全距分布绕组和带辅助励磁绕组的双凸极永磁电机

摘要

全距分布绕组和带辅助励磁绕组的双凸极永磁电机是一种关于新型双凸极永磁电机的电枢绕组构造的方法，该永磁电机中定子(2)的内圆周上均布定子凸极(3)，永磁体(1)对称于定子的圆心成对布置；在定子(2)上，第一电枢绕组(5)、第二电枢绕组(7)为全距分布绕组，即保持相邻永磁体(1)的距离为两个定子凸极(3)，电枢绕组线圈跨永磁体两侧的两个定子凸极(3)分布，即每个安放电枢绕组的定子槽(8)内容纳两个线圈，每个线圈中间则有一个空槽，电枢绕组只占用定子侧一半的槽空间。该电机可以在不减少电机输出功率的条件下，节省一半的槽内导体，从总体上大大减少电机用铜量，提高电机的效率，提高电机加工的效率。

说明书

技术领域

本发明是一种关于新型双凸极永磁电机的电枢绕组构造的方法，属于电机设计的技术领域。

背景技术

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor)具有典型的双凸极结构，电机的结构特别简单、可靠，系统调速性能好，效率较高，成本低，因此自上世纪60年代后引起了越来越多的研究人员的注意，现在开关磁阻电机已在许多场合得到了实际应用，在迅猛发展的调速电机领域挣得了一席之地。但是随着研究的深入，开关磁阻电机的一些固有缺陷也逐步显现出来。首先，开关磁阻电机只有在绕组电感随转子位置角增大时给绕组通电才能产生正转矩，因而，一个导通周期内可能用来产生转矩的两个区间只有一个得到利用，运行效率和材料利用率相对较低；其次，开关磁阻电机本质上是一种单边励磁电机，绕组电流中不仅包含转矩分量，还有励磁分量，这样不仅增大了绕组和功率变换器的伏安容量，还会产生额外的附加损耗；再者，绕组电感较大，关断后电流衰减慢，为避免绕组关断后电流延续到负转矩区，必须将绕组提前关断，因而消弱了电机出力，等等。为了克服开关磁阻电机的缺点，同时保留双凸极这一极其简单的结构型式，美国Wisconsin-Madison大学的T.A.Lipo教授等于90年代初首先在开关磁阻电机中引入了高性能永久磁铁，从而产生了所谓的双凸极永磁电机。双凸极永磁电机结构上保留了开关磁阻电机的全部特点，即定转子均为凸极，转子上既无绕组也无永磁体，结构简单、牢固，高速运行能力强；定子极上安放集中式绕组，绕组的端部短，省铜，损耗小，效率高。与开关磁阻电机不同，双凸极永磁电机定子轭部放置了永磁体，在电机气隙中建立永磁磁场，每相绕组所匝链的永磁磁链随转子位置而变化，当永磁磁链随转子位置角的变化为正时，在相应的绕组中通入正向电流，而当磁链随转子位置的变化率为负时，在相应的绕组中通入负向电流，均可产生正转矩，因而，在一个导通周期内两个可以产生转矩的区间均得到了利用。此外，由于在定子铁芯中嵌入了磁导率很低的永磁体，绕组电感大为减小，使绕组电流快速换向成为可能。这样，双凸极永磁电机正好弥补了开关磁阻电机的不足，具有功率密度高，效率高，结构简单，控制灵活等优点。

永磁电机包括双凸极永磁电机的一个普遍缺陷在于一旦电机结构尺寸选定之后，很难对电机的磁场进行调节和控制，这在很多场合下限制了永磁电机的应用，例如，需调节端电压的发电机，需弱磁扩速运行的宽调速电机。为此，已有研究提出了对双凸极永磁电机附加电励磁绕组即混合励磁的方法对电机进行弱磁控制。但是，双凸极永磁电机定子槽中已有两个绕组，增加励磁绕组具有很大困难，一是增加加工放线的难度，二是降低槽空间的利用率，三是需增加励磁绕组的定子槽势必需要拓展部分空间，造成电机的定子磁路和定子极形不对称，使多相电机相与相之间反电势、电感产生偏差进而影响控制精度。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种全距分布绕组和带辅助励磁绕组的双凸极永磁电机，采用全距分布绕组的双凸极永磁电机可以在不减少电机输出功率的条件下，节省一半的槽内导体，从总体上大大减少电机用铜量，提高电机的效率，提高电机加工的效率。

