三相对称的电励磁双凸极电机.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910575515.7 (22)申请日 2019.06.28 (71)申请人 南京航空航天大学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 蒋思远周波熊磊赵锋 葛文璟 (74)专利代理机构 江苏圣典律师事务所 32237 代理人 贺翔 (51)Int.Cl. H02K 1/14(2006.01) H02K 3/28(2006.01) H02K 1/24(2006.01) (54)发明名称 一种三相对称的电励磁双凸极电机 (57)摘要 本发明公开了一。

2、种三相对称的电励磁双凸 极电机， 电机具有新的定、 转子极数配置， 每个励 磁元件跨四个定子极绕制， 每相定子绕组的每个 定子线圈的分布位置不同， 使电机每相磁通路径 整体一致， 转子极锐角和钝角滑入滑出的个数相 等， 解决了传统电励磁双凸极电机因增加励磁槽 面积而采用平行齿开槽方式导致的定、 转子极不 对称接触的问题， 励磁绕组磁链也比较稳定， 最 终实现了双凸极电机的三相完全对称。 该发明不 必再采用传统电励磁双凸极电机为解决不对称 接触而采用定子极左右对称的极靴设计， 降低了 工艺难度。 该发明提出的电励磁双凸极电机三相 对称， 有效解决了传统三相电励磁双凸极电机转 矩脉动大、 电压波动。

3、大和电流不均衡的问题， 具 有较大的实用意义。 权利要求书1页 说明书5页 附图6页 CN 110365131 A 2019.10.22 CN 110365131 A 1.一种三相对称的电励磁双凸极电机， 其特征在于， 包含壳体、 定子、 转子、 转轴、 电枢 绕组、 励磁绕组前端盖和后端盖； 所述壳体为两端开口的空心柱状体， 且内壁呈圆柱状； 所述前端盖、 后端盖分别和所述 转轴的两端固连， 所述端盖上设有供所述转轴穿出的通孔； 所述定子包括定子铁心、 励磁绕组以及A、 B、 C三相电枢绕组， 所述定子铁心在外， 转子 在内， 定子铁心为凸极结构， 设置有定子极， 励磁元件以及A、 B、 C。

4、相电枢绕组嵌装在相对应 的定子极中； 定子铁心上设置的定子极数目为8n个， n取3的倍数； 每跨四个定子极分布一个励磁绕组， 且相邻励磁绕组的极性相反， 同时各励磁绕组相 互串联； 所述转子铁心为凸极结构， 转子极数目为16n/3个， n取3的倍数， 转子极锐角和钝角滑 入滑出的个数相等。 2.根据权利要求1所述的一种三相对称的电励磁双凸极电机， 其特征在于， 每个励磁绕 组对应4个定子齿槽， 与三相电枢绕组匝链， 每个励磁绕组下的电枢绕组按照所匝链的励磁 绕组的极性进行绕制， 且励磁元件与其所匝链的电枢绕组的极性一致； 每相电枢绕组由8n/3个线圈组成， 每相电枢绕组8n/3个线圈中， 4n。

5、/3个线圈距励磁绕 组较近， 另4n/3个线圈距励磁绕组较远， 整体组合后使得电机每相磁通路径一致。 3.根据权利要求2所述的一种三相对称的电励磁双凸极电机， 其特征在于， 所述电机的 转轴上还设有第一轴承和第二轴承， 所述壳体、 定子铁心、 转子铁心、 转轴同轴设置， 其中， 所述定子铁心的外壁和所述壳体的内壁固连； 所述转轴一端通过所述第二轴承和所述后端 盖的中心相连、 另一端穿过所述前端盖中心的通孔且通过所述第一轴承和前端盖相连。 4.根据权利要求1至3任一项所述的一种三相对称的电励磁双凸极电机， 其特征在于， 所述定子的定子极距为定子极弧长度的2倍， 所述转子的极弧长度等于或者大于定子。

