CN112787476A - 基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机，包括定子、转子、电枢绕组、感应励磁绕组、主励磁绕组和感应电枢绕组；电枢绕组和感应励磁绕组均绕设在定子的定子槽内；感应励磁绕组通过直流变换器与直流电压源相连接；转子沿周向均匀设有P/2个永磁极；P为电机极对数；相邻两个永磁极之间形成三个铁心极；主励磁绕组和感应电枢绕组均绕设在转子槽内；主励磁绕组，通过旋转整流器与感应电枢绕组相连接。本发明利用交替极转子的固有特征，从而具有高调磁效率。同时，结合感应绕组和旋转整流器来实现转子上主励磁绕组的无刷化供电，而高磁导的铁心极也为感应励磁绕组产生的磁通提供低磁阻路径，提高感应效率。

Description

基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机
技术领域
本发明涉及电机设计和制造领域，特别是一种基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机。
背景技术
永磁电机具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点，已在家用电器、电动汽车等许多场合得到应用。然而，在宽转速范围驱动场合，永磁电机是通过控制电枢绕组中的直轴电流分量（-i d ）来实现弱磁扩速，增大了永磁体不可逆退磁的风险，同时永磁体的高磁阻特征限制了弱磁能力。在恒压发电场合，永磁电机需要全功率的可控变换器来实现输出电压的稳定。
具有两个磁势源（励磁绕组和永磁体）的混合励磁电机，即继承了永磁电机的高功率密度和高效率等优点，也继承了电励磁电机磁场调节方便的优点，仅需要较低的励磁功率（较小的励磁功率变换器）就可以实现。
然而，为构建电励磁磁势和永磁磁势呈并联关系以提高调磁能力，现有的转子永磁型混合励磁电机都引入了附加磁路。尽管附加磁路为电励磁提供了低磁阻路径，但也为永磁磁通提供了漏磁（漏磁：不经过气隙和定子齿闭合的磁通）路径，降低了永磁材料的利用率。而且，附加磁路大多为实心的导磁部件，增加了涡流损耗。
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，而提供一种基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机，该基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机有机利用交替极转子的固有特征，即具有高磁导特征的铁心极可为电励磁磁通提供低磁阻路径，从而实现了一种具有高调磁效率的混合励磁电机。同时，结合感应绕组和旋转整流器来实现了转子上主励磁绕组的无刷化供电，而高磁导的铁心极也为感应励磁绕组产生的磁通提供低磁阻路径，提高了感应效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机，包括定子、转子、电枢绕组、感应励磁绕组、主励磁绕组和感应电枢绕组。
电枢绕组和感应励磁绕组均绕设在定子的定子槽内。其中，感应励磁绕组为直流绕组，通过直流变换器与直流电压源相连接。
定子和转子之间具有气隙。
转子为交替极转子，转子沿周向均匀设置有P/2个永磁极。其中，P为电机极对数。相邻两个永磁极之间形成三个铁心极。
主励磁绕组和感应电枢绕组均绕设在转子槽内。其中，主励磁绕组为直流绕组，通过旋转整流器与感应电枢绕组相连接。
当感应励磁绕组中通入直流电时，会在气隙中产生空间位置固定的感应励磁磁场，随转子旋转的感应电枢绕组会切割感应励磁磁场而产生感应电动势。感应电枢绕组中的电动势经过旋转整流器变换成直流电后供给主励磁绕组，从而实现主励磁绕组的无刷化供电。
转子槽包括大槽和小槽。
在相邻两个永磁极之间均匀布设两个大槽，位于两个大槽之间的转子铁心，形成为中间铁心极。两个大槽和永磁极之间的转子铁心，均形成为侧边铁心极。
小槽设置在永磁极和/或铁心极面向气隙侧的铁心上。
主励磁绕组绕制在中心铁心极外周，且位于两个大槽中。感应电枢绕组绕制在大槽和相邻的小槽中或仅绕制在小槽中。
所有主励磁绕组的绕向方向相同，所有永磁极面向气隙侧的极性相同。
通过改变感应励磁绕组中的电流大小，从而调节主励磁绕组的电流大小。
由于铁心极的磁导率远大于永磁体的磁导率，主励磁绕组产生的磁通经过“中间铁心极-气隙-定子铁心-气隙-两边铁心极-转子轭部-中间铁心极”闭合。因而，改变主励磁绕组中的直流电流大小，能够调节铁心极上的磁通大小。增磁时，通入直流电流的主励磁绕组在中间铁心极上产生的磁通与永磁体在永磁极上产生的磁通沿径向上方向相同，主励磁绕组在中间铁心极上产生的磁通与其在两个侧边铁心极上产生的磁通沿径向上方向相反。从而，一个永磁极和三个铁心极能够产生两对极的气隙磁场。
通过直流变换器控制感应励磁绕组的电流大小，从而调节主励磁绕组中直流电流大小和铁心极的气隙磁场，进而实现电枢绕组磁链的调节。
在每个永磁极的d轴中心线上布设一个小槽。
永磁极中的永磁体为表贴式永磁体或内置式永磁体。其中，内置式永磁体为一层或多层混合型。每个内置式永磁体的形状均呈“一”字型、V型、W型或U型。
