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CN115347753A - 一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机 - Google Patents

一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机 Download PDF

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CN115347753A
CN115347753A CN202210835173.XA CN202210835173A CN115347753A CN 115347753 A CN115347753 A CN 115347753A CN 202210835173 A CN202210835173 A CN 202210835173A CN 115347753 A CN115347753 A CN 115347753A
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CN
China
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stator
synchronous
motor
permanent magnet
modulation
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CN202210835173.XA
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王宇
陈凯
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Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Original Assignee
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
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Abstract

本发明公开一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，外定子沿圆周方向均匀设有12个齿，外定子槽内嵌放电枢绕组；转子由10个导磁块和10个向外径向充磁的永磁块沿圆周方向交错布置连接而成；内定子沿圆周方向设有12个齿，内定子槽口间嵌放切向充磁永磁体，相邻两个槽口永磁体充磁方向相反；内定子齿部绕有直流集中式励磁绕组，该励磁绕组和转子内的永磁块共同作为电机的励磁源，导磁块与转子永磁块之间无相对运动，引入同步调制，导磁块与内定子直流励磁绕组存在相对运动，引入异步调制。本发明具有输出功率大、调磁范围宽、电机空间利用率高、功率密度高等特点，且不增加电机轴向长度和电机体积，同步调制和异步调制在同一个二维平面内共存。

Description

一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机
技术领域
本发明属于电机本体设计技术领域，尤其涉及一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，适用于汽车发电、风力发电等领域。
背景技术
传统永磁发电机在取消电刷、滑环的情况下没有励磁损耗，具有结构简单、可靠性高、体积小、效率高的优势，但永磁发电机由于永磁磁场固定难以调节，在负载和转速以及温度等变化时，输出电压难以保持恒定。电励磁同步发电机则可以通过调节励磁绕组电流来调节气隙磁场，从而方便调节输出电压。而混合励磁发电机则是在永磁电机的基础上引入电励磁绕组，在保有永磁电机优点的同时，还可以达到电机气隙磁场平滑可调，便于维持输出电压稳定的效果。
