專利名稱：混合勵磁磁通切換型電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混合勵磁磁通切換型電機(jī)。二、 背景技術(shù)所謂磁通切換電機(jī)，是指隨著轉(zhuǎn)子位置的變化，激磁磁通切換其路徑，使得定子繞 組內(nèi)磁鏈的大小和方向均發(fā)生變化，從而產(chǎn)生交變的電勢。磁通切換型電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心 都為雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上既無永磁體又無繞組，體積小、重量輕、工作可靠、適合高速 運行、冷卻方便，具有高功率密度以及較高的效率。法國學(xué)者E. Hoang在1997年的EPE會議上，首先提出了三相12/10結(jié)構(gòu)的永磁式磁通 切換型電機(jī)，定子為"U"形導(dǎo)磁鐵心，中間嵌入切向交替充磁的永磁體。其后東南大學(xué) 程明教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組提出了兩相8/6結(jié)構(gòu)的永磁式磁通切換型電機(jī)，英國Leicester大學(xué) 和Sheffield大學(xué)分別對單相8/4結(jié)構(gòu)與4/2結(jié)構(gòu)的永磁式磁通切換型電機(jī)進(jìn)行了研究。永磁 式磁通切換型電機(jī)不存在勵磁損耗，轉(zhuǎn)子上沒有永磁體和繞組，因此結(jié)構(gòu)簡單、效率高， 工作可靠。由于采用永磁體勵磁方式無法直接改變磁場強(qiáng)度，作為發(fā)電機(jī)時存在電壓調(diào) 整率較大和故障滅磁困難，作為電動機(jī)時難以實現(xiàn)弱磁升速，恒功率運行范圍窄。1999年英國Leicester大學(xué)C. Pollock教授借鑒整距繞組感應(yīng)電機(jī)和兩相開關(guān)磁阻電 機(jī)，提出了兩相電勵磁磁通切換型電機(jī)。凸極轉(zhuǎn)子上沒有永磁體和繞組，定子槽中一半 放置電流極性不變的勵磁繞組，另外一半放置電樞繞組，勵磁繞組和電樞繞組均跨越2 個定子齒，勵磁繞組可以采用與電樞繞組串聯(lián)或并聯(lián)的方式。Leicester大學(xué)還通過 Simulink仿真驗證了發(fā)電機(jī)在變速運行時，可以實現(xiàn)高功率因數(shù)下的直流恒壓輸出。電 勵磁磁通切換型電機(jī)通過改變勵磁繞組電流，可以方便地調(diào)節(jié)氣隙磁場強(qiáng)度從而實現(xiàn)寬 范圍調(diào)壓，而且斷開勵磁電路可以滅磁，實現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)故障保護(hù)，但勵磁損耗的存在使 得系統(tǒng)效率相對較低，難以實現(xiàn)高功率密度。為了綜合永磁勵磁與電勵磁磁通切換型電機(jī)的優(yōu)點，法國學(xué)者E. Hoang于07年推 出了混合勵磁式磁通切換型電機(jī)。與其提出的永磁式磁通切換型電機(jī)相比，在永磁體端 部增加了勵磁繞組，通過控制勵磁電流的大小和方向調(diào)節(jié)氣隙磁密，對永磁磁場起到增 磁或去磁的作用。由于同時存在兩個磁勢源，兩者磁通路徑相互耦合、相互影響。該電 機(jī)存在兩方面的問題(l)永磁磁通經(jīng)過勵磁線圈端部的定子鐵芯構(gòu)成回路，降低了永磁 體的利用率；(2)隨著勵磁電流增加，當(dāng)電磁磁力線與永磁體磁化方向一致時，勵磁線圈 端部的定子鐵芯中磁飽和加劇，鐵損和漏磁相應(yīng)上升。 三、發(fā)明內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種轉(zhuǎn)子無永磁體和繞組、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)速 運行范圍寬，功率密度和轉(zhuǎn)換效率高的單相混合勵磁磁通切換型電機(jī)。一種混合勵磁磁通切換型電機(jī)，包括殼體、永磁磁通切換型電機(jī)、電勵磁磁通切換 型電機(jī)，永磁磁通切換型電機(jī)與電勵磁磁通切換型電機(jī)共轉(zhuǎn)軸，兩段定子沿轉(zhuǎn)軸的軸線 方向固定在殼體內(nèi)，分別置于兩段定子內(nèi)的永磁段轉(zhuǎn)子與電勵磁段轉(zhuǎn)子均安裝在同一轉(zhuǎn) 軸上，其特征在于永磁段定子與電勵磁段定子的齒數(shù)相同，永磁段轉(zhuǎn)子與電勵磁段轉(zhuǎn) 子齒數(shù)相同，且兩部分電機(jī)的定子齒數(shù)均為轉(zhuǎn)子齒數(shù)的2倍，永磁段電樞繞組與電勵磁 段電樞繞組串聯(lián)連接，永磁段定子上安置有永磁體，電勵磁段定子上設(shè)有勵磁繞組，兩 部分電機(jī)的轉(zhuǎn)子上既無永磁體也無繞組。