CN110212659B - 一种双凸极电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双凸极电机，包括均为凸极结构的初级和次级，所述初级包括初级铁芯、初级绕组和励磁装置，所述初级铁芯包括初级铁芯齿和初级铁芯轭，所述初级铁芯具有U形结构或E形结构，所述初级绕组设置在初级铁芯齿之间形成的初级铁芯槽中，所述初级绕组采用集中式电枢绕组，所述励磁装置为励磁绕组或磁极；所述次级包括次级铁芯和次级绕组，所述次级铁芯包括次级铁芯齿和次级铁芯轭，所述次级绕组设置在次级铁芯齿之间形成的次级铁芯槽中，所述次级绕组采用分布式电枢绕组。本发明充分利用了次级上的空间，实现电机转矩密度突破性提升，显著减轻电机温度的热点效应。

Description

一种双凸极电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其是涉及一种双凸极电机。

背景技术

随着全球科学技术的不断进步、工业生产的迅速发展，人类对于动力装置的需求日益提高。随着对环境保护的日益重视，人类对环保节能技术的研究也在不断推进，积极探究高效率能源转换装置。电机作为一种通过将电能转换成机械能而产生转矩的装置，在各领域都有着不可替代的作用。另一方面，发电机能够将机械能转换为电能，是人类活动的必要保障。因此，开发新型电机、提升已有电机性能、提高电机的效率及出力对于人类进步有着至关重要的意义。

双凸极电机是于上世纪末提出的一类新型电机，其拥有结构简单、可靠性强、控制灵活等优点，并且相比异步电机成本明显较低，相比开关磁阻电机功率因数高、转矩波动小，因此其噪声振动小。总的来说，双凸极电机具有更高的转矩密度、更宽的能量转换区域、更快的电流换向速度，被广泛应用于城市轨道交通、电动汽车、航空航天等场合，具有重要研究意义。近20-30年来，不少学者对双凸极电机展开了广泛研究，包括对永磁体在定子上不同位置的结构研究，利用斜槽或者转子倒角等降低转矩脉动的研究，通过优化转子极弧降低永磁体漏磁的研究等。但是至目前为止，研究进展尚未达到成熟阶段。对于绝大部分双凸极电机而言，它们的一个共有特点是转子只包括具有凸极结构的铁芯，转子仅仅起到改变通过定子磁通量的作用，利用率较低。双凸极电机的转矩密度提升有一定的瓶颈，电负荷的增大也会带来绕组温度升高、永磁体高温易退磁等问题，大大提升了散热设计的难度。

发明内容

本发明提出一种双凸极电机，充分利用了次级上的空间，实现电机转矩密度突破性提升，显著减轻电机温度的热点效应。

本发明的技术方案如下：

一种双凸极电机，包括均为凸极结构的初级和次级，所述初级包括初级铁芯、初级绕组和励磁装置，所述初级铁芯包括初级铁芯齿和初级铁芯轭，所述初级铁芯具有U形结构或E形结构，所述初级绕组设置在初级铁芯齿之间形成的初级铁芯槽中，所述初级绕组采用集中式电枢绕组，所述励磁装置为励磁绕组或磁极；

所述次级包括次级铁芯和次级绕组，所述次级铁芯包括次级铁芯齿和次级铁芯轭，所述次级绕组设置在次级铁芯齿之间形成的次级铁芯槽中，所述次级绕组采用分布式电枢绕组。

本发明中，初级铁芯可以为整体成型结构或者分块结构。当初级铁芯为分块结构时，所述初级铁芯由若干块U形结构的初级铁芯块或若干块E形结构的初级铁芯块沿周向组合而成。

作为优选，在初级铁芯块上初级铁芯齿的侧面具有向初级铁芯槽内延伸的小齿结构。

采用E型结构或者U型结构的初级铁芯块构成的双凸极电机，次级绕组采用分布式绕组可以获得更大的绕组系数，并且分布式次级绕组产生的电枢磁场对原有电机磁场产生的畸变较小。在上述两种初级铁芯块的结构下，采用次级分布式绕组相比采用次级集中式绕组能够产生明显更大的转矩密度。

