一种单绕组双励磁磁场调制电机及其协同励磁设计方法技术

本发明专利技术公开一种单绕组双励磁磁场调制电机及其协同励磁设计方法，所述电机包括定子、转子、绕组以及永磁体；其中定子上包含有定子铁心、永磁体和绕组；定子铁心包括定子齿和定子轭；每个定子齿面向气隙侧分裂成任意个相等数目分裂齿，所有永磁体均表嵌在同一定子齿上分裂齿间的凹槽内，且位于同一个定子齿上的所有永磁体的极性相同，相邻定子齿上的永磁体极性相反；所有定子齿上均绕制有单个无重叠集中绕组，每套绕组中同时通入直流电流和交流电流，其中直流电流与永磁体共同励磁，形成双励磁。本发明专利技术将交流和直流电流集成于同一套绕组，消除励磁绕组，形成单绕组结构，本发明专利技术有效增强了单绕组双励磁磁场调制电机的转矩密度和调磁能力。和调磁能力。和调磁能力。

【技术实现步骤摘要】
一种单绕组双励磁磁场调制电机及其协同励磁设计方法


[0001]本专利技术涉及到新能源领域的高端电机的本体及设计方法，特别是具有高转矩密度高调磁性能的单绕组双励磁磁场调制电机及设计方法。

技术介绍

[0002]双励磁电机综合了电励磁电机和永磁电机的优点，具备磁场可调、转矩密度大、高效率区域宽的特点，因而具有重要的研究价值，在风力发电和电动汽车等领域具有广阔的应用前景。
[0003]中国专利技术专利申请号201510474238.2公开了一种双励磁电机，电枢绕组和励磁绕组均放置于定子侧，避免了电刷和滑环，电机可靠性高。然而，电枢和励磁两套绕组在定子槽中存在空间竞争，使转矩的提升受到极大的限制。为了进一步增加电机的可靠性，中国专利技术专利申请号201910281738.2公开了一种长导磁双凸极电机，该电机设计方案将两套绕组和永磁体均放置于定子侧，有利于对励磁源温度进行统一管理，避免励磁源局部过热问题；转子结构简单仅为凸极结构，提高了运动部分的可靠性。为了缓解定子空间上的竞争冲突，设计了长导磁齿，减小永磁体和励磁绕组尺寸对电枢绕组的影响，该设计有效提升电枢和励磁两套绕组的槽面积，使得电机具有较高的输出转矩和调磁能力。虽然该方案通过导磁齿设计缓解了定子部分两套绕组所带来的空间冲突，但并不能从根本上解决绕组槽面积受限的问题。此外，该方案定子结构复杂，增加了电机加工的难度，两套绕组下线难度大的问题也随之产生。中国专利技术专利申请号202011475772.2公开了一种多目标优化方法用于优化双励磁电机，将智能优化算法与单独参数独立优化相结合，对电机的铁心极弧、气隙长度、定子轭宽度、槽口极弧等参数进行优化，提升了电机的输出转矩和调磁能力。但是，该方法并未对电机的极槽配合以及双励磁源进行针对性设计，无法为电机优化设计提供理论指导。并且该方法需要采用有限元方法对设计变量和设计目标之间进行拟合，计算复杂度高，优化花费时间长。
[0004]综上分析，对于双励磁电机而言，利用磁场调制原理，可以有效提升电机性能，但如何将电枢绕组和励磁绕组合二为一形成单绕组结构，以解决两套绕组在空间上冲突，是进一步提升电机性能的重要手段。此外，为了进一步提升电机性能，需要从两个磁动势源头出发，对其二者进行协同设计，优化极槽配合和关键的结构参数，从而设计出具有高转矩密度和高调磁性能的双励磁拓扑电机。最后，随着调磁能力的提升，避免电流励磁磁场对永磁体产生不可逆退磁的威胁，两励磁源的并联设计也是必要的技术手段。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是，针对现有双励磁电机的不足，提出一种单绕组双励磁磁场调制电机及其协同励磁设计方法，采用单绕组设计将电枢绕组和励磁绕组合二为一，消除双励磁电机中两套绕组空间竞争；定子采用分裂齿结构和永磁体表嵌在分裂齿间凹槽内，建立了直流电流和永磁体协同励磁设计方法，推导出不同极槽配合下永磁和直流电流励磁反电
势公式，确定优选的极槽配合；在此基础上，通过分析永磁体极弧和分裂齿极弧对永磁励磁有效磁动势和直流电流励磁有效磁动势的影响规律，获得两个极弧的最优选取区域，实现双励磁磁场的利用效率的提升，从而有效增强单绕组双励磁磁场调制电机的转矩密度和调磁能力。同时，专利技术的电机永磁磁路和励磁磁路相互独立，降低了永磁体产生不可逆退磁的风险。
