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CN112803628A - 基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机 - Google Patents

基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机 Download PDF

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CN112803628A CN202110136307.4A CN202110136307A CN112803628A CN 112803628 A CN112803628 A CN 112803628A CN 202110136307 A CN202110136307 A CN 202110136307A CN 112803628 A CN112803628 A CN 112803628A
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李健
王凯
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Abstract

本发明公开了一种基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机，包括定子铁心、交替极转子、电枢绕组和交流励磁绕组；定子铁心和交替极转子之间具有气隙；交替极转子的极对数为p，且其产生的气隙磁场具有p次高阶谐波和i次低阶谐波，p＞i；朝向气隙侧的定子铁心沿周向均匀布设有Nmt个主齿；朝向气隙侧的每个主齿均分裂有k个小齿；其中，Nmt和k均为大于1的正整数，则小齿总数Nst=k*Nmt；电枢绕组绕制在小齿两侧的定子槽中，且电枢绕组的极对数等于交替极转子的极对数p；交流励磁绕组绕制在主齿两侧的定子槽中，交流励磁绕组的极对数为i，且p=ni；其中，p、n和i均为正整数，且n≠1。本发明在不降低电枢绕组的绕组系数的同时，有效提高了交流励磁绕组的绕组系数。

Description

基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机
技术领域
本发明涉及电机设计和制造领域，特别是一种基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机。
背景技术
永磁电机具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点，已在电动汽车和航空航天等许多场合得到广泛应用。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（-i d ）来实现，永磁体有着不可逆退磁的风险，且弱磁能力有限。
混合励磁电机具有两个磁势源（励磁绕组和永磁体），即具备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，混合励磁电机在电动汽车和航空航天等宽转速范围运行场合有着很大的应用潜力。
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复杂，通常需要借助三维磁路或旋转整流器。而交流励磁型混合励磁电机的无刷化简单可靠。
为构建调磁效率高且退磁风险低的交流励磁型混合励磁电机，需设计交流励磁磁势和永磁磁势呈并联关系的合理电机拓扑。交替极转子的固有特征正好为构建并联励磁磁路提供了有利条件，即交替极拓扑中的铁心极可以为电励磁磁通提供低磁阻路径。然而，由于电枢绕组和交流励磁绕组都位于定子上，且电枢绕组的极对数为交流励磁绕组极对数的整数倍，因此传统定子结构在满足电枢绕组的绕组系数最大的同时却降低了交流励磁绕组的绕组系数，进而降低了励磁绕组的利用率及调磁效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机，该基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机在不降低电枢绕组的绕组系数的同时，有效提高了交流励磁绕组的绕组系数。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机，包括定子铁心、交替极转子、电枢绕组和交流励磁绕组。
定子铁心和交替极转子之间具有气隙。
交替极转子的极对数为p，且其产生的气隙磁场具有p次高阶谐波和i次低阶谐波，p＞i。
朝向气隙侧的定子铁心沿周向均匀布设有Nmt个主齿。朝向气隙侧的每个主齿均分裂有k个小齿。其中，Nmt和k均为大于1的正整数，则小齿总数Nst=k*Nmt。
电枢绕组绕制在小齿两侧的定子槽中，且电枢绕组的极对数等于交替极转子的极对数p。
交流励磁绕组绕制在主齿两侧的定子槽中，交流励磁绕组的极对数为i，且p=ni。其中，p、n和i均为正整数，且n≠1。
通过控制交流励磁绕组中的直轴励磁电流，调节励磁磁通以及交替极转子中高阶谐波和低阶谐波的含量，进而实现电枢绕组中感应电动势的调节。
电枢绕组感应电动势的调节包括增磁和弱磁，具体调节方法为：
A、增磁：由于交流励磁绕组极对数与交替极转子的低阶谐波相同，故而当在交流励磁绕组中注入负的直轴电流，低阶谐波含量将被弱化，高阶谐波含量提高，从而实现增磁。
B、弱磁：当在交流励磁绕组中注入正的直轴电流，低阶谐波含量将提高，高阶谐波含量降低，从而实现弱磁。
交流励磁绕组能够作为功率绕组使用。当需要交流励磁绕组提供转矩时，通过控制交流励磁绕组中的交轴电流，使交轴电流与低阶谐波相互作用，从而产生输出转矩。
通过调节电枢绕组和交流励磁绕组在定子槽中的占槽面积比例，从而获得需要的调磁和转矩输出能力。
电枢绕组和交流励磁绕组的相数相同。