进一步地，相比于初级铁芯齿上没有小齿结构的双凸极电机，在初级铁芯块上初级铁芯齿的侧面设置向初级铁芯槽内延伸的小齿结构，使电机的励磁装置数量较少，有利于简化电机制造过程、降低电机成本。

作为优选，将所述次级铁芯实施成具有相同的齿宽和槽宽，即所述次级铁芯槽的槽底面具有相同宽度，任意两个周向相邻的次级铁芯槽的槽底面具有相同间距。该结构不仅能够降低次级绕组的绕线难度，而且还可以保证每相次级绕组之间的平衡。

作为优选，所述次级铁芯齿靠近顶部的侧面上设有向次级铁芯槽内延伸的齿尖。该结构不仅有利于次级绕组的固定，而且在齿尖尺寸形状合理设计的前提下，能够改善气隙磁导分布、减小漏磁。

本发明中，当所述双凸极电机为旋转电机时，所述初级为定子部分，所述次级为转子部分。将初级设置为定子部分主要出于两方面考虑：

第一，初级上零部件数量相比次级更多，因此，将其设置成定子部分是有利的。

例如，采用电励磁方式时，初级上设有一套励磁绕组和一套电枢绕组，而次级上只设有一套电枢绕组，此时采用滑环、电刷连通次级电枢绕组是更加易于实现的。

第二，在多数情况，初级的散热需求更高，因此，将其设置成定子部分，更有利于布置例如水套等冷却设备。

例如，当初级和次级上设有电枢绕组、初级上设有磁极时，需要将两者的温度都控制在一定限制以下，来避免绕组绝缘失效、避免永磁体发生不可逆退磁，而后者的限制要求通常情况下比前者更加苛刻，这就意味着初级需要设置更高效率的主动式冷却装置，而次级可能可以采用被动式冷却。

综上所述，将初级设置为定子部分对于电机机械结构设计、散热设计更加有利。

当所述双凸极电机为旋转电机时，初级绕组线圈数为N_p，励磁装置极数为n_p，初级绕组相数m_p，次级绕组相数m_s，次级铁芯齿数n_s，次级绕组线圈数为N_s，满足：

其中，k₃和k₄为正整数，HCF为最大公约数函数。

为了减小所述双凸极电机的涡流损耗，进一步将所述初级铁芯和所述次级铁芯都实施成由硅钢片堆叠形成。

由于次级为转子部分，因此需要电刷或其他装置来实现次级绕组电流的输入和输出。

当所述双凸极电机工作在电动模式时，所述次级绕组通过电刷和滑环装置与电源相连进行供电，或通过固定于所述次级上或其他旋转部件上的独立电源供电，或采用无线充电；当所述双凸极电机工作在发电模式时，所述次级绕组通过电刷和滑环装置将电流输出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

相比传统的双凸极电机，本发明所提出的双凸极电机在次级上增设了次级电枢绕组，充分利用了次级铁芯槽内空间，使得电机结构更加紧凑。基于次级电枢绕组和合理的电机结构布置，可以达到显著提升电机转矩密度的目的。在铜耗相同的情况下，次级绕组分担了部分铜耗，从而降低了初级的热负荷，显著减轻电机温度的热点效应，有利于降低电机整体散热设计的难度，有利于延长初级绕组的绝缘寿命，有利于电机长期稳定运行。

同时，根据电机设计经验和电磁有限元分析结果，对于大多数双凸极电机而言，次级采用分布式绕组相比采用集中式绕组具有明显更优的电磁性能。

附图说明

图1本发明实施例中一台初级6槽/次级13槽电励磁磁通切换式双凸极电机的结构示意图；

图2为本发明实施例展示的多种次级铁芯的齿尖结构示意图；

图3为本发明实施例中初级和次级绕组匝链的每相磁链随次级位置的变化波形；

图4为本发明的双凸极电机与传统双凸极电机的电磁转矩对比。

图中：1-初级铁芯；111-初级铁芯齿；112-初级铁芯轭；113-初级铁芯槽；114-导磁桥；115-励磁绕组槽；12-初级绕组；13-励磁绕组；2-次级铁芯；211-次级铁芯齿；212次级铁芯轭；213次级铁芯槽；214-齿尖；22-次级绕组；3-轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本实施例的双凸极电机为一台初级六槽/次级十三槽电励磁磁通切换式双凸极电机。如图1所示，该双凸极电机包括初级、次级和轴3，初级和次级都具有凸极结构。该双凸极电机为旋转电机，初级为外定子，次级为内转子且与轴3连接。