[0006]具体地说，本专利技术的电机是采取以下的技术方案来实现的：一种单绕组双励磁磁场调制电机，包括定子、转子(1)，定子上包含有定子铁心、永磁体(6)和绕组，其中定子铁心由N
s
个定子齿(3)和定子轭(2)组成；每个定子齿(3)面向气隙侧分裂成任意相等数目n个分裂齿(5)且n＞1，永磁体(6)表嵌在同一定子齿上分裂齿间的凹槽内，每个永磁体(6)被同一定子齿上两个分裂齿(5)包夹，每个定子齿上的永磁体(6)的数目为n
‑
1，且同一个定子齿(3)上的永磁体(6)极性均相同；相邻两定子齿(3)上的永磁体(6)极性相反，电机中永磁体(6)的总个数N
pm
为(n
‑
1)N
s
，分裂齿(5)的总个数为n N
s
；所有定子齿上均绕制有单个无重叠集中绕组，每套绕组中同时通入直流电流和交流电流，其中直流电流与永磁体(6)共同励磁，形成双励磁；所有绕组中直流电流的幅值相等，同时直流电流的流通方向根据相邻绕组中直流电流产生方向相反的磁场确定，以产生有效的直流电流励磁磁场与永磁体(6)形成有效双励磁，转子部分由转子轭部和凸极组成，凸极极数为nN
s
+m，m为任意自然数。
[0007]进一步，电机绕组连接成两组三相绕组，两组三相绕组分别通过两个三相逆变电路控制；绕组中直流电流与永磁体(6)形成双励磁磁场，为电机提供励磁，而绕组中三相交流电流产生旋转磁场与励磁磁场相互作用，从而产生连续转矩；具有相同极性永磁体(6)的定子齿上绕制的绕组构成一组三相绕组，具有另一种相同极性永磁体(6)的定子齿上绕制的绕组构成第二组三相绕组；直流电流产生的励磁磁场与永磁体产生的永磁磁场共同作用，产生双励磁效果；两组三相绕组的直流电流大小相同，同时直流电流的流通方向根据相邻绕组中直流电流产生方向相反的磁场确定，两组三相绕组形成的励磁磁场与其各个定子齿上永磁体磁场方向均相同时为增磁，而与其各个定子齿上永磁体磁场方向均相反时为弱磁。
[0008]进一步，当m为奇数时，两组三相绕组连接成星形连接且中性点相连，通过控制中性点上电流调节直流电流以控制直流电流励磁磁场；当m为偶数时，两组三相绕组连接成星形连接但中性点相连或者两组三相绕组连接成三角形连接，通过直接控制每套绕组中的直流电流控制直流电流励磁磁场。
[0009]进一步，所述的电机是内转子结构，或者是外转子结构。
[0010]本专利技术的一种单绕组双励磁磁场调制电机协同励磁设计方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1，首先，通过磁场调制理论，推导出分裂齿n和转子凸极数均变化的情况下，所对应的永磁反电势E
cpm
和直流电流磁动势E
cdc
；通过对永磁反电势E
cpm
和直流电流磁动势E
cdc
的计算结果进行对比，得到每个分裂齿数下，同时具有最佳永磁反电势E
cpm
和直流电流磁动势E
cdc
的最佳转子凸极数；
[0012]步骤2，随后，在确定最佳分裂齿数n和转子凸极数的基础之上，推导出永磁体极弧θ
pm
和分裂齿极弧θ
tp
分别对永磁励磁有效磁动势∑F
pm
和直流电流励磁有效磁动势∑F
dc
的影响，从而获得在确定分裂齿n和转子凸极数下电机的两个极弧参数的最优选取区域。
[0013]进一步，所述步骤1具体过程为：
[0014]步骤1.1，根据定子部分的尺寸参数，计算出不同定子分裂齿n时的永磁磁动势和直流电流磁动势，永磁磁动势F
pm
(n,θ)和直流电流磁动势本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单绕组双励磁磁场调制电机，其特征在于：包括定子、转子(1)，定子上包含有定子铁心、永磁体(6)和绕组，其中定子铁心由N
s
