CN115842425A - 一种高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机 - Google Patents

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任泰安
张雪男
田杰
卓文伟
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Hefei University of Technology
Anhui CRRC Ruida Electric Co Ltd
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Hefei University of Technology
Anhui CRRC Ruida Electric Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机，所述转子的内测嵌入有永磁体一，转子的外侧嵌入有永磁体二，所述永磁体一和永磁体二均为单一极性，且个数均与控制绕组极对数相同，均为2pc；所述永磁体一和永磁体二转子同侧的极性相同，异侧极性相反，且相邻两永磁体间圆周占比较小铁磁磁极的机械角度为180°/pp，异侧相邻两永磁体轴线夹角为60°。本发明可同时实现对转子内、外侧铁磁磁极的增强或消弱，从而调节气隙的磁场强度，转子侧无电刷结构，电机的可靠性较高。

Description

一种高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机。
背景技术
稀土永磁电机具有动态响应快，功率密度高和效率高等众多优势，在风力发电、电动汽车等领域应用十分广泛，但其内部仅存在单一永磁励磁源，使得气隙磁场调节困难。电励磁同步电机可以通过改变励磁电流调节气隙磁场强度，实现宽调速运行，但其励磁损耗的存在使得电机的效率偏低，很难实现电机的高功率密度和高效率运行，应用也受到一定限制。
为结合永磁同步电机与电励磁同步电机的优点同时又克服各自缺点，有学者提出一种混合励磁同步电机，该电机永磁体产生主磁通，电励磁产生辅助磁通，通过增磁与弱磁调节永磁体产生的磁通，由它们相互作用实现电磁能量转换。
现有的混合励磁同步电机，根据永磁体和励磁绕组放置的位置可分为永磁体和励磁绕组均位于转子或定子，永磁***于转子、励磁绕组位于定子3种类型。永磁体与励磁绕组均位于转子的电机，需要引入附加装置来实现电机的无刷化，附加装置的引入降低了电机可靠性，限制了其转速和功率密度的进一步提升。永磁体和励磁绕组均位于定子的电机结构简单、转子运行可靠性高，但其功率密度和效率偏低。永磁***于转子、励磁绕组位于定子的电机具有功率密度和效率高，调磁范围宽等优点，目前该类电机多采用磁极分割型结构，但存在拓扑制造工艺复杂，加工难度大，制造成本高，材料利用率低等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术中的不足，提供一种可靠性和效率较高的一种高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机。
为实现以上目的，本发明提出了一种高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机，包括转子、外定子及内定子，所述外定子上布置有极对数为pp的功率绕组，内定子上布置有极对数为pc的控制绕组，所述外定子上设置有一套功率绕组，其特征在于：
所述转子的内测嵌入有永磁体一，转子的外侧嵌入有永磁体二，所述永磁体一和永磁体二均为单一极性，且个数均与控制绕组极对数相同，均为2pc；
所述永磁体一和永磁体二转子同侧的极性相同，异侧极性相反，且相邻两永磁体间圆周占比较小铁磁磁极的机械角度为180°/pp，异侧相邻两永磁体轴线夹角为60°。
进一步的，所述功率绕组与控制绕组极对数满足pp＝3pc，所述永磁体一和永磁体二的厚度与转子厚度相同。
进一步的，所述外定子上布置有两套绕组，内定子上布置有一套绕组；外定子两套绕组极对数满足pp＝3pc；所述内定子上布置的一套绕组与外定子功率绕组极对数相同，均为pp。
进一步的，所述内定子与外定子的两套绕组产生磁场的转速与转子转速间满足：
60fp/pp＝60fc/pc＝n，即控制绕组和功率绕组的频率满足fp＝3fc。
进一步的，所述控制绕组合成的磁场方向正对铁磁磁极轴线，通过改变控制绕组励磁的大小来调节气隙磁场；外定子槽与内定子槽的槽数相等或不相等，转子采用轴向叠片。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
本发明所述的高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机，相比现有的混合励磁同步电机，其采用双定子同心共轴方式布置，永磁体交错分布在转子内、外侧，转子内部无隔磁层，转子内侧或外侧永磁体在感应同侧铁磁磁极的同时还可通过转子铁心增强异侧对应的铁磁磁极，从而提高永磁体的利用率，且永磁体用量仅为传统永磁电机的1/3，电机的成本较低，转子内部空间被有效利用，轴向长度任意。外定子控制绕组合成的磁场方向正对转子内、外铁磁磁极轴线，可同时实现对转子内、外侧铁磁磁极的增强或消弱，从而调节气隙的磁场强度，转子侧无电刷结构，电机的可靠性较高。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1为本发明新提出的新型高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机；
图2为本发明当外定子槽数为36槽时，新型高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机外定子结构图；
