專利名稱：一種并列式混合勵磁無刷直流電機的制作方法
技術領域：
一種并列式混合勵磁無刷直流電機技術領域[0001]本實用新型涉及一種并列式混合勵磁電機，特別涉及一種并列式混合勵磁無刷 直流電機。
背景技術：
[0002]與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比，永磁電機特別是稀土永磁電機具有結構簡單可靠、功 率密度高、效率高等顯著優(yōu)點，但是永磁電機由于采用單一永磁體勵磁，氣隙磁場調節(jié)困 難，在發(fā)電運行下，負載變化或轉速變化，輸出電壓隨之變化。電勵磁電機可以調節(jié)直流或 交流勵磁電流，從而可以方便地調節(jié)氣隙磁場，但相對永磁電機功率密度低，結構復雜，特 別是勵磁繞組在轉子上時需要電刷，因此難以做到電機的高速運行?；旌蟿畲烹姍C是在永 磁電機的基礎上引入輔助電勵磁繞組，達到改善永磁電機驅動或調壓性能的目的。近年來 在電動汽車、風力發(fā)電等領域弓I起人們的廣泛關注。[0003]并列式混合勵磁電機結構原理簡單，易于實現(xiàn)勵磁電流的雙向調節(jié)，是混合勵磁 電機技術研究的一個重要方向。同一類型電機構成并列式混合勵磁電機是目前并列式混合 勵磁電機的主要結構形式，包括兩種永磁同步電機部分和電勵磁同步電機并列而成(專利 CN102005876A);永磁雙凸極電機和電勵磁雙凸極電機部分并列而成(專利CN1545189A)。前 者混合勵磁同步電機結構復雜，電勵磁方式為交流勵磁，勵磁結構及控制復雜；后者結構簡 單可靠，但也存在混合勵磁雙凸極電機電壓和轉矩脈動較大、功率密度偏低的問題。[0004]不同類電機構成并列式混合勵磁電機也是可行的，專利CN100386853C采用傳統(tǒng) 永磁同步電機部分和電勵磁雙凸極電機部分組合構成混合勵磁電機，實現(xiàn)了勵磁電流雙向 調節(jié)以及整個電機的無刷化，但該并列式混合勵磁電機采用兩種無刷電機直接組合，兩部 分電機結構均為傳統(tǒng)結構形式，由于兩種類型電機感應電勢波形的差異，使得兩類電機組 合效率較低，影響其功率密度；另外，兩部分電樞繞組內部相互獨立，外部串聯(lián)連接，盡管勵 磁電流可以雙向調節(jié)，仍然無法解決永磁電機部分電樞繞組內部短路時故障滅磁的問題， 這使得該電機在高可靠要求條件下如航空電源系統(tǒng)中的應用受到限制。[0005]基于以上分析，本發(fā)明人提出一種新型的混合勵磁無刷直流電機，本案由此產生。實用新型內容[0006]本實用新型的目的，在于提供一種并列式混合勵磁無刷直流電機，其將永磁同步 電機部分和電勵磁雙凸極電機部分有機組合，實現(xiàn)兩部分感應電勢的高效疊加，解決電機 內部短路故障時有效滅磁保護的問題，在航空電源、風力發(fā)電等領域有重要應用價值。[0007]為了達成上述目的，本實用新型的解決方案是[0008]—種并列式混合勵磁無刷直流電機,在同一機殼內，永磁同步電機部分和電勵磁 雙凸極電機部分的轉子同軸安裝，二者的定子分別安裝在機殼內部的左右兩側，所述永磁 同步電機部分的定子鐵心和電勵磁雙凸極電機部分的定子鐵心共用一套電樞繞組，勵磁繞 組安裝在電勵磁雙凸極電機部分的定子鐵心上；所述永磁同步電機部分采用內置切向磁鋼轉子結構或表貼式磁鋼轉子結構。所述混合勵磁電機電樞繞組每匝線圈同時穿過永磁同步 電機部分的同一相的兩個相鄰定子齒和對應的電勵磁雙凸極定子極，永磁同步電機部分的 電樞繞組相序及相繞組分布與電勵磁雙凸極電機部分的電樞繞組相同，所述直流電機每相 繞組同時嵌繞在永磁同步電機部分定子齒和電勵磁雙凸極電機部分的對應定子極上，經過 兩部分的定子鐵心后閉合。