6、极弧 长度。 5.根据权利要求4所述的一种三相对称的电励磁双凸极电机， 其特征在于， 所述定子和 转子均为硅钢片冲压而成。 6.根据权利要求4所述的一种三相对称的电励磁双凸极电机， 其特征在于， 所述励磁绕 组和电枢绕组均为集中式绕组。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110365131 A 2 一种三相对称的电励磁双凸极电机 技术领域 0001 本发明涉及特种电机本体设计领域， 尤其涉及一种三相对称的电励磁双凸极电 机。 背景技术 0002 上世纪90年代美国学者提出了永磁双凸极电机， 电励磁双凸极电机正是在此基础 上发展而来。 电励磁双凸极电机转子结构简单、 无绕组和永磁体， 高温、 高。

7、速运行能力强， 以 及定子上各相绕组在物理和电磁上独立， 容错能力强、 可靠性高的优点， 又具有电励磁同步 电机发电控制简单、 控制电路可靠性高的优点， 在航空航天、 汽车舰船、 风力发电等领域具 有广阔的应用前景。 0003 传统的三相电励磁双凸极电机通常采用6k/4k极结构(k为正整数)， 每个励磁元件 匝链3k整数倍相绕组， 各相磁路不一致导致每相磁链变化率不同， 因此反电势波形的对称 性较差， 该电机作为发电机运行时电压脉动大， 作为电动机运行时存在转矩脉动和振动噪 声较大的问题， 进而引起电机性能的下降。 0004 为解决三相电励磁双凸极电机各相磁链不对称造成的转矩脉动大、 电压波动。

8、大和 电流不均衡等问题， 目前的相关研究已经取得了一定的成果。 0005 一种是提出新的三相双凸极电机结构， 例如中国发明专利： 一种低转矩脉动电励 磁双凸极无刷直流电机及其控制系统， 申请号： 201510134898.6， 公开了一种低转矩脉动电 励磁双凸极无刷直流电机及其控制系统， 电机为12N/10N极结构， 通过将该六相定子绕组中 相位角相差180 的反电势波形存在互补性的两相绕组两两反向串联， 构成U、 V、 W三相绕组， 三相定子绕组的反电势波形对称性得到明显加强。 中国发明专利： 内外双定子双凸极无刷 直流电机， 申请号： 200710020866.9， 中国发明专利： 三相 。

9、（6/4N/4N/6） k结构双定子双凸极 电机， 申请号： 201110073792.1， 中国发明专利： 一种内外双定子电励磁双凸极起动发电机， 申请号： 201210471608.3， 均是采用双定子的方式， 减小电机电压脉动， 抑制转矩脉动。 另一 种是进行新的三相电励磁双凸极电机绕组设计， 例如中国实用新型专利： 一种三相双凸极 电机电枢绕组结构， 申请号： 201520017005.5， 公开了一种三相双凸极电机电枢绕组结构， 所述励磁绕组两侧的定子极上缠绕的电枢绕组的匝数大于远离励磁绕组的定子极上缠绕 的电枢绕组的匝数， 改善电枢电流的不对称， 降低转矩脉动。 0006 以上技术。

10、中， 中国发明专利： 一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机及其控 制系统， 申请号： 201510134898.6， 定子的每个槽内都分布有一套励磁绕组， 使得电机具有 对称的相磁路， 这样的励磁绕组分布解决了传统三相电励磁双凸极电机每三个定子极共用 一套励磁绕组导致的本体固有的相磁路不对称问题， 但由于励磁元件的明显增加， 使得铜 材消耗大， 且励磁损耗增加。 中国发明专利： 内外双定子双凸极无刷直流电机， 申请号： 200710020866.9， 中国发明专利： 三相 （6/4N/4N/6） k结构双定子双凸极电机， 申请号： 201110073792.1， 中国发明专利： 一种内外双定。

