CN108631463B - 一种多边励磁永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多边励磁永磁电机，转子装配多个永磁体磁极，定子绕组包括电枢绕组和辅助绕组，辅助绕组还连接有用于产生具有可控相位和频率的脉冲电流的控制电路，根据永磁体磁极的即时位置的信号，控制电路输出信号以控制脉冲电流的通断时刻和/或相位，使得辅助绕组励磁磁场增加或减小电枢绕组元件的磁链及其变化率，从而提高电机的输出功率和运行效率或实现电机的弱磁运行。这种弱磁方法避免了转子励磁滑环导致的可靠性问题，对磁钢也不产生影响，保证了电机的可靠运行。同时，还不会增加转子磁路损耗，增磁或弱磁的效果更优。本发明特别适用于电机弱磁运行和发电运行，也适合低速直接驱动。

Description

一种多边励磁永磁电机

技术领域

本发明涉及电机领域，具体涉及永磁电机。

背景技术

永磁电机具有高效率、高功率密度、结构简单以及运行可靠等诸多优点。因此，永磁电机在工业、民用、军事以及航空航天等领域中应用非常广泛，如用作为电动汽车用驱动电机、空调压缩机、风力发电机、移动供电电源以及航天飞行器中的发电机。但是，对于永磁电机而言，气隙主磁场由永磁体产生，永磁体的性能决定了气隙磁场，其气隙磁密受到硅钢片最大磁密(如1.2T)的限制，使得永磁电机的气隙磁场难以调节。当永磁电机作发电机使用时，其端电压会随负载大小、负载性质或者原动机转速等因素变化而变化，从而影响永磁发电；当永磁电机作电动机使用时，难以获得宽广的调速范围。因此，永磁电机气隙磁场难以调节的缺点，在一定程度上限制了永磁电机的广泛应用和推广。

近年来，永磁电机开始应用于电动汽车和一些重载设备上，对电机提出了更高的要求：既要求能在高转速下运行，又要求低速时能够提供大转矩。由于永磁电机的特性是一种恒转矩特性，难以同时满足大调速范围和大转矩的要求。因此，人们提出了各种混合励磁设想，发明了多种结构形式的混合励磁电机，以解决低速大扭矩、高速恒功率的问题。但这些混合励磁电机在永磁电机的效率、扩大永磁电机的调速范围等性能还有待改善。

例如，车辆牵引用永磁电机调速运行时，需要电机输出恒功率特性，电机在基速以上，反电势高于供电直流电压，导致电机无法输出功率，需要通过减小磁场的方法保证电机绕组注入电流，称弱磁控制。对于永磁电机，通常通过电机绕组供电的相位角提前，从而削弱气隙磁场，但这种方法由于通过绕组产生的电枢电流削弱磁场，弱磁程度相对小，磁钢的性能和电机运行稳定性受到影响。也有人提出在磁钢侧(电机转子上)设置励磁绕组，控制励磁绕组电流，削弱气隙磁场，称为复合励磁技术。如图14所示的一种电机，包括定子和转子，其中，定子包括定子铁芯141和定子绕组，定子绕组相应导体145设在定子开口槽内；转子包括转子铁芯144、N极和S极交替排列的磁极，在相邻的两个磁极之间设有开口槽，励磁绕组的导体142、143设在开口槽内，τ为极距，磁力线只穿过相邻的两个极。由于电机的励磁绕组设置在转子上，因此，需要通过滑环将电源接入励磁绕组，这样一来，转子旋转通过滑环通电，其可靠性大大降低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多边励磁永磁电机，在气隙磁密发生极性突变的区域，通过对定子辅助绕组施加励磁电流脉冲产生辅助磁场，在不增加转子磁路损耗的情况下，有效加强或减弱电机主磁场，以大大提高输出瞬时功率或实现可靠的弱磁运行，特别适用于电机弱磁运行和发电运行，也适合低速直接驱动。

一种多边励磁永磁电机，包括转子组件和定子组件，其中，所述转子组件装配有多个永磁体磁极，所述永磁体磁极按N极和S极交替排列，相邻的永磁体磁极N极与永磁体磁极S极之间设有间隙；所述定子组件包括定子铁心和定子绕组；其中，