[0009]上述電勵磁雙凸極電機部分的定子極數(shù)和轉子極數(shù)分別是永磁同步電機部分定 子極數(shù)和轉子極數(shù)的一半，且電勵磁雙凸極電機部分的定子極均勻分布，定子極寬等于槽 口寬，轉子極寬大于定子極寬。[0010]上述直流電機是三相電機或多相電機。[0011]上述直流電機采用三相電機，電勵磁雙凸極電機部分為3N/2N極結構，永磁同步 電機部分為6N槽/4N極結構，其中N為大于I的整數(shù)。[0012]采用上述方案后，本實用新型與現(xiàn)有混合勵磁電機結構相比具有如下有益特點[0013](I)電勵磁雙凸極電機部分轉子極寬大于定子極寬，電樞繞組感應電勢為梯形波， 實現(xiàn)了電樞繞組電勢的高效疊加和調節(jié)；[0014](2)電樞繞組線圈同時穿過永磁勵磁和電勵磁兩部分的定子，不僅可以通過調節(jié) 勵磁電流實現(xiàn)電樞繞組感應電勢的調節(jié)，而且電樞繞組內部短路可以通過電勵磁電機部分 勵磁電流調節(jié)抵消永磁勵磁產生的磁場，從而實現(xiàn)電機繞組短路故障時高效滅磁；[0015](3)勵磁繞組在電勵磁雙凸極電機部分的定子上，因此實現(xiàn)了無刷化，同時由于永 磁同步電機部分和雙凸極電機部分的轉子結構簡單可靠，有利于電機的高速運行；[0016](4)根據應用場合的不同，合理設計永磁同步電機部分和電勵磁雙凸極電機部分 兩部分的鐵心長度比例，可以實現(xiàn)電機的電動運行的恒轉矩/恒功率運行范圍或發(fā)電運行 的電壓調節(jié)范圍；[0017]( 5)由于永磁部分和電勵磁部分磁路相互獨立，調節(jié)勵磁電流不會引起永磁體的 不可逆退磁，電機可靠性高，電勵磁效率高；[0018](6)該混合勵磁無刷直流電機充分發(fā)揮永磁同步電機的高功率密度優(yōu)勢，結合電 勵磁雙凸極電機磁場可調優(yōu)勢，實現(xiàn)整個電機功率密度高、磁場調節(jié)性能好的目的。


[0019]圖1是本實用新型的軸向剖面示意圖；[0020]圖2 Ca)是本實用新型實施例永磁同步電機部分的截面示意圖；[0021]圖2 (b)是本實用新型實施例電勵磁雙凸極電機部分的截面示意圖；[0022]圖3是本實施例電機內部繞組串聯(lián)方式分布示意圖；[0023]圖4是繞組嵌線結構示意圖；[0024]圖5是三相全橋整流電路原理圖。[0025]圖中元件符號說明[0026]1-轉軸，2-軸承,3-機殼,4-鍵槽,5-電勵磁雙凸極電機部分的定子鐵心,6-電勵 磁雙凸極電機部分的轉子鐵心，7-永磁同步電機部分的定子鐵心，8-永磁體,9-永磁同步 電機部分的轉子鐵心，10-電樞繞組，11-勵磁繞組。
具體實施方式
[0027]以下將結合附圖，對本實用新型的技術方案進行詳細說明。[0028]如圖1所示，本實用新型提供一種并列式混合勵磁無刷直流電機，包括機殼及安 裝在機殼內的電勵磁雙凸極電機部分和永磁同步電機部分，永磁同步電機部分和電勵磁雙 凸極電機部分分別安裝在機殼3內部的左右兩側。其中，永磁體8內嵌入永磁同步電機部 分的轉子內，永磁同步電機部分的轉子鐵心9和電勵磁雙凸極電機部分的轉子鐵心6均安 裝于轉軸I上，通過鍵槽4固定，軸承2支撐轉軸1，實現(xiàn)二者同軸旋轉，配合圖1所示；而 電勵磁雙凸極電機部分的定子鐵心5和永磁同步電機部分的定子鐵心7共用一套電樞繞組 10，勵磁繞組11安裝在電勵磁雙凸極電機部分的定子鐵心5上，從而實現(xiàn)本實用新型的無 刷化。[0029]在本實用新型中，永磁同步電機部分的轉子采用內置切向磁鋼轉子結構或表貼式 磁鋼轉子結構，定子鐵心由硅鋼片疊壓而成；電勵磁雙凸極電機部分中的定子鐵心和轉子 鐵心均由硅鋼片疊壓而成。每相電樞繞組每匝線圈同時穿過永磁同步電機部分的同一相的 兩個相鄰定子齒和對應的電勵磁雙凸極定子極。