本發(fā)明的混合勵磁磁通切換型電機(jī)具有如下特點-(1) 結(jié)合了永磁式磁通切換型電機(jī)效率高和電勵磁磁通切換型電機(jī)氣隙磁密可調(diào)的優(yōu)點；(2) 混合勵磁電機(jī)的部分勵磁磁場由永磁體產(chǎn)生，電勵磁部分功率比電勵磁電機(jī)小，因此 具有較小的勵磁時間常數(shù)，提高了電機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性能；(3) 轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)，沒有永磁體和繞組，可以用于高速運行；(4) 根據(jù)應(yīng)用場合，通過電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，確定永磁段與電勵磁段部分鐵心長度的比 例，以使電機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)；(5) 不存在軸向磁路和附加氣隙，電勵磁效率高；(6) 勵磁電流可以雙向控制，可適應(yīng)寬的運行速度要求；四

圖1是混合勵磁磁通切換型電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖(a)為整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖(b) 為8/4結(jié)構(gòu)混合勵磁磁通切換型電機(jī)的永磁磁通切換型電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，圖(c)為8/4結(jié) 構(gòu)混合勵磁磁通切換型電機(jī)的電勵磁磁通切換型電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號名稱l.殼體，2.永磁段定子，3.永磁段電樞繞組，4.勵磁繞組，5.永磁 體，6.電勵磁段轉(zhuǎn)子，7.轉(zhuǎn)軸，8.電勵磁段電樞繞組，9.電勵磁段定子，10.永磁段轉(zhuǎn) 子。五具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述實施例如圖1所示，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)包括殼體l、永磁段定子2、永磁段電樞繞組3、勵 磁繞組4、永磁體5、電勵磁段轉(zhuǎn)子6、轉(zhuǎn)軸7、電勵磁段電樞繞組8、電勵磁段定子9 及永磁段轉(zhuǎn)子IO，兩段定子2、 9沿殼體軸向固定在殼體內(nèi)，兩段轉(zhuǎn)子6、 IO置于定子 2、 9內(nèi)的轉(zhuǎn)軸7上，由軸承和機(jī)座支撐，轉(zhuǎn)子6、 IO上無永磁體和繞組，定子2、 9和 轉(zhuǎn)子6、 IO均沿軸向分成兩段，兩段的定子2、 9齒數(shù)和轉(zhuǎn)子6、 IO齒數(shù)分別相同，定 子齒數(shù)為轉(zhuǎn)子齒數(shù)的2倍，圖中左邊永磁段.電樞繞組3與右邊電勵磁段電樞繞組8串聯(lián) 連接，電勵磁磁通切換型電機(jī)定子設(shè)有勵磁繞組4，永磁段的永磁體5切向交替充磁。4六、 混合勵磁磁通切換型電機(jī)的工作原理 混合勵磁磁通切換型電機(jī)既能作為電動機(jī)使用，也能作為發(fā)電機(jī)使用。1. 混合勵磁磁通切換型發(fā)電機(jī)工作原理 混合勵磁磁通切換型發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動勢為五。=~^~^ (1) ;r式中A^:轉(zhuǎn)子極數(shù)，iV。定子電樞繞組匝數(shù)，"角速度，A::耦合系數(shù)， 氣隙磁 通，由電勵磁磁場和永磁磁場共同作用產(chǎn)生。當(dāng)原動機(jī)的轉(zhuǎn)速較低或者負(fù)載較大時，僅僅依靠永磁體單獨產(chǎn)生的磁場，發(fā)電機(jī)中 的感應(yīng)電動勢較小，不能維持相應(yīng)的輸出電壓。這時就需要依靠電勵磁磁場的作用來提 升式(1)中的^/，從而增加發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動勢，以確保輸出電壓符合負(fù)載要求。當(dāng)原動機(jī)的轉(zhuǎn)速較高或者負(fù)載較輕時，即便僅有永磁段工作，發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動勢 也將過大。此時需要在電勵磁繞組中施加反向的勵磁電流，以削弱式(1)中的0/，從而 降低發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動勢，以確保輸出電壓恒定。2. 