其中，初级包括初级铁芯1、初级绕组12和励磁装置13。初级铁芯1包括初级铁芯齿111和初级铁芯轭112，相邻初级铁芯齿111之间的空间形成初级铁芯槽113。初级铁芯1进一步由多个具有E型结构的E型初级铁芯块沿周向拼接组成，拼接部分为导磁桥114。

E型初级铁芯块指的是具有三个初级铁芯齿111以及位于这三个初级铁芯齿111之间的两个初级铁芯槽113的初级铁芯块。导磁桥114沿径向两侧分别具有励磁绕组槽115，励磁绕组槽115由导磁桥114和初级铁芯齿111限定。

初级绕组12为电枢绕组，初级绕组12设置在初级铁芯槽113中，电机运行时在初级绕组12上通过交流电流。本实施例中的励磁装置为励磁绕组13，励磁绕组13沿径向跨过导磁桥114设置在励磁绕组槽115中，当电机运行时，励磁绕组131通以直流电流，用于产生磁场。

次级包括次级铁芯2、次级绕组22。次级铁芯2包括次级铁芯齿211和次级铁芯轭212，相邻次级铁芯齿211之间的空间形成次级铁芯槽213。

次级绕组22为电枢绕组，次级绕组22设置在次级铁芯槽213中，电机运行时在次级绕组22上通过交流电流。

本发明实施例的双凸极电机，初级绕组12的线圈数为N_p＝6，励磁绕组13的极数为n_p＝6，初级绕组12的相数m_p＝3，次级绕组22的相数m_s＝13，次级铁芯2的齿数n_s＝13，次级绕组22的线圈数为N_s＝13，k₃＝2，k₄＝1，满足下列关系：

其中HCF代表最大公约数函数。

由于次级为旋转部分，因此需要电刷或其他装置来实现次级绕组22电流的输入和输出。

当本发明实施例的双凸极电机工作在电动模式时，次级绕组22通过电刷和滑环装置与电源相连进行供电，或通过固定于次级或其他旋转部件上的独立电源供电，或采用无线充电；当本发明实施例的双凸极电机工作在发电模式时，次级绕组22通过电刷和滑环装置将电流输出。

需要指出的是，传统电励磁磁通切换式双凸极电机的次级上不设置绕组，而本发明实施例中次级上设置了次级绕组22，通过该种方法可以进一步提升电励磁磁通切换式双凸极电机的电磁性能，例如电机的转矩密度。

电磁性能的提升幅度依赖于电励磁磁通切换式双凸极电机的具体结构和布置，该结论同样适用于其他型式的双凸极电机。

对于本发明实施例的优选结构和布置方式如下所述：

较佳的，初级绕组12采用集中式绕组，次级绕组22采用分布式绕组，该组合方式能够显著提高电机的绕组系数，从而实现电机转矩密度的突破性提升，对比效果参见图4。

具体的，如图1所示，初级绕组12的线圈两边分别设置在周向相邻的两个初级铁芯槽113中，次级绕组22的线圈两边分别设置在周向间隔两个次级铁芯齿211的两个次级铁芯槽213中。

较佳的，将次级铁芯2实施成具有相同的齿宽和槽宽，即次级铁芯槽213的槽底面具有相同宽度，任意两个周向相邻的次级铁芯槽213的槽底面具有相同间距，这样不仅能够降低次级绕组22的绕线难度，而且还可以保证次级绕组22每相之间的平衡。

较佳的，进一步将次级铁芯2实施成次级铁芯齿211靠近顶部的侧面上具有向次级铁芯槽213内部延伸的齿尖214，这样不仅有利于次级绕组22的固定，而且在齿尖214尺寸形状合理设计的前提下，能够改善气隙磁导分布、减小漏磁。