目前混合励磁电机按永磁体放置位置可分为定子永磁式混合励磁电机、转子永磁式混合励磁电机，传统转子永磁式混合励磁电机由于将励磁绕组放置在转子侧会引入电刷、滑环或者引入电子整流器件等，降低了可靠性；传统定子永磁式混合励磁电机由于将励磁绕组、电枢绕组、永磁体同时放置在定子上会引起严重的空间冲突以及绕组交叉耦合等现象，因此，Z.Q.Zhu(诸自强)教授等人于2015年在IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS的51卷第4期的论文《Novel electrical machines having separate PM excitation stator》和51卷第5期中的论文《Novel doubly salient permanent magnet machines withpartitioned stator and iron pieces rotor》提出了采用定子分区的定子永磁电机结构，其电枢绕组位于外区定子上，永磁体位于内区定子上，解决了电枢绕组和永磁体的空间冲突，并缓解了定子温升，提高了永磁体工作稳定性。
然而，以上提到的分区定子电机模型中中间转子所加的调磁块由导磁块与非导磁块组成，其主要的调制方式为异步调制，针对电机运行在发电状态且低压大电流输出时难以达到理想的输出功率，于是有人提出混合励磁爪极电机结构，该电机调磁范围宽，输出功率高，但由于引入的爪极结构导致电机附加气隙增多增大，电机效率有待进一步提升。文件《一种基于定子全开槽结构的混合励磁电机(申请号：202220864655.3)》采用并列式结构，提高了混合励磁电机的输出功率。但是该结构需要增加电机的轴向长度来增加同步调制，且并未充分利用电机空间。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，不仅解决了传统定子永磁式混合励磁电机空间利用率低、作为发电运行时功率密度不高、传统转子永磁式混合励磁电机难以宽范围调磁、可靠性低的问题，还相对于一般双定子电机在异步调制的基础上进一步引入同步调制，进一步提升了电机的功率密度，提高了电机效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，该电机由外向内依次包括同轴放置的外定子、中间转子、内定子，所述外定子、内定子与电机外壳固定连接，所述中间转子通过转子支架与电机转轴连接；所述中间转子包括沿圆周依次交错排列的导磁块和永磁块，所述永磁块全部向外径向充磁。
进一步地，所述导磁块和永磁块侧面紧密贴合，厚度相同；所述导磁块与外定子齿靴宽度保持一致。
进一步地，所述导磁块选用硅钢片材料，所述永磁块选用钕铁硼材料。
进一步地，所述导磁块与所述中间转子永磁块之间无相对运动，引入同步调制，所述导磁块与所述内定子直流励磁绕组存在相对运动，引入异步调制。
进一步地，其外定子与中间转子设有气隙，内定子与中间转子亦设有气隙；外定子包括外部定子铁心以及嵌放在外定子槽内的电枢绕组；内定子包括内部定子铁心、嵌放在定子槽口之间的永磁体以及绕制在内定子齿上的直流励磁绕组。
更进一步地，所述外部定子铁心包括外定子轭以及沿圆周方向均匀排列的外定子齿，每个外定子齿都包括齿颈和齿靴，相邻两个外定子齿间构成一个外定子槽；所述电枢绕组每间隔一个外定子齿放置在外定子槽内并绕制在外定子齿上。
更进一步地，其内部定子铁心包括内定子轭以及沿圆周方向均匀分布的内定子齿，所述内定子齿包括内定子齿颈和内定子齿靴，所述内定子齿靴间嵌放切向励磁的槽口永磁体，所述槽口永磁体与内定子齿靴侧面紧密贴合，厚度相同，相邻两个槽口永磁体充磁方向相反，选用钕铁硼材料；所述内定子齿颈上都绕有集中式直流励磁绕组，相邻励磁绕组绕制方向相反。
更进一步地，导磁块和永磁块分别有10个，外定子齿和内定子齿分别有12个。
更进一步地，所述电枢绕组包括A1、A2、B1、B2、C1、C2共计6套绕组，其中A1和A2绕组依次顺势串联构成A相绕组，B1和B2绕组依次顺势串联构成B相绕组，C1和C2绕组依次顺势串联构成C相绕组。
进一步地，内定子直流励磁绕组通入大小方向可调的直流电，持续通入正向直流电对电机实现增磁，持续通入负向直流电对电机实现弱磁或故障时灭磁。
进一步地，作一般化表述，设外定子齿数为Ns，电枢绕组极对数为Pa，中间转子导磁块和所述中间转子永磁体个数为Nr，中间转子旋转机械角速度为ωr，内定子励磁绕组极对数为Pw；所述导磁块与所述内定子直流励磁绕组存在相对运动，引入异步调制，其中导磁块沿圆周方向交替分布会引起空间气隙磁导沿圆周方向周期变化，直流励磁磁动势与该交变磁导作用，在空间会产生一系列空间谐波磁场，其极对数Pij与直流励磁绕组极对数Pw和中间转子导磁块个数Nr之间满足关系为Pij＝|iPw±jNr|，i为正奇数，j为0或正整数，对应谐波的旋转速度为