所述定子绕组包括电枢绕组(又称主绕组)和辅助绕组(又称励磁绕组)，所述辅助绕组还连接有用于产生具有可控相位和频率的脉冲电流的控制电路，根据所述永磁体磁极的即时位置的信号，所述控制电路输出信号以控制脉冲电流的通断时刻和/或相位：当电枢绕组导体处于所述相邻的永磁体磁极N极和S极的间隙区域，向辅助绕组注入可控相位和频率的脉冲电流，所述辅助绕组所产生磁场中主磁路相当于所述电枢绕组的漏磁路，即所述辅助绕组所产生的磁场的大部分对电枢绕组产生影响(在电枢绕组中感应出电势)。

所述永磁体磁极的即时位置的信号，可以采用各种方式来获取并传输给所述控制电路。

在本发明的一些具体实例中，所述永磁体磁极的即时位置的信号根据所输出的绕组导体电势波形获得：在所述绕组导体电势波形中，相邻的两个零电势分别对应于电枢绕组导体经过相邻的N磁极和S磁极。

在本发明的另一些具体实例中，所述永磁体磁极的即时位置的信号由转子位置传感器检测并提供。即，所述定子组件还包括转子位置传感器，所述转子位置传感器用于检测所述永磁体磁极的即时位置，并将检测到的所述永磁体磁极的即时位置的信号传输给所述控制电路。

本发明中，所述转子位置传感器可以采用旋转变压器或霍尔元件(霍尔位置传感器)，检测导体电势换向过程中磁极位置，准确控制辅助绕组电流脉冲时刻。该传感器的位置信号用于控制辅助绕组的通电与关断时刻。

根据本发明的再一些具体实例，当所述定子组件为有槽定子时，定子槽的数量是所述永磁体磁极的数量的整数倍，优选为2～4倍。比如说转子40极，定子采用120槽。

根据本发明的再一些具体实例，当所述定子组件为无槽定子时，分布在定子铁心的电枢绕组的导体数量是所述永磁体磁极的数量的整数倍，优选为2～4倍。

按照这样来配合设计转子极数和绕组分布，可以使得转子转过一个极，有多个导体按时序出现由磁脉冲引起的电势脉冲。槽内导体按相数分配，串联后形成一个相绕组，该相绕组会在转子转过一个极的过程中，产生多个电势脉冲，并进一步拟合后形成正弦波。

进一步，优选所述转子组件中永磁体磁极的数量为40个以上。

本发明中，所述永磁体为永久磁钢。所述永久磁钢为硬磁材料磁体、软磁材料磁体、或者由硬磁材料磁体与软磁材料磁体构成的复合磁体。

根据本发明的又一些具体实例，所述定子组件为有槽定子，所述定子槽口宽度小于相邻的所述永磁体磁极N极和S极的间隙宽度，且大于相邻的所述永磁体磁极N极和S极的间隙宽度的1/3。

采取上述的相邻所述的永磁体磁极N极和S极的间隙宽度的设置，能够最大程度地利用气隙磁密发生极性突变的区域(也是磁密最小的区域，对应转子相邻N-S之间的间隙区域)所产生的磁场，当电枢绕组导体处于气隙磁密发生极性突变的区域，向所述辅助绕组注入可控相位和频率的脉冲电流，所述辅助绕组所产生磁场中主磁路相当于所述电枢绕组的漏磁路，即所述辅助绕组所产生的磁场的大部分对电枢绕组产生影响(在电枢绕组中感应出电势)，可瞬间加强或削弱电枢绕组磁链，从而实现定子励磁提高功率输出或弱磁效果。

此外，还可通过连接能量转换单元来收集电枢绕组的杂散能量，提升能量转换效率，从而进一步强化定子励磁提高功率输出或弱磁效果。所述能量转换单元包括：二极管以及与所述二极管串联的电容。

在本发明的再一些具体实例中，所述定子组件为有槽定子，电枢绕组由一组或多组串联连接的线圈组成，同一组线圈在同一个定子槽内的导体布置至少为1层，且每层并排的导体数不超过2，同时，至少一个定子槽内，超过1层的导体属于同一组线圈。所述定子槽口宽度小于相邻的所述永磁体磁极N极和S极的间隙宽度，且大于相邻的所述永磁体磁极N极和S极的间隙宽度的1/3。当定子槽内设置多组串联连接的线圈时，与能量转换单元连接后获得连续的脉冲电能。

本发明中，所述多边励磁电机的辅助绕组，可以根据对电枢绕组的控制要求被分成若干组，而对于每一组的辅助绕组可以各自进行供电及控制，用于实现不同时刻的通断。在发电机运行状态，供电电源可以由发电机输出绕组经整流后的直流电供电；在电动机运行状态，供电电源可由电动机供电电源经整流(或专门电池)供电。