如图2所示，图中，(a)展示了无齿尖的次级铁芯2，(b)、(c)、(d)展示了具有齿尖214的三种次级铁芯2结构。

较佳的，励磁绕组131的通电方向沿周向交替变化，形成聚磁式结构，提高电机的气隙磁密。

较佳的，初级铁芯1和次级铁芯2都实施成由硅钢片堆叠形成，能够有效减少电机整体的涡流损耗。

本发明实施例的电励磁磁通切换式双凸极电机运行原理如下：

当次级处于不同位置时，初级铁芯齿111和次级铁芯齿211之间的磁导不同，缠绕在初级铁芯齿111和次级铁芯齿211上的初级绕组12和次级绕组22具有不同的线圈匝链磁链。

对于初级绕组12，当次级铁芯齿211中心线或次级铁芯槽213中心线与励磁绕组131中心线相对时，缠绕在该励磁绕组131上的初级绕组12线圈匝链的励磁磁链为零。当次级铁芯齿211中心线几乎与E型初级铁芯块两侧的初级铁芯齿111中心线对齐时，缠绕在该励磁绕组131上的初级绕组12线圈匝链的励磁磁链为正最大值或负最大值。

对于次级绕组22，当次级绕组22线圈轴线与E型初级铁芯块的初级铁芯齿111相对时，次级绕组22线圈匝链的励磁磁链为正最大值或负最大值。当次级绕组22线圈轴线与励磁绕组131线圈对齐时，次级绕组22线圈匝链的励磁磁链为零。

如图3所示，当次级连续转动时，初级绕组12和次级绕组22线圈匝链的磁链按照近似正弦的规律变化，因此会感应出近似正弦、双极性的反电动势。在初级绕组12和次级绕组22中通入电流时，就可以实现机电能量转换。

如图4所示，在相同铜耗的前提下，本发明实施例相比次级上不设置绕组的传统电励磁磁通切换式双凸极电机具有明显更优的转矩密度。

具体的，当初级绕组12和次级绕组22都采用集中式绕组时，平均电磁转矩有明显提升；而当初级绕组12采用集中式绕组、次级绕组22采用分布式绕组时，平均电磁转矩有突破性提升。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双凸极电机，包括均为凸极结构的初级和次级，其特征在于，所述初级包括初级铁芯、初级绕组和励磁装置，所述初级铁芯包括初级铁芯齿和初级铁芯轭，所述初级铁芯具有U形结构或E形结构，所述初级绕组设置在初级铁芯齿之间形成的初级铁芯槽中，所述初级绕组采用集中式电枢绕组，所述励磁装置为励磁绕组或磁极； 所述次级包括次级铁芯和次级绕组，所述次级铁芯包括次级铁芯齿和次级铁芯轭，所述次级绕组设置在次级铁芯齿之间形成的次级铁芯槽中，所述次级绕组采用分布式电枢绕组；

所述初级铁芯由若干块U形结构的初级铁芯块或若干块E形结构的初级铁芯块沿周向组合而成，在所述初级铁芯块上初级铁芯齿的侧面具有向初级铁芯槽内延伸的小齿结构；

所述次级铁芯槽的槽底面具有相同宽度，任意两个周向相邻的次级铁芯槽的槽底面具有相同间距；

所述初级绕组线圈数为

，励磁装置极数为

，初级绕组相数

，次级绕组相数

，次级铁芯齿数

，次级绕组线圈数为

，满足：

其中，

和

为正整数，HCF为最大公约数函数；

所述初级铁芯和次级铁芯均由硅钢片堆叠形成；

当所述双凸极电机工作在电动模式时，所述次级绕组通过电刷和滑环装置与电源相连进行供电，或通过固定于次级或其他旋转部件上的独立电源供电，或采用无线充电；当所述双凸极电机工作在发电模式时，所述次级绕组通过电刷和滑环装置将电流输出；

所述次级铁芯齿靠近顶部的侧面上设有向次级铁芯槽内延伸的齿尖；

所述励磁绕组的通电方向沿周向交替变化，形成聚磁式结构。

2.根据权利要求1所述的双凸极电机，其特征在于，所述双凸极电机为旋转电机，所述初级为定子部分，所述次级为转子部分。

Images