一种定子、电励磁双凸极电机和电机控制方法与流程

1.本发明涉及电机技术领域，具体的说，是一种定子、电励磁双凸极电机和电机控制方法。


背景技术：

2.双凸极电机具有低速扭矩大，结构简单坚固，成本低廉的优点，较为常见的产品是开关磁阻电机(srm)，及其衍生出来的永磁双凸极电机(dspm)和电励磁双凸极电机(dsem)。
3.开关磁阻电机(srm)性能优良，但是电枢绕组匝数较多，需要较大的绕线空间，铁芯和漆包线的体积和重量偏大。而永磁双凸极电机(dspm)和电励磁双凸极电机(dsem)因为增加了励磁组件，其工作原理发生了一定变化，电枢绕组匝数较少，这两种电机不仅减少了铁芯的体积和重量，而且电枢绕组的漆包线用量也明显减少，使得这两种电机的性价比得到了提高，体积重量和性能与相同功率的永磁直流无刷电机(bldc)相当，但成本略有降低。
4.然而，永磁双凸极电机(dspm)使用的稀土磁钢是稀缺资源，近年价格数倍上涨，即使相较于永磁直流无刷电机(bldc)的稀土使用量略有减少，但是价格仍然较高。而电励磁双凸极电机(dsem)完全不使用磁钢，其成本比永磁双凸极电机(dspm)和永磁直流无刷电机(bldc)及开关磁阻电机(srm)都要低，但其缺点是电励磁绕组一般需要跨越三个定子凸极(如图6所示)，定子凸极之间还有槽，整个跨距较大，励磁绕组所用漆包线较长，励磁绕组的内阻偏大，使得损失的电能较多，效率下降明显。
5.永磁直流无刷电机(bldc)采用六步脉冲方式，通过电流使电枢绕组产生磁场，与转子上的磁钢产生相吸或相斥的磁力驱动转子正常转动。在永磁直流无刷电机(bldc)调速控制中，为了提高电机在高速时候的可控性，常常需要在高速控制时使用机械或电子弱磁，来减少高速时电枢绕组的反电动势以提高可控性，使电机在高速时也能输出功率和转矩，但机械弱磁的方法常常是用导磁体短路部分永磁体使磁场强度降低，这种方法几乎不降低效率但是结构复杂，成本高；而电子弱磁的方法是在电枢绕组中适时施加弱磁电流抵消部分磁场使得电枢绕组反电动势降低，从而能在高速时输出功率不下降，但会降低效率且导致算法复杂。因此，永磁直流无刷电机(bldc)无法做到既成本低又效率高地实现弱磁。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于设计出一种定子、电励磁双凸极电机和电机控制方法，用以解决电励磁双凸极电机的电励磁绕组跨距大的问题，能够减少电励磁绕组的跨距，降低成本，提高电机效率。
7.本发明通过下述技术方案实现：
8.本发明提供了一种定子，包括定子铁芯、电枢绕组和励磁绕组，所述定子铁芯具有沿周向依序等距排布的多个定子凸极，相邻两所述定子凸极之间形成绕线槽；所述电枢绕组于所述绕线槽内缠绕于所述定子铁芯的所有的定子凸极上；所述定子铁芯的轭部设置有一缺口，所述缺口将所述定子铁芯径向上的内外两侧连通，使所述定子铁芯在所述缺口处
断开；所述励磁绕组缠绕于所述定子铁芯的轭部上位于一相邻两所述定子凸极之间的位置；所述励磁绕组和所述缺口分列于所述定子铁芯径向上的两端位置。
9.采用上述设置结构时，励磁绕组直接在定子铁芯的轭部上位于一两相邻的定子凸极之间的位置绕制，不用再跨越多个定子凸极，减少了励磁绕组的跨距。因此，此种设置可以减少励磁绕组中漆包线的长度，在降低成本的同时减小励磁绕组的电能损耗，从而可以用来提高电机效率，降低成本。
10.定子铁芯的轭部设置缺口使其在此处可形成非封闭的磁路缺口，缺口与励磁绕组的设置位置分列于定子铁芯径向上的两端位置，可将定子铁芯上所有的定子凸极均分为两组。在向励磁绕组中通入直流电时，会使每组的定子凸极上形成相同磁极，且使不同组的定子凸极形成配对的磁极，在励磁绕组和缺口的两头形成固定磁场。此种设置可以简单地通过控制经励磁绕组的电流值的方式改变定子铁芯中的磁场强度，以十分经济的形式在很宽的转速范围内获得较大的电机输出功率和输出转矩。
11.进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述电枢绕组采用星形连接结构连接成三相绕组。
12.进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述缺口处设置有具有非导磁性能的连接件，所述连接件分别连接所述定子铁芯的轭部在所述缺口处的两头，将所述缺口封堵。
