CN113708527A - 隐极式电励磁绕线转子及其同步电机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种隐极式电励磁绕线转子及隐极式电励磁绕线同步电机。所述隐极式电励磁绕线转子包括内外设置的转子中心转轴和转子铁心；所述转子铁心设置有用于产生磁阻转矩的转子气隙磁障和用于产生直流励磁转矩的转子励磁绕组；所述转子励磁绕组构成多个隐极式转子直流励磁磁极。本申请通过内部添加气隙磁障，从而引入磁阻转矩，通过磁阻转矩的交直轴与直流励磁转矩的交直轴存在相应的电角度，从而提高隐极式电励磁绕线同步电机对两种转矩成分的利用率。在不改变电机尺寸和绕线匝数及输入条件的前提下，提高电机的输出转矩，进一步提高隐极式电励磁绕线同步电机的转矩密度和效率等综合性能。

Description

隐极式电励磁绕线转子及其同步电机

技术领域

本申请涉及电励磁同步电机技术领域，尤其涉及一种隐极式电励磁绕线转子及隐极式电励磁绕线同步电机。

背景技术

永磁材料价格日益昂贵，且其开采势必会带来严重的环境污染问题，因此开发少永磁材料或者无永磁材料的高性能电机势在必行。电励磁绕线同步电机并不依赖于永磁材料，成本较低，而且转子励磁电流大小可控制，调速性能较好。

隐极式电励磁绕线同步电机既可以用于同步电动机，也可以用于同步发电机。但是在实际生产中，由于转子上存在通电绕组，会产生额外的铜耗，降低效率影响散热，因此隐极式电励磁绕线同步电机的性能相比永磁同步电机在性能上依旧存在差距。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种隐极式电励磁绕线转子及隐极式电励磁绕线同步电机。

第一方面，本申请提供了一种隐极式电励磁绕线转子，所述隐极式电励磁绕线转子包括内外设置的转子中心转轴和转子铁心；所述转子铁心设置有用于产生磁阻转矩的转子气隙磁障和用于产生直流励磁转矩的转子励磁绕组；所述转子励磁绕组构成多个隐极式转子直流励磁磁极。

可选地，所述转子气隙磁障的数量由所述隐极式转子直流励磁磁极的数量确定。

可选地，所述转子气隙磁障的位置用于改变所述直流励磁磁极的直流励磁转矩和所述磁阻转矩的耦合叠加关系，使直流励磁转矩的最大值和所述磁阻转矩的最大值能够在相近的电流相位角处叠加。

可选地，所述转子铁心由硅钢片叠压而成；所述叠压的硅钢片的磁极上设置转子气隙磁障。

可选地，所述转子气隙磁障的中线与所述隐极式转子直流励磁磁极的中线存在预设角度。

可选地，所述转子铁心的外周具有多个用于设置转子励磁绕组的绕组开槽；所述相邻两个绕组开槽之间构成齿部；所述齿部分为第一齿部和第二齿部；其中在每个极距内设置有第一齿部和第二齿部；所述第一齿部大于所述第二齿部。

可选地，在每个极距内不大于三分之一部分构成所述第一齿部。

第二方面，本申请提供了一种隐极式电励磁绕线同步电机，所述隐极式电励磁绕线同步电机包括如上任一项所述的隐极式电励磁绕线转子和定子；所述定子包括定子铁心和定子绕组。

可选地，所述定子铁心的内侧沿着圆周方向等间隔设置若干定子槽，所述定子槽中设置三相的定子绕组。

可选地，所述定子铁心和所述隐极式电励磁绕线转子的转子铁心之间行成环状的均匀气隙间隔。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请各实施例通过内部添加气隙磁障，从而引入磁阻转矩，通过磁阻转矩的交直轴与直流励磁转矩的交直轴存在相应的电角度，从而提高隐极式电励磁绕线同步电机对两种转矩成分的利用率。在不改变电机尺寸和绕线匝数及输入条件的前提下，提高电机的输出转矩，进一步提高隐极式电励磁绕线同步电机的转矩密度和效率等综合性能。

附图说明

此处的附图被并入说明书中，并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中，线圈上·为电流流出方向，+为电流流入方向。