技术方案：本发明的全距分布绕组和带辅助励磁绕组的双凸极永磁电机由定子、转子以及固定在定子上的永磁体、第一电枢绕组、第二电枢绕组、励磁绕组所组成；其中定子的内圆周上均布定子凸极，永磁体对称于定子的圆心成对布置；在定子上，第一电枢绕组、第二电枢绕组为全距分布绕组，即保持相邻永磁体的距离为两个定子凸极；电枢绕组线圈跨永磁体两侧的两个定子凸极分布，即每个安放电枢绕组的定子槽内容纳两个线圈，每个线圈中间则有一个空槽，电枢绕组只占用定子侧一半的槽空间。励磁绕组的线圈两边分布在相邻的空槽中，每槽仅有一个线圈，把所有线圈串连组成辅助励磁绕组。

如图1所示为定子4极/转子6极全距分布绕组双凸极永磁电机，定子侧均匀分布有四个定子极，两块永磁体分别位于定子轭部，相互之间间隔两个定子极(齿)，这样电机的极距等于两个定子极(齿)。全距分布绕组从A+至A-跨两个定子极(齿)。与此槽相邻的槽可以置入辅助励磁绕组，跨距也为两个定子极(齿)。对全距分布绕组的结构可以进行推广，使相邻永磁体的距离始终跨两个定子极(齿)，电机的极距等于永磁体的跨距也即为两个定子极(齿)，所有电枢绕组每隔一个槽进行放置，而这个空出的槽则用来放置励磁绕组，那么，定子8极/转子12极全距分布绕组双凸极永磁电机就如图2所示。

有益效果：全距分布绕组双凸极永磁电机既可用作高功率密度的发电机，例如风力发电机、航空发电机或舰艇发电机等，又可用作大转矩输出和宽调速范围的电动机，例如电动机车、机床驱动等。

1、在不减少电机输出功率的情况下，使电枢绕组数量减少二分之一，电枢绕组在槽内的导体减少一半，从总体上减少了电机用铜量，电枢电阻有所下降，效率有所提高，电机加工过程更加高效、简单；

2、可以根据实际需要增加辅助励磁绕组，不会占用电枢绕组槽空间，使电机定子槽形和定子凸极形状保持最佳。

3、辅助励磁绕组通入直流电流可以进行弱磁控制，扩大电机的恒功率调速范围，也可以进行增磁控制，满足低速大转矩负载的要求。

4、发电机运行时通过控制辅助励磁绕组的电流大小和方向，可以控制发电机端电压。

采用全距分布绕组的双凸极永磁电机可以在不减少电机输出功率的条件下，节省一半的槽内导体，虽然绕组端部长度有所增加，考虑到大多数场合电机的轴长大于直径，因而从总体上大大减少了电机用铜量，提高了电机的效率。全距分布绕组的采用还使电枢绕组的数量和原方案相比减少二分之一，提高了电机加工的效率，而每槽绕组数量仅为一个，可以进一步提高槽面积的利用率。另外，采用全距分布绕组后，将有一半数量的槽是空的，这些槽空间可以用来安放辅助励磁绕组，通入直流电流可以产生去磁或者增磁作用，对电机进行无级弱磁控制，增大电动机的调速范围或者调节发电机的输出端电压。