13.采用上述设置结构时，在缺口处通过设置非导磁材料制成的连接件将缺口两头的定子铁芯的轭部连接起来进行填补，可以提高定子铁芯在缺口处机械结构强度，使整个定子结构坚固。
14.进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述定子铁芯安装有定子骨架，所述电枢绕组缠绕于所述定子骨架上，所述励磁绕组缠绕于所述定子骨架上。
15.进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述定子凸极指向所述定子铁芯的内侧或外侧。
16.本发明还提供了一种电励磁双凸极电机，包括转子和上述的定子，所述转子和所述定子同心设置并可相对回转；所述定子的定子凸极沿径向指向所述转子，所述转子的转子凸极沿径向指向所述定子。
17.进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述转子插装于所述定子的定子铁芯内。
18.进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述定子的定子铁芯插装于所述转子内。
19.进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：还包括外壳，所述定子固定于所述外壳内部，所述转子设置于所述外壳内并通过电机转轴安装于所述外壳。
20.本发明还提供了一种电机控制方法，针对上述的电励磁双凸极电机，将所述电励磁双凸极电机作为电动机或发电机使用；
21.在作为电动机使用时，所述电机控制方法包括：在所述电励磁双凸极电机的转子正常转动时，通过调节经所述电励磁双凸极电机的定子的励磁绕组的电流值改变所述定子铁芯中的磁场强度，来调节电机输出功率和输出转矩；
22.在作为发电机使用时，所述电机控制方法包括：在所述电励磁双凸极电机的转子
正常转动时，通过调节经所述电励磁双凸极电机的定子的励磁绕组的电流值改变所述电励磁双凸极电机的定子的定子铁芯中的磁场强度，来调节所述电励磁双凸极电机的定子的电枢绕组向外输出的电压、电流。
23.本发明具有以下优点及有益效果：
24.本发明中，励磁绕组直接在定子铁芯的轭部上位于一两相邻的定子凸极之间的位置绕制，不用再跨越多个定子凸极，减少了励磁绕组的跨距。因此，此种设置可以减少励磁绕组中漆包线的长度，在降低成本的同时减小励磁绕组的电能损耗，从而可以用来提高电机效率，降低成本。
25.本发明中，定子铁芯的轭部设置缺口使其在此处可形成非封闭的磁路缺口，缺口与励磁绕组的设置位置分列于定子铁芯径向上的两端位置，可将定子铁芯上所有的定子凸极均分为两组。在向励磁绕组中通入直流电时，会使每组的定子凸极上形成相同磁极，且使不同组的定子凸极形成配对的磁极，在励磁绕组和缺口的两头形成固定磁场。此种设置可以简单地通过控制经励磁绕组的电流值的方式改变定子铁芯中的磁场强度，以十分经济的形式在很宽的转速范围内获得较大的电机输出功率和输出转矩。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
27.图1是不具有连接件的定子的结构示意图；
28.图2是具有连接件的定子的结构示意图；
29.图3是内转子式的电励磁双凸极电机的结构示意图；
30.图4是外转子式的电励磁双凸极电机的结构示意图；
31.图5示出了电枢绕组的连接结构；
32.图6示出了现有永磁双凸极电机的励磁绕组的绕线形式(图中粗实线表示励磁绕组)；
33.图中标记为：
34.1、定子铁芯；11、定子凸极；12、缺口；13、连接件；
35.2、电枢绕组；
36.3、励磁绕组；
37.4、定子骨架；
38.5、转子；
39.6、外壳；
40.7、电机转轴。
具体实施方式
41.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基
于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
43.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.实施例1：
45.一种定子，能够减少电励磁绕组的跨距，降低成本，提高电机效率，如图1、图2、图3、图4、图5所示，特别设置成下述结构：