图3为本发明当内定子槽数为36时，新型高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机内定子结构图；
图4为本发明当转子内、外侧永磁体个数都是2时，新型高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机转子结构图；
图5为转子转速n＝1000rpm时，新型高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机在某一时刻的磁力线分布；
图6为转子转速n＝1000rpm时，新型高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机功率绕组一和二输出电压波形；
图7为转子转速n＝1000rpm时，新型高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机控制绕组励磁电流与功率绕组一和二输出电压间的关系。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
如图1-7所示，本发明公开了一种高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机，包括：外定子7、内定子2和转子1，在外定子上布置有两套绕组，一套极对数为pp的功率绕组一8，一套极对数为pc的控制绕组4；内定子上布置一套与外定子极对数相同的功率绕组二3，功率绕组一8与功率绕组二3中通过电流的频率均为fp，控制绕组4中通过电流的频率为fc。
在转子的内、外侧均布置有2pc个单一极性的永磁体5和6，转子转速为n，外定子两套绕组极对数满足pp＝3pc；内定子上布置的一套绕组与外定子功率绕组极对数相同，均为pp。转子上同侧永磁体极性相同，异侧永磁体极性相反；控制绕组、功率绕组一/二产生磁场的转速与转子转速间满足60fp/pp＝60fc/pc＝n，即控制绕组和功率绕组一/二的频率满足fp＝3fc。
本实施例中选取一台外定子控制绕组极对数为pc＝1，功率绕组一和二的极对数为pp＝3，实施例中选取外定子槽数为36，其结构如图2 所示，内定子槽数为36，其结构如图3所示。选取转子内、外侧永磁体的个数为2，永磁体采用平行充磁，表面嵌入在转子内、外侧，转子异侧永磁体之间的机械夹角为60°，同侧相邻两永磁体间圆周占比较小铁磁磁极的机械角度为180°/pp，转子永磁体分布如图4所示。
实施例中外定子控制绕组合成磁场方向的初始位置正对转子内、外铁磁磁极轴线。当转子转速为n＝1000rpm时，为保持控制绕组4合成磁场的方向始终与转子内、外铁磁磁极轴线保持不变，控制绕组4频率需满足fc＝np1/60＝50/3Hz，功率绕组一和二的输出频率均为 fp＝npp/60＝50Hz，即控制绕组、功率绕组一/二产生磁场的转速与转子转速间满足60fp/pp＝60fc/pc＝n。当电机控制绕组励磁电流有效值为 6A，电机运行于增磁状态时，某一时刻磁力线分布如图5所示，图6为功率绕组一和二分别外接不同负载时的输出电压波形，从图中可以看出，功率绕组一和二输出电压波形正线性较好，且频率均为50Hz，验证了上述理论的正确性。图7给出了转子转速n＝1000rpm时，高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机控制绕组励磁电流与功率绕组一和二输出电压间的关系，从图中可以看出，随着励磁电流的增加，功率绕组一和二的输出电压随之增大，说明该电机具有良好的调压性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机，包括转子、外定子及内定子，所述外定子上布置有极对数为pp的功率绕组，内定子上布置有极对数为pc的控制绕组，所述外定子上设置有一套功率绕组，其特征在于：
所述转子的内测嵌入有永磁体一，转子的外侧嵌入有永磁体二，所述永磁体一和永磁体二均为单一极性，且个数均与控制绕组极对数相同，均为2pc；
所述永磁体一和永磁体二转子同侧的极性相同，异侧极性相反，且相邻两永磁体间圆周占比较小铁磁磁极的机械角度为180°/pp，异侧相邻两永磁体轴线夹角为60°。
2.如权利要求1所述的高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机，其特征在于，所述功率绕组与控制绕组极对数满足pp＝3pc，所述永磁体一和永磁体二的厚度与转子厚度相同。
3.权利要求1所述的高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机，其特征在于，所述外定子上布置有两套绕组，内定子上布置有一套绕组；外定子两套绕组极对数满足pp＝3pc；所述内定子上布置的一套绕组与外定子功率绕组极对数相同，均为pp。
4.权利要求1所述的高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机，其特征在于，所述内定子与外定子的两套绕组产生磁场的转速与转子转速间满足：
60fp/pp＝60fc/pc＝n，
即控制绕组和功率绕组的频率满足fp＝3fc。
5.权利要求1所述的高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机，其特征在于，所述控制绕组合成的磁场方向正对铁磁磁极轴线，通过改变控制绕组励磁的大小来调节气隙磁场。
6.权利要求1所述的高功率密度双定子交错磁极混合励磁同步电机，其特征在于，外定子槽与内定子槽的槽数相等或不相等，转子采用轴向叠片。
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