本发明中，所述多边励磁电机的辅助绕组，通过与其相连接的控制电路来调节电流，从而控制其脉冲电流幅值。该电流具有绕组正反向充电、绕组幅值控制、绕组放电等功能。通过辅助绕组的电流控制，实现定子侧励磁，实现对电枢绕组磁链的增强或削弱，以提高输出瞬时功率或实现弱磁运行。在发电机运行状态，通过调节辅助绕组的电流，实现输出稳压控制(适应负载变化的需要)；在电动机工作方式，通过调节辅助绕组的电流，实现恒转矩输出和恒功率输出。

本发明中，所述多边励磁电机的辅助绕组，其脉冲电流的起始时间和电枢绕组导体与永磁体磁极的相对位置有关。在电枢绕组导体处于转子永磁体磁极N-S间隙区域，导体反电势处于换向(电枢绕组反电势发生突变)期间的范围内，向辅助绕组注入可控相位和频率的脉冲电流，电枢绕组回路发生过渡过程，通过控制该辅助绕组的脉冲相位和频率，能够使得电机的电枢绕组的漏电抗与匝间电容之间形成谐振，通过谐振，不仅将电枢绕组磁链能量输出，也可将漏磁链能量、匝间电容能量等杂散电磁能量转化为输出电能，从而进一步提高电机功率输出。

本发明的多边励磁电机，转子装配永久磁钢(或软磁材料磁体)，定子绕组包括电枢绕组和辅助绕组，并可同时装配转子位置传感器。在电机运行中，根据永磁体磁极的即时位置的信号，控制辅助绕组通电时刻和电流，加强或减弱电机磁场(电枢绕组磁链)，以提高输出瞬时功率或实现弱磁运行。具体来说，在气隙磁密发生极性突变的区域(也是磁密最小的区域，对应转子相邻N-S之间的间隙区域)，对定子辅助绕组施加励磁电流脉冲，辅助绕组所产生的磁场中主磁路相当于所述电枢绕组的漏磁路，即辅助绕组所产生的磁场中的大部分对电枢绕组产生影响(在电枢绕组中感应出电势)：当产生的辅助磁场加强电枢绕组产生的电机主磁场时，可瞬间提高电枢绕组导体周围的磁链及其变化率，从而提高电机绕组电势以提高功率输出；当产生的辅助磁场削弱电枢绕组产生的电机主磁场时，可以实现永磁电机弱磁运行。由于辅助绕组产生的磁场中主磁路相当于电枢绕组的漏磁路，不会增加转子磁路损耗，增磁或弱磁的效果更优。而且，这种弱磁方法既避免转子励磁滑环导致的可靠性问题，也对磁钢不产生影响，保证了电机可靠性问题。此外，向辅助绕组注入可控相位和频率的脉冲电流时，通过控制该辅助绕组的脉冲相位和频率，使得电机的电枢绕组的漏电抗与匝间电容之间形成谐振，实现对电枢绕组杂散能量的收集，能够进一步提高电机功率输出。本发明的电机结构和运行方式，采用定子和转子双边励磁，特别适用于电机弱磁运行和发电运行，也适合低速直接驱动，并具有高功率密度和高能效的优点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

与现有混合励磁电机不同，本发明是在永磁电机定子侧增加辅助绕组激磁，并对辅助绕组注入高频脉冲电流，使得辅助绕组所形成的磁场中主磁路相当于电枢绕组的漏磁路，并利用辅助绕组所形成的磁场增强或削弱电枢绕组磁场。采用本发明电机进行激磁，不会增加转子磁路损耗，增磁或弱磁的效果更优。而且，本发明电机弱磁运行时，既不会出现转子励磁滑环导致的可靠性问题，也不会对磁钢产生不良影响，从而保证了电机的可靠运行。

而且，不同于常规电机所利用的在稳态磁场条件下的电机设计和运行理论，本发明中着力于对于现有技术中通常忽略的磁极间隙区域和极力避免的“漏磁路”的利用，充分利用交流电机磁钢磁极交替处区域小且磁场突变大的特点，通过导体尺寸、磁场分布的优化和辅助磁场脉冲的控制来提升/削弱电枢绕组磁链及其变化率，大幅度提升电机整体功率密度。

此外，辅助绕组励磁对电枢绕组漏感和寄生电容形成的谐振电路实现激励，进一步提升能量转换效率；在电机电流不变的情况下，由于功率密度增加，电机损耗相对小，电机效率显著提高。