46.该种定子包括定子铁芯1、电枢绕组2和励磁绕组3。
47.定子铁芯1上设置有沿周向依序等距排布的多个定子凸极11，定子凸极11通过轭部连接，相邻的两个定子凸极11之间形成用于绕制电枢绕组2的绕线槽。
48.本实施例以设置六个定子凸极11的情形为例进行继续说明。当然，除了设置六个定子凸极11外，也可设置十二个、十八个等。
49.电枢绕组2于绕线槽内设置并缠绕于定子铁芯1的所有的定子凸极11上。电枢绕组2采用星形连接结构连接成三相绕组。两组电枢绕组2经星形连接后并联输出a、b、c三相，每一组的线头是公共端连接在一起作为中点，并未引出，线尾作为相线引出。
50.定子铁芯1的轭部设置有一沿周向延伸的缺口12，缺口12在轴向上贯通定子铁芯1的轭部，同时，缺口12将定子铁芯1径向上的内外两侧连通，使定子铁芯1在缺口12处断开，形成一大致为c形的开口结构。
51.励磁绕组3绕着定子铁芯1的轭部的内外两侧绕制以缠绕于定子铁芯1的轭部上，励磁绕组3的缠绕位置位于一相邻两定子凸极11之间。励磁绕组3位于定子铁芯1内侧的部分位于相邻两定子凸极11的绕线槽内。
52.励磁绕组3和缺口12分列于定子铁芯1径向上的两端位置，因此，缺口12也位于另一两相邻定子凸极11之间。
53.其中，定子凸极11可以是指向定子铁芯1的内侧的，用来与适配的转子组成如图3所示的内转子电机，也可以是指向定子铁芯1的外侧的，用来与适配的转子组成如图4所示的外转子电机。
54.优选的，定子铁芯1上安装有定子骨架4，则，电枢绕组2缠绕于定子骨架4上，励磁绕组3缠绕于定子骨架4上。
55.本实施例中，励磁绕组3直接在定子铁芯1的轭部上位于一两相邻的定子凸极11之间的位置绕制，不用再跨越多个定子凸极，减少了励磁绕组3的跨距。因此，此种设置可以减少励磁绕组3中漆包线的长度，在降低成本的同时减小励磁绕组3的电能损耗，从而可以用
来提高电机效率，降低成本。
56.定子铁芯1的轭部设置缺口12使其在此处可形成非封闭的磁路缺口，缺口12与励磁绕组3的设置位置分列于定子铁芯1径向上的两端位置，可将定子铁芯1上所有的定子凸极11均分为两组，每组三个定子凸极11。在向励磁绕组3中通入直流电时，会使每组的定子凸极11上形成相同磁极，且使不同组的定子凸极11形成配对的磁极，在励磁绕组3和缺口12的两头形成固定磁场。因此，此种设置可以简单地通过控制经励磁绕组3的电流值的方式改变定子铁芯1中的磁场强度，以十分经济的形式在很宽的转速范围内获得较大的电机输出功率和输出转矩。
57.实施例2：
58.本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：
59.本实施例中，如图2所示，该种定子的定子铁芯1在其缺口12处设置有一连接件13，该连接件采用非导磁性能的材料制成，因此连接件13具有非导磁性。连接件13的形状不限，其分别连接定子铁芯1的轭部在缺口12处的两头，将缺口12封堵并为定子铁芯1的轭部在缺口12处的两头提供连接。
60.本实施例中，在缺口12处通过设置非导磁材料制成的连接件13将缺口12两头的定子铁芯1的轭部连接起来进行填补，可以提高定子铁芯1在缺口12处机械结构强度，使整个定子结构坚固。
61.实施例3：
62.本实施例在上述任一实施例的基础上进一步提供了一种电励磁双凸极电机，特别采用下述设置结构：
63.该种电励磁双凸极电机包括转子5和定子，转子5和定子同心设置并可相对回转。
64.定子铁芯1设置六个定子凸极11，转子的转子铁芯上设置有沿周向依序等距排布的四个转子凸极，组成6-4极的单元电机，当然，也可以按类似的设计组合成12-8或其他极数的电机。其中，定子的定子凸极11沿径向指向转子5，转子5的转子凸极也沿径向指向定子，定子凸极11与转子凸极之间具有气隙。
65.转子5和定子根据需求可组成如图3中所示的结构，转子5插装于定子的定子铁芯1内组成内转子电机，定子固定于外壳6内部，转子5设置于外壳6内并通过电机转轴7安装于外壳6。转子5和定子也可根据需求组成图4中所示的结构，定子的定子铁芯1插装于转子5内组成外转子电机。
66.电枢绕组2采用星形连接结构连接成三相绕组。两组电枢绕组2经星形连接后并联输出a、b、c三相，每一组的线头是公共端连接在一起作为中点，并未引出，线尾作为相线引出。
