CN102738984B - 无刷双馈多气隙电机 - Google Patents

Abstract

无刷双馈多气隙电机，属于电机技术领域。它解决了现有无刷式双转子电机磁场耦合强、控制复杂的问题。它包括外壳，它还包括永磁转子、调速定子、双馈转子、功率定子、永磁转子输出轴和双馈转子输出轴，永磁转子、调速定子、双馈转子和功率定子均设置在外壳内部，永磁转子由同轴固定连接在一起的圆筒形永磁铁芯和圆盘形永磁铁芯组成，双馈转子由同轴固定连接在一起的圆筒形双馈铁芯和圆盘形双馈铁芯组成，圆筒形永磁铁芯套接固定在永磁转子输出轴的一端，永磁转子输出轴的另一端延伸至外壳外，并通过轴承与外壳的一侧壁连接。本发明作为一种多气隙电机。

Description

无刷双馈多气隙电机

技术领域

本发明涉及一种无刷双馈多气隙电机，属于电机技术领域。

背景技术

传统电机一般都是由一个定子和一个转子组成，它具有一个气隙，因此电机只有两个端口：一个机械端口和一个电气端口。若在电机中增加一个气隙，构成双气隙电机，则会大大丰富电机的功能。

目前，采用双气隙结构的电机有双定子电机和双转子电机等。其中双定子电机通过增加一个定子，构成定子-转子-定子的双气隙结构，改善原电机的性能，提高功率密度等，如中国专利《一种双定子、单转子盘式无刷双馈交流电机》，公开号为CN1753284，公开日为20060329，和中国专利《双定子锥形可调气隙永磁电机》，公开号为CN101604891，公开日为20091216，这两种电机电机均具有三个端口，一个机械端口和两个电气端口。双转子电机是在原电机基础上增加一个转子，它构成转子-定子-转子的双气隙结构电机，比如中国专利《一种内外双转子感应电机》，公开号为CN2722495，公开日为20050831，或者构成定子-转子-转子的双气隙结构电机，比如中国专利《轴径向磁通结构复合式永磁电机》，公开号为CN1929244，公开日为20070314，这类电机一般具有三个或四个端口，当做成三个端口时，一般用来改善电机性能，如提高效率和功率因数，改善调速性能等；如果将其中一个转子上安置绕组，则形成四端口电机，具有两个机械端口和两个电气端口，电机将具有独立的双轴输入输出功能，可实现无级变速的功能。

现有的四端口双转子电机结构通常为，将传统电机的转子仍作为一个外转子，该外转子连接一个转轴，在该外转子内部增加一个转子，并安置绕组作为内转子，并连接另一个转轴。其中，一个转轴与原动机相连作为能量的输入端，另一个转轴与负载相连作为能量的输出端，通过调节旋转的内转子绕组中电流的频率，使输入轴和输出轴运行在不同转速下，从而实现原动机与负载之间的能量流动。但这种双转子电机中旋转的绕组需要通过电刷和滑环引入电流，这样会导致运行效率下降、可靠性降低，以及经常需要对电刷等部件进行维护等问题。

目前，已经提出了无刷式双转子电机结构，它采用双气隙或者多气隙结构，即气隙个数大于或者等于3，如中国专利《无刷馈电双转子电机》，公开号为CN101662192，公开日为20100303，和中国专利《一种径向磁场的无刷双馈双机械端口电机》，公开号为CN201323515，公开日为20091007，它们是采用增加绕组的方式，将其中一个转子变成爪极转子或者双馈转子的方式，替代电刷和滑环结构，实现无刷化。这种结构从原理上可以解决电刷和滑环的问题，但是绕组数量多，电机磁场耦合强，控制复杂，同时电机结构也很复杂，体积较大。

