CN111509938B - 一种多工作模式双定子磁场调制电机 - Google Patents

一种多工作模式双定子磁场调制电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多工作模式双定子磁场调制电机，该电机包括内定子、转子、外定子、永磁体、第一套绕组、第二套绕组；第一层气隙和第二层气隙分别设置在所述内定子与转子之间、外定子与转子之间；所述定子上圆周排列若干个定子齿，定子齿的端部具有一个或多个小槽，形成调制齿，所述调制齿端部由永磁体和调制极构成；转子由相间排列的导磁体和非导磁体组成；内定子槽内嵌入集中式的第一套绕组，外定子槽内嵌入集中式的第二套绕组；两套绕组的用途根据具体工作模式确定。本发明的多工作模式双定子磁场调制电机可应用于交通运输领域中，解决由路况复杂多变，电机工作性能难以满足多工况下实际需求的问题。

Description

一种多工作模式双定子磁场调制电机
技术领域
本发明属于新型电机制造技术领域，尤其涉及一种具有多工作模式的双定子磁场调制电机，适用于电动汽车、船舶驱动等工况复杂的电驱动***。
背景技术
随着工业技术的不断发展，永磁电机因其高功率密度、高转矩密度等优势在电动汽车、船舶驱动等领域作为动力装置被广泛应用。然而，此类交通运输领域，由于外界路况的复杂性，对电机的需求往往复杂多变。在阻力较大的爬坡路面或风力较大的海平面，需要电机有较大的输出转矩，而在某些场合，又希望能有较快的运动速度，快速到达指定位置。因而，如何使电机的性能随着不同的环境需求发挥到最优是电机设计时需要考虑的问题。为解决这一复杂问题，混合励磁永磁电机应运而生，通过励磁磁场和永磁磁场相互叠加，电机磁场可以得到调节。在中低速大转矩场合，通入增磁励磁电流增强主磁场，可提升转矩；在高速低转矩场合，通入弱磁的励磁电流削弱主磁场，可扩大速度。
中国发明专利申请号201610860945.X公开了一种混合励磁电机，电机为单定子结构，定子槽内同时放置直流励磁绕组和交流电枢绕组，永磁体放置在定子齿端部的两个侧面，永磁磁场磁路和励磁绕组磁场磁路相互平行，避免了永磁体不可逆退磁的风险。此外，该电机励磁磁场的磁通路径不经过永磁体，励磁磁路的磁阻小，电机的调磁能力强，但该电机的励磁绕组和电枢绕组都设置在同一个定子槽中，存在空间竞争，导致两者的可用空间被严重限制，因此，其转矩密度和调磁能力受到了很大的制约。
中国发明专利申请号201810913928.7公开了一种定子分区式交替极混合励磁电机，电枢绕组和励磁绕组分别绕制在不同的定子上，两定子分别设置在转子的两侧，永磁体放置在绕有励磁绕组的定子齿上。永磁磁场磁路和励磁磁场磁路平行，通过调节励磁磁场，可实现增磁或弱磁。该发明有效的解决了励磁绕组和电枢绕组的空间限制，气隙磁场的调节范围得到了拓宽，提升转矩密度。虽然，该电机采用双定子结构解决了励磁绕组和电枢绕组的空间冲突，提高了电机的调磁能力。但在实际工况中，虽然混合励磁永磁电机，因其可变磁场的特性，在中低速和高速场合被广泛应用，但在低速高转矩场合，相较于永磁电机，混合励磁电机往往无法满足高的转矩密度和功率因数的要求。因而，虽永磁电机和混合励磁电机可在各自特定的运行区域内发挥自身特有的优势，单一工作模式的电机无法满足整个运行区域的需求。
发明内容
本发明的目的是，针对现有定子分区混合励磁电机存在的不足，提出一种多工作模式双定子磁场调制电机，利用多工作波提升电机输出转矩和调磁能力外，兼具有混合励磁电机和永磁电机的工作模式，满足多区域的运行需求。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：该电机包括内定子(1)、转子(2)、外定子(3)、永磁体(11)、第一套绕组(12)、第二套绕组(31)；第一层气隙(4)和第二层气隙(5)分别设置在所述内定子(1)与转子(2)之间、外定子(3)与转子(2)之间；
所述外定子(3)和内定子(1)的槽内绕组设置为双层集中绕制，由于电机在不同工作模式下绕组的作用不同，因而每套线圈都单独引出，再根据不同工作模式重新进行搭接；
