一种定转子励磁分置式混合励磁电机

1.本发明属于电机技术领域，具体涉及一种定转子励磁分置式混合励磁电机。


背景技术：

2.永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine，pmsm)因其具有高功率、高转矩密度和高效率等优点被广泛用于航空航天、电动汽车和船舰等多个领域。然而由于传统pmsm永磁体具有高矫顽力的特性，传统pmsm的气隙磁场难以调节，调速范围受限。为解决上述问题，常见的有矢量控制方法，但该方法在改善气隙磁场调节能力的同时也会增加励磁损耗，从而降低了永磁电机的效率。
3.近年来为实现更加高效的气隙磁通调节，学者们通过引入附加装置或改变永磁材料等提出了许多种可变磁通永磁电机，目前可将其大致分为五类：混合励磁、机械调磁、绕组复用、变漏磁以及记忆电机。其中混合励磁永磁电机(hybrid excitation permanent machine,hepm)通过引入电励磁，在保证永磁电机高转矩、高功率密度的同时可灵活调节气隙磁场，实现低速高转矩和高速弱磁条件下效率的进一步提升；可变磁通记忆电机(variable flux memory machine，vfmm)通过利用低矫顽力特性永磁体实现磁化状态的记忆，被认为是一种真正意义上的可变磁通记忆电机，但低矫顽力永磁的使用导致其输出转矩能力较差；变漏磁式永磁(variable leakage flux permanent magnet，vlfpm)电机通过机械调磁或电流调磁方式实现漏磁通的调节，进而实现气隙磁通的调节，但其调速范围较窄，在一定程度上牺牲了高速低载时的效率；其余两类电机分别通过引入机械装置或电力电子装置来实现调磁，调磁难度较高且可靠性较低。
4.根据永磁体与励磁绕组放置位置的不同，可以将hepm分为3种，分别是：永磁体与励磁绕组均放置在转子上，永磁体放置在转子上而励磁绕组放置在定子上和永磁体与励磁绕组均放置在定子上。永磁体与励磁绕组均放置在转子上的hepm需要引入附加装置来实现电机的无刷化，电机可靠性较低；永磁体放置在转子上而励磁绕组放置在定子上的hepm拓扑结构较为复杂，但功率密度和效率较高，调磁范围较宽；永磁体与励磁绕组均放置在定子上的hepm拓扑结构简单、转子运行可靠性高，但功率密度和效率均较低。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种定转子励磁分置式混合励磁电机，采用交替极结构，减少永磁用量，引入电励磁绕组，实现混合励磁，进而实现气隙磁通的灵活调节，提高电机内部空间利用率。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
7.一种定转子励磁分置式混合励磁电机，包括：
8.转子，沿所述转子周向外侧均匀开设有数个安装槽，安装槽内嵌有永磁体；
9.定子，所述定子包括最外侧的定子轭部，所述定子轭部的内侧固定连接有数个定子齿，所述定子齿上远离所述定子轭部的一端固定连接有周向排列的三个定子小齿，位于
相邻两个所述定子齿端部最外侧的相邻两个所述定子小齿之间匝绕有励磁绕组；
10.所述转子转动连接在所述定子的内侧。
11.进一步地，所述永磁体为径向充磁。
12.进一步地，同一所述定子齿端部的相邻两个所述定子小齿之间形成空腔即为定子辅助槽，用于放置绕制在所述定子小齿上的所述励磁绕组。
13.进一步地，所述转子的中心开设有与所述转子同轴线设置的安装孔，用于安装转轴。
14.进一步地，所述永磁体和转子铁心构成交替极磁极结构。
15.进一步地，所述永磁体采用钕铁硼永磁体。
16.进一步地，相邻的两个所述定子齿之间形成空腔即为定子槽，用于放置绕制在所述定子齿上的电枢绕组。
17.进一步地，所述定子和所述转子之间留有气隙。
18.进一步地，所述永磁体为弧形。
19.进一步地，所述永磁体的外侧面与所述转子的外侧面形成一个圆形。
20.本发明的有益效果：
21.本发明中采用电励磁与永磁励磁相结合的混合励磁方式，可实现气隙磁通的灵活调节；采用交替极的设计，在保证电机转矩能力的同时减少永磁用量，为电励磁磁场提供充足的路径。此外，电励磁绕组和永磁分别设置在定子和转子上，提高了电机的空间利用率。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明实施例电机横截面示意图；