Figure BDA0003747599670000031
直流励磁绕组极对数Pw产生的磁势中，Pw对极磁势的幅值最高，此时i＝1，被调制后的Pw±jNr对极磁场以
Figure BDA0003747599670000032
的速度旋转，产生旋转反电势并做功，j不能为0，也即Pw对极磁场不做功，而气隙中产生的与外定子电枢极对数一致的Pa对极谐波将会与电枢Pa对极基波相互作用，从而提高电机的感应电动势，改善电机的功率密度，为异步调制。
所述导磁块与所述中间转子永磁块之间无相对运动，引入同步调制，在调制作用下，同样在气隙磁场产生一系列谐波磁场，其极对数Pmn与中间转子永磁块极对数Nr和外定子齿数Ns满足关系为Pmn＝|mNr±nNs|，m为正奇数，n为0或正整数，对应谐波的旋转速度为
Figure BDA0003747599670000033
所述中间转子永磁块产生的的磁势中，Nr对极磁势的幅值最高，m＝1时，被调制后的Nr±nNs对极磁场以
Figure BDA0003747599670000034
的速度旋转，产生旋转反电势并做功，n为0时，调制后的Nr对极磁场做功，为同步调制。所述电机中间转子导磁块和永磁块各有10个，与所述导磁块同步转动的所述永磁块产生的10对极基波磁场做功，与所述外定子齿上绕制的电枢绕组中的10对极谐波相互作用，从而提高电机的感应电动势，进而提高电机功率输出能力。
采用本发明所构思的以上技术方案，可以实现的有益效果如下：
(1)本发明转子由沿圆周方向紧密贴合的导磁块和永磁块组成，其中永磁块向外充磁，永磁磁势和电励磁磁势可起到相互叠加效果，可以提高电机发电运行时的输出功率；此外，针对已有双定子电机调制环为导磁块与非导磁块的组合，本发明采用中间转子调制环由永磁块和导磁块组成，两者之间无相对运动，在已有双定子电机主要利用异步调制的基础上利用作为励磁源之一的永磁块引入同步调制，进一步增加电机的功率密度。
(2)本发明内定子槽内放置集中直流励磁绕组，通过调整励磁电流的大小和方向可以实现电机对气隙磁场的灵活控制，使得电机发电运行时能够实现宽范围调磁，获得宽范围的功率变化，便于电机发电运行时输出电压的调节；集中放置的直流励磁绕组作为另一励磁源，与导磁块之间有相对运动，从而引入异步调制，增强了电机输出转矩能力，也提高了电机发电运行时的输出功率。
(3)本发明永磁体与电枢绕组分开放置，放置在外定子槽内的电枢绕组在发电运行时所产生的热量可通过机壳散热，电枢绕组易于冷却，同时减小外定子铁心损耗，提高电机运行效率；永磁块所产生的热量可通过连接转轴向外传递热量，可避免电机永磁块不可逆退磁风险。
(4)本发明提升了电机的功率密度，提高了电机效率，且不增加电机轴向长度和电机体积，同步调制和异步调制在同一个二维平面内共存。
附图说明
图1为本发明提供的基于励磁源同步异步双调制的双定子电机结构示意图；
图2为本发明电机中间转子结构示意图；
图3为本发明电机三维结构示意图；
图4为传统12槽10极分区定子电励磁电机结构示意图；
图5为本发明电机作发电机运行时所接不控整流电路图；
图6为本发明电机作发电机运行时有无中间转子永磁块负载端输出电压对比图；
图7为本发明电机有限元仿真的中间转子永磁块全部向内充磁时磁场分布图；
图8为本发明电机有限元仿真的中间转子永磁块全部向外充磁时磁场分布图；
图9为本发明电机作发电机运行励磁电流变化时电机整流输出空载电压对比图；
图中：1.外定子；2.内定子；3.中间转子；4.电枢绕组；5.直流励磁绕组；6.槽口永磁体；7.导磁块；8.永磁块；9.传统分区定子电机外定子；10.传统分区定子电机电枢绕组；11.传统分区定子电机转子调磁块；12.传统分区定子电机内定子；13.传统分区定子电机励磁绕组。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、特点更加清晰，以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，这里的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，以下所描述的本发明具体实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突即可互相组合。
