[发明专利]一种九相磁通切换型永磁电机

说明书

技术领域

本发明是一种九相磁通切换永磁型电机，涉及多相发电或电动技术。该电机转矩（功率）密度高、转矩脉动小、容错能力强，特别适用于需要低压大功率和高可靠性的电动汽车驱动系统、风力发电系统及航空航天领域。

背景技术

永磁电机用永磁体提供励磁，相比与传统的电励磁电机，结构较为简单，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性；又无需励磁电流，即没有励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。磁通切换型永磁电机采用定子永磁型结构，永磁体和电枢绕组均置于定子，定子铁心由“U”形导磁铁心与永磁体拼装而成，电枢绕组采用集中式绕组线圈，端部短，电阻较小，而转子上既无永磁体又无绕组，结构简单、鲁棒性好、效率与功率密度均较高。

磁通切换型永磁电机由于具备互补性绕组，可以大大减少或抵消永磁磁链和感应电势波形中的高次谐波分量，使得该电机在采用集中式电枢绕组和转子直槽的条件下就可以获得较高的正弦度，特别适合于交流调速的应用场合，如电动汽车驱动系统或风力发电系统；而且，其电枢反应磁场和永磁磁场从磁路上说是并联的，具有较强的抗去磁能力，作为发电机运行时具有良好的特性，电压调整率可以保持较低水平。

另一方面，随着海上风电系统的功率等级不管增加，对发电机本体及其控制系统的技术经济指标也提出了越来越高的要求。主要性能要求包括：发电机具有更大功率等级、可控性好、运行平稳、可靠性高、容错能力强、故障状态下仍然能够发出一定的电功率等。然而，传统的磁通切换型永磁电机都采用三相绕组结构，作为大功率风力发电机使用，存在以下三个缺点：

（1）在大功率应用场合，三相结构导致每相电枢绕组需承担的功率等级很高，增加了每相绕组线圈的设计难度，同时较大的电功率的输出也会对绕组的冷却水平提出更高的要求，增加了整个系统的设计要求与成本；

（2）在输出并网电压相对固定的大功率应用场合，三相发电机对应的功率变换系统中必须选择电流等级较大的功率器件，或者采用小电流功率器件并联和串联的方式，但是这会引起静态和动态的均流和均压问题，增加功率变换器的设计难度与可靠性；

（3）对于三相发电机，当其中一相出现故障时，如要保证输出的功率不变，则其他的两相的要承担的功率是正常运行的1.5倍，这就需要绕组设计时留有较大的裕量，导致正常运行时利用率较低，且当运行于故障状态时，转矩（功率）脉动较大。

发明内容

发明目的：本发明提出了一种可运行于大功率场合，且具有高转矩（功率）密度、高可靠性、可控性强的九相永磁同步电机。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种九相磁通切换型永磁电机，该电机包括：定子、转子和转轴；

定子包括定子铁心、若干九相对称集中式电枢绕组和若干永磁体；

定子铁心设有定子轭、自定子轭向定子铁心的中心方向突出的定子齿、相邻的定子齿和定子轭共同构成一端开口的定子模块，相邻的U形定子模块之间形成定子永磁槽，定子模块的中空部分形成定子电枢槽；

所述永磁体嵌入于定子永磁槽中；

九相对称集中式电枢绕组的各个线圈的两个圈边分别置于相邻的定子电枢槽中。

优选的，永磁体一共有4nm块，充磁方向都为切向，相邻两块永磁体的充磁方向相反，其中，n为整数，m为电机相数。

优选的，定子电枢槽数为相数的4n倍，n为整数。

优选的，该电机为内转子结构或外转子结构。

优选的，转子为直槽转子或斜槽转子。

优选的，永磁体为钕铁硼或铁氧体或钐钴。

优选的，该电机励磁方式为纯永磁、纯电励磁、混合励磁、在线记忆充去磁中的任一种。

有益效果：

（1）该发明提出的九相电机是满足大功率容量要求的有效途径。在电动汽车、风力发电、航天器等应用场合，电压等级受到严格的限制。对于三相电机，在大功率状态下，单相输出电流较高，往往采用多管串、并联的方法进行控制，这会引起静态和动态的均流和均压问题，增加功率变换器的设计难度与可靠性。该发电机相数较多，功率一定的情况下，每相提供的功率较小，在相对较低的电压下相电流幅值也较小，所以用低压器件就能实现大功率的需求。

（2）该发明提出的九相电机定位力矩较小，输出转矩平稳。在风力发电应用场合，较小的定位力矩，利于电机在风速较低时启动。随着相数的增加，使得影响较大的空间谐波次数增大，且幅值下降，降低转矩脉动幅值，使得转矩（功率）输出更加平稳。转矩脉动的减小可以降低电机的噪声和振动，并改善低速运行性能，特别适合于风力发电系统。