附图说明

图1为本发明的第一种多边励磁永磁电机的结构示意图。

图2为本发明的第一种多边励磁永磁电机中转子组件的结构示意图。

图3为本发明的第一种多边励磁永磁电机中定子组件的结构示意图。

图4为本发明的第二种多边励磁永磁电机中定子组件的结构示意图。

图5为本发明的第三种多边励磁永磁电机中定子组件的结构示意图。

图6为本发明的第一种多边励磁永磁电机中定子组件中绕组的整距波绕组的一种展开图。

图7为本发明的多边励磁永磁电机中永磁转子产生的磁场所对应的气隙磁场分布(实线为不考虑定子槽口影响的气隙磁场分布；虚线为考虑定子槽口影响的气隙磁场分布)。

图8为本发明的多边励磁永磁电机中永磁转子产生的磁场和定子辅助绕组激磁产生的磁场的分布。

图9为本发明的多边励磁永磁电机中电枢绕组导体电势波形图(不考虑定子槽口影响)。

图10为本发明的多边励磁永磁电机中电枢绕组导体电势波形图(考虑定子槽口影响)。

图11为本发明的多边励磁永磁电机中辅助绕组励磁脉冲电流波形示意图。

图12为本发明的多边励磁永磁电机中辅助绕组励磁脉冲电流的控制电路的结构示意图。

图13为本发明的多边励磁永磁电机中辅助绕组励磁脉冲电流充放电时刻示意图。

图14为现有技术的励磁永磁电机的示意图。

图15为一种能量转换单元的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明，以便于理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。应理解，下述的实施实例仅用于说明本发明，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

如图1～3所示，在本发明的一个具体实施例中，本发明的第一种多边励磁永磁电机(如图1所示)包括转子组件11(如图2所示)和定子组件12(如图3所示)。

转子组件11包括转子铁心22和多个瓦状磁体21，瓦状磁体21沿着转子铁心22的圆周表面均匀分布，并按N极和S极交替排列(即-N-S-N-S-N-S-)，相邻的N极永磁体13与S极永磁体14之间设有间隙。在间隙处存在N极对应的磁场突变区域15和S极对应的磁场突变区域16。瓦状磁体21采用径向磁化永磁体，永磁体材料可以为硬磁性或软磁性。

定子组件12包括定子铁心、定子绕组和转子位置传感器。其中，定子铁心包括冲片齿部33、冲片轭部34和开口直槽31，定子绕组包括电枢绕组和辅助绕组，分层排列在开口直槽31内的定子绕组导体32(即定子绕组对应导体)包括电枢绕组导体321(即电枢绕组对应导体)和辅助绕组导体322(即辅助绕组对应导体)。转子位置传感器在示意图中未示出，其按照现有永磁电机中的常规设置，用于检测永磁体磁极的即时位置。

辅助绕组还连接有用于产生具有可控相位和频率的脉冲电流的控制电路(图中未示出)，转子位置传感器将检测到的永磁体磁极的即时位置的信号传输给控制电路，控制电路输出信号控制脉冲电流的通断时刻和/或相位：

当电枢绕组导体321处于相邻的N极永磁体13与S极永磁体14的间隙区域，向与之相对应的辅助绕组导体322注入可控相位和频率的脉冲电流，辅助绕组所产生磁场中主磁路相当于电枢绕组的漏磁路，即辅助绕组所产生磁场的大部分对电枢绕组产生影响(在电枢绕组中感应出电势)。

具体来说，辅助绕组所产生磁场中主磁路为定子齿部-轭部-另一侧定子齿部-气隙-定子齿部，该磁路包围对应的电枢绕组导体321，而基本不经过气隙和转子；而电枢绕组的主磁路为定子齿部-定子轭部-另一侧定子齿部-气隙-转子轭部-气隙-定子齿部(或者说是从永磁磁极N极出发，经过气隙、定子齿部、定子轭部、定子齿部、气隙、永磁磁极S极、转子铁心，最后回到永磁磁极N极)，电枢绕组的漏磁路为定子齿部-定子轭部-另一侧定子齿部-气隙-定子齿部。

本领域技术人员可以理解，上述具体实施例中定子组件可以为采用各种不同类型的定子组件，从而应对各种不同的应用：比如，可以采取有槽定子和无槽定子，而有槽定子中既可以采取上述实施例中的直槽，也可以采取T型槽等。在图4至图5中示出了几种不同的定子组件的结构作为举例，以作进一步的说明。