个定子齿(3)和定子轭(2)组成；每个定子齿(3)面向气隙侧分裂成任意相等数目n个分裂齿(5)且n＞1，永磁体(6)表嵌在同一定子齿上分裂齿间的凹槽内，每个永磁体(6)被同一定子齿上两个分裂齿(5)包夹，每个定子齿上的永磁体(6)的数目为n
‑
1，且同一个定子齿(3)上的永磁体(6)极性均相同；相邻两定子齿(3)上的永磁体(6)极性相反，电机中永磁体(6)的总个数N
pm
为(n
‑
1)N
s
，分裂齿(5)的总个数为n N
s
；所有定子齿上均绕制有单个无重叠集中绕组，每套绕组中同时通入直流电流和交流电流，其中直流电流与永磁体(6)共同励磁，形成双励磁；所有绕组中直流电流的幅值相等，同时直流电流的流通方向根据相邻绕组中直流电流产生方向相反的磁场确定，以产生有效的直流电流励磁磁场与永磁体(6)形成有效双励磁，转子部分由转子轭部和凸极组成，凸极极数为nN
s
+m，m为任意自然数。2.根据权利要求1所述的一种单绕组双励磁磁场调制电机，其特征在于：电机绕组连接成两组三相绕组，两组三相绕组分别通过两个三相逆变电路控制；绕组中直流电流与永磁体(6)形成双励磁磁场，为电机提供励磁，而绕组中三相交流电流产生旋转磁场与励磁磁场相互作用，从而产生连续转矩；具有相同极性永磁体(6)的定子齿上绕制的绕组构成一组三相绕组，具有另一种相同极性永磁体(6)的定子齿上绕制的绕组构成第二组三相绕组；直流电流产生的励磁磁场与永磁体产生的永磁磁场共同作用，产生双励磁效果；两组三相绕组的直流电流大小相同，同时直流电流的流通方向根据相邻绕组中直流电流产生方向相反的磁场确定，两组三相绕组形成的励磁磁场与其各个定子齿上永磁体磁场方向均相同时为增磁，而与其各个定子齿上永磁体磁场方向均相反时为弱磁。3.根据权利要求1所述的一种单绕组双励磁磁场调制电机协同励磁设计方法，其特征在于：当m为奇数时，两组三相绕组连接成星形连接且中性点相连，通过控制中性点上电流调节直流电流以控制直流电流励磁磁场；当m为偶数时，两组三相绕组连接成星形连接但中性点相连或者两组三相绕组连接成三角形连接，通过直接控制每套绕组中的直流电流控制直流电流励磁磁场。4.根据权利要求1所述的一种单绕组双励磁磁场调制电机，其特征在于，所述的电机是内转子结构，或者是外转子结构。5.根据权利要求1所述的一种单绕组双励磁磁场调制电机协同励磁设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，首先，通过磁场调制理论，推导出分裂齿n和转子凸极数均变化的情况下，所对应的永磁反电势E
cpm
和直流电流磁动势E
cdc
；通过对永磁反电势E
cpm
和直流电流磁动势E
cdc
的计算结果进行对比，得到每个分裂齿数下，同时具有最佳永磁反电势E
cpm
和直流电流磁动势E
cdc
的最佳转子凸极数；步骤2，随后，在确定最佳分裂齿数n和转子凸极数的基础之上，推导出永磁体极弧θ
pm
和分裂齿极弧θ
tp
分别对永磁励磁有效磁动势∑F
pm
和直流电流励磁有效磁动势∑F
dc
的影响，从而获得在确定分裂齿n和转子凸极数下电机的两个极弧参数的最优选取区域。6.根据权利要求5所述的一种单绕组双励磁磁场调制电机协同励磁设计方法，其特征在于，所述步骤1具体过程为：步骤1.1，根据定子部分的尺寸参数，计算出不同定子分裂齿n时的永磁磁动势和直流
电流磁动势，永磁磁动势F
pm
(n,θ)和直流电流磁动势F
dc
(n,θ)表示如下：式中，N
s
为定子齿数，i、k为正整数，θ为转子位置角，为永磁磁动势i阶幅值分量和为直流电流磁动势k阶幅值分量，根据分裂齿数n的奇偶性，和有不同的表达式，当n为奇数时:其中，永磁体极弧表示为θ
pm
，分裂齿极弧表示为θ
tp
，当n为偶数时：式中，F1和F2分别为永磁磁动势和直流电流磁动势波形的幅值，z为正整数；步骤1.2，根据转子部分的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐亮，常乐乐，蒋婷婷，赵文祥，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：