低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机及方法转让专利
申请号 : CN202010054743.2
文献号 : CN111262356B
文献日 : 2021-07-20
发明人 : 王道涵 , 臧鹏
申请人 : 山东大学
摘要 :
权利要求 :
1.低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机,其特征是,包括:定子及转子,所述定子包括定子槽、定子齿及永磁体槽,其中定子槽由电枢槽、励磁槽组成;
所述定子槽上方设有永磁体槽,永磁体放置于永磁体槽内,相同极性下永磁体之间设置有磁桥,使定子成为一个整体;所述电枢槽和励磁槽沿圆周交替间隔排列,所述电枢槽内安放有一套电枢绕组,所述励磁槽内安放有一套励磁绕组;
所述转子包括转子齿,相邻的转子齿之间设有转子槽,所述定子齿和转子齿之间设有主气隙;所述励磁绕组所在励磁槽与其上方的永磁体之间的铁芯沿径向断开,设有附加气隙,所述附加气隙之间放置充磁方向相同的按照短‑长‑短的方式排列形成一极的铁氧体;
所述短‑长‑短共三块铁氧体中,相邻两组永磁体产生的一部分磁通经过主气隙进入转子形成主磁通,另一部分不经过主气隙和转子而经附加气隙闭合形成漏磁通,中间的长永磁体产生的磁通分别与相邻的短永磁体产生的磁通并联,大多数磁通的经过路径为从定子齿到主气隙,进入转子后至另一侧的永磁体;少部分磁通经磁桥形成闭合回路;
同极性下的铁氧体的长永磁体中线与电枢槽中线重合,通过长度和安装角度的配合实现绝大多数永磁体磁通以最短的距离流经主气隙和附加气隙,实现聚磁功能,提高电动机的性能和功率密度。
2.如权利要求1所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机,其特征是,所述短‑长‑短共三块铁氧体中的长永磁体中的磁通分为两部分,每一部分分别与相邻的两块短永磁体产生的磁通并联经过主气隙进入转子齿形成主磁通。
3.如权利要求1所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机,其特征是,所述励磁绕组通方向不变的直流电流,电枢电流磁场、励磁电流磁场和永磁体产生的磁场相互作用使得定子齿上的磁通相互增强或者抵消,定子磁场在某个方向上连续开通或者关断,利用定子和转子间磁阻变化产生转矩。
4.如权利要求1所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机,其特征是,由于永磁体产生的总磁通量是一定的,通过调节励磁绕组内电流的大小调节该漏磁通的大小,进而调节经过主气隙进入到转子中的主磁通的大小,实现调节励磁的作用。
5.如权利要求1所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机,其特征是,所述励磁绕组产生的磁通不经过永磁体,与永磁体产生的磁通形成并联关系,减小励磁磁通对应回路的磁阻,同样励磁电流产生较大的励磁磁通,提高弱磁效率,避免永磁体由于励磁磁通穿过永磁体引起永磁体反向磁化而产生不可逆退磁的风险。
6.如权利要求1所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机,其特征是,所述附加气隙为各处宽度相同的均匀气隙,或为各处宽度不同的非均匀气隙;
改变附加气隙的宽度或者采用上下不等宽气隙结构得到不同的增磁和弱磁特性,满足不同应用场合的需要。
7.如权利要求1所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机,其特征是,所述电枢绕组从一个电枢绕组所在槽穿入,从相邻的电枢槽穿出,相邻两个电枢槽内的绕组组成一个电枢线圈,每个电枢线圈横跨两个定子齿距,相邻两个电枢槽内绕组的电流大小相同,方向相反;
励磁绕组从一个励磁绕组所在槽穿入,从相邻的励磁槽穿出,相邻两个励磁槽内的绕组组成一个励磁线圈,每个励磁线圈横跨两个定子齿距,相邻两个励磁绕组所在槽内绕组的电流大小相同,方向相反。
