CN108336837A - 一种混合励磁直驱电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开电机领域中的一种混合励磁直驱电机，内定子轭部外侧表面沿圆周方向均匀设有6个内定子齿，每个内定子齿外端径向延伸一个调磁块，在每个调磁块轭部沿圆周方向均匀布设三个调磁块齿，相邻两个调磁块的轭部之间固定镶嵌非导磁导电的隔离材料块；所有的调磁块齿沿圆周方向均匀分布，相邻两个调磁块齿之间形成内定子外槽。内定子外槽中放置励磁绕组；利用位于内定子齿上的调磁块对旋转的永磁磁场进行调制，将转速较低的永磁磁场调制成转速较高的有效谐波气隙磁场，通过控制交流电流的频率、幅值和相位，实现对气隙磁场的调节；在电枢电流q轴分量确定的情况下，通入弱磁励磁电流，实现电机端电压不变且弱磁升速情况下的恒转矩运行。
Description
技术领域
本发明涉及属于电工和电机领域，是一种混合励磁直驱电机，适用于变速驱动系统等具有高转矩密度、宽调速范围需求的应用场。
背景技术
永磁电机的直接驱动形式是提高系统运行效率、简化系统结构的主要手段之一，然而由于永磁体产生的励磁磁场恒定，使得永磁电机的发展进程受到了阻碍，特别在变速驱动场合尤为突出，因此，实现励磁磁场的灵活调节已经成为永磁电机领域研究重点。为此，将励磁绕组和永磁体两种励磁源合理地结合到一起，并共同形成电机气隙内励磁磁场的混合励磁同步电机，既保留了永磁同步电机的高功率密度和高效率特点，又继承了电励磁同步电机的易于调节励磁磁场等优点。
中国发明专利公开号为CN1808845A的文献中提出了一种旁路式混合励磁电机，该电机的转子表面的磁极由永磁磁极和铁磁性转子磁极交错排列构成，两套直流励磁绕组分别放置在左右两个端盖内，壳体和端盖由导磁材料构成，提高了电机内部有限空间的利用率。根据磁阻最小路径原则，铁磁性转子磁极、定子铁心、壳体、端盖构成了电励磁磁通路径，通过改变直流励磁电流的大小和方向，就可以实现对铁磁性转子磁极磁通的调节，同时避免了电励磁磁场对永磁体工作点的影响。但是，该电机的结构比较复杂，增加了设计和生产难度。
中国发明专利公开号为CN103390978A）的文献中提出一种双定子盘式混合励磁电机，该电机的定子与转子同轴安装，转子位于两个定子之间，励磁绕组放置于定子槽内，和永磁体共同决定着气隙磁场，通过改变励磁电流的大小和方向，实现对气隙磁场的调节。中国发明专利公开号为CN 106385153A的文献中提出一种定子永磁型混合励磁电机，该电机的转子由导磁材料叠压而成，结构简单可靠，其采用优化的并联式磁路结构，使得该电机具有永磁体不可逆退磁风险低、励磁绕组调磁能力强等特点，其直流励磁绕组放置在定子槽内，通过改变励磁绕组中电流的方向，可以实现对总励磁磁场的增强和减弱。但是，这两类电机的永磁体、励磁绕组和电枢绕组全部位于定子上，造成了定子空间的冲突以及发热源集中等问题。
此外，由于现有混合励磁同步电机采用直流励磁方式产生电励磁磁场，并直接与永磁磁场在气隙中叠加，导致使用电励磁磁场进行弱磁时，总励磁磁场减小，进而使电机的转矩输出随转速上升而降低，严重恶化了电机在高速区域的转矩输出能力。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有混合励磁电机存在的问题，提出一种新型混合励磁直驱电机，结构简单可靠，能提高空间的利用率，通入弱磁励磁电流可实现端电压保持不变且弱磁升速情况下的恒转矩运行。
本发明一种混合励磁直驱电机采用的具体技术方案为: 外转子同轴套在内定子外部，内定子同轴套在转轴外部，内定子由内定子轭部、内定子齿和调磁块组成，内定子轭部外侧表面沿圆周方向均匀设有6个内定子齿，每个内定子齿外端径向延伸一个调磁块，在每个调磁块轭部沿圆周方向均匀布设三个调磁块齿，相邻两个调磁块的轭部之间固定镶嵌非导磁导电的隔离材料块；所有的调磁块齿沿圆周方向均匀分布，相邻两个调磁块齿之间形成内定子外槽。内定子外槽中放置励磁绕组；相邻的两个内定子齿之间形成内定子外槽，内定子内槽中放置电枢绕组。