所述定子(1)上圆周排列若干个定子齿(13)，定子齿(13)的端部具有一个或多个小槽，形成调制齿(14)，所述调制齿(14)端部放置有若干交替排列的圆周分布的永磁体(11)和调制极(15)；
所述转子(2)为圆环状，包括交替排列的导磁体(21)和非导磁体(22)；
内定子(1)槽内嵌入集中式的第一套绕组(12)，外定子(3)槽内嵌入集中式的第二套绕组(31)；每块永磁体(11)的充磁方向和两套绕组(12)、(31)的具体用途根据工作模式来确定；
所述内定子(1)和外定子(3)的齿数相同且数目为电机相数的整数倍，即Nsi＝Nso＝nP，n＝1,2,3…，其中Nsi内定子齿数，Nso外定子齿数，P电机相数。
本发明的进一步特征在于：永磁体(11)的充磁方向为径向充磁，放置极性顺序按如下规律：同一定子齿(13)端部的相邻调制齿(14)安放的永磁体(11)极性相同，相邻定子齿(13)端部的相邻调制齿(14)安放的永磁体极性相反。
本发明的进一步特征在于：所述若两套绕组均为电枢绕组时，该电机运行模式为双定子磁场调制永磁电机。内定子(1)和外定子(3)均由安装于内定子(1)上的永磁体(11)提供主磁通，有效的主磁通的极对数取决于永磁体(11)的极对数和转子(2)上的导磁体(21)个数，满足如下公式：
Pa＝|Nr±i*Ppm|i＝1,2,3…
其中，Ppm为永磁体的极对数，Nr为转子导磁体个数，Pa为电机有效主磁通的极对数，主磁通极对数为永磁体极对数经过转子导磁体调制后形成的，所述内定子电枢绕组(12)和外定子电枢绕组(31)根据电机主磁通的极对数进行绕制；
所述外定子(3)和内定子(1)的槽内绕组设置为双层集中绕制，内定子(1)相序为：A1-B1-C1-A2-B2-C2，外定子(3)相序为：A1-B1-C1-A2-B2-C2，所述内定子(1)和外定子(3)属于同相的电枢绕组可串联成一相绕组或并联成一相绕组，独立运行。
本发明的进一步特征在于：所述若第一套绕组(12)为励磁绕组，第二套绕组(31)为电枢绕组时，该电机运行模式为双定子磁场调制混合励磁电机。电机的主磁通由内定子(1)上的永磁体(11)和励磁绕组叠加而成。
经过外定子(3)上的主磁通，由内定子(1)上的永磁体(11)与励磁绕组叠加提供，有效主磁通的极对数，满足下列公式：
Pa＝|Nr±i*Ppm|i＝1,2,3…
Pa＝|Nr±j*Pfw|j＝1,2,3…
其中，Pfw为励磁绕组极对数，电机有效主磁通的极对数由永磁磁场经转子调制后形成的永磁主磁通和励磁磁场调制后形成的励磁主磁通共同形成，两种激励源(永磁体和励磁绕组)形成的主磁通均符合磁场调制原理。
所述内定子(1)和外定子(3)的槽内绕组设置为双层集中绕制，外定子(3)上的电枢绕组相序为：A1-B1-C1-A2-B2-C2，内定子(1)上的励磁绕组电流流向按右手定则判定，即当通入正向励磁电流时，励磁磁场与永磁磁场同向，主磁通增强，电机增磁运行；当通入反向励磁电流时，励磁磁场与永磁磁场反向，主磁通削弱，电机弱磁运行。
本发明的进一步特征在于：所述电机主磁通经过导磁体(21)调制后，调制产生的多次谐波被电枢绕组吸收，输出转矩，即具有多工作波特性。
本发明的进一步特征在于：电机运行在双定子磁场调制混合励磁模式下，所述电机的永磁磁场磁路和励磁磁场磁路相互平行，励磁磁场不通过永磁体(11)，通过调制极(15)进入内定子形成闭合回路。
本发明的进一步特征在于：所述内定子(1)圆周排列6个定子齿，每个定子齿端部开设1个小槽，形成2个调制齿(14)，每个调制齿上有1块永磁体(11)和2个调制极(15)，外定子(3)圆周排列6个定子齿，转子上圆周交替排列的导磁体(21)和非导磁体(22)各19块，电机永磁体(11)极对数Ppm为3对极。
本发明的进一步特征在于：结合所述多工作模式电机两种模式的运行特点，电机的三段运行区域：低速区、中速区、高速区，可按照这两种模式执行，提高电机性能，满足不同运行区域的需求。
在第一段低速区，采取永磁电机运行模式，通过两套电枢绕组吸收永磁磁场，增强电机输出转矩，通过优化内外定子两套电枢绕组电流的配比，提高功率因数；
