混合勵磁型永磁磁通切換電機的製作方法
2023-06-10 15:16:26
專利名稱：混合勵磁型永磁磁通切換電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及定子混合勵磁電機領域，具體是一種混合勵磁型永磁磁通切換電機。
背景技術：
永磁同步電機利用永磁材料代替勵磁繞組，與傳統直流電機、異步電機和開關磁 阻電機相比，不存在勵磁銅耗，具有功率密度大、效率高等優點。但由於將永磁體放置在轉 子上，需要在轉子上安裝相應的固定裝置，引起冷卻困難，而溫升可能會最終導致永磁體發 生不可逆退磁，限制了電機出力。1992年Lipo提出的雙凸極永磁電機、1996年I. Boldea提出的磁通反向電機和 1997年E. Hoang提出的磁通切換型永磁電機都屬於定子永磁型雙凸極結構電機，轉子由矽 鋼片疊成，結構簡單可靠，永磁體和電樞繞組均安置在定子上，易於散熱冷卻。目前的研究 成果表明這三種電機都具有高功率密度、高效率等優點。永磁雙凸極電機每相磁鏈為單極 性，而且磁鏈的諧波含量較高；磁通反向電機磁鏈特性為雙極性，但電樞磁通和永磁磁通是 串聯的，存在著永磁體發生不可逆退磁的危險。所謂磁通切換電機，是指隨著轉子位置的變 化，激磁磁通切換其路徑，使得定子繞組內磁鏈的大小和方向均發生變化，從而產生交變的 電勢。磁通切換型永磁電機中切向安置的永磁體能產生聚磁效應，而且每相永磁磁鏈為雙 極性，且磁鏈和反電勢波形都接近正弦分布，轉矩密度和功率密度相對更高。永磁式磁通切換型電機中僅有永磁磁勢源，存在氣隙磁場難以調節的固有問題， 雖然通過電樞電流矢量控制可以進行調磁，但調磁範圍存在很大的局限性，限制了在寬調 速驅動系統場合的研究應用。
發明內容
本發明提出了一種混合勵磁型永磁磁通切換電機，在永磁磁通切換電機中加入電 勵磁磁勢源，通過改變勵磁電流的大小和方向，實現了氣隙磁場的有效調節與控制，同時具 有較強的電機短路電流抑制能力。本發明的混合勵磁型永磁磁通切換電機包括定子、永磁體、三相電樞繞組、單相 勵磁繞組和凸極式的轉子；轉子上既無永磁體也無繞組；定子包括沿圓周分布的12個U 型鐵心，以及依次循環連接各U型鐵心為一整體的第一鐵心連接磁橋、第二鐵心連接磁橋； 各U型鐵心的兩個U型臂為定子齒，且所述第一鐵心連接磁橋連接在相應的兩個相鄰U型 壁的底端邊緣；所述永磁體設於第一鐵心連接磁橋內側的兩個相鄰的U型臂之間；所述三 相電樞繞組包括6個沿圓周均勻分布的電樞線圈，各電樞線圈分別套於與所述永磁體相鄰 的U型臂上，其中，徑向相對的兩個電樞線圈串聯後構成一相電樞繞組；所述單相勵磁繞組 包括6個勵磁線圈，各勵磁線圈分別繞制在各第二鐵心連接磁橋上，各勵磁線圈依序首尾 串聯。進一步，所述第二鐵心連接磁橋將所連接的兩個相鄰U型臂之間的空間分割為 內、外空槽，各外空槽中的勵磁線圈的通電極性一致，各內空槽中的勵磁線圈的通電極性與所述外空槽中的勵磁線圈的通電極性相反。作為進一步優化的實施方式，內、外空槽的體積相等，確保在有限的空間內使所述勵磁線圈的安匝數達最大值。進一步，所述永磁體是同時針切向充磁的鐵氧體或者釹鐵硼永磁磁鋼。進一步，定子和凸極式轉子均由矽鋼片疊壓而成。進一步，第二鐵心連接磁橋為主磁通通路的一部分，降低其徑向厚度適於提高永 磁磁勢利用率，增加其徑向厚度適於提高調磁係數。進一步，所述轉子的轉子凸極數為10，且上述定子的定子齒數為24，即定子齒數 與轉子凸極數的比為24 10，適於使本發明的電機兼顧磁鏈波形的諧波含量和徑向不對 稱力。隨著轉子位置的改變，轉子極與不同的定子齒對齊，穿過各個集中電樞線圈的磁 通方向就會發生改變，從而產生磁通切換效應，由此每相電樞繞組所匝鏈的磁鏈為雙極性。氣隙磁場由單相勵磁繞組產生的電勵磁磁場和永磁體產生的磁場共同構成，通過 改變勵磁電流來調節氣隙磁場，從而提高電機的轉速運行範圍和調磁能力。