进一步地，外转子的铁心内侧表面沿圆周方向均匀表贴28块永磁体，每块永磁体的充磁方向为径向充磁，且相邻两块永磁体充磁方向相反。
进一步地，隔离材料块的外径与调磁块7的轭部外径相等、内径与调磁块的轭部内径相等。
本发明的技术效果为：
1、本发明电机定子上的电枢绕组和励磁绕组分别置于相邻的内定子齿之间和内定子齿上相邻的调磁块齿之间，避免了电枢绕组和励磁绕组在安装空间上的矛盾，提高了电机内部有限空间的利用率，有利于保留电机高功率密度的特点。
2、本发明电机采用内定子加外转子结构，能够有效地增加气隙直径，有利于提高电机的功率密度。此外，相关负载可直接套装在转子上，可满足一定功率情况下小体积整机安装尺寸的要求。
3、本发明电机基于磁齿轮原理，利用位于内定子齿上的调磁块，对旋转的永磁磁场进行调制，将转速较低的永磁磁场调制成转速较高的有效谐波气隙磁场，同时根据有效谐波气隙磁场的极对数设计电枢绕组的极对数，形成了电枢反应磁场转速和转子机械转速之间的速度比，实现了“自减速”效果，有利于电机运行于低速大转矩工况。
4、本发明电机异于传统的混合励磁电机在励磁绕组中通入直流电流调节气隙磁场，其在励磁绕组中通入交流电流，和永磁体共同形成气隙磁场，通过控制交流电流的频率、幅值和相位，实现对气隙磁场的调节。避免了现有混合励磁同步电机基于复杂三维磁路结构来实现对气隙磁场的调节，降低了电机设计和分析的难度。
5、由于永磁电机的输出转矩仅与永磁磁链和电枢绕组中通入的电流q轴分量相关，因此，在电枢电流q轴分量确定的情况下，本发明通过对励磁绕组和电枢绕组通入的电流进行合理的控制，通入弱磁励磁电流，可实现电机端电压不变且弱磁升速情况下的恒转矩运行。
6、本发明电机具有永磁体和励磁绕组两种励磁源，并能通过合理控制励磁绕组和电枢绕组中的交流电流，实现端电压保持不变且弱磁升速情况下的恒转矩运行。
附图说明
图1为本发明的径向结构示意图；
图2为本发明的轴向剖面示意图；
图3为图1中的外转子结构示意图；
图4为图1中的内定子和调磁块的结构示意图；
图5为本发明电机中永磁体单独励磁情况下的磁路示意图；
图6为本发明电机中的励磁电流单独励磁情况下的磁路示意图；
图7为本发明电机中的永磁体单独励磁情况下的磁力线示意图；
图8为本发明电机中的励磁电流单独励磁情况下的磁力线示意图；
图9为本发明电机中的励磁磁场弱磁时合成磁场示意图；
图10为本发明电机的外转子和励磁绕组位置图；
图11为本发明电机的直轴和交轴电感波形图；
图12为本发明电机的空载反电动势波形图；
图13为本发明电机分别通入不同电枢电流和不同励磁电流情况下转矩图。
图中：1、外转子；2、内定子；3、转轴；4、轴承；5、励磁绕组；6、电枢绕组；7、调磁块；8、永磁体；9、调磁块齿；10、内定子齿；11、内定子轭部；12、内定子外槽；13、内定子内槽；14、永磁磁通；15、电励磁磁通；16、气隙；17、隔离材料块。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明结构包括外转子1、内定子2和转轴3。最中间是转轴3，外转子1同轴套在内定子2外部，外转子1和内定子2之间装设轴承4，内定子2同轴套在转轴3外部，外转子1与转轴3同步旋转。外转子1和内定子2之间留有径向气隙，径向气隙的大小与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及相关部件的加工工艺有关。
参见1和图3，外转子1的铁心内侧表面沿圆周方向均匀地表贴28块永磁体8，每块永磁体8的充磁方向为径向充磁，且相邻两块永磁体8充磁方向相反，图3中的箭头示出的永磁体8的N、S极。永磁体8采用钕铁硼或铁氧体等类型永磁材料制成。