如图4所示，在本发明的另一个具体实施例中，本发明的第二种多边励磁永磁电机仍然采用有槽定子组件，与第一种多边励磁永磁电机的区别仅在于其定子槽为T型槽41。图4中，与图3相同的部件采用相同的符号标记。

如图5所示，在本发明的另一个具体实施例中，本发明的第三种多边励磁永磁电机采用无槽定子组件。其定子组件包括：定子铁心、定子绕组和转子位置传感器，其中，定子绕组导体固定在定子铁心内，包括：相邻的电枢绕组导体321和辅助绕组导体322；转子位置传感器在示意图中未示出，其按照现有永磁电机中的常规设置，用于检测永磁体磁极的即时位置。

在图3～5所示的三种定子组件中，电枢绕组、辅助绕组的联结，采用波绕组型式。为了对绕组进行详细的说明，以下以图3所示的开口直槽的有槽定子组件为例，给出了一种整距波绕组的展开图，展示其任意层绕组联结关系特点，如图6所示。61、62为同层中2相的各相绕组，63、64、65、66为相邻四个槽中绕组某时刻的电势方向。图6是以电枢绕组的绕组方式进行说明，辅助绕组也可以是相同的绕法。

为方便起见，图6是以2相电机为例，实际上，上述绕组联结方式同样适用于3相多相电机。在此不再赘述。

同样，上述绕组联结方式也适用于如图4和图5所示的T型槽的有槽定子组件的绕组联结以及无槽定子组件的表面绕组导体联结。

本领域技术人员可以理解，如图3和图4所示的定子组件中，同时设置有电枢绕组导体321和辅助绕组导体322的定子槽，可以是全部定子槽，也可以是部分定子槽。关于部分定子槽的情况是，在部分定子槽中同时设置电枢绕组导体321和辅助绕组导体322，而在其他定子槽中只设置电枢绕组导体321。当然，这样的设置也适用于其它槽型的有槽定子。

本领域技术人员可以理解，如图3和图4所示的定子组件中，除了将辅助绕组导体322和电枢绕组导体321设置在同一个定子槽内，还可以在靠近每个定子槽(每个定子槽中均设有电枢绕组导体321)的旁边设置独立的槽或区域，用于安置辅助绕组导体322。当然，这里的定子槽，可以是所有定子槽，也可以是部分定子槽。关于部分定子槽的情况是：每个定子槽中均设有电枢绕组导体321；同时，对于一部分的定子槽，在靠近每个定子槽的旁边设置独立的槽或区域，用于安置辅助绕组导体322；而对于其他定子槽，则不在其旁边设置独立的槽或区域。当然，这样的设置也适用于其它槽型的有槽定子。

本领域技术人员可以理解，如图5所示的定子组件中，旁边(相邻)设置有辅助绕组导体322的电枢绕组导体321，可以是全部的电枢绕组导体321，也可是部分的电枢绕组导体321。具体来说，可以是：(1)对于所有电枢绕组导体，在靠近每个电枢绕组导体321的旁边(相邻)设置辅助绕组导体322；或者(2)对于部分电枢绕组导体，在靠近每个电枢绕组导体321的旁边(相邻)设置辅助绕组导体322；而对于其他电枢绕组导体，可以不在其旁边(相邻)设置辅助绕组导体322。

本领域技术人员可以理解，甚至还可以将电枢绕组导体321和辅助绕组导体322合二为一，例如，上段为电枢绕组导体321，下段为辅助绕组导体322。

实际上，只要电枢绕组和辅助绕组的设置，能够使得辅助绕组所产生的磁场中主磁路相当于电枢绕组的漏磁路，均是可行的，这样一来，当电枢绕组导体321经过一个磁极下方(如N极)向另一个相邻的极下方(S极)过渡的过程中，也即是电枢绕组导体321处于相邻的N极永磁体13与S极永磁体14的间隙区域时，通过向与该电枢绕组导体321对应的辅助绕组施加电流，并控制导通和关断时刻以及电流方向，产生辅助励磁脉冲磁场，由于该辅助励磁脉冲磁场中主磁路相当于电枢绕组的漏磁路，因此，可增强或削弱电枢绕组磁链，从而增强或减小电枢绕组导体的电势，进而提高电机的瞬时功率或实现弱磁运行。

为了更好地了解本发明的多边励磁永磁电机的工作原理，以下将对本发明的多边励磁永磁电机产生的磁场、相应的导体电势以及电流控制过程进行分析和说明，为方便理解，以下主要以如图1～3所示的第一种多边励磁永磁电机为例：