11、子电励磁双凸极起动发电机， 申请号： 201210471608.3， 均是采用双定子的方式， 但双定子的结构使得电机加工难度增大， 工艺水 说明书 1/5 页 3 CN 110365131 A 3 平要求更高， 电机可靠性变差。 另外， 以上技术中， 一旦涉及为增加励磁槽面积而采用的平 行齿开槽方式， 势必将导致的定、 转子极的不对称接触， 需要采用定子极左右对称的极靴设 计， 增加了工艺难度。 发明内容 0007 本发明为解决传统三相电励磁双凸极电机存在本体固有的相磁路不对称导致的 转矩脉动大、 电压波动大和电流不均衡等问题， 采用如下技术方案： 一种三相对称的电励磁双凸极电机， 包含壳体、。

12、 定子、 转子、 转轴、 第一轴承、 第二轴承、 前端盖和后端盖； 所述壳体为两端开口的空心柱状体， 且内壁呈圆柱状； 所述前端盖、 后端盖分别和所述 壳体的两端固连； 所述端盖上设有供所述转轴穿出的通孔； 所述定子包括定子铁心、 励磁元件以及A、 B、 C三相电枢绕组， 定子铁心为凸极结构， 设 置有定子极， 励磁元件以及A、 B、 C相电枢绕组嵌装在相对应的定子极中。 定子铁心上设置的 定子极数目为8n个， n取3的倍数。 励磁元件的数目为2n个， n取3的倍数， 分别跨四个定子极 分布， 且相邻励磁元件的极性相反， 同时各励磁元件相互串联。 每个励磁元件对应4个齿槽， 与三相电枢绕组匝链。

13、， 每个励磁元件下的电枢绕组按照所匝链的励磁元件的极性进行绕 制， 且励磁元件与其所匝链的电枢绕组的极性一致； 每相绕组由8n/3个线圈组成， 每相电枢 绕组8n/3个线圈中， 4n/3个线圈距励磁绕组较近， 所匝链的磁路磁阻较小， 另4n/3个线圈距 励磁绕组较远， 所匝链的磁路磁阻较大， 由于各相电枢绕组皆由上述线圈串联组成， 故整体 组合后使得电机每相磁通路径一致； 转子极锐角和钝角滑入滑出的个数相等， 解决了传统 电励磁双凸极电机因增加励磁槽面积而采用的平行齿开槽方式导致的定、 转子极不对称接 触。 0008 所述转子铁心为双凸极结构， 转子极数目为16n/3个， n取3的倍数。 00。

14、09 所述壳体、 定子铁心、 转子铁心、 转轴同轴设置， 其中， 所定子铁心的外壁和所述壳 体的内壁固连； 转轴一端通过所述第二轴承和所述后端盖的中心相连、 另一端穿过所述前 端盖中心的通孔且通过所述第一轴承和前端盖相连； 所述定子的定子极距为定子极弧长度的2倍， 所述转子的极弧长度等于或者大于定子 极弧长度。 0010 所述定子和转子均为硅钢片冲压而成。 0011 所述励磁绕组和A、 B、 C相电枢绕组均为集中式绕组。 0012 所述一种三相对称的电励磁双凸极电机采用全桥变换器控制， A相、 B相、 C相三相 定子电枢绕组采用Y形连接的方式连接到所述三相全桥变换器。 为提高电机的容错运行能 。

15、力， 可采用H桥变换器控制， 其中A相、 B相、 C相三相定子电枢绕组分别与H桥变换器的桥臂中 点连接。 0013 本发明采用以上技术方案与现有技术相比， 具有以下技术效果： 1、 每个励磁元件跨四个定子极绕制， 每相定子绕组的每个定子线圈的分布位置不同， 使得电机每相磁通路径整体一致， 解决了传统电励磁双凸极电机各相磁路长短不一的结构 引起的各相磁链不相等的问题。 0014 2、 每相转子极锐角和钝角滑入 （滑出） 的个数相等， 解决了传统电励磁双凸极电机 说明书 2/5 页 4 CN 110365131 A 4 因增加励磁槽面积而采用的平行齿开槽方式导致的定、 转子极不对称接触， 励磁绕组。