参见图1和图4，内定子2采用裂槽式结构，由内定子轭部11、内定子齿10和调磁块9组成。内定子轭部11的外侧表面沿圆周方向均匀设有6个内定子齿10，每个内定子齿10的外端径向延伸一个调磁块7，共6个调磁块7。调磁块7的轭部与内定子齿10的外端连成一体。在每个调磁块7的轭部沿圆周方向均匀布设三个调磁块齿9，使调磁块7呈“山”型结构。相邻两个调磁块7的轭部之间固定镶嵌非导磁导电的隔离材料块17，隔离材料块17的外径与调磁块7的轭部外径相等，隔离材料块17的内径与调磁块7的轭部内径相等。
内定子轭部11、内定子齿10和所有的调磁块9形成一个整体，均是由硅钢片叠压而成。
6个调磁块7共18个调磁块齿9沿圆周方向均匀分布，相邻的两个调磁块齿9之间形成内定子外槽12。内定子外槽12中放置励磁绕组5，励磁绕组5采用双层、短距、分布绕组的连接方式，其极对数为4。
相邻的两个内定子齿10之间形成内定子外槽13，内定子内槽13中放置电枢绕组6，为双层绕组，其极对数为4。
由于励磁绕组5和电枢绕组6这两套绕组均采用双层绕组，易造成两套绕组干扰和故障，所以在内定子外槽12和内定子内槽13相通处采用隔离材料块17隔离，这样，隔离材料块17的外侧也形成一个内定子外槽13，与其余的内定子外槽13相同。
为了兼顾内定子外槽12的槽面积和调磁块齿9的调磁性能，单个调磁块齿9所占的弧形夹角β 1和单个内定子外槽12所占的弧形夹角β 2一般取1:1，即夹角相同。调磁块齿9的径向长度l 1依据电机所需的调磁范围确定的槽面积选取，一般满足(l out+l in )/2< l 1< (l out+l in )，不宜太大，避免造成调磁块饱和，其中，l out 和l in 分别为调磁块齿9的外弧长l out 和内弧长l in 。
永磁体8极对数为P r ，所有的调磁块齿9的数目为N st, ，电枢绕组6等效极对数为P sa ，励磁绕组5等效极对数为P sf ，需满足关系：N st = P r +P sa ，且P sf =P sa 。
参见图5，初始位置时，在逆时针圆周方向180°内，三个内定子齿10上的永磁磁通路径分为六条路径：永磁磁通14-1、永磁磁通14-2、永磁磁通14-3、永磁磁通14-4、永磁磁通14-5、永磁磁通14-6。永磁磁通14-1的路径是：第二块永磁体8、外转子轭部7、第五块永磁体8、气隙16、第一个内定子齿上第三个调磁块齿9、第一个内定子齿10、第一个内定子齿上第一个调磁块齿9、气隙16。永磁磁通14-2路径如下：第三块永磁体8、气隙16、第一个内定子齿上第二个调磁块齿9、气隙16、第四块永磁体8、外转子轭部7。永磁磁通14-3路径如下：第七块永磁体8、气隙16、第二个内定子齿上第一个调磁块齿9、第二个内定子齿10、第二个内定子齿上第二个调磁块齿9、气隙16、第八块永磁体8、外转子轭部7。永磁磁通14-4路径如下：第八块永磁体8、外转子轭7、第十三块永磁体8、气隙16、第三个内定子齿上第二个调磁块齿9、第三个内定子齿10、内定子轭部11、第二个内定子齿10、第二个内定子齿上第二个调磁块齿9、气隙16。永磁磁通14-5路径如下：第十块永磁体8、外转子轭部7、第十一块永磁体8、气隙16、第三个内定子齿上第一个调磁块齿9、第三个内定子齿10、内定子轭11、第二个内定子齿10、第二个内定子齿上第三个调磁块齿9、气隙16。永磁磁通14-6路径如下：第十三块永磁体8、气隙16、第三个内定子齿上第二个调磁块9、第三个内定子齿10、第三个内定子齿上第三个调磁块齿9、气隙16、第十四块永磁体8、外转子轭部7。其中，永磁磁通14-1、永磁磁通14-2、永磁磁通14-3、永磁磁通14-6被内定子齿10上的调磁块齿9短路，只有永磁磁通14-4、永磁磁通14-5经过内定子齿10与电枢绕组6匝链。
