阅读说明：本技术 一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机 (Excitation compensation type hybrid magnetic source magnetic field modulation motor ) 是由 王海涛 丁树业 冯春梅 邱鑫 施建平 李娜 于 2020-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机,由多个非同种励磁源构成的混合磁源励磁,其中,高磁性能励磁源施加于转子上,采用高剩磁永磁体；低磁性能励磁源施加于定子上,由施加于定子槽口处的低剩磁永磁体与定子齿交替排布构成；直流励磁源施加于定子上,直流励磁绕组分布在定子齿与励磁辅助齿两侧,各绕组同轴向端部相连接。本发明提供的励磁补偿型混合磁源磁场调制电机实现了低速大转矩、宽调速范围且全运行范围内低齿槽转矩和低转矩脉动,相较于现有技术,能够克服传统永磁磁场调制电机气隙磁场无法灵活调节与可调通磁场调制电机磁场在弱磁运行下齿槽转矩与转矩脉动大的缺点。(The invention provides an excitation compensation type mixed magnetic source magnetic field modulation motor, which is a mixed magnetic source excitation formed by a plurality of non-homogeneous excitation sources, wherein a high-magnetism-performance excitation source is applied to a rotor, and a high-remanence permanent magnet is adopted; the low-magnetic-performance excitation source is applied to the stator and is formed by alternately arranging low-remanence permanent magnets applied to a slot of the stator and stator teeth; the DC excitation source is applied to the stator, the DC excitation windings are distributed on two sides of the stator teeth and the excitation auxiliary teeth, and the windings are connected with the end part in the same axial direction. Compared with the prior art, the excitation compensation type hybrid magnetic source magnetic field modulation motor provided by the invention has the advantages that the low-speed large torque, the wide speed regulation range, the low cogging torque and the low torque ripple in the full operation range are realized, and the defects that the air gap magnetic field of the traditional permanent magnetic field modulation motor cannot be flexibly adjusted and the cogging torque and the torque ripple of the magnetic field of the adjustable flux magnetic field modulation motor are large under the condition of weak magnetic operation can be overcome.)

一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机

技术领域

本发明涉及永磁磁场调制电机技术领域，尤其涉及一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机。

背景技术

随着永磁材料性能的提升与其工业应用前景的扩展，永磁电机以高效、高功率密度及运行可靠等优点已取代传统电励磁电机广泛应用于航天、航海及交通运输等领域。在工程上，大部分永磁电机驱动系统采用“高速电机+机械齿轮”的组合，以提高电机的转矩密度。然而，这样的组合会带来摩擦损耗增大、噪声增大、效率降低以及运行可靠性降低等一系列问题。为了解决这些问题，电机研究人员将磁齿轮与永磁电机相结合，提出了磁场调制电机，其基于“磁齿轮效应”，电机内转速较高的电枢磁场可以被调制成转速较低的谐波磁场，与极对数较低的旋转磁场耦合产生大转矩，使电机具有低速大转矩的特点，并提高了电机的转矩密度，受到了国内外学者的广泛关注。

然而，磁场调制电机比传统永磁电机在结构上至少多出一个调磁层，其空间利用率低，且谐波畸变大。为了解决这个问题，国内外电机研究人员提出了多永磁励磁的方案，提高电机内空间利用率，并进一步提高转矩输出能力。然而，多永磁励磁结构增加工作谐波幅值的能力有限，降低了永磁利用率及电机的性价比，并可能带来由于永磁体用量增多所导致的磁路饱和问题。另一种提高电机内空间利用率的方案是对磁场调制电机施加一套直流励磁线圈，形成可调磁通磁场调制电机，对气隙磁场进行调节，不仅弥补了传统磁场调制电机气隙磁场无法调节和调速范围有限的不足，还可以提高磁场调制电机的功率因数，扩大了其在航空航天、舰船与汽车等领域的应用前景。然而，直流励磁会使得气隙磁场谐波畸变更加严重，在弱磁增速的运行状态下给电机带来大转矩脉动的问题，影响电机平稳运行。