16、磁链 也比较稳定。 0015 3、 该发明不必再采用传统电励磁双凸极电机为解决不对称接触而采用定子极左 右对称的极靴设计， 降低了工艺难度。 0016 4、 解决了三相电励磁双凸极电机本身的的结构不对称导致的电机各相磁链不对 称等问题， 反电势更加对称， 转矩脉动降低。 附图说明 0017 图1为本发明24/16极结构的三相对称的电励磁双凸极电机的轴向剖视示意图； 图2为本发明24/16极结构的三相对称的电励磁双凸极电机的定子铁心及绕组立体分 解视图； 图3为本发明24/16极结构的三相对称的电励磁双凸极电机的转子部分立体分解视图； 图4为本发明24/16极结构的三相对称的电励磁双凸极电机的立。

17、体分解视图； 图5传统24/16极结构的三相电励磁双凸极电机的磁路示意图； 图6本发明三相对称的电励磁双凸极电机的磁路示意图； 图7为传统三相电励磁双凸极电机的各相电枢绕组与励磁绕组互感图； 图8为本发明三相对称的电励磁双凸极电机各相电枢绕组与励磁绕组互感图； 图9为传统三相电励磁双凸极电机的磁链波形图； 图10为本发明三相对称的电励磁双凸极电机的磁链波形图； 图11为传统三相电励磁双凸极电机的带极靴的定子极； 图12为本发明三相对称的电励磁双凸极电机定子绕组与全桥变换器连接图； 图13是本发明三相对称的电励磁双凸极电机定子绕组与H桥变换器连接图； 图14为本发明三相对称的电励磁双凸极电机电动。

18、运行时控制策略的导通示意图； 图中， 1-前端盖， 2-壳体， 3-定子铁心， 4-励磁绕组， 5-A相电枢绕组， 6-B相电枢绕组， 7- C相电枢绕组， 8-转子铁心， 9-第一轴承， 10-第二轴承， 11-转轴， 12-后端盖。 具体实施方式 0018 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明： 本发明可以以许多不同的形式实现， 而不应当认为限于这里所述的实施例。 相反， 提供 这些实施例以便使本公开透彻且完整， 并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。 在附图中， 为了清楚起见放大了组件。 0019 本发明提供的一种三相对称的电励磁双凸极电机包含壳体、 定子、 转子、 转。

19、轴、 电 枢绕组、 励磁绕组前端盖和后端盖； 所述壳体为两端开口的空心柱状体， 且内壁呈圆柱状； 所述前端盖、 后端盖分别和所述转轴的两端固连， 所述端盖上设有供所述转轴穿出的通孔； 所述定子包括定子铁心、 励磁绕组以及A、 B、 C三相电枢绕组， 所述定子铁心在外， 转子在内， 定子铁心为凸极结构， 设置有定子极， 励磁元件以及A、 B、 C相电枢绕组嵌装在相对应的定子 极中； 定子铁心上设置的定子极数目为8n个， n取3的倍数； 每跨四个定子极分布一个励磁绕 组， 且相邻励磁绕组的极性相反， 同时各励磁绕组相互串联； 所述转子铁心为凸极结构， 转 子极数目为16n/3个， n取3的倍数， 。

20、转子极锐角和钝角滑入滑出的个数相等。 说明书 3/5 页 5 CN 110365131 A 5 0020 进一步的， 每个励磁绕组对应4个定子齿槽， 与三相电枢绕组匝链， 每个励磁绕组 下的电枢绕组按照所匝链的励磁绕组的极性进行绕制， 且励磁元件与其所匝链的电枢绕组 的极性一致； 每相电枢绕组由8n/3个线圈组成， 每相绕组由8n/3个线圈组成， 每相电枢绕组8n/3个 线圈中， 4n/3个线圈距励磁绕组较近， 所匝链的磁路磁阻较小， 另4n/3个线圈距励磁绕组较 远， 所匝链的磁路磁阻较大， 由于各相电枢绕组皆由上述线圈串联组成， 故整体组合后使得 电机每相磁通路径一致； 转子极锐角和钝角滑。