如图1所示，本发明提供的基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，包括同轴放置的外定子1、中间转子3、内定子2；所述外定子1与所述中间转子3设有气隙，所述内定子2与所述中间转子3亦设有气隙；所述外定子1包括外部定子铁心以及嵌放在外定子槽内的电枢绕组4。
如图2所示，所述中间转子3包括沿圆周依次交错排列的10个导磁块7和10个永磁块8；如图3所示，所述内定子2包括内部定子铁心、嵌放在定子槽口之间的永磁体6以及绕制在内定子齿上的直流励磁绕组5；所述外定子1、内定子2与电机外壳固定连接，所述中间转子3通过转子支架与电机转轴连接。
如图1和3所示，所述外定子铁心包括外定子轭以及沿圆周方向均匀排列的12个外定子齿，每个外定子齿都包括齿颈和齿靴，相邻两个外定子齿间构成一个外定子槽，所述电枢绕组4每间隔一个外定子齿放置在外定子槽内并绕制在外定子齿上。所述电枢绕组4包括A1、A2、B1、B2、C1、C2共计6套绕组，其中A1和A2绕组依次顺势串联构成A相绕组，B1和B2绕组依次顺势串联构成B相绕组，C1和C2绕组依次顺势串联构成C相绕组。
如图1和图3所示，为作一般化表述，设外定子齿数为Ns，电枢绕组极对数为Pa，中间转子导磁块和所述中间转子永磁体个数为Nr，中间转子旋转机械角速度为ωr，内定子励磁绕组极对数为Pw。
如图4所示，给出一般化传统分区定子电励磁电机结构，主要包括外定子9，绕制在外定子上的电枢绕组10，中间转子调磁块11，内定子12，绕制在内定子上的励磁绕组13。该电机主要利用了内定子励磁绕组产生的磁场经过中间转子调磁块调制后产生与外定子电枢绕组极对数一致的谐波磁场，从而相互作用，该过程中中间转子为调磁块与空气隙相互间隔，仅调磁块转动调制，其调制性质为异步调制。
如图2所示，所述导磁块7和永磁块8侧面紧密贴合，厚度相同，所述导磁块7与所述外定子齿靴宽度保持一致，所述导磁块7选用硅钢片材料，所述永磁块8全部向外径向充磁，选用钕铁硼材料。永磁块8和导磁块7之间无相对运动，对比上述传统分区定子电励磁电机，所加入的永磁块8与导磁块7同步旋转，作为励磁源之一的永磁块8在此引入同步调制，在调制作用下，将在气隙磁场产生一系列谐波磁场，其极对数Pmn与中间转子永磁块极对数Nr和外定子齿数Ns满足关系为Pmn＝|mNr±nNs|，m为正奇数，n为0或正整数，对应谐波的旋转速度为
Figure BDA0003747599670000061
所述中间转子永磁块产生的的磁势中，Nr对极磁势的幅值最高，m＝1时，被调制后的Nr±nNs对极磁场以
Figure BDA0003747599670000062
的速度旋转，产生旋转反电势并做功，n为0时，调制后的Nr对极磁场做功，产生同步调制效果。所述电机中间转子导磁块7和永磁块8各有10个，与所述导磁块7同步转动的所述永磁块8产生的10对极基波磁场做功，与所述外定子齿上绕制的电枢绕组4中的10对极谐波相互作用，从而提高电机的感应电动势，进而提高电机功率输出能力。
为说明所加中间转子永磁块效果，如图5所示，可将电机发电运行时接一不控整流电路，对比相同负载下加入永磁块与不加永磁块时负载端输出电压的大小，如图6所示，加入中间转子永磁块后在相同负载下可提高输出电压大小，故而可以增大电机输出功率。
此外，为说明永磁块8全体向外充磁有助于使永磁磁势和电励磁磁势起到相互叠加效果，请参阅图7和图8，借助有限元仿真软件，可以发现永磁块8全部向外充磁相比永磁块8全部向内充磁所匝链电枢绕组的磁力线更密集，从而选用向外充磁的永磁块可利用这种磁势叠加效果提高电机功率密度，提高电机发电运行时的输出功率。
如图1和3所示，所述内定子铁心包括内定子轭以及沿圆周方向均匀分布的12个内定子齿，所述内定子齿包括内定子齿颈和内定子齿靴，所述内定子齿颈上都绕有集中式直流励磁绕组5，相邻励磁绕组绕制方向相反。集中放置的直流励磁绕组5作为另一励磁源，与导磁块7之间有相对运动，从而引入异步调制。其中导磁块7沿圆周方向交替分布会引起空间气隙磁导沿圆周方向周期变化，直流励磁磁动势与该交变磁导作用，在空间会产生一系列空间谐波磁场，其极对数Pij与直流励磁绕组极对数Pw和中间转子导磁块个数Nr之间满足关系为Pij＝|iPw±jNr|，i为正奇数，j为0或正整数，对应谐波的旋转速度为
Figure BDA0003747599670000071