为了解决谐波畸变大的问题，并在弱磁状态下抑制无用谐波，突破制约磁场调制电机发展的瓶颈，本发明在探索多永磁励磁磁场调制电机与可调磁通磁场调制电机的基础上，提出全新的励磁补偿型混合磁源磁场调制电机，以混合磁源进行补偿性励磁，并对磁场内多谐波分量进行协同调控，对励磁补偿型混合磁源磁场调制电机进行初步分析，该类电机具有优越的电磁性能，具有重要的理论探索价值和广阔的工程应用前景。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种低速大转矩、宽调速范围、全运行范围内低齿槽转矩和低转矩脉动的励磁补偿型混合磁源磁场调制电机，可克服传统永磁磁场调制电机气隙磁场无法灵活调节与可调磁通磁场调制电机在弱磁运行下齿槽转矩与转矩脉动大的缺点。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机，包括：转子和定子，其中，所述转子由轴、转子铁心和高磁性能励磁源构成，所述定子由低磁性能励磁源、定子齿、励磁辅助齿、定子轭部、电枢绕组和直流励磁源构成；

通过多个非同种励磁源构成的混合磁源对所述电机进行励磁，所述多个非同种励磁源至少包括三个非同种励磁源，所述多个非同种励磁源包括高磁性能励磁源、低磁性能励磁源和直流励磁源；

所述高磁性能励磁源用于施加于转子上，建立所述电机内旋转的主永磁磁场，产生转矩；所述低磁性能励磁源用于施加于定子上，建立所述电机内非旋转的辅助永磁磁场，调节气隙磁场分布；所述直流励磁源用于施加于定子齿与励磁辅助齿两侧，调节所述定子轭部磁密；所述低磁性能励磁源和直流励磁源还用于对电机进行补偿励磁。

进一步地，在一种实现方式中，所述高磁性能励磁源由径向充磁且极性相反的高剩磁永磁体间隔排列构成；

或者，所述高磁性能励磁源由径向充磁且极性相同高剩磁永磁体与铁心极交替排列构成，用于建立所述电机内主永磁磁场，所述主永磁磁场经定子齿调制后，与由通电的电枢绕组产生的电枢磁场耦合，产生大输出转矩。

进一步地，在一种实现方式中，所述低磁性能励磁源由多个低剩磁永磁体与定子齿交替排列构成，各个所述低剩磁永磁体径向充磁且极性相同，建立所述电机内辅助永磁磁场，用于对电机进行补偿励磁。

进一步地，在一种实现方式中，构成所述低磁性能励磁源的低剩磁永磁体的底部与励磁辅助齿顶部相连接；

当所述电机空载时，所述低剩磁永磁体与定子齿形成交替极永磁结构，对所述电机进行补偿励磁，调节所述气隙磁场分布，降低所述气隙磁场内因调制和弱磁引起的谐波畸变；

当所述电机负载时，所述低剩磁永磁体通过励磁辅助齿对电机主磁路进行并联增磁；

当所述电机运行在弱磁状态下，所述低磁性能励磁源用于降低气隙磁场的谐波畸变，使得所述电机在弱磁状态下的齿槽转矩和转矩脉动低于额定状态下的齿槽转矩和转矩脉动。

进一步地，在一种实现方式中，所述高磁性能励磁源与低磁性能励磁源分布在气隙两侧，用于获得最优的电磁性能。

进一步地，在一种实现方式中，各直流励磁绕组通同向直流电构成所述直流励磁源，在所述定子轭部产生非时变磁场，用于对所述电机进行补偿励磁，实现宽调速范围。

进一步地，在一种实现方式中，所述直流励磁源由通电的直流励磁绕组构成，所述直流励磁绕组分布在定子齿和励磁辅助齿的两侧，各所述直流励磁绕组在同轴向端部相连接，对各所述直流励磁绕组通方向相同的直流电流，且所述直流励磁源206在定子轭部204调节磁密，对电机进行弱磁增速控制；

