一种定子极不等间距的混合励磁双凸极永磁同步电机 |
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| 申请号 | CN201710854763.6 | 申请日 | 2017-09-20 | 公开(公告)号 | CN107453573A | 公开(公告)日 | 2017-12-08 |
| 申请人 | 华中科技大学; | 发明人 | 叶才勇; 何明杰; 徐伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于双凸极永磁同步 电机 领域，并公开了一种 定子 极不等间距混合励磁双凸极永磁同步电机。其包括定子、 转子 、 转轴 、 永磁体 、直流励磁绕组和三相交流 电枢绕组 。定子由多个模 块 拼接而成；直流励磁绕组设置于同一个模块的两个定子极之间的槽内；转子上设置有均匀分布的凸极结构的转子极；永磁体设置在相邻模块之间，用于产生定子和转子间的气隙 磁场 ；转轴设置在转子内部；交流电枢绕组设置于不同模块的相邻定子极之间的槽内。通过本发明，可利用直流励磁绕组调节气隙磁场大小，从而调节电机高速运行时电枢绕组中产生的反电势，进而扩展电机的恒功率运行范围。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种定子不等间距的混合励磁双凸极永磁同步电机，该电机包括定子(1)、转子(3)、永磁体(2)、交流电枢绕组、直流励磁绕组(7)和转轴(8)，其特征在于，所述定子(1)设置在所述转子的外部，该定子由多个相同的模块拼接而成，每个模块上均设置有夹角为 的两个凸极定子极，不同模块中相邻的定子极之间的夹角为θ，其中，与θ不相等，由此形成不等间距的定子极；另外，相邻的所述模块之间均设置有所述永磁体(2)；同一个所述模块中的相邻定子极上均设置有所述直流励磁绕组(7)，不同所述模块中相邻定子极上均设置有所述交流电枢绕组，所有的所述交流电枢绕组形成交流绕组集，该交流绕组集中的交流电枢绕组上通入有多种相位的电流； |
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| 说明书全文 | 一种定子极不等间距的混合励磁双凸极永磁同步电机技术领域[0001] 本发明属于双凸极永磁同步电机领域，更具体地，涉及一种定子极不等间距的混合励磁双凸极永磁同步电机。 背景技术[0003] 双凸极永磁同步电机的气隙磁场若完全由永磁体产生，则气隙磁场难以调节，当电机运行在高转速范围时，会使交流电枢绕组中感应出较高的反电势；当反电势高于电源电压时，能量将不能从电源输进电机，从而不能使电机维持在该转速运行，因此，现有技术提到的双凸极永磁同步电机具有调速范围窄、弱磁扩速能力差等缺点。虽然，现有技术中提出有混合励磁双凸极永磁同步电机以改善其弱磁性能，但是与其交流电枢绕组交链的磁链为单极性(引起转矩密度较小)或其直流励磁绕组所占槽面积极为有限(因受自身结构的限制)，从而难以充分发挥其调磁性能并解决双凸极永磁同步电机的弱磁调速问题。 发明内容[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种定子极不等间距的混合励磁双凸极永磁同步电机，通过采用多相交流绕组和直流励磁两组绕组，其中通过控制直流励磁绕组中电流的方向和大小可以调节其产生的磁场，进而与永磁体产生的磁场相互作用，使气隙磁场得到增加或者削弱，同时定子极采用不等间距的设置，通过优化设计调节直流励磁绕组和交流电枢绕组所占的槽面积比例，从而增加电机气隙磁场的调节能力，由此解决双凸极永磁同步电机弱磁能力差、调速范围窄的技术问题。 [0005] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种定子不等间距的混合励磁双凸极永磁同步电机，该电机包括定子、转子、永磁体、交流电枢绕组、直流励磁绕组和转轴，其特征在于， [0006] 所述定子设置在所述转子的外部，该定子由多个相同的模块拼接而成，每个模块上均设置有夹角为 的两个凸极定子极，不同模块中相邻的定子极之间的夹角为θ，其中，与θ不相等，由此形成不等间距的定子极；另外，相邻的所述模块之间均设置有所述永磁体；同一个所述模块中的相邻定子极上均设置有所述直流励磁绕组，不同所述模块中相邻定子极上均设置有所述交流电枢绕组，所有的所述交流电枢绕组形成交流绕组集，该交流绕组集中的交流电枢绕组上通入有多种相位的电流； [0007] 所述转子设置在所述转轴上，该转子的外圆周上设置有均匀分布的多个凸极结构的转子极，且该转子极与所述定子极相对设置。 [0008] 进一步优选地，所述交流电枢绕组上通入有多种相位的电流，各个电流之间的相位角度δ按照下列表达式进行， [0009] [0010] 其中，m是通入的电流相数，m是大于或等于3的正整数。 [0011] 进一步优选地，相邻的永磁体的磁化方向相反。 [0012] 进一步优选地，所述定子极、转子极与相数之间的关系按照下列表达式进行，[0013] [0014] 其中，Ns表示定子极数，Nr表示转子极数，k为任意整数。 [0015] 进一步优选地，所述夹角 与θ之间的关系按照下列表达式进行， [0016] [0017] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果： [0018] 1、本发明通过采用多相交流电枢绕组，不同相绕组通入电流(正弦波或者方波)的相位互差360/m(m为电机的相数)电角度，从而能获得更高的转矩密度和启动转矩，并提高电机的可靠性； [0019] 2、本发明所述电机设置有直流励磁绕组，可通过控制直流励磁绕组中电流的大小和方向实现电机气隙磁场的调节，进而能够改善电机的弱磁扩速能力，扩展其恒功率运行范围； [0020] 3、本发明所述电机的多相电枢绕组和直流励磁绕组所占的槽面积可通过调节同一个模块上的两个定子极之间的夹角进行分配，从而能够确保直流励磁绕组具有较大的槽面积和较高的匝数，进而确保其具有较强的磁场调节能力，使电机获得更强的弱磁扩速能力； [0022] 图1是按照本发明的优选实施例所构建的三相12槽5极定子极不等间距混合励磁双凸极永磁同步电机的结构示意图； [0023] 图2是按照本发明的优选实施例所构建的三相12槽8极定子极不等间距混合励磁双凸极永磁同步电机的结构示意图； [0024] 图3是按照本发明的优选实施例所构建的五相20槽12极定子极不等间距混合励磁双凸极永磁同步电机的结构示意图； [0025] 图4是按照本发明的优选实施例所构建的三相12槽5极定子极不等间距混合励磁双凸极永磁同步电机在励磁电流为零时，A相交流电枢绕组中产生的磁链变化曲线； [0026] 图5是按照本发明的优选实施例所构建的三相12槽5极定子极不等间距混合励磁双凸极永磁同步电机在只有励磁绕组通入电流进行励磁时，A相交流电枢绕组中产生的磁链变化曲线； [0027] 图6是按照本发明的优选实施例所构建的三相12槽5极定子极不等间距混合励磁双凸极永磁同步电机不同励磁电流下的空载磁链变化曲线。 [0028] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中： [0029] 1-定子 2-永磁体 3-转子 4，5，6-A，B，C三相交流电枢绕组 7-直流励磁绕组 8-转轴 9-D相交流电枢绕组 10-E相交流电枢绕组 具体实施方式[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 [0031] 下面结合按照本发明的一个优选实施例，图1是按照本发明的优选实施例所构建的三相12槽5极定子极不等间距混合励磁双凸极永磁同步电机的结构示意图，图2是按照本发明的优选实施例所构建的三相12槽8极定子极不等间距混合励磁双凸极永磁同步电机的结构示意图，图3是按照本发明的优选实施例所构建的五相20槽12极定子极不等间距混合励磁双凸极永磁同步电机的结构示意图，如图1～3所示，一种定子极不等间距的混合励磁双凸极永磁同步电机，其包括定子1、转子3、转轴8、永磁体2、三相交流电枢绕组4，5，6和直流励磁绕组7。 [0032] 定子1由多个相同的模块拼接而成，每个模块呈“π”型铁芯，同一个“π”型铁芯上的两个定子极夹角 与相邻“π”型铁芯上的两个定子极夹角θ不相等，因此定子极在定子圆周上不均匀分布；永磁体2设置在相邻两块“π”型铁芯之间，永磁体磁化方向沿着圆周方向，且相邻永磁体的磁化方向相反；交流电枢绕组4，5，6设置于同一个“π”型铁芯的两个定子极之间的槽内，直流励磁绕组7设置于相邻“π”型铁芯的两个定子极之间的槽内； [0033] 转子3上设置有均匀分布的多个凸极结构的转子极；转轴8设置在转子内部，当交流电枢绕组通入电流后，交流电枢绕组产生的磁场与永磁体和直流励磁绕组产生的磁场相互作用，从而使得转子3和转轴8可相对于定子发生旋转运动。 [0034] 永磁体2设置于相邻的两个“π”型铁芯之间，永磁体沿着圆周方向磁化，且相邻的两块永磁体的磁化方向相反。 [0035] 三相交流电枢绕组4，5，6设置于同一个“π”型铁芯的两个定子极之间的槽内，直流励磁绕组7设置于相邻“π”型铁芯的两个定子极之间的槽内。 [0036] 对于电机的定子极数、转子极数与相数而言，优选采用以下关系(一)： [0037] [0038] 其中，Ns表示定子极数，Nr表示转子极数，m表示相数，k为任意整数。 [0039] 相邻“π”型铁芯上的两个定子极的夹角为θ，同一个“π”型铁芯上的两个定子极夹角为 其中θ为小于 的任意值。 [0040] 为了充分阐述本发明电机工作原理，以体现本发明电机的特点，设计了以下电机参数(见表1所示)，并进行相关分析： [0041] 表1 电机主要参数 [0042] [0043] [0044] 为了充分说明本发明的混合励磁双凸极永磁同步电机的工作原理及其弱磁效果，对表1所示结构参数的电机进行有限元建模，并分析，得到励磁绕组不通入电流时的A相空载磁链随转子位置电角度的变化曲线，图4是按照本发明的优选实施例所构建的三相12槽5极定子极不等间距混合励磁双凸极永磁同步电机在励磁电流为零时，A相交流电枢绕组中产生的磁链变化曲线，如图4所示，本发明的混合励磁双凸极永磁同步电机在只有永磁体进行励磁时，能够在交流电枢绕组中产生较正弦的磁链，从而能够感应出较为正弦的反电势，且其幅值约为0.1234Wb。 [0045] 图5是按照本发明的优选实施例所构建的三相12槽5极定子极不等间距混合励磁双凸极永磁同步电机在只有励磁绕组通入电流进行励磁时，A相交流电枢绕组中产生的磁链变化曲线，如图5所示，在只有直流励磁绕组7进行励磁时，A相交流电枢绕组中的空载磁链随转子位置电角度的变化曲线。由图5可知，当在直流励磁绕组中通入50A的正向励磁电流时，在A相交流电枢绕组中产生的磁链接近正弦波，其幅值约为0.0340Wb。当在直流励磁绕组中通入100A的反向励磁电流时，可在A相交流电枢绕组产生相反相位的磁链，但仍接近正弦波，且其幅值约为0.0681Wb。 [0046] 图6是按照本发明的优选实施例所构建的三相12槽5极定子极不等间距混合励磁双凸极永磁同步电机不同励磁电流下的空载磁链变化曲线，如图6所示，在永磁体2和直流励磁绕组7同时作用时，A相交流电枢绕组中的空载永磁磁链随转子位置电角度的变化曲线。由图6可知，当在直流励磁绕组中通入-100A的励磁电流时，A相交流电枢绕组中产生的空载磁链接近正弦波，其幅值约为0.0547Wb；当在直流励磁绕组7中通入50A的励磁电流时，A相交流电枢绕组中产生的空载磁链是幅值为0.1414Wb的正弦波。因此，通过控制直流励磁绕组中电流的大小和方向，可调节气隙磁场强弱，进而调节A相交流电枢绕组中产生的磁链大小，从而，本发明的混合励磁双凸极永磁同步电机具有较强的磁场调节能力，可极大地改善电机的弱磁扩速能力，拓宽其恒功率运行范围。 |
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