发明内容

本发明是为了解决现有无刷式双转子电机磁场耦合强、控制复杂的问题，提供一种无刷双馈多气隙电机。

本发明所述无刷双馈多气隙电机，它包括外壳，它还包括永磁转子、调速定子、双馈转子、功率定子、永磁转子输出轴和双馈转子输出轴，

永磁转子、调速定子、双馈转子和功率定子均设置在外壳内部，

永磁转子由同轴固定连接在一起的圆筒形永磁铁芯和圆盘形永磁铁芯组成，双馈转子由同轴固定连接在一起的圆筒形双馈铁芯和圆盘形双馈铁芯组成，

圆筒形永磁铁芯套接固定在永磁转子输出轴的一端，永磁转子输出轴的另一端延伸至外壳外，并通过轴承与外壳的一侧壁连接；

圆筒形双馈铁芯套接固定在双馈转子输出轴上，双馈转子输出轴的一端通过轴承与圆盘形永磁铁芯的内环表面连接，双馈转子输出轴的另一端通过轴承与外壳的另一侧壁连接；圆盘形永磁铁芯的盘形表面和圆盘形双馈铁芯的盘形表面相对，

调速定子和功率定子分别固定在外壳的内壁上，永磁转子的圆筒形永磁铁芯位于调速定子内侧，所述圆筒形永磁铁芯与调速定子之间为气隙；双馈转子的圆筒形双馈铁芯位于功率定子内侧，圆筒形双馈铁芯与功率定子之间为气隙；

调速定子的内环表面上沿圆周方向均匀开有多个调速定子槽，该调速定子槽内嵌放调速绕组，功率定子的内环表面上沿圆周方向均匀开有多个功率定子槽，该功率定子槽内嵌放功率绕组；

圆筒形双馈铁芯的外侧表面上沿圆环的外周方向均匀开有多个绕组槽，该绕组槽内嵌放第一转子绕组，

圆盘形双馈铁芯的外侧表面上沿圆环的径向均匀开有多个直槽，该直槽内嵌放第二转子绕组，

第一转子绕组和第二转子绕组的相数相同，每个直槽内嵌放的第二转子绕组的远离圆心侧与第一转子绕组的相邻侧按相数对应连接；

圆盘形永磁铁芯的外侧表面上沿圆周方向均匀分布多个扇形永磁体，扇形永磁体沿轴向充磁，沿圆周方向相邻的扇形永磁体的充磁方向相反，圆筒形永磁铁芯上均匀设置有多个主永磁体；

圆盘形双馈铁芯上的第二转子绕组的极对数与圆盘形永磁铁芯上的扇形永磁体的极对数相同，圆筒形双馈铁芯上的第一转子绕组的相数与功率定子上的功率绕组的相数相同，圆筒形双馈铁芯上的第一转子绕组的极对数与功率定子上的功率绕组的极对数相同。

所述直槽内嵌放的第二转子绕组的远离圆心侧与第一转子绕组的相邻侧采用正相序或反相序连接。

本发明的优点是：本发明中电机的永磁转子输出轴和双馈转子输出轴的转速相互独立，可实现变转速变转矩运行，用在电动汽车等传动系统中，可代替离合器、变速箱、起动机和发电机等部件，使系统体积减小，可靠性增加。

本发明的功率传递部分采用盘式无刷双馈结构，充分利用了电机的内部空间，提高了功率密度。本发明实现了三气隙无电刷结构，它克服了采用传统电机中采用电刷滑环带来的可靠性降低、运行效率降低，以及需要经常对电刷滑环维护的问题。永磁转子和双馈转子结构均采用圆筒形和圆盘形相叠加的结构，三个气隙磁场和电枢铁芯磁场相互独立，消除了耦合，降低了控制难度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B剖视图；

图4为图1的C-C剖视图；

图5为图1的D-D剖视图；

图6为图3中双馈转子上的两套转子绕组采用反相序连接的原理示意图；图中A1为圆盘形双馈铁芯上的第二转子绕组的A相线圈，B1为圆盘形双馈铁芯上的第二转子绕组的B相线圈，C1为圆盘形双馈铁芯上的第二转子绕组的C相线圈，A2为圆筒形双馈铁芯上的第一转子绕组的A相线圈，B2为圆筒形双馈铁芯上的第一转子绕组的B相线圈，C2为圆筒形双馈铁芯上的第一转子绕组的C相线圈；

图7为图3中双馈转子上的两套转子绕组采用正相序连接的示意图；

图8是当圆筒形永磁铁芯上的主永磁体呈内置式排布时的C-C剖视图；

图9是当圆筒形永磁铁芯上的主永磁体采用导条鼠笼结构时的C-C剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述无刷双馈多气隙电机，它包括外壳1，它还包括永磁转子、调速定子3、双馈转子、功率定子5、永磁转子输出轴6和双馈转子输出轴7，