在第二段中速区，采取混合励磁运行模式，所述励磁绕组输入正向电流，增强主磁场，提高电机输出转矩，通过优化电枢和励磁电流的配比，提高功率因数；
在第三段高速区，采取混合励磁运行模式，所述励磁绕组输入反向电流，削弱主磁场，扩大电机转速，通过优化电枢和励磁电流的配比，提高功率因数。
有益效果:
1.本发明中的多工作模式双定子磁场调制电机，将双定子磁场调制永磁电机的性能优势和双定子磁场调制混合励磁电机的优点集于一体，根据不同的工况需求切换工作模式，充分利用了双定子电机冗余性的结构特点。
2.本发明中的多工作模式双定子磁场调制电机，根据磁场调制原理，电机主磁通经过导磁体调制后，调制产生的多次谐波被电枢绕组吸收，输出转矩，即具有多工作波特性。
3.本发明中的双定子磁场调制混合励磁电机运行模式，永磁体磁场磁路和励磁磁场磁路平行，避免了永磁体不可逆退磁的风险，励磁磁场的磁阻降低，增强了电机的调磁能力。中速时，励磁磁场和永磁磁场同向叠加，使主磁场增强，电机过载能力增强；高速时，励磁磁场与永磁磁场反向叠加，使主磁场减弱。电机弱磁能力增强。
4.本发明中的双定子磁场调制永磁电机运行模式，采用两套电枢绕组，充分利用永磁磁场，提高永磁利用率，增强了电机转矩密度和功率因数。
附图说明
图1为本发明实施例电机的结构示意图。
图2为本发明实施例电机在混合励磁电机工作模式下的绕线示意图；(a)第一套绕组连接方式；(b)为第二套绕组连接方式。
图3为本发明实施例电机在永磁电机工作模式下的绕线示意图；(a)第一套绕组连接方式；(b)为第二套绕组连接方式。
图4为本发明实施例电机永磁磁场单独激励时两层气隙的磁密谐波分析图。
图5为本发明实施例电机永磁磁场单独激励时磁场分布图。
图6为本发明实施例电机励磁磁场单独激励、永磁体设置为空气时磁场分布图。
图1中标号名称：1、内定子，11、永磁体，12、第一套绕组，13、定子齿，14、调制齿，15、调制极，2、转子，21、导磁体，22、非导磁体，3、外定子，31、第二套绕组，4、第一层气隙，5、第二层气隙。
具体实施方式
下面以一个具体的双定子磁场调制电机为例，参照附图，对本发明电机的结构特点和有益效果进行详细描述。
如图1所示，本发明公开了一种多工作模式双定子磁场调制电机，该电机包括内定子(1)、转子(2)、外定子(3)、永磁体(11)、第一套绕组(12)、第二套绕组(31)；内定子(1)、转子(2)、外定子(3)同轴套设；第一层气隙(4)和第二层气隙(5)分别设置在所述内定子(1)与转子(2)之间、外定子(3)与转子(2)之间；所述外定子(2)和内定子(1)的槽内绕组设置为双层集中绕制，由于电机在不同工作模式下绕组的作用不同，因而每套线圈都单独引出，根据不同工作模式重新进行搭接；所述定子(1)上为圆周排列的定子齿(13)，定子齿(13)的端部开设小槽，形成调制齿(14)，所述调制齿(14)端部放置圆周排列的永磁体(11)和调制极(15)；所述转子(2)为圆环状，包括圆周交替排列的导磁体(21)和非导磁体(22)；内定子(1)槽内嵌入集中式的第一套绕组(12)，外定子(3)槽内嵌入集中式的第二套绕组(31)；永磁体(11)的充磁方向为径向充磁，放置极性顺序按如下规律：同一定子齿(13)端部的相邻调制齿(14)安放的永磁体(21)极性相同，相邻定子齿(13)端部的相邻调制齿(14)安放的永磁体极性相反。
为清楚阐述本发明的具体实施方式，下面将结合附图中的双定子电机对本发明加以说明，可以看到，所述内定子(1)圆周排列6个定子齿，每个定子齿端部开设1个小槽，形成2个调制齿(14)，每个调制齿上有1块永磁体(11)和2个调制极(15)，外定子(3)圆周排列6个定子齿，转子上交替排列的导磁体(21)和非导磁体(22)各19块，电机永磁体(11)极对数Ppm为3对极，可得电枢绕组极对数为2对极。
