基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机

摘要

本发明公开了一种基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机，包括外定子、混合极转子、内定子、电枢绕组和交流励磁绕组；外定子、混合极转子和内定子从外至内依次同轴设置，混合极转子和外定子之间具有主气隙，混合极转子与内定子之间具有副气隙；电枢绕组绕设在外定子的定子槽中，电枢绕组的极对数等于p；交流励磁绕组绕设在内定子的定子槽中，交流励磁绕组的极对数等于i，且p=3i或p=5i；其中，i为正整数；混合极转子能在主气隙内产生p阶谐波和i阶谐波。本发明能有效地提高空间利用率和功率密度；每极励磁磁动势能同时作用于多个铁心极；交流励磁绕组的利用率和调磁效率均得到有效提高。

权利要求

1.一种基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机，其特征在于：包括外定子、混合极转子、内定子、电枢绕组和交流励磁绕组；

外定子、混合极转子和内定子从外至内依次同轴设置，混合极转子和外定子之间具有主气隙，混合极转子与内定子之间具有副气隙；

电枢绕组绕设在外定子的定子槽中，电枢绕组的极对数等于p；

交流励磁绕组绕设在内定子的定子槽中，交流励磁绕组的极对数等于i，且p=5i；其中，i为正整数；

混合极转子能在主气隙内产生p阶谐波和i阶谐波；

通过控制交流励磁绕组电流的直轴分量来提供励磁磁通，调节主气隙磁场的谐波含量，从而实现调磁和调压；

当交流励磁绕组中通入的直轴电流为负直轴电流时，主气隙磁场中产生的i阶谐波含量降低，p阶谐波含量增加，进而使得电枢绕组中的相磁链和相反电动势增加，实现增磁；当交流励磁绕组中通入的直轴电流为正直轴电流时，主气隙磁场产生的i阶谐波含量增加，p阶谐波含量降低，进而使得电枢绕组中的相磁链和相反电动势降低，实现弱磁；

通过调节外定子、内定子和混合极转子的内径比例，能获得所需要的调磁和输出能力。

2.根据权利要求1所述的基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机，其特征在于：混合极转子包括转子铁心、永磁极、铁心极和切向磁钢；

当p=5i时，永磁极的数量为4i个，切向磁钢的数量为2i个；2i个切向磁钢沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个切向磁钢充磁方向沿周向相反；相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上内置两个极性相同的永磁极，两个极性相同的永磁极之间形成一个铁心极；切向磁钢与相邻的永磁极之间各形成一个铁心极。

3.根据权利要求2所述的基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机，其特征在于：每个永磁极中的永磁铁均为表贴式永磁铁。

4.根据权利要求2所述的基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机，其特征在于：每个永磁极中的永磁铁均为内置式永磁铁，每个内置式永磁铁均为“一”字型、V型、W型和U型中的一种或多层混合型。

5.根据权利要求2所述的基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机，其特征在于：每个切向磁钢的顶部和底部均设置有机械连接桥。

6.根据权利要求1所述的基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机，其特征在于：当交流励磁绕组中通入直轴电流时，产生的电励磁磁通路径为：内定子铁心→副气隙→转子铁心轭部→铁心极→主气隙→外定子铁心→主气隙→铁心极→转子铁心轭部→副气隙→内定子铁心。

7.根据权利要求1所述的基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机，其特征在于：能电动运行和发电运行。

说明书

基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机

技术领域

[0001] 本发明涉及电机设计和制造领域，特别是一种基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机。

背景技术

[0002] 由于具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点，永磁电机不仅在工业领域和家用电器得到广泛应用，而且在电动汽车、船舶推进和航空航天上也极具竞争力。

[0003] 然而，永磁电机的弱磁是通过控制电枢绕组中的直轴电流分量（‑id）来实现，永磁体有着不可逆退磁的风险，且弱磁能力有限。而且，永磁电机在应用于船舰或航空电源等发电场合时，需要全功率的可控变换器来实现调压，系统重量和成本增加。

[0004] 具有两个磁势源（励磁绕组和永磁体）的混合励磁电机，不仅具有电励磁电机磁场调节方便的优点，又具有永磁电机的高功率密度和高效率等优点。因此，混合励磁电机在需要宽转速或宽负载范围运行的场合有着重要的应用前景。

[0005] 对于常用的转子永磁型混合励磁电机，根据励磁电流的供电方式可分为：直流励磁型和交流励磁型。直流励磁型混合励磁电机的无刷化设计通常需要借助三维磁路或旋转整流器，结构复杂，旋转整流器在高速高温下的适应性差。而交流励磁型混合励磁电机的无刷化简单可靠，通过在交流绕组中通入直轴电流，就可以产生与转子同步旋转的励磁磁场。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机，该基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机能有效地提高空间利用率和功率密度；每极励磁磁动势能同时作用于多个铁心极；交流励磁绕组的利用率和调磁效率均得到有效提高。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0008] 一种基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机，包括外定子、混合极转子、内定子、电枢绕组和交流励磁绕组。

