[發明專利]一種十二相定子永磁型磁通切換電機

有效

• 申請號: 201310162396.5
• 申請日: 2013-05-06
• 公開（公告）號: CN103280902A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 花為;邵凌云;程明
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02K1/14
• 分類號: H02K1/14;H02K1/24;H02K1/17
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明是涉及一種電機，具體來說，涉及一種十二相定子永磁型磁通切換電機，該電機功率密度高、可靠性好、效率高，特別適用于需要高出力和高可靠性的電動汽車或風力發電系統。

背景技術

永磁電機利用永磁材料代替勵磁繞組，減小了銅耗，電機體積和重量大為減小，功率密度、轉矩慣性和效率方面都超過了傳統的直流電機和異步電機。磁通切換型永磁電機采用定子永磁型結構，永磁體和電樞繞組均置于定子，定子鐵心由“U”形導磁鐵心與永磁體拼裝而成，電樞繞組采用集中式繞組線圈，端部短，電阻較小，而轉子上既無永磁體又無繞組，結構簡單、魯棒性好、效率與功率密度均較高。

磁通切換型永磁電機由于具備互補性繞組，可以大大減少或抵消永磁磁鏈和感應電勢波形中的高次諧波分量，使得該電機在采用集中式電樞繞組和轉子直槽的條件下就可以獲得較高的正弦度，特別適合于交流調速的應用場合；而且，其電樞反應磁場和永磁磁場從磁路上說是并聯的，具有較強的抗去磁能力，作為發電機運行時具有良好的特性，電壓調整率可以保持較低水平。

隨著大功率海上風電的不斷擴大發展，對發電機本體及其控制系統的技術經濟指標也提出了越來越高的要求。主要包括：要求發電機具有更大功率等級，可控性好，運行平穩，可靠性高，容錯能力強，故障狀態下仍然能夠發出一定的電功率等。然而，傳統的磁通切換型永磁電機都采用三相繞組結構，作為大功率風力發電機使用，存在以下三個缺點：

（1）在大功率應用場合，三相結構導致每相電樞繞組需承擔的功率等級很高，增加了每相繞組線圈的設計難度，同時大功率電功率的輸出也會對繞組的冷卻水平提出更好的要求，增加了整個系統的設計要求與成本；

（2）同理，每相繞組所分配的大功率可能會導致現有的大功率電力電子器件無法直接使用，只能采用串、并聯的方式，會帶來環流等問題，增加了功率變換器的設計難度與可靠性。

（3）三相發電機輸出互差120度的三相交流電，當其中某相繞組或者功率變換器發生故障時，剩余正常相很難或者無法維持發電機的正常運行，整個風力發電系統的可靠性較差。

發明內容

技術問題：本發明所要解決的技術問題是：提供一種十二相定子永磁型磁通切換電機，該電機具有功率大、可靠性高、可控性好的優良性能的同時，還提高了感應電勢的正弦度，并降低定位力矩，增強了電機的電磁性能。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種十二相定子永磁型磁通切換電機，包括定子、轉子和轉軸，轉子與定子相對，且轉子和定子之間有間隙，轉軸固定連接在轉子上，所述的定子和轉子均為凸極結構，轉子上設有轉子槽，定子包括定子軛、自定子軛向定子中心方向凸出的定子鐵心單元和十二相集中式電樞繞組線圈，電樞繞組線圈的數量等于定子鐵心單元的數量；定子鐵心單元均勻布置在定子的內壁上；每個定子鐵心單元包括兩個U形定子鐵心和一塊永磁體，U形定子鐵心的底端固定連接在定子軛上，永磁體嵌至在兩個U形定子鐵心之間，永磁體與轉子相對，永磁體切向充磁，且相鄰的兩塊永磁體的充磁方向相反；相鄰的兩個定子鐵心單元之間形成定子槽；每個十二相集中式電樞繞組線圈對應一個定子鐵心單元，十二相集中式電樞繞組線圈穿過位于定子鐵心單元兩側的定子槽，纏繞在U形定子鐵心上；十二相集中式電樞繞組線圈以定子中心為對稱點，對稱布置在定子鐵心單元上。

進一步，所述的轉子的齒數與定子槽的數量相差±2k，k為正整數。

進一步，所述的相鄰兩個電樞繞組線圈所匝鏈的永磁磁鏈之間的相位差θ滿足下式：

θ=180°–M×(360°/N)，

其中，N表示定子槽的數量，M表示轉子齒數。

有益效果：與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下有益效果：

（1）該電機在給定大功率下每相繞組承擔的功率等級較小，使與之配合的功率變換器易于選型，降低了對電力電子技術的要求；另一方面，當每相繞組電功率不變的情況下，由于相數增加，使得發電機的總電功率增大。

（2）該電機的可靠性顯著提高。當某相繞組發生故障時，故障相所造成的損失占總體比例很小，增強了電機的容錯性能；如十二相定子24槽轉子20極磁通切換型永磁發電機，其本質是四組三相定子6槽轉子5極的發電機并聯（冗余設計），若其中某組繞組損壞，剩余三組正常繞組依然能夠提供與原先相同的電壓，使電機正常運行。

（3）該電機的十二相繞組所產生的電壓空間矢量較多，在結合電力電子變流器運行時，磁鏈軌跡更接近圓形，提高了直接功率控制的性能。