67.作为本实施例中定子铁芯1的优选设置方案，如图1所示，该定子铁芯1的轭部上用于绕制励磁绕组3的部位沿径向朝外侧扩张，使此处的两相邻的定子凸极11之间的绕线槽得到空间上的扩展，方便绕制励磁绕组。
68.实施例4：
69.本实施例在上述实施例的基础上进一步提供了一种电机控制方法，进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：
70.该种电机控制方法针对实施例3中电励磁双凸极电机。此电励磁双凸极电机可作为电动机或发电机使用。
71.在作为电动机使用时，电机控制方法包括：在电励磁双凸极电机的转子5正常转动时，通过调节经电励磁双凸极电机的定子的励磁绕组3的电流值改变定子铁芯1中的磁场强度，来调节电机输出功率和输出转矩。
72.在作为发电机使用时，电机控制方法包括：在电励磁双凸极电机的转子5正常转动时，通过调节经电励磁双凸极电机的定子的励磁绕组3的电流值改变电励磁双凸极电机的定子的定子铁芯1中的磁场强度，来调节电励磁双凸极电机的定子的电枢绕组2向外输出的电压、电流。
73.本发明的电励磁双凸极电机在使用时配套有一控制器。该控制器主要用来控制电枢绕组2和励磁绕组3的电流电压。其中，电励磁双凸极电机的两组电枢绕组2如图5所示，经星形连接后并联输出a、b、c三相，每一组的线头是公共端连接在一起作为中点，并未引出，线尾作为相线引出。
74.缺口12和励磁绕组3将定子铁芯1上的六个定子凸极11分为两组，每组三个定子凸极11。当励磁绕组3通过控制器控制通入直流电时，电流在励磁绕组3与定子铁芯1的轭部的缺口12的两侧形成固定磁场，缺口12两侧的两组定子凸极11中，一组形成n磁极或s磁极，另一组则形成配对的s磁极或n磁极。
75.电励磁双凸极电机可作为电动机来使用。
76.当在三相绕组的其中两个端子上施加电压时，实际上是在其中的两项线圈中通过电流，其中一相为正，一相为负。正的电流使对应的定子凸极11上的磁场获得增强效果，负的电流则使对应的定子凸极11上的磁场获得减弱效果。这样，当按照特定的顺序施加电压，电枢绕组2和励磁绕组3在定子凸极11上的磁场发生叠加，可使顺着转子转动方向，转子凸极前方的定子凸极11的磁场获得增强，相对离开转子凸极的定子凸极11的磁场被减弱，使转子凸极与定子凸极11间产生磁场转矩和磁阻转矩，从而驱使电机转轴7转动。比如，在c相端子和b相端子间施加电压，则电流使c相所在定子凸极11磁场进一步增强，使b相所在定子凸极11磁场减弱，由于磁场转矩和磁阻转矩作用，转子向逆时针方向转动。当转子极转动到接近与c相定子凸极11重合时，在a相端子和c相端子之间施加电压，则电流使a相所在定子凸极11磁场进一步增强，使c相所在定子凸极11磁场减弱，由于磁场转矩和磁阻转矩作用，转子继续向逆时针方向转动。当转子极转动到接近与a相定子凸极11重合时，在b相端子和a相端子之间施加电压，则电流使b相所在定子凸极11磁场进一步增强，使a相所在定子凸极11磁场减弱，由于磁场转矩和磁阻转矩作用，转子继续向逆时针方向转动完成一个电周期转动。继续在下一电周期按次序给a、b、c三相通电，使转子保持正常的，持续的逆时针转动。
77.在不同的转子转速下，可通过控制器采用调节经电励磁双凸极电机的定子的励磁绕组3的电流值的电机控制方法来改变定子铁芯1中的磁场强度，同时辅以合理地控制电枢绕组2中的电流，可以在很宽的范围内调节并获得较大的电机输出功率和输出转矩。此种电机控制方法类似于永磁直流无刷电机的弱磁控制方法，可以提高电机效率，但并不会像采用机械弱磁那样会导致结构复杂增加成本，也不会像采用电子弱磁那样会降低效率且导致算法复杂，只需要直接调整励磁电流就可以实现，从而比永磁直流无刷电机实现起来更加经济，可降低成本，特别是在高转速情况下，可进一步节能降耗，提升产品的性价比。
78.电励磁双凸极电机也可以作为可控的发电机使用。
79.在电励磁双凸极电机启动后，转子5正常转动时，停止给电枢绕组2提供电枢驱动电流，电机转轴7由其他动力源驱动旋转，电枢绕组2切割磁感线产生反电动势经控制器向外输出电流电压，其电压电流的大小可以通过调节经励磁绕组3的电流值来进行控制，以改变电励磁双凸极电机的定子的定子铁芯1中的磁场强度，来调节电励磁双凸极电机的定子的电枢绕组2向外输出的电压、电流。
80.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。