参见图6，在励磁绕组5中通入相位为θ的电流产生的电励磁磁通15分为四条路径：电励磁磁通15-1、电励磁磁通15-2、电励磁磁通15-3、电励磁磁通15-4。电励磁磁通15-1路径如下：第一个内定子齿上第一个调磁块齿9、气隙16、第二块永磁体8、外转子轭部7、第五块永磁体8、气隙16、第一个内定子齿上第三个调磁块齿9、第一个内定子齿10。电励磁磁通15-2路径如下：第二个内定子齿上第一个调磁块齿9、气隙16、第七块永磁体8、外转子轭部7、第八块永磁体8、气隙16、第二个内定子齿上第二个调磁块齿9、第二个内定子齿10。电励磁磁通15-3路径如下：第二个内定子齿上第三个调磁块齿9、气隙16、第十块永磁体8、外转子轭部7、第十一块永磁体8、气隙16、第三个内定子齿上第一个调磁块齿9、第三个内定子齿10、内定子轭部11、第二个内定子齿10。电励磁磁通15-4路径如下：第三个内定子齿上第二个调磁块齿9、气隙16、第十三块永磁体8、外转子轭部7、第十四块永磁体8、气隙16、第三个内定子齿上第三个调磁块齿9，第三个内定子齿10。其中，电励磁磁通15-1、电励磁磁通15-2、电励磁磁通15-4被内定子齿10上的调磁块齿9短路，只有电励磁磁通15-3经过内定子齿10与电枢绕组6匝链。
参见图7，在永磁体8单独励磁情况下，其磁力线路径和图5所示的一致。
参见图8，在励磁绕组5励磁电流单独励磁情况下，其磁力线路径和图6所示一致。
参见图9，在永磁体8和励磁绕组5励磁电流共同励磁时，其中，永磁磁通14-6和电励磁磁通15-4的路径相同，永磁磁通14-5和电励磁磁通15-3的路径相同，永磁磁通14-4在内定子齿部的路径和永磁磁通14-5和15-3相同。永磁磁通14-1和电励磁磁通15-1的路径相同。永磁磁通14-2被内定子齿10上的调磁块齿9短路，不经过内定子齿10，不与电枢绕组6匝链。故通过控制通入励磁绕组5中的电流相位，可实现经过内定子齿10和电枢绕组6匝链的电励磁磁通15和永磁磁通14的路径保持一致。
参见图10，为本发明电机外转子1和励磁绕组5相对位置图。其中，θ E 为励磁线圈A1的初始位置，θ M 为永磁体8的初始位置。为了使电机工作于弱磁工况，则需要保证永磁磁场和电励磁磁场的电角度相差180°，则通入励磁电流的相位θ可以表示为：。
根据外转子1的转速，调节通入励磁绕组5中电流的频率，可实现电励磁磁场和永磁磁场同步旋转，通入励磁绕组5电流的频率可以表示为：。当通入的励磁电流的相位和频率确定的时候，电机的弱磁性能和通入的励磁电流的幅值成正相关，根据电机应用场合所需的弱磁性能来确定通入励磁绕组中电流的幅值。故通过调节通入励磁绕组5中电流的相位、频率和幅值，使电励磁磁通15和永磁磁通14的路径相同、方向相反并同步旋转，从而保证了永磁磁通14和电励磁磁通15相互抵消，实现了气隙磁场的减弱。
具体而言，在电机工作时，随转子同步旋转的永磁体8在气隙16中形成转速为ω r 的旋转磁场，由于N st 个调磁块9的存在，导致气隙磁导不均匀，将转速较低的转子永磁磁场调制成了转速较高的极对数为P a 的有效谐波磁场，转速为ω a ，根据高速旋转的有效谐波磁场的极对数P a 绕制电枢绕组6，使得电枢绕组6极对数P sa =P a 。电枢反应磁场的旋转速度和转子之间的转速可以表示为：
，其中，G r 为电枢反应磁场转速和转子转速之比。通入电枢绕组6电流的频率为：。由于电枢反应磁场的转速和转子转速之间存在速度比G r ，故在电机吸收一定功率的情况下，由P=Tω，通过转速的降低实现了转矩的增大，实现了电机低速大转矩的工作模式。
参见图11，为本发明的直轴电感L d 和交轴电感L q 在转子旋转360°范围内的波形图。其中，直轴电感L d 和交轴电感L q 基本保持恒定且两者幅值基本相等，由此可知电机的磁阻转矩几乎为0。