8.如权利要求1所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机,其特征是,所述定子槽内只安放有一套电枢绕组或者励磁绕组,定子槽内不需要相间绝缘,槽利用率高;
所述附加气隙内灌注非导磁材料,提高电动机结构的整体性。
9.基于权利要求1‑8任一所述的低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机的工作方法,其特征是,包括:
当电枢绕组通电时,电枢绕组电流产生的磁场使得电枢绕组所在电枢槽两侧的定子齿分别呈现不同的极性,与永磁体产生的磁场作用叠加,使得一个定子齿显示极性,有主磁通磁通经过,相邻的另一个定子齿没有极性,无磁通流过;
电枢绕组每隔一个槽设置,电动机内有一半的定子齿具有极性,一半的定子齿没有极性,根据磁阻最小原理,将使转子旋转到使转子齿与具有极性的定子齿重合;
由于转子齿数为定子齿数的一半,此时正好有每个转子齿均与定子齿正对,这个位置为转子齿和定子齿的对齐位置,这个位置对应的磁阻最小;
若转子继续旋转,需改变电枢绕组内电流的方向,使得不具有极性的定子齿显示极性,而原先有极性的定子齿不显示极性,这时,根据磁阻最小原理,转子齿将有旋转到与现在四个有极性定子齿对齐的趋势,因而转子将受力旋转,当转子齿与定子再次重合后,继续改变电枢绕组电流的方向,这个过程将一直重复,转子将持续旋转;
由于经过主气隙进入到转子齿的主磁通通过励磁电流调节,电动机根据实际工况需要实现增磁运行和弱磁运行。
说明书 :
低成本高功率密度单相高速混合励磁永磁电动机及方法
技术领域
背景技术
风机和泵类驱动工况对驱动电机的性能有不同的需求,传统方法是通过节流装置来实现流
量调节,比较简单,但会造成较大的能源浪费。同时,由于泵类负载以及风机类负载自身制
造工艺不成熟、系统组成环节匹配度不高等缺陷的存在,电机耗能问题非常突出。因此,研
发新型高速风机和泵类节能驱动电机,研宄电机的节能途径与措施,提高运行效率,降低系
统能耗,具有重要意义。目前常见的风机和泵类负载驱动电机多采用交流感应电机和永磁
无刷电机。
低电机效率。对其进行变频调速时,基频以下通常处于恒转矩模式,即输出转矩保持不变,
输出功率随着转速的减小而降低。由于感应电机的工作原理造成其功率因数不高,限制了
感应电机在高效率、高功率运行区间的使用。
噪音低等优点,非常适用于变频调速领域,但是其存在诸多问题。
于转子上,运行时散热困难,温升和由于转子转动而引起的振动会导致永磁体机械结构损
坏和发生不可逆退磁。
得电机功率逆变电路成本相当高,甚至达到电机本体成本的两到三倍,功率开关器件数量
增多增加了控制电路复杂程度,器件发生故障的可能性增加,运行时系统的可靠性降低。
径较大,轴向长度较小,也就是径长比值较大的电机,这种缺点尤为突出,需要采用特殊的
绕组线圈连接方式来减小绕组端部,减小用铜,提高电机运行效率。
实际工程应用。
永磁体磁通不变,电机反电动势确定,在变频器容量一定情况下,限制了电机转速的提升,
永磁电机恒功率运行范围窄,经济运行速域窄,限制了其在高速风机和泵类负载场合的应
用。
年代中期逐步发展起来的一种新的机电一体化的驱动调速设备,特别是大规模集成电路及
电脑技术的飞速发展,使开关磁阻电机在90年代逐步进入实用阶段。由于开关磁阻电机既
有直流电机调速方便的长处,又具备异步电机结构简单,运行可靠的优点,十分适合应用于
高速运行场合,因此被广泛使用于车辆牵引,机床驱动,航空、航天工业及家用电器等各个
领域。
需控制电枢绕组电流即可,所需位置传感器简单、功率开关器件数量少,成本低。但是电励
磁开关磁阻电机的显著缺点是其铜耗较大,效率较低。
发明内容
行,又显著减小了电机运行时的绕组铜耗,提高了电机运行效率,增加了电机的功率/转矩
密度。而且通过调节励磁电流可有效拓宽电机的运行调速范围。本发明电机不但能够达到
提高能效节能减排的效果,又显著降低了电机的制造成本,具有良好的实际工程推广价值。
绕组;
加气隙,所述附加气隙之间放置充磁方向相同的按照短‑长‑短的方式排列形成一极的铁氧
体;
通。
某个方向上连续开通或者关断,利用定子和转子间磁阻变化产生转矩。