图2和图3为双定子磁场调制电机不同工作模式下的接线图，其中图2为混合励磁电机模式时的绕线示意图，第一套绕组(12)为励磁绕组，第二套绕组(31)为电枢绕组，电机的主磁通由内定子(1)上的永磁体(11)和励磁绕组叠加而成，两个定子槽内绕组均设置为双层集中绕制，电枢绕组相序为：A1-B1-C1-A2-B2-C2，励磁绕组根据右手定则判定，每个槽内通入的电流流向相同，相邻槽内流过的电流方向相反。即当通入正向励磁电流时，励磁磁场与永磁磁场同向，主磁通增强，电机增磁运行；当通入反向励磁电流时，励磁磁场与永磁磁场反向，主磁通削弱，电机弱磁运行。
图3为永磁电机模式时的绕线示意图，两套绕组均为电枢绕组，第一套绕组相序为：A1-B1-C1-A2-B2-C2，第二套绕组相序为：A1-B1-C1-A2-B2-C2，所述每套绕组中属于同相的线圈串联或并联成一相绕组，每套绕组独立运行。在不增加永磁体用量的情况下，使用两套电枢绕组，充分吸收永磁磁场，提高电机的转矩密度和功率因数。
图4为本发明实施例电机永磁磁场单独激励时，气隙磁密的谐波分析图，永磁磁场经过导磁体(21)调制后，第一层气隙产生2、4、8、10、14、16、20、22、23、28、29次谐波，第二层气隙产生2、4、8、10、16、29次谐波，调制产生的多次谐波被电枢绕组吸收，输出转矩，即具有多工作波特性。
图5为本发明实施例永磁磁场单独激励时的磁场分布图，从图中可以看出，永磁体磁场磁路为：永磁体(11)→第一层气隙(4)→导磁体(21)→第二层气隙(5)→外定子(3)→第二层气隙(5)→导磁体(21)→第一层气隙(4)→永磁体(11)→定子齿(13)→定子轭→定子齿(13)→永磁体(11)。
图6为本发明实施例励磁磁场单独激励时磁场分布图，从图中可以看出，励磁磁场磁路为：调制极(15)→第一层气隙(4)→导磁体(21)→第二层气隙(5)→外定子(3)→第二层气隙(5)→导磁体(21)→第一层气隙(4)→调制极(15)→定子齿(13)→定子轭→定子齿(13)→调制极(15)。
从图5和图6可以得出，电机运行在双定子磁场调制混合励磁模式下，所述电机的永磁磁场磁路和励磁磁场磁路相互平行，励磁磁场不通过永磁体(11)，而是通过调制极(15)进入内定子形成闭合回路，避免了永磁体不可逆退磁的风险，降低励磁磁场的磁阻，增强了电机的调磁能力。
综上，本发明中的多工作模式双定子磁场调制电机，可利用多工作波提升电机输出转矩和调磁能力；设计的多工作模式，使励磁绕组除了具有调节磁场的功能外，还可用作电枢绕组，在低速运行时，通过两套电枢绕组，充分吸收永磁磁场产生的多次谐波，提升永磁利用率，提高了电机的转矩输出能力和功率因数；在高速或中低速时，通过平行混合磁路设计，避免永磁产生不可逆退磁，减小励磁磁场的磁阻，有效提升调磁能力。本发明的多工作模式双定子磁场调制电机可应用于交通运输领域中，解决由路况复杂多变，电机工作性能难以满足多工况下实际需求的问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种多工作模式双定子磁场调制电机，其特征在于：该电机由内向外依次包括内定子(1)、转子(2)、外定子(3)；内定子(1)、转子(2)、外定子(3)同轴套设；第一层气隙(4)和第二层气隙(5)分别设置在所述内定子(1)与转子(2)之间、外定子(3)与转子(2)之间；
所述外定子(3)和内定子(1)的槽内绕组设置为双层集中绕制，由于电机在不同工作模式下绕组的功能不同，因而每套线圈都单独引出，根据不同工作模式进行连接；
所述内定子(1)上圆周排列若干个定子齿(13)，定子齿(13)的端部具有一个或多个小槽，形成若干调制齿(14)，所述调制齿(14)端部放置有永磁体(11)和调制极(15)；
所述转子(2)为圆环状，包括交替排列的导磁体(21)和非导磁体(22)；
所述内定子(1)槽内嵌入集中式的第一套绕组(12)，外定子(3)槽内嵌入集中式的第二套绕组(31)；每块永磁体(11)的充磁方向和两套绕组(12)、(31)的具体用途根据工作模式来确定；
所述内定子(1)和外定子(3)的齿数相同且数目为电机相数的整数倍，即Nsi＝Nso＝nP，n＝1,2,3…，其中Nsi内定子齿数，Nso外定子齿数，P为电机相数；
永磁体(11)的充磁方向为径向充磁，放置极性顺序按如下规律：同一定子齿(13)端部的相邻调制齿(14)安放的永磁体(11)极性相同，相邻定子齿(13)端部的相邻调制齿(14)安放的永磁体极性相反；
