CN102223036A - 混合励磁e形铁芯轴向磁场永磁无刷电机 - Google Patents

Abstract

本发明的混合励磁E形铁芯轴向磁场永磁无刷电机包括两个定子，永磁体（4），三相集中电枢绕组（6），单相集中励磁绕组（7）和转子（2）。每两个E形定子铁芯之间设有一个扇形永磁体，三相集中电枢线圈绕在两个定子齿上，励磁绕组绕在E形定子铁芯中间的齿上。使用电励磁绕组和电枢绕组提升了电机气隙磁场的调节与控制能力，有效拓宽了电机的调速范围，保证了该电机具有较强的转矩输出能力和较高的功率密度；使用永磁体和电励磁绕组提供的两套励磁源，极大提高了系统运行的可靠性，实现了电机的容错运行；简单的转子结构提高了电机运行的可靠性和电机的动态性能；该电机的轴向尺寸较小，很适合应用在严格要求薄型安装，如电动汽车用轮毂驱动电机等场合。

Description

混合励磁E形铁芯轴向磁场永磁无刷电机

技术领域

[0001 ] 本发明涉及的是一种混合励磁轴向磁场永磁无刷电机，是对传统的轴向磁场电机和磁通切换定子永磁电机的改进，属于永磁电机技术领域。

背景技术

[0002] 1997年法国学者E. Hoang提出磁通切换型永磁（简称FSPM)电机，这种电机将永磁体和绕组均置于定子上，提升了电机的可靠性及动态运行性能。但是，由于永磁材料的固有特性，FSPM电机运行时的气隙磁场基本保持恒定不变。电动运行时，FSPM电机励磁控制困难、调速范围有限。因此，如何实现磁场的有效调节与控制，拓宽其调速范围，是FSPM电机需要解决的难题之一。

[0003] 本发明提出的混合励磁E形铁芯轴向磁场永磁无刷（HEAFFSPM)电机能够方便地调节磁场，通过设置电励磁绕组、改变励磁电流的大小实现气隙磁场的无级调节。相比传统的FSPM电机和电励磁电机，HEAFFSPM电机由于存在两个励磁源，其气隙磁场由电流励磁和永磁励磁共同产生。一方面，通过调节电励磁电流的大小和方向，实现了电机磁场的弱磁控制，增加了调速范围；另一方面，可以通过增磁控制，增加驱动转矩，满足低速、大转矩负载的驱动要求。HEAFFSPM电机融合了 FSPM电机高功率密度以及电励磁电机宽调磁能力两方面的优点。

[0004] HEAFFSPM电机，由于其高功率密度、高转矩密度、高效率和宽调速范围，特别适合应用于电动汽车驱动、风力发电等系统中。

发明内容

[0005] 技术问题：针对轴向磁场磁通切换定子永磁电机磁场调节困难的问题，在不增加电机体积的情况下可提高电机功率密度，通过合理安排电枢绕组和励磁绕组空间位置， 本发明提出一种混合励磁E形铁芯轴向磁场永磁无刷电机。

[0006] 技术方案：本发明的混合励磁E形铁芯轴向磁场永磁无刷电机包括第一定子，转子，第二定子，永磁体，三相集中电枢绕组和单相集中励磁绕组；

第一定子、第二定子分别位于转子的两侧，每个定子上共有6个E形铁芯、6个电枢线圈，每两个电枢线圈顺次串联，构成三相电枢绕组，两个定子上的三相电枢绕组分别顺次串联组成整个电机的A相、B相、C相的三相集中电枢绕组；每个定子上共有6个励磁线圈，6 个励磁线圈均为集中绕组，绕在定子E形铁芯中间的齿上，上述6个线圈依次顺序首尾串联连接，组成单相集中励磁绕组；

每两个E形铁芯之间设有一个永磁体，三相集中电枢绕组绕在两个E形铁芯齿上；第一定子、第二定子上相对称的永磁体励磁方向相反；第一定子、第二定子上的永磁体沿着圆周方向交替充磁，相邻永磁体的磁化方向相反。