[0009] 外定子、混合极转子和内定子从外至内依次同轴设置，混合极转子和外定子之间具有主气隙，混合极转子与内定子之间具有副气隙。

[0010] 电枢绕组绕设在外定子的定子槽中，电枢绕组的极对数等于p。

[0011] 交流励磁绕组绕设在内定子的定子槽中，交流励磁绕组的极对数等于i，且p=3i或p=5i；其中，i为正整数。

[0012] 混合极转子能在主气隙内产生p阶谐波和i阶谐波。

[0013] 混合极转子包括转子铁心、永磁极、铁心极和切向磁钢。

[0014] 当p=3i时，永磁极的数量为2i个，切向磁钢的数量为2i个；2i个切向磁钢沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个切向磁钢充磁方向沿周向相反；相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上内置一个永磁极；每个永磁极与相邻的切向磁钢之间形成一个铁心极；相邻两个永磁极充磁方向相反。

[0015] 当p=5i时，永磁极的数量为4i个，切向磁钢的数量为2i个；2i个切向磁钢沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个切向磁钢充磁方向沿周向相反；相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上内置两个极性相同的永磁极，两个极性相同的永磁极之间形成一个铁心极；切向磁钢与相邻的永磁极之间各形成一个铁心极。

[0016] 每个永磁极中的永磁铁均为表贴式永磁铁。

[0017] 每个永磁极中的永磁铁均为内置式永磁铁，每个内置式永磁铁均为“一”字型、V型、W型和U型中的一种或多层混合型。

[0018] 每个切向磁钢的顶部和底部均设置有机械连接桥。

[0019] 通过控制交流励磁绕组电流的直轴分量来提供励磁磁通，调节主气隙磁场的谐波含量，从而实现调磁和调压。

[0020] 当交流励磁绕组中通入直轴电流时，产生的电励磁磁通路径为：内定子铁心→副气隙→转子铁心轭部→铁心极→主气隙→外定子铁心→主气隙→铁心极→转子铁心轭部→副气隙→内定子铁心。

[0021] 当交流励磁绕组中通入的直轴电流为负直轴电流时，主气隙磁场中产生的i阶谐波含量降低，p阶谐波含量增加，进而使得电枢绕组中的相磁链和相反电动势增加，实现增磁；当交流励磁绕组中通入的直轴电流为正直轴电流时，主气隙磁场产生的i阶谐波含量增加，p阶谐波含量降低，进而使得电枢绕组中的相磁链和相反电动势降低，实现弱磁。

[0022] 通过调节外定子、内定子和混合极转子的内径比例，能获得所需要的调磁和输出能力。

[0023] 能电动运行和发电运行。

[0024] 本发明具有如下有益效果：

[0025] 1、本发明的电枢绕组和交流励磁绕组分别位于两个定子上，降低了单定子结构中两套绕组的相互约束（单定子中槽面积一定，励磁绕组的占比越大，调磁性能越好；但同时电枢绕组的占比降低，功率密度降低）。交流励磁绕组位于内定子上，有效地提高了空间利用率和功率密度。

[0026] 2、本发明的电枢绕组的极对数为交流励磁绕组的极对数的奇数倍，励磁绕组产生的每极磁动势可以同时调节多个铁心极对应的主气隙磁通（如实例1，交流励磁绕组产生4极励磁磁动势，每极励磁磁动势同时作用于两个铁心极。对于p=5i的混合极转子，每极励磁磁动势同时作用于三个铁心极）。

[0027] 3、每极励磁磁动势是直接作用于转子铁心轭部（转子铁心轭部截面积大于铁心极的截面积，且转子铁心轭部和铁心极都具有高磁导特征），再而传导至铁心极和主气隙。因而，交流励磁绕组的利用率和调磁效率均得到有效提高。