回路;
弱磁效率,避免永磁体由于励磁磁通穿过永磁体引起永磁体反向磁化而产生不可逆退磁的
风险。
两个电枢槽内绕组的电流大小相同,方向相反;
绕组的电流大小相同,方向相反;
磁通磁通经过,相邻的另一个定子齿没有极性,无磁通流过;
现在四个有极性定子齿对齐的趋势,因而转子将受力旋转,当转子齿与定子再次重合后,继
续改变电枢绕组电流的方向,这个过程将一直重复,转子将持续旋转;
回路,电枢绕组产生的磁通不直接通过永磁体,磁路上与永磁体产生的磁通是并联关系,不
仅有效提高了弱磁效率,而且避免了永磁体由于反向磁化而产生的磁性能下降等不可逆退
磁的风险。
加工过程中可以一次成型,大大降低了生产制造成本。
控制方式更加复杂。
实现聚磁效应,三块永磁体极性相同,形成一个有效磁极,避免了采用一整块长永磁体机械
强度不佳的问题。
能,使得本发明电机的功率密度高,材料利用率高,同样设计功率的电机,本发明电机节省
材料用量,降低成本。每极下长永磁体中线与电枢槽中线重合,长永磁体与短永磁体的角度
选择在原则上是使尽量多的永磁体磁通以最短的距离流经主气隙和附加气隙,使每极下的
永磁体产生的磁通分布均匀。
进入转子形成主磁通,另一部分不经过主气隙进入转子而经过该附加气隙闭合形成漏磁
通,由于永磁体产生的总磁通量是一定的,通过调节励磁绕组内电流的大小可以方便调节
该漏磁通的大小,进而调节经过主气隙进入到转子中的主磁通的大小,既可以起到增磁作
用,又可以起到弱磁作用,有效拓宽电机的转速输出范围和功率输出范围,显著提高电机的
性能。
气隙,定子齿,主气隙和转子齿形成闭合回路,励磁绕组产生的磁通不经过永磁体,与永磁
体产生的磁通形成并联关系,减小了励磁磁通对应回路的磁阻,同样励磁电流可产生较大
的励磁磁通,不仅有效提高了弱磁效率,而且避免了永磁体由于励磁磁通穿过永磁体引起
永磁体反向磁化而产生的磁性能下降等不可逆退磁的风险,增强了电机的可靠性。
点。
利用率更高,使更多的磁通通过主气隙,确定了定子的相关结构尺寸,使电机的效率更高。
寸,使其工作在最大磁能积状态附近,大大提高了永磁体材料的利用率。
定子轭部厚度,避免铁芯出现过饱和,使得铁芯的利用率确定附加气息形状、铁芯宽度;更
高,使更多的磁通通过主气隙,确定了定子的相关结构尺寸,使电机的效率更高。
材料利用率高,同样设计功率的电机,本发明电机节省材料用量,降低成本。
附图说明
情况下,本发明电机的输出转矩远远大于电励磁电机;
具体实施方式
理解的相同含义。
也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
所述定子槽上方设有永磁体槽,在附加气隙之间放置充磁方向相同的二短一长共三块铁氧
体,永磁体放置于永磁体槽内。所述电枢槽和励磁槽沿圆周交替间隔排列,所述电枢槽内安
放有一套电枢绕组,所述励磁槽内安放有一套励磁绕组。通过将低成本的铁氧体按照一定
角度排列实现聚磁效应,定子通过磁桥连接成一个整体;本发明电机节省材料用量,降低成
本。
隙设计在电机的径向方向,不会增加电机的外径尺寸。
通相互增强或者抵消,定子磁场在某个方向上连续开通或者关断,利用定子和转子间磁阻
变化产生转矩。
分别于相邻的短永磁体产生的磁通并联,大多数经过路径为从定子齿到主气隙,进入转子
后经过另一侧的永磁体;少部分通过磁桥形成闭合回路;由于永磁体产生的总磁通量是一
定的,通过调节励磁绕组内电流的大小可以调节该漏磁通的大小,进而调节经过主气隙进
入到转子中的主磁通的大小,以此实现调节励磁的作用。
铁氧体之间的安置角度来实现聚磁效应,提高气隙磁密;而现有永磁电机由于极弧系数受
到极数的限制,通常只有采用高性能永磁体才能满足设计磁密的需要,成本较高。
回路的磁阻,同样励磁电流可产生较大的励磁磁通,不仅有效提高了弱磁效率,而且避免了
永磁体由于励磁磁通穿过永磁体引起永磁体反向磁化而产生的磁性能下降等不可逆退磁
的风险,增强了电机的可靠性。
以此满足不同应用场合的需要。
流大小相同,方向相反。
绕组的电流大小相同,方向相反。
磁体产生的磁通的一部分经过定子轭部,定子齿和主气隙沿电机径向流入转子齿,再经过