永磁转子、调速定子3、双馈转子和功率定子5均设置在外壳1内部，

永磁转子由同轴固定连接在一起的圆筒形永磁铁芯2-1和圆盘形永磁铁芯2-2组成，双馈转子由同轴固定连接在一起的圆筒形双馈铁芯4-1和圆盘形双馈铁芯4-2组成，

圆筒形永磁铁芯2-1套接固定在永磁转子输出轴6的一端，永磁转子输出轴6的另一端延伸至外壳1外，并通过轴承与外壳1的一侧壁连接；

圆筒形双馈铁芯4-1套接固定在双馈转子输出轴7上，双馈转子输出轴7的一端通过轴承与圆盘形永磁铁芯2-2的内环表面连接，双馈转子输出轴7的另一端通过轴承与外壳1的另一侧壁连接；圆盘形永磁铁芯2-2的盘形表面和圆盘形双馈铁芯4-2的盘形表面相对，

调速定子3和功率定子5分别固定在外壳1的内壁上，永磁转子的圆筒形永磁铁芯2-1位于调速定子3内侧，所述圆筒形永磁铁芯2-1与调速定子3之间为气隙；双馈转子的圆筒形双馈铁芯4-1位于功率定子5内侧，圆筒形双馈铁芯4-1与功率定子5之间为气隙；

调速定子3的内环表面上沿圆周方向均匀开有多个调速定子槽，该调速定子槽内嵌放调速绕组3-1，功率定子5的内环表面上沿圆周方向均匀开有多个功率定子槽，该功率定子槽内嵌放功率绕组5-1；

圆筒形双馈铁芯4-1的外侧表面上沿圆环的外周方向均匀开有多个绕组槽，该绕组槽内嵌放第一转子绕组4-1-1，

圆盘形双馈铁芯4-2的外侧表面上沿圆环的径向均匀开有多个直槽，该直槽内嵌放第二转子绕组4-2-1，

第一转子绕组4-1-1和第二转子绕组4-2-1的相数相同，每个直槽内嵌放的第二转子绕组4-2-1的远离圆心侧与第一转子绕组4-1-1的相邻侧按相数对应连接；

圆盘形永磁铁芯2-2的外侧表面上沿圆周方向均匀分布多个扇形永磁体2-2-1，扇形永磁体2-2-1沿轴向充磁，沿圆周方向相邻的扇形永磁体2-2-1的充磁方向相反，圆筒形永磁铁芯2-1上均匀设置有多个主永磁体2-1-1；

圆盘形双馈铁芯4-2上的第二转子绕组4-2-1的极对数与圆盘形永磁铁芯2-2上的扇形永磁体2-2-1的极对数相同，圆筒形双馈铁芯4-1上的第一转子绕组4-1-1的相数与功率定子5上的功率绕组5-1的相数相同，圆筒形双馈铁芯4-1上的第一转子绕组4-1-1的极对数与功率定子5上的功率绕组5-1的极对数相同。

扇形永磁体2-2-1嵌入在圆盘形永磁铁芯2-2的外表面上或固定在圆盘形永磁铁芯2-2的外表面上。圆盘形双馈铁芯4-2上的直槽开口的中心线都围绕圆盘形双馈铁芯4-2的轴心线扇形均匀排列，所有直槽中共同镶嵌有第二转子绕组4-2-1。

本实施方式中，调速定子3和圆筒形永磁铁芯2-1的相对表面之间形成气隙L1，功率定子5和圆筒形双馈铁芯4-1的相对表面之间形成气隙L2，圆盘形永磁铁芯2-2和圆盘形双馈铁芯4-2的相对表面之间形成气隙L3。

所述无刷双馈多气隙电机使用在需要变速的传动系统中时，永磁转子连接原动机，双馈转子连接负载，调速定子3可以调节原动机的转速，并输出电功率；功率定子5吸收电功率，气隙L2、L3和双馈转子形成的双馈电机输出机械功率，即实现了变速变转矩运行。本发明特别适合在电动汽车、风力发电等需要变速的应用场合中。当在电动汽车上应用时，能使发动机不依赖于路况，始终运行在最高效率区，从而降低了燃油消耗和尾气排放，实现节能降耗，同时也能代替离合器、变速箱、起动机和发电机等部件，使汽车结构简化，成本降低。