当所述电机运行在弱磁状态下，所述定子轭部磁密升高，所述主永磁磁场与电枢磁场耦合程度降低，所述定子轭部与电机的机壳相接触。

进一步地，在一种实现方式中，所述励磁补偿型混合磁源磁场调制电机的电枢绕组采用分数槽集中绕组，所述绕组缠绕在定子齿上。

进一步地，在一种实现方式中，所述电机中高剩磁永磁体与低剩磁永磁体的厚度相同，用于获得最优的电磁性能。

进一步地，在一种实现方式中，所述电机中高剩磁永磁体与低剩磁永磁体的厚度小于或等于电机半径的1/14。

本发明提供一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机，包括：转子和定子，其中，所述转子由轴、转子铁心和高磁性能励磁源构成，所述定子由低磁性能励磁源、定子齿、励磁辅助齿、定子轭部、电枢绕组和直流励磁源构成；通过多个非同种励磁源构成的混合磁源对所述电机进行励磁，所述多个非同种励磁源至少包括三个非同种励磁源，所述多个非同种励磁源包括高磁性能励磁源、低磁性能励磁源和直流励磁源；所述高磁性能励磁源用于施加于转子上，建立所述电机内旋转的主永磁磁场，产生转矩；所述低磁性能励磁源用于施加于定子上，建立所述电机内非旋转的辅助永磁磁场，调节气隙磁场分布；所述直流励磁源用于施加于定子齿与励磁辅助齿两侧，调节所述定子轭部磁密；所述低磁性能励磁源和直流励磁源还用于对电机进行补偿励磁。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

（1）本发明采用与励磁辅助齿相连的低磁性能励磁源调节气隙磁场分布，对电机进行补偿励磁，降低因调制和直流弱磁产生的气隙磁场内谐波畸变，可有效的增加工作谐波，降低高次谐波，区别于现有技术中采用控制手段实现降低高次谐波功能，在全运行范围内降低齿槽转矩和转矩脉动，使得所述电机在弱磁状态下的齿槽转矩和转矩脉动低于额定状态下的齿槽转矩和转矩脉动，优于现有的可调磁通磁场调制电机。

（2）本发明采用通同向直流电的直流励磁绕组作为直流励磁源，其可在定子轭部产生非时变的磁场，对电机进行弱磁，实现宽调速范围，区别于传统直流励磁在定子齿部调节电机磁密以实现弱磁调速功能；在定子轭部对转子永磁电机进行弱磁，有利于电机散热，保证电机稳定运行。

（3）本发明采用由多个非同种励磁源构成的混合磁源对电机进行励磁，转子上高磁性能励磁源提供主永磁磁场，产生转矩，低磁性能励磁源提供辅助永磁磁场，调节气隙磁场分布，降低谐波畸变，直流励磁源在定子轭部对电机进行弱磁，低磁性能励磁源与直流励磁源对电机进行功能式的补偿励磁，区别于现有电机的励磁方式，使本发明电机具有大输出转矩、宽调速范围、全运行范围内低齿槽转矩和低转矩脉动的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例部分提供的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机的沿轴线的剖面结构示意图；

图2a是本发明实施例部分提供的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机中转子的三维分解结构示意图；

图2b是本发明实施例部分提供的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机中定子的三维分解结构示意图；

图3是本发明实施例部分提供的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机的径向截面结构示意图；

图4是本发明实施例部分提供的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机的中直流励磁绕组结构示意图；

图5a是本发明实施例部分提供的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机的高磁性能永磁转子结构示意图；

图5b是本发明实施例部分提供的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机的高磁性能永磁交替极转子结构示意图；

其中，1-转子，101-轴，102-转子铁心，103-高磁性能励磁源，104-铁心极，2-定子，201-低磁性能励磁源，202-定子齿，203-励磁辅助齿，204-定子轭部，205-电枢绕组，206-直流励磁源。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例公开一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机，本方法应用于电动汽车、舰船与航空航天等低速大转矩直驱，高调速范围要求，且需低转矩脉动平稳运行的应用场合。

如图1、图2a、图2b和图3所示，本实施例提供一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机，包括：转子1和定子2，其中，所述转子1由轴101、转子铁心102和高磁性能励磁源103构成，所述定子2由低磁性能励磁源201、定子齿202、励磁辅助齿203、定子轭部204、电枢绕组205和直流励磁源206构成；

本实施例中，通过多个非同种励磁源构成的混合磁源对所述电机进行励磁，所述多个非同种励磁源至少包括三个非同种励磁源，所述多个非同种励磁源包括高磁性能励磁源103、低磁性能励磁源201和直流励磁源206；本实施例中，各励磁源功能不同，一种励磁源励磁电机内主永磁磁场，其他励磁源对其进行补偿励磁，调节电机内气隙磁场分布与磁密幅值。