附图说明

[0028] 图1为实施例1中基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机的结构图。

[0029] 图2为实施例1中单独永磁工作模式下的磁力线分布示意图（半模型）。

[0030] 图3为实施例1中单独永磁工作模式下的主气隙磁密分布示意图。

[0031] 图4为实施例1中单独电励磁工作模式下的磁力线分布示意图（半模型）。

[0032] 图5为实施例1中混合励磁（增磁）工作模式下的主气隙磁密分布示意图。

[0033] 图6为实施例1中主气隙磁密成分对比示意图。

[0034] 图7为实施例1中电枢绕组相磁链分析示意图。

[0035] 图8为实施例1中电枢绕组相反电动势示意图。

[0036] 图9为实施例2中基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机的结构图。

[0037] 其中有：

[0038] 10.外定子铁心；11.电枢绕组；

[0039] 20.内定子铁心；21.交流励磁绕组；

[0040] 30.转子铁心；31.永磁极；32.铁心极；33.切向磁钢。

具体实施方式

[0041] 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。

[0042] 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。

[0043] 实施例1以三相，Ns1=36，Ns2=12，p=3i，i=2为例

[0044] 如图1所示，一种基于混合极转子的定子分区式交流励磁型混合励磁无刷电机，包括外定子、混合极转子、内定子、电枢绕组11和交流励磁绕组21。

[0045] 外定子、混合极转子和内定子从外至内依次同轴设置，混合极转子和外定子之间具有主气隙，混合极转子与内定子之间具有副气隙。

[0046] 外定子包括外定子铁心10，外定子铁心的定子槽数优选为Ns1=36，电枢绕组绕设在外定子的定子槽中，电枢绕组的极对数等于p。电枢绕组包括A、B、C三相绕组，其中A相可由A1、A2、A3、A4、A5、A6线圈串联而成，也可由它们串并联而成；B相和C相以此类推。

[0047] 内定子包括内定子铁心20，内定子铁心的定子槽数优选为Ns2=12，交流励磁绕组绕设在内定子的定子槽中，交流励磁绕组的极对数等于i，且p=3i或p=5i；其中，i为正整数。

[0048] 在本实施例1中，优选i=2，p=3i=6。作为替换，p也可拓展为i的其他奇数倍。

[0049] 混合极转子能在主气隙内产生p阶谐波和i阶谐波。

[0050] 混合极转子包括转子铁心30、永磁极31、铁心极32和切向磁钢33。

[0051] 上述转子铁心、外定子铁心和内定子铁心均采用导磁材料。

[0052] 当p=3i时，永磁极的数量为2i个，切向磁钢的数量为2i个；2i个切向磁钢沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个切向磁钢充磁方向沿周向相反；相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上内置一个永磁极；每个永磁极与相邻的切向磁钢之间形成一个铁心极；相邻两个永磁极充磁方向相反。

[0053] 当p=5i时，永磁极的数量为4i个，切向磁钢的数量为2i个；2i个切向磁钢沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个切向磁钢充磁方向沿周向相反；相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上内置两个极性相同的永磁极，两个极性相同的永磁极之间形成一个铁心极；切向磁钢与相邻的永磁极之间各形成一个铁心极。

[0054] 在本实施例1中，如图1所示，p=6，永磁极的数量为4个，切向磁钢的数量也为4个，每个永磁极中的永磁铁均优选为表贴式永磁铁。

[0055] 每个切向磁钢的顶部和底部均设置有机械连接桥，机械连接桥的径向厚度很薄，仅需保证转子铁心机械上的连接，且避免切向磁钢受转子离心力而脱落即可。

[0056] 永磁极和切向磁钢，在单独工作模式下的磁力线分布如图2所示，在主气隙中产生的气隙磁密分布如图3所示。

[0057] 当交流励磁绕组中通入直轴电流时，可以产生与转子同步旋转的励磁磁场，如图4所示，产生的电励磁磁通路径为：内定子铁心→副气隙→转子铁心轭部→铁心极→主气隙→外定子铁心→主气隙→铁心极→转子铁心轭部→副气隙→内定子铁心。

[0058] 本发明通过控制交流励磁绕组电流的直轴分量（即励磁分量）来提供励磁磁通，调节主气隙磁场的谐波含量，从而实现调磁和调压。

[0059] 具体调磁方式为：

[0060] A、增磁：当交流励磁绕组中通入的直轴电流为负直轴电流时，电励磁在铁心极对应气隙所产生的磁通方向与相邻永磁极在该永磁极对应气隙所产生的磁通方向相反，主气隙磁场中产生的i阶（也即2阶）谐波含量降低，p阶（6阶）谐波含量增加（对比图3、5和6可知），进而使得电枢绕组中的相磁链和相反电动势增加（分别如图7和8所示），实现增磁。

[0061] B、弱磁：当交流励磁绕组中通入的直轴电流为正直轴电流时，主气隙磁场产生的i阶谐波含量增加，p阶谐波含量降低，进而使得电枢绕组中的相磁链和相反电动势降低，实现弱磁。

[0062] C、可根据不同应用场合和要求，灵活调节定子和转子的内径比例来获得需要的调磁和输出能力。

[0063] 实施例2

[0064] 基本与实施例1相同，不同点在于：如图9所示，每个永磁极中的永磁铁均为内置式永磁铁，每个内置式永磁铁均可以为“一”字型、V型、W型和U型等，也可以为多层混合型。

[0065] 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。