具体实施方式二：下面结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述直槽内嵌放的第二转子绕组4-2-1的远离圆心侧与第一转子绕组4-1-1的相邻侧采用正相序或反相序连接。

本发明的工作原理：设定调速绕组3-1的极对数为q，圆盘形双馈铁芯4-2上的第二转子绕组4-2-1的极对数为p₁，圆筒形双馈铁芯4-1上第一转子绕组4-1-1的极对数为p₂；调速绕组3-1由变频器电源供电，频率为f_q，功率绕组5-1连接变频器电源，频率为f_p。电机在双馈运行时，三个气隙中同时存在三个旋转磁场，由于电机结构的特殊设计，它们分别在永磁转子和双馈转子中产生电磁转矩，共同维持电机稳定运行。假设圆盘形双馈铁芯4-2上的第二转子绕组4-2-1内感应电势的频率为f_p1，圆筒形双馈铁芯4-1上第一转子绕组4-1-1内感应电势的频率为f_p2，永磁转子的转速为n₁，双馈转子的转速为n₂。在双馈转子上的第一转子绕组4-1-1和第二转子绕组4-2-1反相序连接和稳态运行条件下，由磁场相互作用关系可得： $n_1=\frac{{60f}_q}{q},$ $\frac{60f_q}{q}-n_2=\frac{{60f}_{p1}}{p_1},$ $\frac{{60f}_{p2}}{p_2}-n_2=\frac{{60f}_q}{p_2},$ f_p1＝f_p2。可得电机双馈转子转速为

或者

则通过调节两个定子的供电频率f_q、f_p，或者永磁转子转速n₁、f_p，即可调节双馈转子的转速n₂，实现变速功能。

将本发明应用在电动汽车汽车传动领域中时，永磁机与发动机的输出端连接，双馈转子直接与传动轴相连，调速绕组3-1和功率绕组5-1分别通过变频器与电池连接。当汽车启动时，可以只有形成气隙L1的电机部件工作，这时电池提供能量，此时本发明所述电机就是一个独立的起动器。在汽车正常运行时，电机中形成三个气隙的部件均正常工作，可以根据发动机的最优工作点以及汽车的行驶速度来调节变速比，同时调节功率输出，发动机以最佳状态输出，这样，可以提高发动机的效率，减少燃料的消耗，形成气隙L1的组件用来调节发电机的转速和输出电功率，气隙L2和气隙L3组成一个无刷双馈电机，功率绕组5-1吸收电功率并且通过改变电流频率，调节双馈转子的输出转速和转矩，从而实现了变速箱无级变速的功能，并且，若发动机的功率不够，可以从电池输出额外能量，这样就可以将发动机最大功率设计的较小，从而使汽车更加经济节能，而不影响其加速性能，或者汽车需要的功率较小时，将发电机的部分能量储存在电池中。

本发明的功率传递部分采用轴向结构和径向结构相结合的无刷双馈电机结构，充分利用了电机内部空间，提高功率密度。

当双馈转子上的第一转子绕组4-1-1和第二转子绕组4-2-1采用正相序连接时，

$n_2=\frac{60(\frac{p_1}{q}{f}_q-f_p)}{p_1-p_2},$ 或者 $n_2=\frac{60(\frac{p_1\·n_1}{60}-f_p)}{p_1-p_2}.$

具体实施方式三：下面结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，本实施方式所述圆筒形永磁铁芯2-1上的多个主永磁体2-1-1在圆筒形永磁铁芯2-1的外环表面上均匀排布。

具体实施方式四：下面结合图8说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，本实施方式所述圆筒形永磁铁芯2-1上的多个主永磁体2-1-1在圆筒形永磁铁芯2-1上呈内置式排布。

具体实施方式五：下面结合图9说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，本实施方式所述圆筒形永磁铁芯2-1上的多个主永磁体2-1-1在圆筒形永磁铁芯2-1上采用导条鼠笼结构。

Claims (5)

1.一种无刷双馈多气隙电机，它包括外壳(1)，其特征在于：它还包括永磁转子、调速定子(3)、双馈转子、功率定子(5)、永磁转子输出轴(6)和双馈转子输出轴(7)，