交替极转子的永磁极采用表贴式永磁体或内置式永磁体。其中，内置式永磁体为一层或多层混合型，内置式永磁体的形状为“一”字型、V型、W型或U型。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明的定子齿包括Nmt个主齿，朝向气隙侧的每个主齿均分裂有k个小齿，电枢绕组绕制在小齿两侧的定子槽中，交流励磁绕组绕制在主齿两侧的定子槽中。根据电机绕组理论，采用多槽少极（即极数远小于槽数）的绕组分布时，工作谐波的绕组系数较低。而交流励磁绕组的极对数i为电枢绕组极对数的1/n，传统交流励磁绕组的槽数和电枢绕组的槽数相同，使得交流励磁绕组的绕组系数较低，也即单位电流产生的励磁磁动势降低。本发明采用裂齿，交流励磁绕组的槽数（主齿数）仅为电枢绕组槽数（小齿数）的1/k，提高了交流励磁绕组的绕组系数。因此，当励磁电流密度和槽满率不变时，本发明的交流励磁绕组可以产生更大的励磁磁动势，调磁能力和范围得到提高；当槽满率不变时，本发明采用较低的励磁电流密度或更小的交流励磁绕组槽面积就可以达到需求的调磁范围，绕组利用率和调磁效率得到提高。
2、此外，本发明交流励磁绕组的槽数（主齿数）仅为电枢绕组槽数（小齿数）的1/k，不仅利于减少绝缘纸等材料所占用的槽面积（提高槽满率）以进一步提高调磁能力，而且还可以简化交流励磁绕组的绕线工艺或节约绕线工时。
3、本发明既可以为内转子电机，也可以为外转子电机。
4、本电机即可电动运行，也可发电运行。
附图说明
图1显示了本发明基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机的结构示意图。
图2显示了本发明的定子铁心中定子齿的放大结构示意图。
其中有：
11.定子铁心；12.交流励磁绕组；13.电枢绕组；14.主齿；15.小齿；
21.铁心极；22.永磁极。
具体实施方式
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。
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。
本发明以内转子三相电枢绕组m=3，主齿数Nmt=12，小齿总数Nst=36（k=3），电枢绕组极对数p=3i（交流励磁绕组极对数i=1）为例，进行详细说明。
如图1所示，一种基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机，包括定子铁心11、交替极转子、电枢绕组12和交流励磁绕组13。
定子铁心和交替极转子之间具有气隙。
交替极转子的极对数为p，且具有p次高阶谐波和i次低阶谐波，p＞i，在本实施例中，优选p=3，i=1。
交替极转子的结构，具体如申请号为CN201910162924.4和CN201911085765.9的中国发明专利申请，本发明实例的转子结构优选与CN201910162924.4相一致。
另外，本发明中的交替极转子，还可以具有如下结构：
1、交替极转子的永磁极可以采用内置式永磁体，但也可以采用表贴式永磁体。当采用内置式永磁体时，其可以为一层，也可以为多层混合型，内置式永磁体的形状优选为“一”字型、V型、W型或U型等。
2、在CN201911085765.9中，具有切向磁钢，但本申请中，可以没有切向磁钢。当没有切向磁钢时，在切向磁钢的位置，填充转子铁心，也即在切向磁钢位置的转子铁心不开槽。其余，永磁极和铁心极的设置，均与CN201911085765.9相同。
如图2所示，交替极转子中，没有设置切向磁钢，p=3，包括2对内置V型永磁极、2对内置V型永磁之间的1对铁心极。其中，相邻两个内置V型永磁极的极性相反，铁心极相邻的两个永磁极极性相同。
定子铁心和转子铁心均采用导磁材料，交替极转子既可以为内转子，也可以为外转子。
朝向气隙侧的定子铁心沿周向均匀布设有Nmt个主齿，在图1中，优选具有12个主齿。
朝向气隙侧的每个主齿均分裂有k个小齿。其中，Nmt和k均为大于1的正整数，则小齿总数Nst=k*Nmt。在本实施例中，优选k=3，Nst=36，如图2所示，朝向气隙侧的每个主齿均分裂有3个小齿。
电枢绕组绕制在小齿两侧的定子槽中，且电枢绕组的极对数等于交替极转子的极对数p。
交流励磁绕组绕制在主齿两侧的定子槽中，交流励磁绕组的极对数为i，且p=ni。其中，p、n和i均为正整数，且n≠1。在本实施例中，优选n=3。
电枢绕组和交流励磁绕组均为交流绕组，且相数相同，本实施例中，均优选为三相；其中，电枢绕组为A、B、C相，其中A相可由A1-A6线圈串联而成，也可由A1-A2、A3-A4、A5-A6分别串联后再并联。B相和C相以此类推。交流励磁绕组为X、Y、Z相，图中只画出X相，X、Y、Z相按逆时针依次相差120°
进一步，如图1所示，交流励磁绕组绕制在背离气隙侧的主齿两侧的定子槽中。
本发明具有调磁和产生输出转矩等功能，具体分析如下。
一、调磁
通过控制交流励磁绕组中的直轴励磁电流，调节励磁磁通以及交替极转子中高阶谐波和低阶谐波的含量，进而实现电枢绕组中感应电动势的调节。
电枢绕组感应电动势的调节包括增磁和弱磁，具体调节方法为：
A、增磁：由于交流励磁绕组极对数与交替极转子的低阶谐波相同，故而当在交流励磁绕组中注入负的直轴电流，低阶谐波含量将被弱化，高阶谐波含量提高，从而实现增磁。
B、弱磁：当在交流励磁绕组中注入正的直轴电流，低阶谐波含量将提高，高阶谐波含量降低，从而实现弱磁。
二、产生输出转矩
交流励磁绕组能够作为功率绕组使用。当需要交流励磁绕组提供转矩时，通过控制交流励磁绕组中的交轴电流，使交轴电流与低阶谐波相互作用，从而产生输出转矩。
进一步，本发明通过调节电枢绕组和交流励磁绕组在定子槽中的占槽面积比例，从而获得需要的调磁和转矩输出能力。
进一步，本电机即可电动运行，也可发电运行。
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。