[0007] 转子上共有10个齿，称为10个转子极，转子极均为扇形，其形状与定子E形铁芯的齿形状相一致，转子极均勻设置在转子非导磁圆环的外圆周上，转子极的轴向厚度

3与非导磁圆环的轴向厚度相等，转子上既无永磁体也无绕组。

[0008] E形定子铁芯的齿和槽都是扇形的，与转子极的扇形相一致，电枢绕组和励磁绕组均为集中绕组。

[0009] 所述电机的定子由3个E形铁芯单元和3块永磁体单元组成，转子由5个转子极和非导磁圆环上组成，转子极嵌在非导磁圆环上构成基本电机；将基本电机的定子单元/ 转子极进行整数倍扩充，可得到定子6槽/转子10极、定子12槽/转子20极、定子18槽 /转子30极……等结构电机。

[0010] 有益效果：

1、本发明所提出的混合励磁轴向磁场永磁无刷电机，集中了轴向磁场磁通切换定子永磁电机和电励磁电机的优点。突破纯永磁励磁观念的束缚，在定子结构中增加电励磁绕组， 通过控制励磁绕组电流方便地调节电机的气隙磁场。

[0011] 2、混合励磁电机在两种磁场的激励下，不仅可以保证驱动系统的高功率密度和高效率，同时通过使用永磁体和电励磁绕组提供的两套励磁源，极大提高了系统运行的可靠性，实现了电机的容错运行。

[0012] 3、定子采用E形单元铁芯，相对于传统轴向磁场永磁电机，制造方便，电机的轴向尺寸较小，很适合应用于严格要求薄型安装的场合，例如电动汽车用轮毂驱动电机等。

附图说明

[0013] 图1为混合励磁E形铁芯轴向磁场永磁无刷电机的三维结构示意图， 图2为定子E形铁芯单元，

图3混合励磁E形铁芯永磁无刷电机的增磁运行状态（平面展开图）， 图4混合励磁E形铁芯永磁无刷电机的去磁运行状态（平面展开图）， 以上的图中有：第一定子1，转子2，第二定子3，永磁体4，定子E形铁芯单元5，三相集中电枢绕组6，单相集中励磁绕组7，转子极8，非导磁圆环9，气隙10和气隙11。

具体实施方式

[0014] 本发明混合励磁E形铁芯轴向磁场永磁无刷电机包括第一定子，转子，第二定子， 永磁体，三相集中电枢绕组和单相集中励磁绕组；

第一定子、第二定子分别位于转子的两侧，每个定子上共有6个E形铁芯、6个电枢线圈，每两个电枢线圈顺次串联，构成三相电枢绕组，两个定子上的三相电枢绕组分别顺次串联组成整个电机的A相、B相、C相的三相集中电枢绕组；每个定子上共有6个励磁线圈，6 个励磁线圈均为集中绕组，绕在定子E形铁芯中间的齿上，上述6个线圈依次顺序首尾串联连接，组成单相集中励磁绕组；

每两个E形铁芯之间设有一个永磁体，三相集中电枢绕组绕在两个E形铁芯齿上；第一定子、第二定子上相对称的永磁体励磁方向相反；第一定子、第二定子上的永磁体沿着圆周方向交替充磁，相邻永磁体的磁化方向相反。

[0015] 转子上共有10个齿，称为10个转子极，转子极均为扇形，其形状与定子E形铁芯的齿形状相一致，转子极均勻设置在转子非导磁圆环的外圆周上，转子极的轴向厚度与非导磁圆环的轴向厚度相等，转子上既无永磁体也无绕组。

4[0016] E形定子铁芯的齿和槽都是扇形的，与转子极的扇形相一致，电枢绕组和励磁绕组均为集中绕组。

[0017] “基本电机”的定子由3个E形铁芯单元和3块永磁体单元组成，转子由5个转子极和非导磁圆环上组成，转子极嵌在非导磁圆环上。将基本电机的定子单元/转子极进行整数倍扩充，可得到6/10、12/20、18/30……等结构电机。