電勵磁磁力線 經第二鐵心連接磁橋閉合，相對於不採用第二鐵心連接磁橋閉合電勵磁磁力線的方案，可 相應減少電勵磁線圈的安匝數，由此降低電勵磁銅損。本發明的混合勵磁磁通切換電機具有的積極技術效果(1)永磁磁勢源和電勵磁 磁勢源共同作用合成氣隙磁場，通過改變勵磁電流調節氣隙磁場，增強了電機的可控性；電 樞繞組和勵磁繞組間隔排布在不同的定子槽中，該排列方式有利於增加電樞繞組自感並降 低電樞繞組互感，可有效抑制電機短路電流。(2)定子齒的齒數為永磁體塊數的4倍，因此所需永磁體塊數較少；(3)本發明的 電機中，由於矽鋼片的磁導率大於空氣和永磁體，因此電勵磁磁力線經由鐵心連接磁橋閉 合，採用較少的電勵磁安匝數就能達到較好的調磁效果，相應的電勵磁銅損耗也較小。(4)轉子為凸極結構，轉子上沒有永磁體和繞組，結構簡單、堅固，電機冷卻方便； (5)保留了永磁磁通切換電機每相磁鏈雙極性，具有磁鏈諧波含量較低的優點；(6)定子衝 片通過鐵心連接磁橋成為一個整體，便於加工。
圖1是本發明混合勵磁型永磁磁通切換電機的結構示意圖，圖中箭頭方 向為永磁體充磁方向。圖中標號名稱1一定子，2--永磁體，3—三相電樞繞組，311-第 一電樞線圈，312—第二電樞線圈，321—第三電樞線圈，322—第四電樞線圈，331—第五電 樞線圈，332-第六電樞線圈，4一單相勵磁繞組，401-第一勵磁線圈，402-第二勵磁線 圈，403-第三勵磁線圈，404-第四勵磁線圈，405-第五勵磁線圈，406-第六勵磁線圈， 5—轉子，6—第一鐵心連接磁橋，7—第二鐵心連接磁橋，8—定子齒；圖2是本發明混合勵 磁型永磁磁通切換電機的氣隙徑向磁密分布圖；圖3是本發明電機中的第二鐵心連接磁橋 的徑向厚度減半時的氣隙徑向磁密分布圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步描述如圖1所示，本發明的混合勵磁型永磁磁 通切換電機包括定子1和轉子5，具有10個凸極的轉子5位於定子1的內部 』轉子5由齒槽 式鐵心疊片構成，無繞組和永磁體；在定子1上設置有三相電樞繞組3、單相勵磁繞組4和6 塊永磁體2。
定子1包括12個U型定子鐵心，以及依次循環連接各U型鐵心的第一鐵心連接 磁橋6、第二鐵心連接磁橋7 ；各U型鐵心的兩個U型臂為定子齒8，故而定子齒8的齒數為 永磁體塊數的4倍；定子U型鐵心通過鐵心連接磁橋成為一個整體，便於加工。永磁體2設於第一鐵心連接磁橋6內側的兩個相鄰的U型臂之間，永磁體2是沿 同時針切向充磁的鐵氧體或者釹鐵硼永磁磁鋼。電樞繞組3的A相電樞繞組由第一電樞線圈311和第二電樞線圈312構成，且第 一電樞線圈311與第二電樞線圈312在圓周上徑向相對；電樞繞組3的B相電樞繞組由在 圓周上徑向相對的第三電樞線圈321和第四電樞線圈322構成；電樞繞組3的C相電樞繞 組由在圓周上徑向相對的第五電樞線圈331和第六電樞線圈332構成；各電樞線圈分別套 於與相應的永磁體2相鄰的U型臂上，且每相電樞繞組中的兩個電樞線圈依次首尾串聯。單相勵磁繞組4由第一勵磁線圈401、第二勵磁線圈402 、第三勵磁線圈403、第四 勵磁線圈404、第五勵磁線圈405、第六勵磁線圈406依次順序首尾串聯而成，各勵磁線圈繞 制在第二鐵心連接磁橋7上。所述第二鐵心連接磁橋7將所連接的兩個相鄰U型臂之間的 空間分割為內、外空槽，外空槽中的勵磁線圈的通電極性一致，內空槽中的勵磁線圈通電極 性一致。當電機的轉子5在圖1所示位置時，A相電樞繞組中的第一電樞線圈311和第二 電樞線圈312中的永磁磁通數值最大。假設永磁體2為如圖1所示的沿順時針切向充磁，此時若通過單相勵磁繞組4施 加如圖1所示極性的勵磁電流，各第二鐵心連接磁橋中的電勵磁磁力線方向與永磁體磁力 線方向切向相斥，氣隙中電勵磁磁勢與永磁磁磁勢疊加產生聚磁效應，第一電樞線圈311 和第二電樞線圈312中匝鏈的磁通增加，進而提高感應電動勢；如果改變勵磁電流方向，第 一電樞線圈311和第二電樞線圈312中匝鏈的磁通減少，進而降低感應電動勢。