不考虑定子槽口对磁密的影响的话，上述永磁转子产生的磁场对应气隙磁场分布如图7中实线所示，在永磁体磁极交替区域(磁极对应的气隙区域)，存在磁场突变区域；但由于槽口比较大，对磁密分布有明显的影响，需要考虑定子槽口的影响，则该永磁转子产生的磁场对应气隙磁场分布如图7中虚线所示。

而转子永磁体产生的磁场和定子辅助绕组激磁产生的磁场的分布则如图8所示。图8中，81为电枢(主)绕组导体，82为辅助绕组导体(此处定子绕组导体的设置与图3略有不同，这里是将辅助绕组导体设置在靠近定子槽旁边的独立区域，但与图3的结构产生的磁路是相同的)，83为辅助绕组激磁产生磁场中主磁路，为定子齿部-轭部-另一侧定子齿部-气隙-定子齿部，该磁路包围对应的电枢绕组导体81，而基本不经过气隙和转子；84为永磁体产生的主磁路，也即是电枢绕组的主磁路，为定子齿部-定子轭部-另一侧定子齿部-气隙-转子轭部-气隙-定子齿部(或者说是从永磁磁极N极出发，经过气隙、定子齿部、定子轭部、定子齿部、气隙、永磁磁极S极、转子铁心，最后回到永磁磁极N极)，电枢绕组的漏磁路为定子齿部-定子轭部-另一侧定子齿部-气隙-定子齿部。因此，辅助绕组激磁产生磁场中主磁路相当于电枢绕组的漏磁路。当辅助绕组导体82接近转子组件中永磁体磁极边缘附近时(即电枢绕组导体81处于相邻的N极永磁体与S极永磁体的间隙区域)，对辅助绕组施加脉冲电流，通过辅助绕组的激磁，在永磁体磁极交替区域(磁极对应的气隙区域)引起磁密增加或减小。

相应地，在不考虑定子槽口对其磁场影响的情况下，永磁电机电枢绕组导体电势波形如图9所示，由于在磁极下方磁密比较均匀，因而电势波形为平顶形状。而实际上在导体上的磁密分布会受到定子槽口的影响，因此，考虑到定子槽口对磁场的影响的话，永磁电机电枢绕组导体电势波形如图10所示，其与图9有所不同，而是与图7中虚线所示的磁密波形相对应。进而，当辅助绕组激磁在永磁体磁极交替区域(磁极对应的气隙区域)引起磁密增加或减小时，永磁电机电枢绕组导体电势波形也会发生相对应的改变。

向辅助绕组注入的脉冲电流为辅助绕组励磁脉冲电流，其波形示意图如图11所示，电流波形分为三段，t0-t1段为绕组从0开始电流上升段，t1-t2为电流峰值段，可以通过控制维持一个数值或近似平稳，t2-t3为电流下降段，通过施加绕组方向电压减小电流直至到达零。由于绕组电流可以双向流通，因此可以根据不同的激磁方向要求进行控制。

上述的辅助绕组励磁脉冲电流，是通过与辅助绕组相连接的控制电路来实现的。图12给出了本发明的永磁电机的辅助绕组励磁电流控制电路(模块)的一种实现方式，控制电路(模块)包括小型电流变换器1202，其与某相的辅助绕组1201连接，向该绕组提供可调节的正电压(电流)和负电压(电流)，并通过脉宽调制(PWM)控制该辅助绕组的电流波形。

图13示出了辅助绕组励磁脉冲电流充放电时刻示意图。Ea为a相电势，Eb为b相电势。对应于图9、图10所示的绕组导体电势波形，T1、T3时刻分别为转子N磁极和S磁极下绕组导体电势过零点的时刻。当辅助绕组在T1(T3)时刻的激磁电流达到最大值时，可以增强T1(T3)时刻N(S)极下的磁通。考虑到电流上升速率，辅助绕组需在T1(T3)时刻前提前通电。由此可见，本发明中，也可以根据所输出的绕组导体电势，来控制向辅助绕组注入脉冲电流的时间，而无需设置转子位置传感器。

为了获得更好的励磁控制性能，在上述多边励磁永磁电机中，还可以对以下要素进行更进一步的设计。

例如，当定子组件为有槽定子时，设置定子槽的数量永磁体磁极的数量的整数倍，优选为2～4倍。比如说转子40极，定子采用120槽。当定子组件为无槽定子时，分布在定子铁心的电枢绕组的导体数量是永磁体磁极的数量的整数倍，优选为2～4倍。