感应电枢绕组的相数为单相、三相、五相或双三相。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明的无刷混合励磁电机采用新型的交替极结构，有机的利用了铁心极的高磁导特征，仅需要很小的励磁磁动势就可以实现铁心极磁场的调节，提高了调磁效率。
2、高磁导的铁心极也为感应励磁绕组产生的磁通提供低磁阻路径，提高了感应效率。
3、主励磁绕组和感应励磁绕组产生的磁通不经过永磁体，降低了退磁风险。
4、无附加磁路。永磁极产生的磁通经过气隙和定子齿闭合（即为有效磁通），无附加漏磁，永磁材料利用率高。
5、无实心导磁部件，涡流损耗小。
附图说明
图1显示了本发明基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机的结构示意图。
图2显示了本发明基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机的运行原理图。
图3显示了本发明中交替极转子的结构示意图。
图4显示了增磁时主励磁绕组产生的磁通路径示意图。
图5显示了感应励磁绕组中通入直流电流时，主励磁绕组中建立的电流时间曲线图。
图6显示了不同励磁模式下的电枢绕组磁链示意图。
其中有：
10.定子；11.电枢绕组；12.感应励磁绕组；
20.转子；21.永磁体；22.大槽；23.小槽；24.中间铁心极；25.侧边铁心极；26.主励磁绕组；27.感应电枢绕组。
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。
本实例的电机，以定子槽数N s =48，转子极对数p=8，三相电枢绕组(A相、B相、C相)为例，进行详细说明。
如图1和图2所示，一种基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机，包括定子10、转子20、电枢绕组11、感应励磁绕组12、主励磁绕组26和感应电枢绕组27。
电枢绕组和感应励磁绕组均绕设在定子的定子槽内。其中，感应励磁绕组（也称为定子感应励磁绕组IE）为直流绕组，通过直流变换器与直流电压源相连接。电枢绕组和感应励磁绕组在定子槽中的排放位置可根据极槽配合和槽型灵活改变。
定子和转子铁心均采用导磁材料，定子和转子之间具有气隙。
转子为交替极转子，转子沿周向均匀设置有P/2个永磁极21。其中，P为电机极对数。
上述永磁极中的永磁体可以为表贴式永磁体，也可以为内置式永磁体。当为内置式永磁体时，内置式永磁体可以为一层，也可以为多层混合型。每个内置式永磁体的形状均优选呈“一”字型、V型、W型或U型等。本实施例中，均优选呈V型。
所有永磁体所在的永磁极面向气隙侧的极性相同，本实施例中，内置V型永磁体的两个永磁体节段的极性均指向气隙方向。
相邻两个永磁极之间形成三个铁心极，三个铁心极分别为一个中间铁心极24和两个侧边铁心极25。
主励磁绕组和感应电枢绕组均绕设在转子槽内。其中，主励磁绕组为直流绕组，通过旋转整流器与感应电枢绕组相（也称为转子感应电枢绕组相IA）连接。
如图3所示，转子槽包括大槽22和小槽23。本实施例中，转子槽优选包括8个大槽和4个小槽。
在相邻两个永磁极之间均匀布设两个大槽，位于两个大槽之间的转子铁心，形成为中间铁心极。两个大槽和永磁极之间的转子铁心，均形成为侧边铁心极。
小槽设置在永磁极和/或铁心极面向气隙侧的铁心上，用于安置电枢绕组，本实施例中，优选在每个永磁极的d轴中心线上布设一个小槽，从而能够避免小槽对永磁极的磁路产生影响。
主励磁绕组绕制在中心铁心极外周，且位于两个大槽中。感应电枢绕组可以绕制在大槽和相邻的小槽中，本实施即采用此种方式，但也可以仅绕制在小槽中。
所有主励磁绕组的绕向方向相同，也即图1中E1、E2、E3、E4的绕线方向相同。由于每单元（即两对极）只有一个主励磁线圈和一个永磁极，多个单元的励磁线圈绕制方向必然相同，多个单元的永磁极极性必然相同。
上述感应电枢绕组的相数可以为单相、三相、五相或双三相等，本实例中，优选为单相。
也就是说，本发明的交替极为一个永磁极和三个铁心极组成两对磁极，主励磁绕组位于连续三个铁心极中的中间铁心极上；以此为一个单元，沿周向循环排列（由于本实例为8对极，因此循环排列4次）。
上述电枢绕组、主励磁绕组以及定转子铁心构成了主电机；感应励磁绕组和感应电枢绕组为辅助励磁部分，与主电机共用定转子铁心。
本发明混合励磁电机的原理为：如图2所示，当感应励磁绕组中通入直流电时，会在气隙中产生空间位置固定（静止）的感应励磁磁场，随转子旋转的感应电枢绕组会切割感应励磁磁场而产生感应电动势。感应电枢绕组中的电动势经过旋转整流器变换成直流电后供给主励磁绕组，从而实现主励磁绕组的无刷化供电。
当改变感应励磁绕组中的电流大小时，能够调节主励磁绕组的电流大小。
如图4所示，由于铁心极的磁导率远大于永磁体的磁导率，主励磁绕组产生的磁通经过“中间铁心极-气隙-定子铁心-气隙-两边铁心极-转子轭部-中间铁心极”闭合。因而，改变主励磁绕组中的直流电流大小，能够调节铁心极上的磁通大小。增磁时，通入直流电流的主励磁绕组在中间铁心极上产生的磁通与永磁体在永磁极上产生的磁通沿径向上方向相同，主励磁绕组在中间铁心极上产生的磁通与其在两个侧边铁心极上产生的磁通沿径向上方向相反。从而，一个永磁极和三个铁心极能够产生两对极的气隙磁场。