永磁同步電機部分的電樞繞組相序及相繞 組分布與電勵磁雙凸極電機部分的電樞繞組相同，本實用新型直流電機每相繞組同時嵌繞 在永磁同步電機部分定子齒和電勵磁雙凸極電機部分的對應定子極上，經過兩部分的定子 鐵心后閉合，不在永磁同步電機部分的定子鐵心中直接閉合。[0030]電勵磁雙凸極電機部分的定子極數(shù)和轉子極數(shù)分別是永磁同步電機部分定子齒 數(shù)和轉子極數(shù)的一半，電勵磁雙凸極電機部分的定子極均勻分布，定子極寬等于槽口寬，轉 子極寬大于定子極寬。[0031]需要說明的是，本實用新型可以是三相、四相、五相甚至更多相直流電機，以下將 通過具體實施例對本實用新型的結構及有益效果進行介紹。[0032]如圖2 (a)和圖2 (b)所示，是本實用新型作為三相無刷直流電機的一個實施例， 電勵磁雙凸極電機部分為12/8極結構,永磁同步電機部分為24槽/16極、轉子切向磁化永 磁體結構，圖2 (a)和圖2 (b)所不分別為永磁同步電機部分和電勵磁雙凸極電機部分的 截面示意圖(其中并未畫出電樞繞組和勵磁繞組)，從圖中可以看出，永磁同步電機部分采 用集中繞組分布方式?？臻g位置上，永磁同步電機部分的A、B、C三相有一半與電勵磁雙凸 極電機部分的A、B、C三相——對應，圖中，Ap、Bp、Cp和Ae、Be、Ce分別表示對應于三相電 樞繞組的永磁同步電機部分定子齒和電勵磁雙凸極電機部分定子極。電勵磁雙凸極電機部 分的定子極均勻分布，定子極寬等于槽口寬，轉子極寬大于定子極寬。[0033]從圖2 Ca)和圖2 (b)中可以看出，永磁同步電機部分每相定子齒一半與電勵磁 雙凸極電機部分定子極在空間位置上一一對應，每相繞組同時嵌繞在永磁同步電機部分定 子齒和電勵磁雙凸極電機部分的對應定子極上，以A相繞組為例，它同時嵌繞在永磁同步 電機部分兩個定子齒Ap和電勵磁雙凸極電機部分的對應定子極Ae上。圖3給出了兩種部 分的繞組串聯(lián)分布方式，永磁同步電機每相的一半定子齒與電勵磁雙凸極電機每相定子極 在空間位置對應，因此永磁同步電機另外一半定子齒上的電樞繞組線圈先在永磁同步電機 部分與另一半定子齒上交替連接，最后空間位置上對應的定子齒(極)直接串聯(lián)，實際繞組 嵌線如圖4所示。由于兩種電機共用一套繞組線圈，永磁勵磁和電勵磁磁勢共同作用于同 一電樞繞組線圈，可以通過電勵磁的雙向調節(jié)作用來改變繞組合成磁鏈，從而可以有效地改變繞組感應電壓，同時對于電機內部電樞繞組短路情況可以實現(xiàn)有效的故障滅磁。[0034]本實用新型并列式混合勵磁無刷直流電機，勵磁繞組安裝在電勵磁雙凸極電機部 分的定子上，調節(jié)勵磁電流大小和方向，可以改變電勵磁雙凸極電機部分的電樞繞組的磁 場大小和方向，從而改變整個電機電樞繞組合成磁場，電機內部繞組感應電勢得到調節(jié)。合 理改變電勵磁雙凸極電機部分和永磁同步電機部分的軸向長度比例，調節(jié)勵磁電流大小和 方向，電機內部電樞磁通幅值可以保持基本不變，因此電機內部繞組感應電勢幅值可以為 零。[0035]圖5是本實施例作為直流發(fā)電機時三相橋式整流電路原理圖。[0036]綜上所述，本實用新型一種并列式混合勵磁無刷直流電機，在同一機殼內分為永 磁同步電機部分和電勵磁雙凸極電機部分兩部分，兩部分轉子相互獨立、同軸安裝，兩部分 定子彼此分開同在一個機殼左右兩側。永磁同步電機部分采用內置切向磁鋼轉子結構或表 貼式磁鋼轉子結構，定子鐵心由硅鋼片疊壓而成。電勵磁雙凸極電機部分的定子和轉子鐵 心均由硅鋼片疊壓而成，定子極數(shù)和轉子極數(shù)分別是永磁同步電機部分的定子齒數(shù)和轉子 極數(shù)的一半，電勵磁雙凸極電機部分的定子極均勻分布，定子極寬等于槽口寬，定子極上嵌 套電樞繞組和勵磁繞組。