参见图12，为本发明在不同励磁电流情况下的空载反电动势波形。为了实现直流母线电压恒定情况下电机的高速运行，在内定子外槽12中放置励磁绕组5，合理利用电机的内部空间，提高了空间利用率。其中励磁绕组5等效极对数为P sf ，满足P sf =P a ，通入励磁绕组5中电流的频率为：。电机的端电压表达式可以表示为：，其中，u 0为电机的端电压，ω e 为电机转子的电气角频率，ψ m 为永磁磁链，L f ，L d 和L q 分别为电机励磁绕组5的电感，以及电枢绕组6的直轴和交轴电感，i f ，i d 和i q 为电机励磁绕组5中通入的电流，以及电枢绕组6中通入的直轴和交轴电流。当在励磁绕组5中通入电流i f ，由于励磁绕组电感L f 的存在，在磁路中形成了和永磁磁通14方向相反，同步旋转的电励磁磁通15，和永磁磁场14相互抵消，从而通过调节通入电流的相位、频率和幅值，实现了气隙磁场的灵活调节。
参见图13，为本发明在不同电枢电流和不同励磁电流下的转矩波形，其中横坐标为励磁绕组5的槽电流密度。采用i d =0控制，电枢电流只存在交轴分量，全部用来产生转矩，转矩的幅值随着通入电枢绕组6电流的槽电流密度的变化而变化。在忽略齿槽转矩的情况下，电机的转矩表达式为：。由于本发明电机的交直轴电感L q 和L d 相等，故电机的转矩仅和永磁磁链和电枢绕组6中通入的电流分量i q 有关。通过调节电枢绕组6中q轴电流分量i q 的幅值，即可实现对电机输出转矩的控制，而转矩与励磁绕组5中通入弱磁电流的大小无关；与此同时，励磁绕组5中通入弱磁电流可有效降低电机感应电动势，进而实现端电压保持不变情况下，电机的弱磁升速恒转矩运行。
Claims (9)
1.一种混合励磁直驱电机，外转子（1）同轴套在内定子（2）外部，内定子（2）同轴套在转轴（3）外部，其特征是：内定子（2）由内定子轭部（11）、内定子齿（10）和调磁块（9）组成，内定子轭部（11）外侧表面沿圆周方向均匀设有6个内定子齿（10），每个内定子齿（10）外端径向延伸一个调磁块（7），在每个调磁块（7）轭部沿圆周方向均匀布设三个调磁块齿（9），相邻两个调磁块（7）的轭部之间固定镶嵌非导磁导电的隔离材料块（17）；所有的调磁块齿（9）沿圆周方向均匀分布，相邻两个调磁块齿（9）之间形成内定子外槽（12），内定子外槽（12）中放置励磁绕组（5）；相邻的两个内定子齿（10）之间形成内定子外槽（13），内定子内槽（13）中放置电枢绕组（6）。
2.根据权利要求1所述的一种混合励磁直驱电机，其特征是：外转子（1）的铁心内侧表面沿圆周方向均匀表贴28块永磁体（8），每块永磁体（8）的充磁方向为径向充磁，且相邻两块永磁体（8）充磁方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种混合励磁直驱电机，其特征是：隔离材料块（17）的外径与调磁块（7）的轭部外径相等、内径与调磁块（7）的轭部内径相等。
4.根据权利要求1所述的一种混合励磁直驱电机，其特征是：内定子轭部（11）、内定子齿（10）和所有的调磁块（9）形成一个整体，均是由硅钢片叠压而成。
5.根据权利要求1所述的一种混合励磁直驱电机，其特征是：励磁绕组（5）采用双层、短距、分布绕组的连接方式，其极对数为4；电枢绕组（6）为双层绕组，其极对数为4。
6.根据权利要求1所述的一种混合励磁直驱电机，其特征是：单个调磁块齿（9）所占的弧形夹角β 1和单个内定子外槽（12）所占的弧形夹角β 2相同。
7.根据权利要求1所述的一种混合励磁直驱电机，其特征是：调磁块齿（9）的径向长度l 1满足(l out+l in )/2< l 1< (l out+l in )，l out 和l in 分别为调磁块齿（9）的外弧长l out 和内弧长l in 。
8.根据权利要求1所述的一种混合励磁直驱电机，其特征是：控制通入励磁绕组（5）中的电流的相位、频率和幅值，使电励磁磁通和永磁磁通的路径相同、方向相反并同步旋转。
9.根据权利要求1所述的一种混合励磁直驱电机，其特征是：调节电枢绕组（6）中的q轴电流分量的幅值，控制输出转矩。
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