24.图2是本发明实施例在开路且励磁电流为10a条件下的磁力线分布图；
25.图3是本发明实施例在开路且励磁电流为-20a条件下的磁力线分布图。
26.图中：1、转子；2、永磁体；3、电枢绕组；4、定子；41、定子轭部；42、定子齿；421、定子小齿；5、励磁绕组。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
28.混合励磁永磁电机由于引入电励磁磁势源，拓扑结构复杂，所占空间较大，可靠性较低，因此采用定转子励磁分置式，减小了所占空间。交替极电机由于采用铁心磁极，减少了永磁用量，但输出转矩脉动较大，电磁性能较差，因此，将其应用于混合励磁永磁电机，可进一步改善电机性能，提高电机气隙磁通的调节能力。
29.如图1所示，本发明提供一种实施例，一种定转子励磁分置式混合励磁电机，包括：
30.转子1，沿转子1周向外侧均匀开设有数个安装槽，安装槽内嵌有永磁体2；
31.定子4，定子4包括最外侧的定子轭部41，定子轭部41的内侧固定连接有数个定子齿42，定子齿42上远离定子轭部41的一端固定连接有周向排列的三个定子小齿421，位于相邻两个定子齿14端部最外侧的相邻两个定子小齿421之间匝绕有励磁绕组5；
32.转子1转动连接在定子1的内侧。
33.上述结构中采用电励磁与永磁励磁相结合的混合励磁方式，可实现气隙磁通的灵活调节；采用交替极的设计，在保证电机转矩能力的同时减少永磁用量，为电励磁磁场提供充足的路径。此外，励磁绕组5和永磁体2分别设置在定子4和转子1上，提高了电机的空间利用率。
34.需要说明的是，转子1的中心开设有与转子1同轴线设置的安装孔，用于安装转轴。定子4、转子1以及转轴从外到内依次设置，相邻的两个定子齿42之间形成空腔即为定子槽，用于放置绕制在定子齿42上的电枢绕组3，定子4和转子1之间留有气隙。
35.同一定子齿42端部的相邻两个定子小齿421之间形成空腔即为定子辅助槽，用于放置绕制在定子小齿421上的励磁绕组5。引入定子辅助槽容纳励磁绕组5，能够实现无刷励磁，减小了电机所占空间，同时可实现混合励磁，进而灵活调节气隙磁通，拓宽调速范围、提高电机效率。
36.具体的，单极性永磁体2和转子铁心构成交替极磁极结构，在保证输出转矩能力的同时可进一步减少永磁用量，铁心磁极也为电励磁磁场提供了充足的循环路径，并实现气隙磁密的灵活调节。
37.具体的，永磁体2为径向充磁设置。
38.具体的，永磁体2为弧形结构，永磁体2的外侧面与转子1的外侧面形成一个圆形。
39.在本实施案例中，电机采用集中绕组形式，减小了端部长度，进一步提高电机效率。
40.在本实施案例中，永磁体2采用矫顽力较高的钕铁硼永磁体，磁化状态不易改变，能够作为永磁磁极中恒定的磁势源。具体的，在本实施例中永磁体2的数量为7个。
41.如图2和图3所示，本实施例的定转子励磁分置式混合励磁电机的运行原理为：永磁磁通首先从在转子1上沿圆周分布的永磁体2的北极出发，励磁绕组5通入直流电流形成电励磁磁场，若永磁体2磁场与电励磁磁场方向相同，则两种永磁磁通叠加后同方向流动，大部分经过气隙，到达定子铁心齿，穿过定子轭部41，再依次穿过相邻的铁心磁极，最后回到永磁体2的南极，少部分直接回到永磁体2的南极；若永磁体2磁场与电励磁磁场方向相同相反，此时一部分的永磁磁通被短路，一部分磁通按照上述路径穿过定子4回到永磁体2的南极。所提出电机在开路且励磁电流为10a条件下的磁力线分布图如图2所示，所提出电机在开路且励磁电流为-20a条件下的磁力线分布图如图3所示。
42.以上所述仅为本发明的一种实施例，再具体来说是实施于一种定转子励磁分置式混合励磁电机的实施例。但是并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，比如将实施例中的定子齿42、励磁绕组5、转子1、永磁体2等部件互相组合构成新的部件，或者将定子小齿421个数更改为其他个数，永磁体2个数更改为其他个数等。但只要是利用附图1所示的电励磁与永磁励磁相结合的混合励磁方式，以实现气隙磁通的灵活调节，均应包含在本发明的保护范围内。
43.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
44.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内容。