图1为本发明实施例提供的标注了绕组通电电流的2极转子垂直于转轴的剖面结构图；

图2为本申请实施例提供的12槽2极高电磁性能隐极式电励磁绕线同步电机垂直于转轴的剖面结构图；

图3为本申请实施例提供的标注了绕组通电电流的4极转子垂直于转轴的剖面结构图；

图4为本申请实施例提供的12槽4极高电磁性能隐极式电励磁绕线同步电机垂直于转轴的剖面结构图；

图5为本申请实施例提供的隐极式电励磁绕线同步电机的转矩特性曲线图；

图6为本申请实施例提供的传统隐极式电励磁绕线同步电机的转矩特性曲线图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

实施例一

本发明实施例提供一种隐极式电励磁绕线转子，如图1-图6所示，所述隐极式电励磁绕线转子包括内外设置的转子中心转轴3和转子铁心1；所述转子铁心1设置有用于产生磁阻转矩10的转子气隙磁障5和用于产生直流励磁转矩的转子励磁绕组2；所述转子励磁绕组2构成多个隐极式转子直流励磁磁极。其中，气隙磁障主要是由轴向贯穿的间隙构成。可选地，所述转子气隙磁障的数量由所述隐极式转子直流励磁磁极的数量确定。

本发明实施例的隐极式电励磁绕线转子通过内部添加气隙磁障，不仅易于散热，而且引入磁阻转矩，通过磁阻转矩的交直轴与直流励磁转矩的交直轴存在相应的电角度，从而提高隐极式电励磁绕线同步电机对两种转矩成分的利用率。在不改变电机尺寸和绕线匝数及输入条件的前提下，提高电机的输出转矩，进一步提高隐极式电励磁绕线同步电机的转矩密度和效率等综合性能。

在一些实施方式中，转子气隙磁障的位置用于确定磁阻转矩的交直轴与直流励磁转矩的交直轴存在的电角度，在相近的电流相位角处叠加所述直流励磁磁极的直流励磁转矩和所述磁阻转矩的最大值，也就是说，通过磁阻转矩的交直轴与直流励磁转矩的交直轴存在相应的电角度，使得直流励磁转矩的最大值和磁阻转矩的最大值在相近的电流相位角处进行叠加，从而提高隐极式电励磁绕线同步电机对两种转矩成分的利用率。在不改变电机尺寸和绕线匝数及输入条件的前提下，提高电机的输出转矩，进一步提高隐极式电励磁绕线同步电机的转矩密度和效率等综合性能。

以下通过具体实施方式，详细描述本发明实施例。

如图1所示，本具体实施方式提供一种具有2隐极式转子直流励磁磁极的隐极式电励磁绕线转子(简称转子)，应用于隐极式电励磁绕线同步电机(简称电机)中，其中转子绕组通入直流电流产生2个转子磁极，磁极方向垂直于转轴，具有2极双层气隙磁障；该转子包括转子中心转轴3，固定于转子中心转轴3上的转子铁心1，转子铁心1上的绕组线圈2，以及转子铁心上的转子气隙磁障5。所述转子铁心的外周具有多个用于设置转子励磁绕组的绕组开槽；所述相邻两个绕组开槽之间构成齿部；所述齿部分为第一齿部(简称大齿)和第二齿部(简称小齿)；其中在每个极距内设置有第一齿部和第二齿部；所述第一齿部大于所述第二齿部。在每个极距内不大于三分之一部分构成所述第一齿部。也就是说，每个大齿为一磁极，与小齿形成槽，安装一套绕组线圈，用于产生转子磁动势。所述转子铁心由硅钢片叠压而成；所述叠压的硅钢片的磁极上设置转子气隙磁障。也就是说，转子铁心由冷轧硅钢片轴向叠压而成。转子铁心1上的绕组通过电刷滑环接入直流电源，直流电流通过绕组产生转子磁动势。

其中，电机包括上述隐极式电励磁绕线转子、定子铁心7、定子绕组8，定子铁心7由冷轧硅钢片轴向叠压而成。定子绕组8由线圈构成。定子绕组8通三相交流电，产生定子旋转磁动势。

可选地，如图2所示可采用12槽2极集中式绕组结构，或者如图4所示采用12槽4极集中式绕组结构，转子每极双层(但不限于双层)转子气隙磁障，当然，本实施方式中该电机也可以使用12槽2极或者4极双层转子气隙磁障采用分布式绕组，定子槽数、转子极数以及线圈的缠绕形式都可以改变。