相邻的转子齿流出到主气隙到达另一个极下的永磁体,再经过定子轭部闭合,这形成了电
机的主磁通;永磁体产生的另一部分磁通不经过主气隙,而是经过永磁体槽与电枢槽之间
的铁芯穿过附加气隙,进入到相邻的另一个定子轭部下的永磁体,再通过定子槽上方的铁
芯闭合,这部分磁通没有进入主气隙和转子,只在定子内部闭合,这部分磁通为漏磁通。附
加气隙下方靠近圆心处设有励磁槽,励磁槽内安放有励磁绕组,励磁绕组通电流时,根据电
流方向的不同,励磁绕组产生的磁场将增强或削弱主磁通,励磁绕组电流越大,对主磁通的
增强或者削弱作用越强,由于励磁绕组磁势和永磁体磁势并联,永磁体产生的总磁通量是
一定的,因此,通过调节励磁绕组内电流的方向和大小可以调节该漏磁通的大小,进而调节
经过主气隙进入到转子中的主磁通的大小,以此实现调节励磁的作用。当电枢绕组通电时,
电枢绕组电流产生的磁场使得电枢绕组所在电枢槽两侧的定子齿分别呈现不同的极性,与
永磁体产生的磁场作用叠加,使得一个定子齿显示极性,有主磁通磁通经过,相邻的另一个
定子齿没有极性,无磁通流过,由于电枢绕组每隔一个槽设置,因此,电机内有一半的定子
齿具有极性,一半的定子齿没有极性,根据磁阻最小原理,将使转子旋转到使转子齿与具有
极性的定子齿重合,由于转子齿数为定子齿数的一半,此时正好有每个转子齿均与定子齿
正对,这个位置为转子齿和定子齿的对齐位置,这个位置对应的磁阻最小。此时,要想转子
继续旋转,需改变电枢绕组内电流的方向,使得刚才不具有极性的定子齿显示极性,而原先
有极性的定子齿不显示极性,这时,根据磁阻最小原理,转子齿将有旋转到与现在四个有极
性定子齿对齐的趋势,因而转子将受力旋转,当转子齿与定子再次重合后,继续改变电枢绕
组电流的方向,这个过程将一直重复,转子将持续旋转。由于经过主气隙进入到转子齿的主
磁通可以通过上述励磁电流调节,因此,本发明电机可以根据实际工况需要实现增磁运行
和弱磁运行,拓宽电机的经济运行范围,降低制造成本,提高电机效率。
只需要两个功率开关器件即可实现电机控制,控制器成本低。而传统的永磁电机则需要6个
功率开关器件,且控制方式更加复杂。
使得本发明电机的功率密度高,材料利用率高,同样设计功率的电机,本发明电机节省材料
用量,降低成本。
点。
工过程中可以一次成型,大大降低了生产制造成本。
产生的磁通直接经过附加气隙,定子齿,主气隙和转子齿形成闭合回路,励磁磁通不经过永
磁体,与永磁体产生的磁通形成并联关系,这不仅有效提高了弱磁效率,而且避免了永磁体
由于反向磁化而产生的磁性能下降等不可逆退磁的风险。
气隙结构,通过改变电机的附加气隙宽度可以得到不同的电机特性,以此满足不同应用场
合的需要。
的剩磁密度,再通过磁路计算确定铁氧体的尺寸,使其工作在最大磁能积状态附近,大大提
高了永磁体材料的利用率。
构尺寸,使电机的效率更高。
槽,定子铁芯包括定子齿1,定子轭2,定子铁芯由高导磁率铁磁材料制成,定子铁芯上设有
定子槽,定子槽包括电枢槽3和励磁槽4,电枢槽3和励磁槽4交替间隔排列,电枢槽3内安放
有电枢绕组5,电枢绕组5从一个电枢槽3穿入,从相邻的另一个电枢槽穿出,形成一个线圈,
使得每相邻两个电枢槽内的电流大小相同,方向相反,励磁槽4内安放有励磁绕组6,励磁绕
组6从一个励磁槽4穿入,从相邻的另一个励磁槽穿出,形成一个线圈,使得每相邻两个励磁
槽内的电流大小相同,方向相反;励磁绕组6所在槽内上方的定子轭2断开,设附加气隙11,
附加气隙11设置在电机径向方向,附加气隙11的各处宽度均相等;定子轭2之间安放有永磁
体7,永磁体7采用低磁能积的铁氧体永磁体材料,永磁体7采取平行充磁,附加气隙两侧的
永磁体的充磁方向相反;同一极下永磁体之间设置有磁桥12,使定子铁芯成为一个整体;转
子包括转子齿8和转子槽9,转子齿8沿圆周对称分布,转子齿8和定子齿1之间设有主气隙
10。
所示,图中FE系列为电励磁模型的相关性能参数,HE系列为本发明电机的性能参数,从中可
以看出电机在相同运行情况下,本发明电机的输出转矩远远大于电励磁电机。
果,有效的拓宽电机的运行调速范围。
改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。