第一鐵心連接磁橋6僅起連接U型鐵心的作用，在保證其連接強度的前提下，其徑 向厚度可取最小值。第二鐵心連接磁橋7除了起連接U型鐵心的作用，還是主磁通通路的 一部分，降低其徑向厚度適於提高永磁磁勢利用率；增加其徑向厚度適於提高電勵磁磁勢 利用率，實際應用中可依據所需調磁係數，適當選取第二鐵心連接磁橋7的徑向厚度。圖2給出了轉子5在圖1所示位置時，永磁體2單獨工作和電勵磁增磁狀態的氣 隙徑向磁密分布圖。加入電勵磁後，氣隙磁密由0. 93T增加到1. 75T，調磁係數為1. 88，仿 真結果反應了勵磁電流對氣隙磁場的調節作用。圖3給出了電勵磁安匝數不變，第二鐵心連接磁橋7的徑向厚度減半時的氣隙徑 向磁密分布圖。當第二鐵心連接磁橋7的徑向厚度降低一半，永磁體2單獨工作時的氣隙 磁密由0. 93T增加到113T ；混合勵磁工作時的氣隙磁密由1. 75T降為1. 25T，相應調磁係數 由1. 88降為1. 11。圖2和圖3的對比結果顯示降低第二鐵心連接磁橋厚度適於提高永磁磁勢利用 率，增加其厚度適於提高電勵磁磁勢調磁係數。
權利要求
一種混合勵磁型永磁磁通切換電機，其特徵在於包括定子(1)、永磁體(2)、三相電樞繞組(3)、單相勵磁繞組(4)和凸極式的轉子(5)；轉子(5)上既無永磁體也無繞組；定子(1)包括沿圓周分布的12個U型鐵心，以及依次循環連接各U型鐵心為一整體的第一鐵心連接磁橋(6)、第二鐵心連接磁橋(7)；各U型鐵心的兩個U型臂為定子齒(8)，且所述第一鐵心連接磁橋(6)連接在相應的兩個相鄰U型壁的底端邊緣；所述永磁體(2)設於第一鐵心連接磁橋(6)內側的兩個相鄰的U型臂之間；所述三相電樞繞組(3)包括6個沿圓周均勻分布的電樞線圈，各電樞線圈分別套於與所述永磁體(2)相鄰的U型臂上，其中，徑向相對的兩個電樞線圈串聯後構成一相電樞繞組；所述單相勵磁繞組(4)包括6個勵磁線圈，各勵磁線圈分別繞制在各第二鐵心連接磁橋(7)上，各勵磁線圈依序首尾串聯。
2.根據權利要求1所述的混合勵磁型永磁磁通切換電機，其特徵在於所述的各永磁 體(2)是同時針切向充磁的鐵氧體或者釹鐵硼永磁磁鋼。
3.根據權利要求1所述的混合勵磁型永磁磁通切換電機，其特徵在於所述第二鐵心 連接磁橋(7)將所連接的兩個相鄰U型臂之間的空間分割為內、外空槽，各外空槽中的勵磁 線圈的通電極性一致，各內空槽中的勵磁線圈的通電極性與所述外空槽中的勵磁線圈的通 電極性相反。
4.根據權利要求1所述的混合勵磁型永磁磁通切換電機，其特徵在於所述定子(1) 和凸極式轉子(5)均由矽鋼片疊壓而成。
5.根據權利要求1所述的混合勵磁型永磁磁通切換電機，其特徵在於所述第二鐵心 連接磁橋(7)為主磁通通路的一部分，降低其徑向厚度適於提高永磁磁勢利用率，增加其 徑向厚度適於提高調磁係數。
全文摘要
本發明公開了一種混合勵磁型永磁磁通切換電機，包括永磁體、三相電樞繞組、單相勵磁繞組安置在定子上，定子齒數為永磁體塊數的4倍，轉子部分為凸極結構，轉子上既無繞組也無永磁體，機械強度高，適合高速運行。氣隙磁場由勵磁繞組產生的電勵磁磁場和永磁體產生的磁場共同構成，通過改變勵磁電流實現氣隙磁場靈活調節。本發明的電勵磁磁力線經由鐵心連接磁橋閉合，有利於減小電勵磁安匝數，降低了電勵磁銅損；電樞繞組和勵磁繞組間隔排布在不同的定子槽中，有利於增加電樞繞組自感並降低繞組互感，可有效抑制電機短路電流。
文檔編號H02K1/24GK101820192SQ20101017667
公開日2010年9月1日 申請日期2010年5月19日 優先權日2010年5月19日
發明者許澤剛, 謝少軍 申請人:常州工學院