又利于磁场调节；

交流励磁绕组和内置磁钢构成两个励磁源，其中，电枢绕组用于做功；电励磁磁场是指交流励磁绕组单独作用时的磁场；永磁磁场是指内置磁钢单独作用的磁场；无励磁磁动势时，永磁主磁场在转子内部自闭合；因此，故障灭磁简单；

通过控制交流励磁绕组电流中励磁分量的大小与方向来实现磁场的调节；当交流励磁绕组产生在气隙的磁场方向与内置磁钢产生在对应气隙的磁场方向相同时，电机工作在增磁模式；当交流励磁绕组产生在气隙的磁场方向与磁钢产生在对应气隙的磁场方向相反时，电机工作在弱磁模式；

每组内置磁钢均包括V型磁钢和“一”字型磁钢，对于其中的V型磁钢，导磁桥设置在V型磁钢的顶部、边腿中部或底部；对于其中的“一”字型磁钢，导磁桥设置在“一”字型磁钢的两侧、中部或其中一侧；

内置磁钢转子的外表面沿周向均匀布设有2p个表面交轴磁障，表面交轴磁障为气隙或非导磁材料；

内置磁钢转子的转子铁心中设置有2p个条形内置交轴磁障，条形内置交轴磁障设置在每组内置磁钢的对称轴线上；条形内置交轴磁障为气隙或非导磁材料；

内置磁钢转子的转子铁心中还设置有4p个异弧形磁障，每个条形内置交轴磁障的两侧对称设置一组异弧形磁障，且异弧形磁障位于内置磁钢的导磁桥处；每个异弧形磁障均为气隙或非导磁材料。

2.根据权利要求1所述的基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机，其特征在于：每组内置磁钢均为V型磁钢，导磁桥设置在V型磁钢的顶部、边腿中部或底部。

3.根据权利要求1所述的基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机，其特征在于：每组内置磁钢均采用平行或径向充磁。

4.根据权利要求1所述的基于无刷交流励磁的内置磁钢混合励磁电机，其特征在于：定子和转子铁心采用导磁材料。

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