技术特征：
1.一种定转子励磁分置式混合励磁电机，其特征在于，包括：转子(1)，沿所述转子(1)周向外侧均匀开设有数个安装槽，安装槽内嵌有永磁体(2)；定子(4)，所述定子(4)包括最外侧的定子轭部(41)，所述定子轭部(41)的内侧固定连接有数个定子齿(42)，所述定子齿(42)上远离所述定子轭部(41)的一端固定连接有周向排列的三个定子小齿(421)，位于相邻两个所述定子齿(42)端部最外侧的相邻两个所述定子小齿(421)之间匝绕有励磁绕组(5)；所述转子(1)转动连接在所述定子(4)的内侧。2.根据权利要求1所述的一种定转子励磁分置式混合励磁电机，其特征在于，所述永磁体(2)为径向充磁。3.根据权利要求1所述的一种定转子励磁分置式混合励磁电机，其特征在于，同一所述定子齿(42)端部的相邻两个所述定子小齿(421)之间形成空腔即为定子辅助槽，用于放置绕制在所述定子小齿(421)上的所述励磁绕组(5)。4.根据权利要求1所述的一种定转子励磁分置式混合励磁电机，其特征在于，所述转子(1)的中心开设有与所述转子(1)同轴线设置的安装孔，用于安装转轴。5.根据权利要求1所述的一种定转子励磁分置式混合励磁电机，其特征在于，所述永磁体(2)和转子铁心构成交替极磁极结构。6.根据权利要求1所述的一种定转子励磁分置式混合励磁电机，其特征在于，所述永磁体(2)采用钕铁硼永磁体。7.根据权利要求1所述的一种定转子励磁分置式混合励磁电机，其特征在于，相邻的两个所述定子齿(42)之间形成空腔即为定子槽，用于放置绕制在所述定子齿(42)上的电枢绕组(3)。8.根据权利要求1所述的一种定转子励磁分置式混合励磁电机，其特征在于，所述定子(4)和所述转子(1)之间留有气隙。9.根据权利要求6所述的一种定转子励磁分置式混合励磁电机，其特征在于，所述永磁体(2)为弧形。10.根据权利要求9所述的一种定转子励磁分置式混合励磁电机，其特征在于，所述永磁体(2)的外侧面与所述转子(1)的外侧面形成一个圆形。

技术总结
本发明属于电机技术领域，公开一种定转子励磁分置式混合励磁电机，包括转子，沿所述转子周向外侧均匀内嵌有永磁体；定子，所述定子包括最外侧的定子轭部，所述定子轭部的内侧固定连接有数个定子齿，所述定子齿上远离所述定子轭部的一端固定连接有周向排列的三个定子小齿，位于相邻两个所述定子齿端部最外侧的相邻两个所述定子小齿之间匝绕有励磁绕组；所述转子转动连接在所述定子的内侧。本发明中采用电励磁与永磁励磁相结合的混合励磁方式，可实现气隙磁通的灵活调节；采用交替极的设计，在保证电机转矩能力的同时减少永磁用量，为电励磁磁场提供充足的路径。此外，电励磁绕组和永磁分别设置在定子和转子上，提高了电机的空间利用率。利用率。利用率。


技术研发人员：朱悦涵 阳辉 吉湘相 安淇楚 林鹤云
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/8/14