一種非對(duì)稱(chēng)和繞組配置的組合式雙凸極混合勵(lì)磁電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明具體涉及一種非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和繞組配置的組合式雙凸極混合勵(lì)磁電機(jī)，屬于一種雙凸極電機(jī)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著航天航空、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域的發(fā)展，電機(jī)作為其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件越來(lái)越受到重視。對(duì)于航空航天、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域，其使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求具有功率密度高、重量輕、輸出轉(zhuǎn)矩高、調(diào)速范圍寬、效率高等特點(diǎn)。1993年，美國(guó)威斯康星一麥迪遜大學(xué)的T.A.Lipo教授提出了雙凸極永磁電機(jī)(DSPM)。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，該電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效、高功率密度以及控制方便等優(yōu)點(diǎn)。但由于該電機(jī)只靠永磁體激磁建立電機(jī)磁場(chǎng)，電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)很難調(diào)節(jié)，因而該電機(jī)在作電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，無(wú)法進(jìn)行弱磁升速，從而擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍；而當(dāng)該電機(jī)用作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，則無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)磁場(chǎng)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的調(diào)壓。同時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，無(wú)法切斷電機(jī)磁場(chǎng)而進(jìn)行發(fā)電機(jī)滅磁。為此，Lipo教授在1995年提出了三相雙凸極混合勵(lì)磁電機(jī)(DSHEM)，該電機(jī)不僅保留了 DSPM的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，而且由于引入了電勵(lì)磁繞組，可通過(guò)改變勵(lì)磁電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)。然而，該電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致電勵(lì)磁磁通穿越永磁體，從而使得電機(jī)的電勵(lì)磁部分效率較低，并且存在永磁體不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)。東南大學(xué)程明教授帶領(lǐng)的課題組提出了帶有導(dǎo)磁橋的雙凸極混合勵(lì)磁電機(jī)，該電機(jī)在定子軛嵌入四塊永磁體，電勵(lì)磁位于與永磁體相鄰的定子子槽內(nèi)在永磁體和勵(lì)磁繞組之間設(shè)置一定尺寸的導(dǎo)磁橋。通過(guò)導(dǎo)磁橋?yàn)殡妱?lì)磁繞組提供額外的并聯(lián)磁分路，以達(dá)到用較小的直流勵(lì)磁磁勢(shì)獲得較大氣隙磁通調(diào)節(jié)范圍的目的。由于電勵(lì)磁磁路穿過(guò)永磁體，所以該電機(jī)同樣存在永磁體不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)。另外，香港大學(xué)的K.T.Chau和上海大學(xué)的江建中教授等提出了一種定子雙饋型雙凸極電機(jī)，該電機(jī)在定子上既有電樞繞組又有勵(lì)磁繞組，而且在永磁體旁附加了一條并聯(lián)磁路，可以減小永磁體的不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)，還能通過(guò)較小直流勵(lì)磁磁勢(shì)獲得較大的氣隙磁通調(diào)節(jié)范圍。南京航空航天大學(xué)嚴(yán)仰光教授等提出了一種并列結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)，電機(jī)分為電勵(lì)磁和永磁兩部分，兩部分的定、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，兩部分定子共用同一電樞繞組。該電機(jī)在磁路上屬于并列結(jié)構(gòu)，因此在進(jìn)行磁通和電動(dòng)勢(shì)計(jì)算時(shí)可采用簡(jiǎn)單的疊加。