電勵磁雙凸極電機部分的轉子極寬稍大于定子極寬，以使得電勵 磁雙凸極電機部分的電樞繞組的感應電勢波形為梯形波，從而與永磁同步電機部分電樞繞 組的感應電勢波形相近，實現(xiàn)感應電勢的高效疊加和調節(jié)，從而顯著提高電機的功率和轉 矩密度。[0037]整個電機每相電樞繞組均經過永磁同步電機部分的定子鐵心和電勵磁雙凸極電 機部分的定子鐵心后閉合，每相繞組的線圈同時嵌繞在永磁同步電機部分的兩個定子齒和 電勵磁雙凸極電機部分的對應定子極上。永磁同步電機部分的電樞繞組和電勵磁雙凸極電 機部分的電樞繞組在電機內部為直接串聯(lián)關系，可見，這樣永磁同步電機部分的電樞繞組 不在永磁同步電機部分的定子鐵心中直接閉合，大大減小了永磁同步電機部分電樞繞組內 部短路的可能性，而且，實現(xiàn)了電勵磁雙凸極電機部分的勵磁電流對整個電機電樞繞組感 應電勢的高效寬范圍調節(jié)。[0038]以上實施例僅為說明本實用新型的技術思想，不能以此限定本實用新型的保護范 圍，凡是按照本實用新型提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本實 用新型保護范圍之內。
權利要求1.一種并列式混合勵磁無刷直流電機，包括機殼及設置在機殼內的電勵磁雙凸極電機部分和永磁同步電機部分，永磁同步電機部分和電勵磁雙凸極電機部分的轉子同軸安裝，二者的定子分別設于機殼內部的左右兩側，所述永磁同步電機部分的定子鐵心和電勵磁雙凸極電機部分的定子鐵心共用ー套電樞繞組，勵磁繞組安裝在電勵磁雙凸極電機部分的定子鉄心上；其特征在于所述混合勵磁電機電樞繞組每匝線圈同時穿過永磁同步電機部分的同一相的兩個相鄰定子齒和對應的電勵磁雙凸極定子極，永磁同步電機部分的電樞繞組相序及相繞組分布與電勵磁雙凸極電機部分的電樞繞組相同，所述直流電機每相繞組同時嵌繞在永磁同步電機部分定子齒和電勵磁雙凸極電機部分的對應定子極上，經過兩部分的定子鐵心后閉合。
2.如權利要求1所述的ー種并列式混合勵磁無刷直流電機，其特征在于所述電勵磁雙凸極電機部分的定子極數(shù)和轉子極數(shù)分別是永磁同步電機部分定子極數(shù)和轉子極數(shù)的一半，且電勵磁雙凸極電機部分的定子極均勻分布，定子極寬等于槽ロ寬，轉子極寬大于定子極寬。
3.如權利要求1所述的ー種并列式混合勵磁無刷直流電機，其特征在于所述直流電機是三相電機或多相電機。
4.如權利要求3所述的ー種并列式混合勵磁無刷直流電機，其特征在于所述直流電機采用三相電機，電勵磁雙凸極電機部分為3N/2N極結構，永磁同步電機部分為6N槽/4N極結構，其中N為大于I的整數(shù)。
專利摘要本實用新型公開一種并列式混合勵磁無刷直流電機，永磁同步電機部分和電勵磁雙凸極電機部分的轉子同軸安裝，二者的定子分別安裝在機殼內部的左右兩側，定子鐵心共用一套電樞繞組，勵磁繞組安裝在電勵磁雙凸極電機部分的定子鐵心上；所述混合勵磁電機每相電樞繞組每匝線圈同時穿過永磁同步電機部分的同一相的兩個相鄰定子齒和對應的電勵磁雙凸極定子極，兩部分的電樞繞組相序及相繞組分布相同，電機每相繞組同時嵌繞在永磁同步電機部分定子齒和電勵磁雙凸極電機部分的對應定子極上，經過兩部分的定子鐵心后閉合。此種混合勵磁電機繞組利用率高,氣隙磁場調節(jié)范圍寬且可以有效解決電機內部短路故障時滅磁保護的問題。
文檔編號H02K3/28GK202889138SQ201220455578
公開日2013年4月17日 申請日期2012年9月7日 優(yōu)先權日2012年9月7日
發(fā)明者張卓然, 耿偉偉, 嚴仰光, 王振洲 申請人:南京航空航天大學, 英泰集團有限公司