可选地，转子包含转子固定螺丝4、转子励磁绕组2、转子铁心1、双层转子气隙磁障5和转子中心转轴3。转子中心转轴3位于转子中心，两端通过轴承固定在机壳上。转子铁心1由冷轧硅钢片轴向叠压制作而成。在转子铁心1设置分成2个或者4个隐极式转子直流励磁磁极。每个隐极式转子直流励磁磁极上缠绕线圈形成转子励磁绕组2。

可选地，所述转子气隙磁障的中线与所述隐极式转子直流励磁磁极的中线存在预设角度。也就是说，采用转子铁心1内嵌转子气隙磁障的方式，每极的内嵌转子气隙磁障7形成磁极的几何中心线与隐式磁极的几何中线可以存在一定的角度偏差，构成非对称结构，通过构成非对称结构时，该磁阻转矩的交直轴与直流励磁转矩的交直轴存在相应的电角度，使得本发明隐极式电励磁绕线同步电机的直流励磁转矩的最大值和磁阻转矩的最大值在相近的电流相位角处进行叠加，从而提高电机对两种转矩成分的利用率。在不改变电机尺寸和绕线匝数及输入条件的前提下，提高电机的输出转矩，进一步提高电机的转矩密度和效率等综合性能。当然，在一些实施方式中每极的内嵌转子气隙磁障7形成磁极的几何中心线与隐式磁极的几何中线重合。

可选地，转子气隙磁障5可以由其他非导磁材料填充，从而提升它的机械性能。转子气隙磁障5嵌在转子铁心内部，使得转子结构在交轴和直轴方向呈现不同的电感特性，从而获得凸极比。凸极比结构能够带来磁阻转矩10，从而使得电机的总输出转矩11为直流励磁转矩9和磁阻转矩10的耦合叠加。

本实施方式中转子气隙磁障5位于转子大齿对称轴位置。通过调整气隙磁障与转子大齿中心的位置来改变直流励磁转矩9的最大值所对应的电流相位和磁阻转矩10的最大值所对应的电流相位之间相差的电角度，从而提高电机的输出转矩，例如，直流励磁转矩9的最大值所对应的电流相位和磁阻转矩10的最大值所对应的电流相位之间相差的电角度尽可能小，以提高电机的输出转矩11。

也就是说，本具体实施方式中一种隐极式电励磁绕线转子，包括：位于转子中心转轴，所述转子中心转轴周围放置转子铁心，所述转子铁心的外周上沿着圆周方向开槽安放直流励磁绕组，并用金属槽楔固紧，使电机具有均匀的气隙；在每一个极距内约有三分之一的部分不开槽，形成大齿，其余部分的齿较窄，称作小齿，大齿中心即为转子直流励磁磁极的中心；另外在转子铁心上设置气隙磁障，气隙磁障的中线与转子直流励磁磁极的几何中线可以存在一定的角度。其中，所述转子铁心由厚度为0.5mm的冷轧硅钢片叠压加工而成。

另一具体实施方式提供一种隐极式电励磁绕线定子，通过隐极式电励磁绕线转子构建一种高性能隐极式电励磁同步电机，如图2、图4所示，高性能隐极式电励磁绕线同步电机在外壳的内部具有定子部分和转子部分。

其中，定子部分包含定子铁心7、定子绕组8。定子铁心7是在转子中心转轴3轴向方向上通过叠压冷轧硅钢片构成的。定子铁心7为圆筒状，且在转子中心转轴3径向方向上延伸。定子槽在定子的内周上沿着圆周方向等间隔排列。本实施方式设置了12个定子槽，同时在定子槽中设置了三相定子绕组8。三相定子绕组8采用集中式绕组布线，定子铁心7和转子铁心1之间行成近似均匀的环状气隙间隔。可选地，所述定子铁心的内周上沿着圆周方向等间隔设置固定数量的定子槽，所述定子槽中安放三相定子绕组。