通过直流变换器（H桥变换器）控制感应励磁绕组的电流大小，从而调节主励磁绕组中直流电流大小和铁心极的气隙磁场，进而实现电枢绕组磁链的有效调节。磁链调节的好处：对于驱动（即电动）场合，电枢磁链的有效调节可利于弱磁扩速；对于发电场合，电枢磁链的有效调节可利于恒压（稳压）发电。
感应励磁绕组通入直流电时，主励磁绕组中建立的电流，如图5所示，稳态时接近直流电；此时电机工作在增磁模式，电枢绕组中的磁链相比于单独永磁（即主励磁绕组电流为0）时得到明显提高，如图6所示。
本电机即可电动运行，也可发电运行，交替极转子既可以为内转子，也可以为外转子。
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 (10)

1.一种基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机，其特征在于： 包括定子、转子、电枢绕组、感应励磁绕组、主励磁绕组和感应电枢绕组；
电枢绕组和感应励磁绕组均绕设在定子的定子槽内；其中，感应励磁绕组为直流绕组，通过直流变换器与直流电压源相连接；
定子和转子之间具有气隙；
转子为交替极转子，转子沿周向均匀设置有P/2个永磁极；其中，P为电机极对数；相邻两个永磁极之间形成三个铁心极；
主励磁绕组和感应电枢绕组均绕设在转子槽内；其中，主励磁绕组为直流绕组，通过旋转整流器与感应电枢绕组相连接；
当感应励磁绕组中通入直流电时，会在气隙中产生空间位置固定的感应励磁磁场，随转子旋转的感应电枢绕组会切割感应励磁磁场而产生感应电动势；感应电枢绕组中的电动势经过旋转整流器变换成直流电后供给主励磁绕组，从而实现主励磁绕组的无刷化供电。
2.根据权利要求1所述的基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机，其特征在于：转子槽包括大槽和小槽；
在相邻两个永磁极之间均匀布设两个大槽，位于两个大槽之间的转子铁心，形成为中间铁心极；两个大槽和永磁极之间的转子铁心，均形成为侧边铁心极；
小槽设置在永磁极和/或铁心极面向气隙侧的铁心上。
3.根据权利要求2所述的基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机，其特征在于：主励磁绕组绕制在中心铁心极外周，且位于两个大槽中；感应电枢绕组绕制在大槽和相邻的小槽中或仅绕制在小槽中。
4.根据权利要求3所述的基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机，其特征在于：所有主励磁绕组的绕向方向相同，所有永磁极面向气隙侧的极性相同。
5.根据权利要求4所述的基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机，其特征在于：通过改变感应励磁绕组中的电流大小，从而调节主励磁绕组的电流大小。
6.根据权利要求5所述的基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机，其特征在于：由于铁心极的磁导率远大于永磁体的磁导率，主励磁绕组产生的磁通经过“中间铁心极-气隙-定子铁心-气隙-两边铁心极-转子轭部-中间铁心极”闭合；因而，改变主励磁绕组中的直流电流大小，能够调节铁心极上的磁通大小；增磁时，通入直流电流的主励磁绕组在中间铁心极上产生的磁通与永磁体在永磁极上产生的磁通沿径向上方向相同，主励磁绕组在中间铁心极上产生的磁通与其在两个侧边铁心极上产生的磁通沿径向上方向相反；从而，一个永磁极和三个铁心极能够产生两对极的气隙磁场。
7.根据权利要求5所述的基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机，其特征在于：通过直流变换器控制感应励磁绕组的电流大小，从而调节主励磁绕组中直流电流大小和铁心极的气隙磁场，进而实现电枢绕组磁链的调节。
8.根据权利要求2所述的基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机，其特征在于：在每个永磁极的d轴中心线上布设一个小槽。
9.根据权利要求1所述的基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机，其特征在于：永磁极中的永磁体为表贴式永磁体或内置式永磁体；其中，内置式永磁体为一层或多层混合型；每个内置式永磁体的形状均呈“一”字型、V型、W型或U型。
10.根据权利要求1所述的基于交替极转子的集成式直流感应混合励磁无刷电机，其特征在于：感应电枢绕组的相数为单相、三相、五相或双三相。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114465381A (zh) * 2022-01-21 2022-05-10 华为数字能源技术有限公司 一种转子及电励磁同步电机

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