所述高磁性能励磁源103用于施加于转子1上，建立所述电机内旋转的主永磁磁场，产生转矩；所述低磁性能励磁源201用于施加于定子2上，建立所述电机内非旋转的辅助永磁磁场，调节气隙磁场分布；本实施例中，所述低磁性能励磁源201由施加于定子槽口处的低剩磁永磁体与定子齿202交替排布构成，通过所述低磁性能励磁源201，能够降低齿槽转矩和转矩脉动，且其与励磁辅助齿203相连，实现并联增磁。

所述直流励磁源206用于施加于定子齿202与励磁辅助齿203两侧，调节所述定子轭部204磁密；本实施例中，所述直流励磁源206如图4所示，直流励磁绕组分布在定子齿202与励磁辅助齿203两侧（图4中未示出），各直流励磁绕组同轴向端部相连接。通过直流励磁绕组内通同向直流电时构成直流励磁源206，调节定子轭部204磁密，实现电机弱磁增速运行。

所述低磁性能励磁源201和直流励磁源206还用于对电机进行补偿励磁。本实施例中，通过磁性能励磁源201与直流励磁源206对电机进行补偿励磁，使所述电机具有低速大转矩，宽调速范围，并可在全运行范围内低齿槽转矩和低转矩脉动平稳运行的特点。

通过本实施例所述的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机，能够提供一种低速大转矩、宽调速范围、全运行范围内低齿槽转矩和低转矩脉动的励磁补偿型混合磁源磁场调制电机，克服了传统永磁磁场调制电机气隙磁场无法灵活调节与可调磁通磁场调制电机在弱磁运行下齿槽转矩与转矩脉动大的缺点。

如图2a、图2b、图3、图5a和图5b所示，本实施例所述的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机中，所述高磁性能励磁源103由径向充磁且极性相反的高剩磁永磁体间隔排列构成；

或者，所述高磁性能励磁源103由径向充磁且极性相同高剩磁永磁体与铁心极交替排列构成，用于建立所述电机内主永磁磁场，所述主永磁磁场经定子齿202调制后，与由通电的电枢绕组205产生的电枢磁场耦合，产生大输出转矩。通过本实施例建立的电机内旋转的主永磁磁场较由定子永磁电机转矩密度及功率密度高。

如图2a、图2b和图3所示，本实施例所述的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机中，所述低磁性能励磁源201由多个低剩磁永磁体与定子齿202交替排列构成，各个所述低剩磁永磁体径向充磁且极性相同，建立所述电机内辅助永磁磁场，用于对电机进行补偿励磁。

本实施例所述的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机中，构成所述低磁性能励磁源201的低剩磁永磁体的底部与励磁辅助齿203顶部相连接；

当所述电机空载时，所述低剩磁永磁体与定子齿202形成交替极永磁结构，对所述电机进行补偿励磁，调节所述气隙磁场分布，降低所述气隙磁场内因调制和弱磁引起的谐波畸变；

当所述电机负载时，所述低剩磁永磁体通过励磁辅助齿203对电机进行并联增磁；本实施例中，通过所述低剩磁永磁体通过励磁辅助齿203对电机进行并联增磁能够有效的提高电机的转矩密度及功率密度。

当所述电机运行在弱磁状态下，所述低磁性能励磁源201用于降低气隙磁场的谐波畸变，使得所述电机在弱磁状态下的齿槽转矩和转矩脉动低于额定状态下的齿槽转矩和转矩脉动。本实施例中，还能使所述电机具有全运行范围内低齿槽转矩和低转矩脉动的特点。本发明中低磁性能励磁源201主要用于补偿励磁，调节气隙磁场的谐波分布，区别于现有技术中励磁源仅用于增强气隙磁密的功能。

本实施例所述的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机中，所述高磁性能励磁源103与低磁性能励磁源201分布在气隙两侧。本实施例中，通过将所述高磁性能励磁源103与低磁性能励磁源201分布在气隙两侧，能够获得最优的电磁性能。

本实施例所述的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机中，各直流励磁绕组通同向直流电构成所述直流励磁源206，在所述定子轭部204产生非时变磁场，用于对所述电机进行补偿励磁。因此，本实施例述的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机能够实现宽调速范围。