21、入滑出的个数相等， 解决了传统电励磁双凸 极电机因增加励磁槽面积而采用的平行齿开槽方式导致的定、 转子极不对称接触。 0021 进一步的， 所述电机的转轴上还设有第一轴承和第二轴承， 所述壳体、 定子铁心、 转子铁心、 转轴同轴设置， 其中， 所述定子铁心的外壁和所述壳体的内壁固连； 所述转轴一 端通过所述第二轴承和所述后端盖的中心相连、 另一端穿过所述前端盖中心的通孔且通过 所述第一轴承和前端盖相连。 所述定子的定子极距为定子极弧长度的2倍， 所述转子的极弧 长度等于或者大于定子极弧长度。 0022 作为一种优选， 所述定子和转子均为硅钢片冲压而成； ， 所述励磁绕组和电枢绕组 均为集中式绕。

22、组。 0023 相对于已有技术来说， 本发明公开了一种三相对称的电励磁双凸极电机， 电机具 有新的定转子极数配置， 定子极数目为8n个， 转子极数目为16n/3个， n取3的倍数。 每个励磁 元件跨四个定子极绕制， 不会增加额外的励磁元件而增加电机铜材。 每相定子绕组的每个 定子线圈的分布位置不同， 使得电机每相磁通路径整体一致， 且转子极锐角和钝角滑入滑 出的个数相等， 解决了传统电励磁双凸极电机因增加励磁槽面积而采用的平行齿开槽方式 导致的定、 转子极不对称接触。 该发明不必再采用传统电励磁双凸极电机为解决不对称接 触而采用定子极左右对称的极靴设计， 降低了工艺难度。 0024 实施例1 。

23、基于上述技术方案， 本实施例以24/16极的电机作为例子， 对本发明的具体技术细节做 进一步说明。 三相对称的24/16极电励磁双凸极电机， 如图1、 4所示， 包含壳体、 定子、 转子、 转轴、 第一轴承、 第二轴承、 前端盖和后端盖； 如图4所示， 所述壳体为两端开口的空心柱状体， 且内壁呈圆柱状； 所述前端盖、 后端盖 分别和所述壳体的两端固连； 所述端盖上设有供所述转轴穿出的通孔； 所述壳体、 定子铁 心、 转子铁心、 转轴同轴设置， 其中， 所述定子铁心的外壁和所述壳体的内壁固连； 转轴一端 通过所述第二轴承和所述后端盖的中心相连、 另一端穿过所述前端盖中心的通孔且通过所 述第一轴承。

24、和前端盖相连； 如图1、 2所示， 所述定子包括定子铁心、 励磁元件以及A、 B、 C三相电枢绕组， 定子铁心为 凸极结构， 设置有定子极， 励磁元件以及A、 B、 C相电枢绕组嵌装在相对应的定子极中。 所述 励磁绕组和A、 B、 C相电枢绕组均为集中式绕组。 定子铁心上设置的定子极数目为24个。 励磁 元件的数目为6个， 分别跨四个定子极分布， 且相邻励磁元件的极性相反， 同时各励磁元件 相互串联。 每个励磁元件对应4个齿槽， 与三相电枢绕组匝链， 每个励磁元件下的电枢绕组 按与励磁元件的极性相同进行绕制； 每相绕组由8个线圈组成， 每相绕组8个线圈距励磁元 件距离不同， 但每相定子绕组的8。

25、个线圈中皆有4个短磁路线圈和4个长磁路线圈， 故整体组 合后使得电机每相磁通路径一致； 转子极锐角和钝角滑入滑出的个数相等， 解决了传统电 说明书 4/5 页 6 CN 110365131 A 6 励磁双凸极电机因增加励磁槽面积而采用的平行齿开槽方式导致的定、 转子极不对称接 触。 0025 如图1、 3所示， 所述转子铁心为双凸极结构， 转子极数目为16个。 0026 作为本发明一种三相对称的电励磁双凸极电机进一步的优化方案， 所述三相对称 的电励磁双凸极电机的定子和转子均由硅钢片冲压而成， 所述定子的定子极距为定子极弧 长度的2倍， 所述转子的极弧长度等于或者大于定子极弧长度。 0027 。