Claims (7)

1.一种基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机，其特征在于：包括定子铁心、交替极转子、电枢绕组和交流励磁绕组；
定子铁心和交替极转子之间具有气隙；
交替极转子的极对数为p，且其产生的气隙磁场具有p次高阶谐波和i次低阶谐波，p＞i；
朝向气隙侧的定子铁心沿周向均匀布设有Nmt个主齿；朝向气隙侧的每个主齿均分裂有k个小齿；其中，Nmt和k均为大于1的正整数，则小齿总数Nst=k*Nmt；
电枢绕组绕制在小齿两侧的定子槽中，且电枢绕组的极对数等于交替极转子的极对数p；
交流励磁绕组绕制在主齿两侧的定子槽中，交流励磁绕组的极对数为i，且p=ni；其中，p、n和i均为正整数，且n≠1。
2.根据权利要求1所述的基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机，其特征在于：通过控制交流励磁绕组中的直轴励磁电流，调节励磁磁通以及交替极转子中高阶谐波和低阶谐波的含量，进而实现电枢绕组中感应电动势的调节。
3.根据权利要求2所述的基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机，其特征在于：电枢绕组感应电动势的调节包括增磁和弱磁，具体调节方法为：
A、增磁：由于交流励磁绕组极对数与交替极转子的低阶谐波相同，故而当在交流励磁绕组中注入负的直轴电流，低阶谐波含量将被弱化，高阶谐波含量提高，从而实现增磁；
B、弱磁：当在交流励磁绕组中注入正的直轴电流，低阶谐波含量将提高，高阶谐波含量降低，从而实现弱磁。
4.根据权利要求3所述的基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机，其特征在于：交流励磁绕组能够作为功率绕组使用；当需要交流励磁绕组提供转矩时，通过控制交流励磁绕组中的交轴电流，使交轴电流与低阶谐波相互作用，从而产生输出转矩。
5.根据权利要求4所述的基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机，其特征在于：通过调节电枢绕组和交流励磁绕组在定子槽中的占槽面积比例，从而获得需要的调磁和转矩输出能力。
6.根据权利要求1所述的基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机，其特征在于：电枢绕组和交流励磁绕组的相数相同。
7.根据权利要求1所述的基于交流励磁的裂齿型交替极混合励磁无刷电机，其特征在于：交替极转子的永磁极采用表贴式永磁体或内置式永磁体；其中，内置式永磁体为一层或多层混合型，内置式永磁体的形状为“一”字型、V型、W型或U型。
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