图5给出了高性能隐极式电励磁绕线同步电机正常运行时，直流励磁转矩9和磁阻转矩10随电流相位角的变化关系，转子铁心中的转子气隙磁障不仅可以增加隐极式电励磁绕线同步电机中的磁阻转矩成分，还可以通过改变转子铁心中的转子气隙磁障的位置，从而改变电机的直流励磁转矩9和磁阻转矩10的耦合叠加关系，使直流励磁转矩9的最大值和磁阻转矩10的最大值能够在相近的电流相位角处叠加，对转矩成分充分利用，总输出电磁转矩11。

作为对比，图6给出了传统隐极式电励磁绕线同步电机的转矩特性曲线图。图中磁阻转矩10为零，直流励磁转矩9即为总输出电磁转矩。

本实施方式由隐极式电励磁绕线转子构成的高性能隐极式电励磁绕线同步电机的转子，在少影响或者不影响直流励磁转矩的基础上，增加了转子气隙磁障，从而增加磁阻转矩，同时可以绕转子中心转轴3旋转转子气隙磁障的位置，从而实现使直流励磁转矩9的最大值和磁阻转矩10的最大值在相近的电流相位角处叠加，对转矩成分充分利用。该电机不仅具有励磁可调的特点，同时还增添了磁阻转矩，也具有提高电机各转矩成分利用率的特点。在不改变电机尺寸、材料及输入条件，并且不增加其他材料的前提下，使电机总的输出电磁转矩11获得显著提高，从而进一步提高电机的转矩密度、效率等整体性能。

实施例二

本发明实施例提供一种隐极式电励磁绕线同步电机，所述隐极式电励磁绕线同步电机包括如实施例一中任一所述的隐极式电励磁绕线转子和定子；所述定子包括定子铁心和定子绕组。

可选地，所述定子铁心的内侧沿着圆周方向等间隔设置若干定子槽，所述定子槽中设置三相的定子绕组。

可选地，所述定子铁心和所述隐极式电励磁绕线转子的转子铁心之间行成环状的均匀气隙间隔。

本发明实施例在具体实现过程中，可以参阅实施例一，具有相应的技术效果。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种隐极式电励磁绕线转子，其特征在于，所述隐极式电励磁绕线转子包括内外设置的转子中心转轴和转子铁心；所述转子铁心设置有用于产生磁阻转矩的转子气隙磁障和用于产生直流励磁转矩的转子励磁绕组；所述转子励磁绕组构成多个隐极式转子直流励磁磁极。

2.根据权利要求1所述的隐极式电励磁绕线转子，其特征在于，所述转子气隙磁障的数量由所述隐极式转子直流励磁磁极的数量确定。

3.根据权利要求1所述的隐极式电励磁绕线转子，其特征在于，所述转子气隙磁障的位置用于改变所述直流励磁磁极的直流励磁转矩和所述磁阻转矩的耦合叠加关系，使直流励磁转矩的最大值和所述磁阻转矩的最大值能够在相近的电流相位角处叠加。

4.根据权利要求1所述的隐极式电励磁绕线转子，其特征在于，所述转子铁心由硅钢片叠压而成；所述叠压的硅钢片的磁极上设置转子气隙磁障。

5.根据权利要求1所述的隐极式电励磁绕线转子，其特征在于，所述转子气隙磁障的中线与所述隐极式转子直流励磁磁极的中线存在预设角度。

6.根据权利要求1所述的隐极式电励磁绕线转子，其特征在于，所述转子铁心的外周具有多个用于设置转子励磁绕组的绕组开槽；所述相邻两个绕组开槽之间构成齿部；所述齿部分为第一齿部和第二齿部；其中在每个极距内设置有第一齿部和第二齿部；所述第一齿部大于所述第二齿部。

7.根据权利要求6所述的隐极式电励磁绕线转子，其特征在于，在每个极距内不大于三分之一部分构成所述第一齿部。

8.一种隐极式电励磁绕线同步电机，其特征在于，所述隐极式电励磁绕线同步电机包括如权利要求1-7任一项所述的隐极式电励磁绕线转子和定子；所述定子包括定子铁心和定子绕组。

9.根据权利要求8所述的隐极式电励磁绕线同步电机，其特征在于，所述定子铁心的内侧沿着圆周方向等间隔设置若干定子槽，所述定子槽中设置三相的定子绕组。

10.根据权利要求8所述的隐极式电励磁绕线同步电机，其特征在于，所述定子铁心和所述隐极式电励磁绕线转子的转子铁心之间行成环状的均匀气隙间隔。

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