第一套绕组(12)、第二套绕组(31)均为电枢绕组时，该电机运行为永磁电机模式；内定子(1)和外定子(3)均由安装于内定子(1)上的永磁体(11)提供主磁通，有效的主磁通的极对数取决于永磁体(11)的极对数和转子(2)上的导磁体(21)个数，满足如下公式：
Pa＝|Nr±i*Ppm|i＝1,2,3…
其中，Ppm为永磁体(11)的极对数，Nr为转子导磁体(21)个数，Pa为电机有效主磁通的极对数，主磁通极对数为永磁体极对数经过转子导磁体调制后形成的，内定子电枢绕组(12)和外定子电枢绕组(31)根据电机主磁通的极对数进行绕制；
若第一套绕组(12)为励磁绕组，第二套绕组(31)为电枢绕组时，该电机运行为混合励磁电机模式；电机的主磁通由内定子(1)上的永磁体(11)和励磁绕组叠加而成；经过外定子(3)上的主磁通，由内定子(1)上的永磁体(11)与励磁绕组叠加提供，有效主磁通的极对数，满足下列公式：
Pa＝|Nr±i*Ppm|i＝1,2,3…
Pa＝|Nr±j*Pfw|j＝1,2,3…
其中，Pfw为励磁绕组极对数，电机有效主磁通的极对数由永磁磁场经转子调制后形成的永磁主磁通和励磁磁场调制后形成的励磁主磁通共同形成。
2.根据权利要求1所述的一种多工作模式双定子磁场调制电机，其特征在于：电机主磁通经过导磁体(21)调制后，调制产生的多阶次谐波可被电枢绕组吸收，输出转矩，即具有多工作波特性。
3.根据权利要求1所述的一种多工作模式双定子磁场调制电机，其特征在于：所述导磁体(21)由硅钢片叠压而成，所述非导磁体(22)为陶瓷、环氧树脂或铝的非导磁材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种多工作模式双定子磁场调制电机，其特征在于：
若电机运行在双定子磁场调制永磁电机模式下，内定子齿和外定子齿的中心线重合，此时，所述外定子(3)和内定子(1)的槽内绕组设置为双层集中绕制，内定子(1)相序为：A1-B1-C1-A2-B2-C2，外定子(3)相序为：A1-B1-C1-A2-B2-C2，所述内定子(1)和外定子(3)属于同相的电枢绕组可串联成一相绕组或并联成一相绕组，独立运行；
若电机运行在双定子磁场调制混合励磁电机模式下，内定子齿与外定子齿的中心线相差π/Nsi，将双定子磁场调制永磁电机模式下的外定子(3)或内定子(1)旋转π/Nsi，工作模式即由双定子磁场调制永磁电机模式切换至双定子磁场调制混合励磁电机模式，所述内定子(1)和外定子(3)的槽内绕组设置为双层集中绕制，外定子(3)上的电枢绕组相序为：A1-B1-C1-A2-B2-C2，内定子(1)上的绕组的引出线按励磁绕组的接线连接，电流流向按右手定则判定，当通入正向励磁电流时，励磁磁场与永磁磁场同向，主磁通增强，电机增磁运行；当通入反向励磁电流时，励磁磁场与永磁磁场反向，主磁通削弱，电机弱磁运行。
5.根据权利要求4所述的一种多工作模式双定子磁场调制电机，其特征在于：该电机运行在混合励磁电机模式下，电机的永磁磁场磁路和励磁磁场磁路相互平行，励磁磁场不通过永磁体(11)，而是通过调制极(15)进入内定子形成闭合回路。
6.根据权利要求5所述的一种多工作模式双定子磁场调制电机，其特征在于：该电机具有三段运行区域：低速区、中速区、高速区，可按照这两种模式执行，提高电机性能，满足不同运行区域的需求：
在第一段低速区，采取永磁电机运行模式，通过第一套绕组(12)、第二套绕组(31)吸收永磁磁场，增强电机输出转矩，通过优化第一套绕组(12)、第二套绕组(31)中电流的配比，提高功率因数；
在第二段中速区，采取混合励磁运行模式，所述励磁绕组输入正向电流，增强主磁场，提高电机输出转矩，通过优化电枢电流和励磁电流的配比，提高功率因数；
在第三段高速区，采取混合励磁运行模式，所述励磁绕组输入反向电流，削弱主磁场，扩大电机转速，通过优化电枢电流和励磁电流的配比，提高功率因数。
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