例如，永磁体磁极的数量设置为40个以上。

按照这样来配合设计转子极数和绕组分布，可以使得转子转过一个极，有多个导体按时序出现由磁脉冲引起的电势脉冲。槽内导体按相数分配，串联后形成一个相绕组，该相绕组会在转子转过一个极的过程中，产生多个电势脉冲，并进一步拟合后形成正弦波。

再如，对于相邻的永磁体磁极N极和S极的间隙宽度的设置：

当定子组件为有槽定子时，定子槽口宽度小于相邻的永磁体磁极N极和S极的间隙宽度，且大于相邻的永磁体磁极N极和S极的间隙宽度的1/3。

采取上述设置，能够最大程度地利用气隙磁密发生极性突变的区域(也是磁密最小的区域，对应转子相邻N-S之间的间隙区域)所产生的磁场能量，当电枢绕组导体处于气隙磁密发生极性突变的区域，向辅助绕组注入可控相位和频率的脉冲电流，辅助绕组产生的磁场中主磁路相当于电枢绕组的漏磁路，可瞬间加强或削弱电枢绕组磁链，从而实现定子励磁提高功率输出或弱磁效果。

此外，还可通过将上述永磁电机连接能量转换单元来收集电枢绕组的杂散能量，提升能量转换效率，从而进一步强化定子励磁提高功率输出或弱磁效果。

例如，图15示出了上述能量转换单元的一种结构，由一个二极管和与该二极管串联的高频电容构成。以下，将结合图15，对于在发电机运行状态下发生在磁场突变区域的电枢绕组磁链变化过程中能量收集的原理略作说明：

二极管具有单向导通性，二极管导通方向与截止方向相反。而导体运动到气隙磁密发生极性突变的区域时，导体产生的电势从一个方向向另一个方向变化。因此，导体产生的电势方向中一个方向与二极管导通方向一致，另一个方向与二极管截止方向一致。

导体与磁场发生切割磁力线的相对运动并进入一磁极所产生的电势方向与能量转换单元中的二极管导通方向一致时，导体产生的能量通过二极管向电容充电，将磁场内运动产生的感应电势能(在辅助绕组励磁下的电枢绕组导体电势)和漏抗对应的磁场能储存在电容，电容上电压方向与电势方向相反，由于导体上有感抗存在，电容上的电流连续变化；

当导体与磁场继续发生切割磁力线的相对运动并进入另一个磁场极性下(邻近的另一个永久磁钢)，导体产生电势方向发生改变，与二极管截至方向一致，与电容上的电压极性一致，二极管上电压(极性与二极管导通方向相反)为电容电压、磁场在导体中感应的电势(在辅助绕组励磁下的电枢绕组导体电势)及导体漏抗对应的杂散电势三者叠加，在波形上为一个大大高于导体电势的脉冲电压，此时，电容能量、磁场部内运动产生的电势能、导体对应的磁场能这三种能量通过电容输出。

因此，通过将永磁电机与能量转换单元的连接，可以实现对于电枢绕组的能量以及杂散能量的连续收集。

进一步，为了与能量转换单元连接后获得连续的脉冲电能，在上述设置中，当定子组件为有槽定子时，电枢绕组由多组串联连接的线圈组成，同一组线圈在同一个定子槽内的导体布置至少为1层，且每层并排的导体数不超过2，同时，至少一个定子槽内，超过1层(如2层、4层等偶数层)的导体属于同一组线圈。

本领域技术人员可以理解，上述多边励磁永磁电机中，永磁体为永久磁钢。永久磁钢可以为硬磁材料磁体、软磁材料磁体、或者由硬磁材料磁体与软磁材料磁体构成的复合磁体。

本领域技术人员可以理解，上述多边励磁永磁电机中，转子位置传感器可以采用旋转变压器或霍尔元件(霍尔位置传感器)，检测导体电势换向过程中磁极位置，准确控制辅助绕组电流脉冲时刻。该传感器的位置信号用于控制辅助绕组的通电与关断时刻。

本领域技术人员可以理解，上述多边励磁电机的辅助绕组，可以根据对电枢绕组的控制要求被分成若干组，而对于每一组的辅助绕组可以各自进行供电及控制，用于实现不同时刻的通断。在发电机运行状态，供电电源可以由发电机输出绕组经整流后的直流电供电；在电动机运行状态，供电电源可由电动机供电电源经整流(或专门电池)供电。