[0018] 具体如下：

本发明所提出的混合励磁E形铁芯永磁无刷电机包括：两个定子、扇形永磁体、三相集中电枢绕组，单相集中励磁绕组和转子；转子夹放在两个定子中间，定子与转子同轴安装， 两者之间留有空气隙。转子两侧的定子结构完全一样，且位置关于转子对称；定子E形铁芯和永磁体交错放置构成圆盘形状，同一定子上相邻的两块永磁体的磁化方向相反，两个定子上相对的两块永磁体励磁方向相反；每个定子上共有6个集中电枢线圈，将径向相对的两个集中电枢线圈顺序串联，每个定子上形成三相（A相、B相、C相）电枢绕组，两个定子上的三相（A相、B相、C相）电枢绕组分别顺次串联构成整个电机的A相、B相、C相电枢绕组；每个定子上共有6个励磁线圈，6个励磁线圈均为集中绕组，绕在定子E形铁芯中间的齿上，6个励磁线圈依次顺序首尾串联连接，组成单相励磁绕组。电枢线圈绕在两个相邻的 E形铁芯齿上，在两个E形铁芯齿中间嵌入永磁体，永磁体沿着圆周方向交替充磁。电机转子为直槽转子，转子上既无永磁体也无绕组，共有10个齿，均勻设置在转子非导磁圆环的外圆周上，称为10个转子极。E形定子铁芯的齿和转子极都是扇形齿。

[0019] 当电机处在图3、图4所示位置时，转子齿P和绕有集中电枢线圈的一个定子齿相对，根据永磁体的磁化方向，永磁磁通从定子1的齿经过气隙10穿进转子齿P再经过气隙 11穿进定子2的齿，且数值最大。此时，若通过励磁绕组施加与永磁磁势方向相同的电励磁磁势，可以增加匝链电枢绕组中的磁通，增大感应出的电势(如图3)。相反，如果改变励磁电流的方向，使电励磁磁通与永磁磁通方向相反，则将减小电枢线圈中的合成磁链，减小电枢线圈中的感应电势(如图4)。通过改变电励磁绕组中电流的大小和方向就可以调节永磁磁场，解决永磁电机磁场调节困难的问题。

[0020] 磁通切换电机结构上的特点使其具有很强的聚磁效应，电机的气隙磁通密度高， 使得电机具有高功率密度和高转矩密度。电枢绕组和励磁绕组均采用集中绕组形式，端部短，电阻小，电机效率高。

[0021] 如图1所示，混合励磁轴向磁场永磁无刷电机是由第一定子1、第二定子3和转子 2构成的双气隙结构电机，第一定子1、第二定子3为凸极结构，转子2夹放在两个定子中间，第一定子1、第二定子3与转子2同轴安装，转子2与第一定子1、第二定子3之间留有相等厚度的空气隙。两个定子的结构完全一样，而且关于转子2对称；每一个定子都是由6 个定子E形铁芯单元5 (如图2所示)、6块扇形永磁体4、6个三相集中电枢线圈6和6个单相集中励磁线圈7构成，E形定子铁芯和扇形永磁体交替放置构成圆盘，两个定子中相对应永磁体的充磁方向相反。

[0022] 同一定子上的6个集中电枢线圈分成三相，同相的两个线圈串联连接，每个定子上都形成三相（A相、B相、C相）电枢绕组，将两个定子上的三相（A相、B相、C相）电枢绕组分别顺次串联构成整个电机的A相、B相、C相电枢绕组。每个集中电枢线圈绕在两个E形铁芯两端构成的齿上，中间嵌入永磁体，永磁体沿着圆周方向交替切向充磁，相邻的两个永

5磁体的磁化方向相反。每个定子上励磁绕组一共有6个线圈，6个励磁线圈均为集中绕组， 分别绕在6个E形铁芯中间的齿上，6个线圈依次顺序首尾串联连接，组成单相励磁绕组。 将两个定子上的励磁绕组顺次串联构成整个电机的单相励磁绕组。