永磁转子、调速定子(3)、双馈转子和功率定子(5)均设置在外壳(1)内部，

永磁转子由同轴固定连接在一起的圆筒形永磁铁芯(2-1)和圆盘形永磁铁芯(2-2)组成，双馈转子由同轴固定连接在一起的圆筒形双馈铁芯(4-1)和圆盘形双馈铁芯(4-2)组成，

圆筒形永磁铁芯(2-1)套接固定在永磁转子输出轴(6)的一端，永磁转子输出轴(6)的另一端延伸至外壳(1)外，并通过轴承与外壳(1)的一侧壁连接；

圆筒形双馈铁芯(4-1)套接固定在双馈转子输出轴(7)上，双馈转子输出轴(7)的一端通过轴承与圆盘形永磁铁芯(2-2)的内环表面连接，双馈转子输出轴(7)的另一端通过轴承与外壳(1)的另一侧壁连接；圆盘形永磁铁芯(2-2)的盘形表面和圆盘形双馈铁芯(4-2)的盘形表面相对，

调速定子(3)和功率定子(5)分别固定在外壳(1)的内壁上，永磁转子的圆筒形永磁铁芯(2-1)位于调速定子(3)内侧，所述圆筒形永磁铁芯(2-1)与调速定子(3)之间为气隙；双馈转子的圆筒形双馈铁芯(4-1)位于功率定子(5)内侧，圆筒形双馈铁芯(4-1)与功率定子(5)之间为气隙；

调速定子(3)的内环表面上沿圆周方向均匀开有多个调速定子槽，该调速定子槽内嵌放调速绕组(3-1)，功率定子(5)的内环表面上沿圆周方向均匀开有多个功率定子槽，该功率定子槽内嵌放功率绕组(5-1)；

圆筒形双馈铁芯(4-1)的外侧表面上沿圆环的外周方向均匀开有多个绕组槽，该绕组槽内嵌放第一转子绕组(4-1-1)，

圆盘形双馈铁芯(4-2)的外侧表面上沿圆环的径向均匀开有多个直槽，该直槽内嵌放第二转子绕组(4-2-1)，

第一转子绕组(4-1-1)和第二转子绕组(4-2-1)的相数相同，每个直槽内嵌放的第二转子绕组(4-2-1)的远离圆心侧与第一转子绕组(4-1-1)的相邻侧按相数对应连接；

圆盘形永磁铁芯(2-2)的外侧表面上沿圆周方向均匀分布多个扇形永磁体(2-2-1)，扇形永磁体(2-2-1)沿轴向充磁，沿圆周方向相邻的扇形永磁体(2-2-1)的充磁方向相反，圆筒形永磁铁芯(2-1)上均匀设置有多个主永磁体(2-1-1)；

圆盘形双馈铁芯(4-2)上的第二转子绕组(4-2-1)的极对数与圆盘形永磁铁芯(2-2)上的扇形永磁体(2-2-1)的极对数相同，圆筒形双馈铁芯(4-1)上的第一转子绕组(4-1-1)的相数与功率定子(5)上的功率绕组(5-1)的相数相同，圆筒形双馈铁芯(4-1)上的第一转子绕组(4-1-1)的极对数与功率定子(5)上的功率绕组(5-1)的极对数相同。

2.根据权利要求1所述的无刷双馈多气隙电机，其特征在于：所述直槽内嵌放的第二转子绕组(4-2-1)的远离圆心侧与第一转子绕组(4-1-1)的相邻侧采用正相序或反相序连接。

3.根据权利要求1或2所述的无刷双馈多气隙电机，其特征在于：圆筒形永磁铁芯(2-1)上的多个主永磁体(2-1-1)在圆筒形永磁铁芯(2-1)的外环表面上均匀排布。

4.根据权利要求1或2所述的无刷双馈多气隙电机，其特征在于：圆筒形永磁铁芯(2-1)上的多个主永磁体(2-1-1)在圆筒形永磁铁芯(2-1)上呈内置式排布。

5.根据权利要求1或2所述的无刷双馈多气隙电机，其特征在于：圆筒形永磁铁芯(2-1)上的多个主永磁体(2-1-1)在圆筒形永磁铁芯(2-1)上采用导条鼠笼结构。

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