混合勵磁磁通切換型電動機(jī)工作原理 混合勵磁磁通切換型電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為r-^^,。 (2) ;r式中/。為定子電樞繞組電流。電動機(jī)為了獲取最大的起動轉(zhuǎn)矩，除了變換器提供所允許的最大電樞電流外，還需 要在勵磁繞組中施加電流以增強(qiáng)(2)中的~，從而提升輸出轉(zhuǎn)矩。若保持氣隙磁場不變，電動機(jī)的反電動勢隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而同步增加，甚至 會超過電機(jī)控制器所能輸出的最大電壓，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩和功率都會快速下降。這時需要 通過削減勵磁繞組電流來降低式(2)中的^和維持電樞電流，才能使電動機(jī)能恒功率運 行于更高的轉(zhuǎn)速；若轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，可以通過改變勵磁電流方向來進(jìn)一步減小氣隙磁場， 從而實現(xiàn)弱磁擴(kuò)速。七、 混合勵磁磁通切換型電機(jī)的優(yōu)點混合勵磁磁通切換型電機(jī)與永磁式磁通切換型電機(jī)相比，增加了氣隙磁場可控這一 要素，作為發(fā)電機(jī)運行時，拓寬了原動機(jī)轉(zhuǎn)速適用范圍；作為電動機(jī)運行時，實現(xiàn)了寬 的調(diào)速區(qū)間。與電勵磁式磁通切換型電機(jī)相比，降低了勵磁損耗，而且較小的勵磁時間 常數(shù)提升了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。
權(quán)利要求
1、一種混合勵磁磁通切換型電機(jī)，包括殼體(1)、永磁磁通切換型電機(jī)、電勵磁磁通切換型電機(jī)，永磁磁通切換型電機(jī)與電勵磁磁通切換型電機(jī)共轉(zhuǎn)軸(7)，兩段定子沿轉(zhuǎn)軸(7)的軸線方向分別固定在殼體(1)內(nèi)，置于兩段定子內(nèi)的永磁段轉(zhuǎn)子(10)與電勵磁段轉(zhuǎn)子(6)均安裝在同一轉(zhuǎn)軸(7)上，其特征在于永磁段定子(2)與電勵磁段定子(9)的齒數(shù)相同，永磁段轉(zhuǎn)子(10)與電勵磁段轉(zhuǎn)子(6)齒數(shù)相同，且兩部分電機(jī)的定子齒數(shù)均為轉(zhuǎn)子齒數(shù)的2倍，永磁段電樞繞組(3)與電勵磁段電樞繞組(8)串聯(lián)連接，永磁段定子(2)上安置有永磁體(5)，電勵磁段定子(9)上設(shè)有勵磁繞組(4)，兩部分電機(jī)的轉(zhuǎn)子(6、10)上既無永磁體也無繞組。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合勵磁磁通切換型電機(jī)，其特征在于電勵磁磁通切換 型電機(jī)定子(9)用硅鋼片疊加制成，永磁磁通切換型電機(jī)定子(2)為U型硅鋼片單元和永 磁體(5)拼裝而成，兩部分電機(jī)的轉(zhuǎn)子(6、 IO)用硅鋼片疊加制成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合勵磁磁通切換型電機(jī)，其特征在于永磁體(5)切向交 替充磁。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合勵磁磁通切換型電機(jī)，其特征在于永磁體(5)是鐵氧 體、釹鐵硼或者釤鈷材料。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合勵磁磁通切換型電機(jī)，其特征在于根據(jù)不同應(yīng)用場 合需要，調(diào)節(jié)永磁段與電勵磁段長度比。
全文摘要
一種涉及混合勵磁磁通切換型電機(jī)，由永磁磁通切換型電機(jī)和電勵磁磁通切換型電機(jī)兩部分組成。兩部分電機(jī)的定子(2、9)齒數(shù)和轉(zhuǎn)子(6、10)齒數(shù)分別相同，兩部分的定子電樞繞組(3、8)串聯(lián)連接，永磁段定子(2)上安置有永磁體(5)，電勵磁段定子(9)上設(shè)有勵磁繞組(4)。定子齒數(shù)為轉(zhuǎn)子齒數(shù)的2倍，轉(zhuǎn)子(6、10)上既無永磁體也無繞組，結(jié)構(gòu)簡單、堅固，適合寬轉(zhuǎn)速范圍運行。本發(fā)明具有較高的功率密度和轉(zhuǎn)換效率，既能作為電動機(jī)使用，也能作為發(fā)電機(jī)使用。
文檔編號H02K1/02GK101262160SQ200810023819
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者許澤剛, 謝少軍 申請人:南京航空航天大學(xué)