[0023] 转子2为凸极结构，共有10个扇形齿，称为转子的10个极8，均勻设置在转子2的非导磁圆环圆周上。转子上既没有永磁体也没有绕组，转子极和定子E形铁芯都是由高导磁率的硅钢片冲制而成。第一定子1、第二定子3由E形结构的导磁铁芯拼装而成。扇形永磁体4是铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢。

[0024] 如图3、4所示，给出了电机在两种励磁磁场激励下运行的二维结构图。在图示位置，转子齿8与绕有集中电枢线圈的一个定子齿相对，根据永磁体的磁化方向，电枢线圈中的永磁磁通从第一定子1经过气隙进入转子齿8再次经过气隙进入第二定子3，且数值最大。此时，若通过励磁绕组施加与永磁磁势方向相同或相反的电励磁磁势，可以增加或减小匝链到电枢线圈中的磁通，从而影响感应电势的大小。图3给出电机的增磁运行状态，电励磁绕组产生的磁通和永磁磁通的方向一致，对永磁磁通起增强作用。图4给出电机的去磁运行状态，电励磁绕组产生的磁通和永磁磁通的方向相反，对永磁磁通起去磁作用，使得气隙磁密减小。这样可以大大拓宽电机的调速范围，增加控制的灵活性。

[0025] 本发明的混合励磁轴向磁场永磁无刷电机作为电动机运行。根据电机的可逆性原理，该混合励磁轴向磁场永磁无刷电机也可以作为发电机运行。混合励磁轴向磁场永磁无刷电机能实现电机气隙磁场的有效调节与控制，有效拓宽电机的调速范围，可应用于电动汽车和风力发电机等需要宽调速范围运行的场合。

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Claims (4)

1. 一种混合励磁E形铁芯轴向磁场永磁无刷电机，其特征在于该电机包括第一定子(1)，转子（2)，第二定子（3)，永磁体（4)，三相集中电枢绕组（6)和单相集中励磁绕组（7)； 第一定子（1)、第二定子（3)分别位于转子（2)的两侧，每个定子上共有6个E形铁芯(5)、6个电枢线圈，每两个电枢线圈顺次串联，构成三相电枢绕组，两个定子上的三相电枢绕组分别顺次串联组成整个电机的A相、B相、C相的三相集中电枢绕组（6)；每个定子上共有6个励磁线圈，6个励磁线圈均为集中绕组，绕在定子E形铁芯中间的齿上，上述6个线圈依次顺序首尾串联连接，组成单相集中励磁绕组（7)；每两个E形铁芯（5)之间设有一个永磁体（4)，三相集中电枢绕组（6)绕在两个E形铁芯齿上；第一定子（1)、第二定子（3)上相对称的永磁体（4)励磁方向相反；第一定子（1)、 第二定子（3)上的永磁体（4)沿着圆周方向交替充磁，相邻永磁体的磁化方向相反。

2.根据权利要求1所述的混合励磁E形铁芯轴向磁场永磁无刷电机，其特征在于转子(2)上共有10个齿，称为10个转子极（8)，转子极均为扇形，其形状与定子E形铁芯的齿形状相一致，转子极均勻设置在转子（2)非导磁圆环（9)的外圆周上，转子极的轴向厚度与非导磁圆环的轴向厚度相等，转子上既无永磁体也无绕组。

3.根据权利要求1所述的混合励磁E形铁芯轴向磁场永磁无刷电机，其特征在于E形定子铁芯（5)的齿和槽都是扇形的，与转子极（8)的扇形相一致，电枢绕组和励磁绕组均为集中绕组。

4.根据权利要求1所述的混合励磁E形铁芯轴向磁场永磁无刷电机，其特征在于所述电机的定子由3个E形铁芯单元和3块永磁体单元组成，转子由5个转子极和非导磁圆环上组成，转子极嵌在非导磁圆环上构成基本电机；将基本电机的定子单元/转子极进行整数倍扩充，可得到定子6槽/转子10极、定子12槽/转子20极、定子18槽/转子30极…… 等结构电机。