附图说明

图1是定子4极/转子6极全距分布绕组双凸极永磁电机的结构图；

图2是定子8极/转子12极全距分布绕组双凸极永磁电机的结构图；

图3-6是基于磁场有限元计算的得到的波形图，其中：

图3是4/6极全距分布绕组双凸极永磁电机A相磁永磁链变化；

图4是4/6极全距分布绕组双凸极永磁电机空载反电势波形；

图5是4/6极双凸极永磁电机集中绕组和全距分布绕组方案的Flux-MMF曲线比较；

图6是4/6极带辅助励磁绕组的全距分布绕组双凸极永磁电机通以不同弱磁直流电流下得到的空载反电势波形。

以上的图中有：永磁体1、定子2、定子凸极3、转子4、第一电枢绕组5、励磁绕组6、第二电枢绕组7、定子槽8。A+-A-为第一电枢绕组5的两端，B+-B-为第二电枢绕组7的两端，F-F为励磁绕组6的两端。

具体实施方式

本发明的全距分布绕组和带辅助励磁绕组的双凸极永磁电机由定子2、转子4以及固定在定子2上的永磁体1、第一电枢绕组5、第二电枢绕组7、励磁绕组6所组成；其中定子2的内圆周上均布定子凸极3，永磁体1对称于定子2的圆心成对布置；在定子2上，第一电枢绕组5、第二电枢绕组7为全距分布绕组，即保持相邻永磁体1的距离为两个定子凸极3，电枢绕组线圈跨永磁体1两侧的两个定子凸极3分布，即每个安放电枢绕组的定子槽8内容纳两个线圈，每个线圈中间则有一个空槽，电枢绕组只占用定子侧一半的槽空间。励磁绕组6的线圈两边分布在相邻的空槽中，每槽仅有一个线圈，把所有线圈串连组成辅助励磁绕组。

以一台单相定子4极/转子6极电机为例，其截面图如图1所示，定子上有4个均匀分布的极，转子上有6个均匀分布的极。用厚度为0.5mm的硅钢片按图1所示的形状冲成定子冲片和转子冲片，用足量的冲片叠压成定子铁心和转子铁心，在定子铁心上布置2块永磁体，永磁体间隔两个定子极(齿)，电枢绕组间隔一个槽进行放置，电枢绕组之间的空槽用来安放辅助励磁绕组，这样电机共有两个全距分布的电枢绕组和一个励磁绕组，可构成单相或者两相磁场可调节电机。

以下是一台额定功率为1.5KW双凸极永磁电机的设计参数：

  定子极弧  30度  转子极弧  30度  气隙长度  1.2mm  叠片长度  114mm  定子外径  130.12mm  定子内径  71.2mm  定子齿长度  19.05mm  转子齿长度  15mm  定子齿宽度  17.78mm  转子齿宽度  17.78mm  叠片系数  0.95

当采用集中绕组的时，定子四个极将各有一个电枢绕组，每个绕组的匝数为60匝，面对面的两个极上的绕组串联组成一相，另两个极上的绕组串联后组成另一相，这样每相串联总匝数为120匝/相，由于两相的相位相差180度，可以将这两相反向串联形成单相输出。采用全距分布绕组后，定子极间四个槽中与永磁相邻的两个槽空出或用来安放辅助励磁绕组，另两个槽用来安放电枢绕组，两个电枢绕组可以组成两相，每相有一个电枢绕组，串联总匝数为60匝/相，由于两相的相位相差180度，可以将这两相反向串联形成单相输出。将上述两种方案用有限元方法进行磁场计算，分别可以得到两者的永磁磁链、空载反电势波形，如图3和图4所示。从图3可以看到，采用全距分布绕组电机的相磁链不再是单向变化，而是形成了从正到负再从负到正的双向磁链变化，而磁链变化的峰峰值与集中绕组的峰峰值相等。实际上两者磁链的变化只是相差一个偏移值，磁链变化的规律完全一致，故两者的空载反电势波形完全一样也就不难理解，如图4所示。通过图5所示的Flux-MMF图可以用来衡量电机的输出平均转矩的大小，Flux-MMF图显示全距分布绕组和集中绕组所产生的平均转矩基本相等(两者所包围的面积基本相等)。图6则显示了空载时通过励磁绕组的增磁或去磁作用调节反电势的情况。