永磁部分和電勵(lì)磁部分隔開(kāi)一段距離，減小兩部分電機(jī)的耦合，但是由于永磁和電勵(lì)磁部分存在間隙，所以降低了電機(jī)功率密度。上述電動(dòng)機(jī)的各相定子繞組在匝數(shù)設(shè)計(jì)上均相等，且各相定子齒尺寸保持一致。由于磁路上的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，盡管上述電機(jī)均能通過(guò)減小勵(lì)磁電流來(lái)降低氣隙磁場(chǎng)，從而使電機(jī)在額定負(fù)載(基速)以上獲得一定的恒功率范圍，但由于電勵(lì)磁磁勢(shì)的下降，要大于電機(jī)在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)各相繞組電樞反應(yīng)所導(dǎo)致的增磁效應(yīng)，因而電機(jī)總的氣隙磁密會(huì)降低，無(wú)法在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持恒功率運(yùn)行，從而無(wú)法保證有效拓寬電機(jī)恒功率運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0003]為了克服上述電機(jī)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了由永磁部分子電機(jī)和混合勵(lì)磁部分子電機(jī)組合而成的組合式雙凸極混合勵(lì)磁電機(jī)，且該電機(jī)的永磁部分子電機(jī)數(shù)目Mp少于混合勵(lì)磁子電機(jī)數(shù)目Mh0由于永磁部分子電機(jī)數(shù)小于混合勵(lì)磁子電機(jī)數(shù)，因而為擴(kuò)大恒功率區(qū)的調(diào)速范圍，本發(fā)明在繞組配置上進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)，使永磁部分子電機(jī)的各相繞組的匝數(shù)大于混合勵(lì)磁子電機(jī)的各相繞組的匝數(shù)，且滿(mǎn)足NpMp彡NhMh。同時(shí)，為了使電機(jī)進(jìn)一步擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍，使永磁部分子電機(jī)的定子齒極弧寬度β sl稍大于混合勵(lì)磁子電機(jī)的定子齒極弧寬度0s2，但稍小于電機(jī)的轉(zhuǎn)子極弧寬度βρ通過(guò)上述電機(jī)結(jié)構(gòu)和繞組匝數(shù)的改進(jìn)，所提出的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和繞組配置的組合式雙凸極混合勵(lì)磁電機(jī)，大大提高了電機(jī)的效率、功率密度以及恒功率運(yùn)行區(qū)的調(diào)速范圍，在航空航天、電動(dòng)汽車(chē)、電機(jī)機(jī)車(chē)、船舶電力驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0004]本發(fā)明的目的是:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種氣隙磁場(chǎng)可調(diào)、永磁磁路相對(duì)獨(dú)立，具有高效、高功率密度和寬調(diào)速范圍的雙凸極混合勵(lì)磁電機(jī)。
[0005]為了達(dá)到上述目的，提出了一種非對(duì)稱(chēng)和繞組配置的組合式雙凸極混合勵(lì)磁電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子、切向磁化永磁體、電勵(lì)磁繞組、電樞繞組、轉(zhuǎn)軸，上述結(jié)構(gòu)均裝于機(jī)殼內(nèi)；所述定子、轉(zhuǎn)子都呈雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)軸位于轉(zhuǎn)子中央；所述電樞繞組繞組繞制于定子上，為集中式繞組；所述勵(lì)磁繞組放置在定子的梯形槽中；所述永磁體嵌入在定子背軛上，沿切向方向充磁；所述定子內(nèi)的定子齒呈非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)；所述電機(jī)由永磁部分子電機(jī)和混合勵(lì)磁部分子電機(jī)組合而成，永磁體之間的子電機(jī)部分為永磁部分子電機(jī)，而永磁體與勵(lì)磁繞組磁勢(shì)的子電機(jī)部分為混合勵(lì)磁部分子電機(jī)；根據(jù)電機(jī)的磁路將定子齒每三個(gè)齒為一組分為永磁部分子電機(jī)定子齒和混合勵(lì)磁部分子電機(jī)定子齒。
[0006]上述永磁部分子電機(jī)的磁路相對(duì)獨(dú)立，其相繞組定子齒下氣隙磁密由永磁體提供。
[0007]上述混合勵(lì)磁部分子電機(jī)的相繞組氣隙磁通由永磁體磁勢(shì)和勵(lì)磁磁勢(shì)共同作用，相互疊加而成。
[0008]上述電機(jī)的永磁部分子電機(jī)數(shù)為Μρ，混合勵(lì)磁部分子電機(jī)數(shù)為Mh，且滿(mǎn)足Mp< Mho
[0009]上述電機(jī)的轉(zhuǎn)子(2)的齒的極弧寬度βρ永磁部分定子齒⑶的極弧寬度f(wàn)3sl，混合勵(lì)磁部分定子齒(9)的極弧寬度f(wàn)3s2，相互之間的大小需要滿(mǎn)足如下關(guān)系:
[0010]β Sl 彡 β s2；
[0011]永磁部分定子齒(8)上繞制的電樞繞組匝數(shù)％與混合勵(lì)磁部分定子齒(9)上繞制的電樞繞組匝數(shù)Nh滿(mǎn)足如下關(guān)系:
[0012]NpMpSNhMh0
[0013]上述切向充磁的永磁體(3)采用釹鐵硼材料。
[0014]上述機(jī)殼(7)采用非導(dǎo)磁材料構(gòu)成，以免永磁體磁場(chǎng)漏到機(jī)殼外。
[0015]上述的定子(I)、轉(zhuǎn)子(2)均采用硅鋼片疊壓而成。
[0016]上述的轉(zhuǎn)子⑵上無(wú)繞組。
[0017]本發(fā)明的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和繞組配置的組合式雙凸極混合勵(lì)磁電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的勵(lì)磁繞組通以一定的直流電流，電機(jī)A、B、C三相電樞繞組分別與三相橋式變換器的橋臂中點(diǎn)連接。電機(jī)可采用角度控制和電流斬波控制相結(jié)合的電動(dòng)控制方式。此處以“標(biāo)準(zhǔn)角度控制”為例進(jìn)行說(shuō)明:對(duì)電機(jī)相磁鏈處于上升區(qū)間的相繞組通正電流、相磁鏈處于下降區(qū)間的相繞組通負(fù)電流、而相磁鏈接近于零的相繞組不通電。在這種控制方式下，每個(gè)導(dǎo)通區(qū)間都有電機(jī)三相繞組的兩相繞組通電工作。就該雙凸極混合勵(lì)磁電機(jī)而言，勵(lì)磁繞組中的電流可為正向也可反向，可對(duì)氣隙主磁場(chǎng)起增磁或者弱磁的作用，實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)的靈活調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)在作電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可增大電機(jī)的調(diào)速范圍和恒功率調(diào)速區(qū)；而電機(jī)作發(fā)電運(yùn)行時(shí)可獲得額定點(diǎn)調(diào)壓的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比，本發(fā)明的非對(duì)稱(chēng)混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)有以下特征:
[0019](I)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子均呈凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易冷卻，便于制造且成本低，功率密度高，輸出轉(zhuǎn)矩大，定轉(zhuǎn)子采用娃鋼片疊壓而成，可工作于極高的轉(zhuǎn)速；
[0020](2)本發(fā)明電機(jī)的永磁部分子電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮將電機(jī)工作在額定負(fù)載和額定轉(zhuǎn)速(基速)下的永磁部分子電機(jī)定子齒部下氣隙磁密設(shè)計(jì)在接近飽和處；而空載時(shí)的永磁部分子電機(jī)定子齒部下氣隙磁密設(shè)計(jì)在不飽和處。而對(duì)于電機(jī)的混合勵(lì)磁部分子電機(jī)應(yīng)考慮在空載時(shí)，將其定子齒部下氣隙磁密設(shè)計(jì)在接近磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和處。
[0021 ] (3)采用了凸極結(jié)構(gòu)電機(jī)，其磁鏈和感應(yīng)電勢(shì)波形都接近方波或者正弦波，所以對(duì)其控制方式都比較簡(jiǎn)單；
[0022](4)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有永磁體和電樞繞組，可以允許較高的溫升，并且有利于實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行；
[0023](5)由于引入了電勵(lì)磁源，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電勵(lì)磁電流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)氣隙磁場(chǎng)的靈活調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)寬調(diào)速范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明的18/12極非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和繞組配置的組合式雙凸極混合勵(lì)磁電機(jī)橫截面和繞組連接示意圖；
[0025]圖2為非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和繞組配置的組合式雙凸極混合勵(lì)磁電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖1中標(biāo)號(hào)名稱(chēng):1、定子；2、轉(zhuǎn)子；3、永磁體；4、電勵(lì)磁繞組；5、電樞繞組；6、轉(zhuǎn)軸；7、機(jī)殼；8、永磁部分子電機(jī)定子齒；9、混合勵(lì)磁部分子電機(jī)定子齒。
[0027]圖2中PMl和PM2為雙凸極混合勵(lì)磁電機(jī)的兩個(gè)永磁部分子電機(jī)；