本实施例所述的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机中，所述直流励磁源206由通电的直流励磁绕组构成，所述直流励磁绕组分布在定子齿202和励磁辅助齿203的两侧，各所述直流励磁绕组在同轴向端部相连接，对各所述直流励磁绕组通方向相同的直流电流，且所述直流励磁源206在定子轭部204调节磁密，对电机进行弱磁增速控制；

当所述电机运行在弱磁状态下，所述定子轭部204磁密升高，所述永磁磁场与电枢磁场耦合程度降低，所述定子轭部204与电机的机壳相接触。因此，本实施例所述的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机能够在弱磁情况下对电机进行散热，相较于现有技术有效提升了电机的性能，保证了电机的稳定运行。

本实施例所述的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机中，所述励磁补偿型混合磁源磁场调制电机的电枢绕组205采用分数槽集中绕组，所述分数槽集中绕组缠绕在定子齿上。本实施例中，由于所述分数槽集中绕组端部短于传统分布式绕组端部，铜耗低，有利于降低电机负载工作时的温升；分数槽集中绕组产生的齿谐波幅值高，齿谐波次数与由高磁性能励磁源103励磁经定子齿202调制后的磁场内工作谐波次数相同，可产生大输出转矩。

本实施例所述的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机中，所述电机中高剩磁永磁体与低剩磁永磁体的厚度相同。本实施例中，所述电机中高剩磁永磁体与低剩磁永磁体的厚度相同，能够获得最优的电磁性能。

本实施例所述的一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机中，所述电机中高剩磁永磁体与低剩磁永磁体的厚度小于或等于电机半径的1/14。本实施例中，高剩磁永磁体与低剩磁永磁体厚度不超过电机半径的1/14，能够保证所述高磁性能励磁源103与低磁性能励磁源201共同工作不会造成转子1或定子2的磁饱和，并获得最优的电磁性能；并且两种永磁体厚度应相同，保证永磁体不会因另一种永磁体磁场过强发生不可逆退磁。

本发明提供一种励磁补偿型混合磁源磁场调制电机，包括：转子和定子，其中，所述转子由轴、转子铁心和高磁性能励磁源构成，所述定子由低磁性能励磁源、定子齿、励磁辅助齿、定子轭部、电枢绕组和直流励磁源构成；通过多个非同种励磁源构成的混合磁源对所述电机进行励磁，所述多个非同种励磁源至少包括三个非同种励磁源，所述多个非同种励磁源包括高磁性能励磁源、低磁性能励磁源和直流励磁源；所述高磁性能励磁源用于施加于转子上，建立所述电机内旋转的主永磁磁场，产生转矩；所述低磁性能励磁源用于施加于定子上，建立所述电机内非旋转的辅助永磁磁场，调节气隙磁场分布；所述直流励磁源用于施加于定子齿与励磁辅助齿两侧，调节所述定子轭部磁密；所述低磁性能励磁源和直流励磁源还用于对电机进行补偿励磁。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

（1）本发明采用与励磁辅助齿相连的低磁性能励磁源调节气隙磁场分布，对电机进行补偿励磁，降低对因调制和直流弱磁产生的气隙磁场内谐波畸变，可有效的增加工作谐波，降低高次谐波，区别于现有技术中采用控制手段实现降低高次谐波功能，在全运行范围内降低齿槽转矩和转矩脉动，使得所述电机在弱磁状态下的齿槽转矩和转矩脉动低于额定状态下的齿槽转矩和转矩脉动，优于现有的可调磁通磁场调制电机。

（2）本发明采用通同向直流电的直流励磁绕组作为直流励磁源，其可在定子轭部产生非时变的磁场，对电机进行弱磁，实现宽调速范围，区别于传统直流励磁在定子齿部调节电机磁密以实现弱磁增速功能；调节定子轭部磁密对转子永磁电机进行弱磁，有利于电机散热，保证电机稳定运行。

（3）本发明采用由多个非同种励磁源构成的混合磁源对电机进行励磁，转子上高磁性能励磁源提供主永磁磁场，产生转矩，低磁性能励磁源提供辅助永磁磁场，调节气隙磁场分布，降低谐波畸变，直流励磁源在定子轭部对电机进行弱磁，低磁性能励磁源与直流励磁源对电机进行功能式的补偿励磁，区别于现有电机的励磁方式，使本发明电机具有大输出转矩、宽调速范围、全运行范围内低齿槽转矩和低转矩脉动的特点。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。