上述多边励磁电机的辅助绕组，通过与其相连接的控制电路来调节电流，从而控制其脉冲电流幅值。本领域技术人员可以理解，上述脉冲电流具有绕组正反向充电、绕组幅值控制、绕组放电等功能。通过辅助绕组的电流控制，实现定子侧励磁，实现对电枢绕组磁链的增强或削弱，以提高输出瞬时功率或实现弱磁运行。在发电机运行状态，通过调节辅助绕组的电流，实现输出稳压控制(适应负载变化的需要)；在电动机工作方式，通过调节辅助绕组的电流，实现恒转矩输出和恒功率输出。

本领域技术人员可以理解，上述多边励磁电机的辅助绕组，其脉冲电流的起始时间和电枢绕组导体与永磁体磁极的相对位置有关。在电枢绕组导体处于转子永磁体磁极N-S间隙区域，导体反电势处于换向(电枢绕组反电势发生突变)期间，向辅助绕组注入可控相位和频率的脉冲电流，电枢绕组回路发生过渡过程，通过控制该辅助绕组的脉冲相位和频率，能够使得电机的电枢绕组的漏电抗(Lr)和匝间电容(Cr)之间形成谐振，通过谐振，不仅将电枢绕组磁链能量输出，也可将漏磁链能量、匝间电容能量等杂散电磁能量转化为输出电能，从而进一步提高电机功率输出。

采用本发明电机进行激磁，不会增加转子磁路损耗，增磁或弱磁的效果更优。而且，本发明电机弱磁运行时，既不会出现转子励磁滑环导致的可靠性问题，也不会对磁钢产生不良影响，从而保证了电机的可靠运行。而且，本发明能够大幅度提升电机整体功率密度，电机效率显著提高。

由此可见，本发明的目的已经完整并有效的予以实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中予以展示和说明，在不背离所述原理下，实施方式可作任意修改。本发明包括了基于权利要求精神及权利要求范围的所有变形实施方式。

Claims (8)

1.一种多边励磁永磁电机，包括转子组件和定子组件，其中，所述转子组件装配有多个永磁体磁极，所述永磁体磁极按N极和S极交替排列，相邻的永磁体磁极N极与永磁体磁极S极之间设有间隙；所述定子组件包括定子铁心和定子绕组；其特征在于：

所述定子绕组包括电枢绕组和辅助绕组，所述辅助绕组还连接有用于产生具有可控相位和频率的脉冲电流的控制电路，根据所述永磁体磁极的即时位置的信号，所述控制电路输出信号以控制脉冲电流的通断时刻和/或相位：当电枢绕组导体处于所述相邻的永磁体磁极N极和S极的间隙区域，向所述辅助绕组注入可控相位和频率的脉冲电流，所述辅助绕组所产生的磁场中主磁路相当于所述电枢绕组的漏磁路；通过控制所述辅助绕组的脉冲相位和频率，使得电机的电枢绕组的漏电抗与匝间电容之间形成谐振；

所述定子组件还包括转子位置传感器，所述转子位置传感器用于检测所述永磁体磁极的即时位置，并将检测到的所述永磁体磁极的即时位置的信号传输给所述控制电路。

2.如权利要求1所述的多边励磁永磁电机，其特征在于：所述辅助绕组被分为多组，所述控制电路对每一组的辅助绕组各自进行控制。

3.如权利要求1或2所述的多边励磁永磁电机，其特征在于：当所述定子组件为有槽定子时，定子槽的数量是所述永磁体磁极的数量的整数倍；当所述定子组件为无槽定子时，分布在定子铁心的电枢绕组的导体数量是所述永磁体磁极的数量的整数倍。

4.如权利要求3所述的多边励磁永磁电机，其特征在于：所述整数倍为2~4倍。

5.如权利要求3所述的多边励磁永磁电机，其特征在于：所述永磁体磁极的数量为40个以上。

6.如权利要求1或2所述的多边励磁永磁电机，其特征在于：

所述定子组件为有槽定子，所述定子槽口宽度小于相邻的所述永磁体磁极N极和S极的间隙宽度，且大于相邻的所述永磁体磁极N极和S极的间隙宽度的1/3。

7.如权利要求6所述的多边励磁永磁电机，其特征在于：所述定子组件为有槽定子，电枢绕组由一组或多组串联连接的线圈组成，同一组线圈在同一个定子槽内的导体布置至少为1层，且每层并排的导体数不超过2，同时，至少一个定子槽内，超过1层的导体属于同一组线圈。

8.如权利要求6所述的多边励磁永磁电机，其特征在于：所述多边励磁永磁电机电枢绕组与能量转换单元连接，所述能量转换单元包括：二极管以及与所述二极管串联的电容。