26、图5是传统三相电励磁双凸极电机的磁路示意图， 图7为传统三相电励磁双凸极电 机的各相电枢绕组与励磁绕组互感图， 图9为传统三相电励磁双凸极电机的磁链波形图。 该 电机靠近励磁线圈的相磁路短， 磁阻小， 远离励磁绕组的相磁路长， 磁阻大。 造成各相电枢 绕组与励磁绕组互感不等， 三相磁链不对称， 带来电机转矩脉动大、 电压波动大和电流不均 衡等问题。 传统电励磁双凸极电机因增加励磁槽面积而采用的平行齿开槽方式导致的定、 转子极不对称接触， 通常将每个定子极都设计成如图11所示的极靴， 且极靴的形状左右对 称， 实现定子极与转子极滑入和滑出过程的对称接触， 但增加了工艺难度。 0028 图6是本发。

27、明三相对称的电励磁双凸极电机的磁路示意图， 从图6可以看出， 该电 机每相绕组8个线圈距励磁元件距离不同， 但每相定子绕组的8个线圈中皆有4个短磁路线 圈和4个长磁路线圈， 故整体组合后使得电机每相磁通路径一致； 且转子极锐角和钝角滑入 （滑出） 的个数相等， 均为4个， 解决了传统电励磁双凸极电机因增加励磁槽面积而采用的平 行齿开槽方式导致的定、 转子极不对称接触。 图8为本发明三相对称的电励磁双凸极电机各 相电枢绕组与励磁绕组互感图， 图10为本发明三相对称的电励磁双凸极电机的磁链波形 图。 从图8可以看出， 本发明提出的三相对称的电励磁双凸极电机相绕组和励磁绕组互感完 全对称。 从图10。

28、可以看出， 本发明提出的三相对称的电励磁双凸极电机各相磁链对称， 由于 相绕组自感曲线和相绕组与励磁绕组互感曲线二者变化趋势几乎一致， 自感曲线不再赘 述。 0029 图12是本发明电机三相定子绕组与三相全桥变换器连接图。 A相、 B相、 C相三相定 子电枢绕组采用Y形连接的方式连接到所述三相全桥变换器， 可构成三相对称的电励磁双 凸极电机主控制电路。 为提高电机的容错运行能力， 可采用H桥变换器控制， 如图13所示， 其 中A相、 B相、 C相三相定子电枢绕组分别与H桥变换器的桥臂中点连接， 各相相互独立控制, 当其中一相出现故障时,不会影响其他相工作。 0030 图14是本发明三相对称的电。

29、励磁双凸极电机电动运行时控制策略的导通示意图。 在给励磁绕组通以正向的励磁电流后,控制器根据位置传感器检测的信号控制变换器给电 感上升的相通正向电流,给电感下降的相通负向电流,电机即可以作为电动机运行。 0031 本技术领域技术人员可以理解的是， 除非另外定义， 这里使用的所有术语 （包括技 术术语和科学术语） 具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。 还 应该理解的是， 诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中 的意义一致的意义， 并且除非像这里一样定义， 不会用理想化或过于正式的含义来解释。 0032 以上所述的具体实施方式， 对本发明的目的、 技。

30、术方案和有益效果进行了进一步 详细说明， 所应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施方式而已， 并不用于限制本发 明， 凡在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明 的保护范围之内。 说明书 5/5 页 7 CN 110365131 A 7 图1 图2 说明书附图 1/6 页 8 CN 110365131 A 8 图3 图4 图5 说明书附图 2/6 页 9 CN 110365131 A 9 图6 图7 说明书附图 3/6 页 10 CN 110365131 A 10 图8 图9 说明书附图 4/6 页 11 CN 110365131 A 11 图10 图11 图12 说明书附图 5/6 页 12 CN 110365131 A 12 图13 图14 说明书附图 6/6 页 13 CN 110365131 A 13 。