直流励磁绕组极对数Pw产生的磁势中，Pw对极磁势的幅值最高，此时i＝1，被调制后的Pw±jNr对极磁场以
Figure BDA0003747599670000072
的速度旋转，产生旋转反电势并做功，j不能为0，也即Pw对极磁场不做功，而气隙中产生的与外定子电枢极对数一致的Pa对极谐波将会与电枢Pa对极基波相互作用，从而提高电机的感应电动势，改善电机的功率密度，产生异步调制效果。如图9所示，励磁电流从-40A变化到0A再变化到40A时对比本发明电机发电运行时接外电路输出的空载电压大小，显然励磁电流变化时整流输出电压变化范围宽，通过调整励磁电流的大小和方向可以实现电机对气隙磁场的灵活控制，使得电机发电运行时能够实现宽范围调磁，获得宽范围的功率变化，便于电机发电运行时输出电压的调节。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，其特征在于，包括同轴布置的外定子(1)、内定子(2)、中间转子(3)，所述中间转子(3)包括沿圆周依次交错排列的导磁块(7)和永磁块(8)，所述永磁块(8)全部向外径向充磁。
2.根据权利要求1所述的一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，其特征在于，所述导磁块(7)和永磁块(8)侧面紧密贴合，厚度相同；所述导磁块(7)与外定子齿靴宽度保持一致。
3.根据权利要求1所述的一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，其特征在于，所述导磁块(7)选用硅钢片材料，所述永磁块(8)选用钕铁硼材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，其特征在于，所述导磁块(7)与所述中间转子永磁块(8)之间无相对运动，引入同步调制，所述导磁块(7)与所述内定子直流励磁绕组(5)存在相对运动，引入异步调制。
5.根据权利要求1所述的一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，其特征在于，其外定子(1)与中间转子(3)设有气隙，内定子(2)与中间转子(3)亦设有气隙；外定子(1)包括外部定子铁心以及嵌放在外定子槽内的电枢绕组(4)；内定子(2)包括内部定子铁心、嵌放在定子槽口之间的永磁体(6)以及绕制在内定子齿上的直流励磁绕组(5)。
6.根据权利要求5所述的一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，其特征在于，所述外部定子铁心包括外定子轭以及沿圆周方向均匀排列的外定子齿，每个外定子齿都包括齿颈和齿靴，相邻两个外定子齿间构成一个外定子槽；所述电枢绕组(4)每间隔一个外定子齿放置在外定子槽内并绕制在外定子齿上。
7.根据权利要求6所述的一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，其特征在于，其内部定子铁心包括内定子轭以及沿圆周方向均匀分布的内定子齿，所述内定子齿包括内定子齿颈和内定子齿靴，所述内定子齿靴间嵌放切向励磁的槽口永磁体(6)，所述槽口永磁体(6)与内定子齿靴侧面紧密贴合，厚度相同，相邻两个槽口永磁体(6)充磁方向相反，选用钕铁硼材料；所述内定子齿颈上都绕有集中式直流励磁绕组(5)，相邻励磁绕组绕制方向相反。
8.根据权利要求7所述的一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，其特征在于，导磁块(7)和永磁块(8)分别有10个，外定子齿和内定子齿分别有12个。
9.根据权利要求8所述的一种基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，其特征在于，所述电枢绕组(4)包括A1、A2、B1、B2、C1、C2共计6套绕组，其中A1和A2绕组依次顺势串联构成A相绕组，B1和B2绕组依次顺势串联构成B相绕组，C1和C2绕组依次顺势串联构成C相绕组。
10.根据权利要求1-9任一所述的基于励磁源同步异步双调制的双定子电机，其特征在于，内定子直流励磁绕组(5)通入大小方向可调的直流电，持续通入正向直流电对电机实现增磁，持续通入负向直流电对电机实现弱磁或故障时灭磁。
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