CN102832776A - 一种轴向非均匀气隙混合励磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轴向非均匀气隙混合励磁同步电机，包括机壳、设于机壳内的定子、转子、固定在端盖上的环形导磁桥和转轴。其中，定子包括定子铁心和嵌在定子槽内的电枢绕组；转子固定在转轴上且包括转子N极极靴、转子S极极靴和切向磁化永磁体。永磁体轴向长度小于定子铁心轴向长度。转子N极和S极极靴分为与永磁体相邻的永磁侧以及不与永磁体相邻的电励磁侧，转子永磁侧和电励磁侧与定子铁心之间形成的两段主气隙长度不同。此种电机气隙磁场调节范围宽，可实现调速状态宽转速范围弱磁控制、发电状态时电压调节以及故障状态下完全灭磁保护，在新能源汽车及独立电源系统中有重要应用价值。

Description

一种轴向非均匀气隙混合励磁同步电机

技术领域

本发明涉及一种混合励磁同步电机，特别是指一种轴向非均匀气隙混合励磁同步电机。

背景技术

混合励磁电机集成了电励磁电机气隙磁场可宽范围调节和永磁电机高功率密度、高效率的优点，具有广阔的应用前景。

磁分路式混合励磁同步电机可以利用转子极靴延伸为永磁磁通提供旁路路径，使得电机在正常情况下处于弱磁状态，而在旁路中利用电励磁磁势对旁路磁通进行调节，从而实现气隙磁通的有效调节，合理设计定、转子结构参数可以获得较宽的磁场调节范围，但由于轴向磁路的饱和限制，其反向励磁下弱磁能力有限，难以实现弱磁为零，这限制了其在宽转速范围要求下的应用。

并列式混合励磁同步电机是混合励磁电机的另一种典型结构，并列式混合励磁同步电机中电励磁部分和永磁部分相互独立，永磁体不会发生不可逆退磁，且容易实现励磁电流的双向调节。并列式混合励磁同步电机电励磁部分励磁电流通常由转子引入，多为有刷结构，可靠性差；电励磁部分与永磁部分之间存在较大机械气隙，为“无效”空间，增大了电机轴向长度，降低了电机功率密度，同时也增大了电枢绕组长度及其铜损耗。

基于以上分析，本发明提出一种新的混合励磁同步电机结构形式，以克服现有磁分路式混合励磁电机弱磁能力有限及并列式混合励磁同步电机存在电刷和功率密度较低的不足，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种轴向非均匀气隙混合励磁同步电机，其气隙磁场调节范围宽，可实现调速状态时宽转速范围弱磁控制、发电状态时电压调节以及故障状态下完全灭磁保护，在新能源汽车及独立电源系统中有重要应用价值。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种轴向非均匀气隙混合励磁同步电机，包括机壳及设于机壳内的定子、转子和转轴；定子包括定子铁心和嵌在定子槽内的电枢绕组；转子固定在转轴上且包括转子N极极靴、转子S极极靴和切向磁化永磁体，转子N、S极极靴分别包括与永磁体相邻的永磁侧和不与永磁体相邻的电励磁侧，且永磁体的轴向长度小于定子铁心的轴向长度；转子N极极靴/转子S极极靴的电励磁侧沿转轴方向外径不变延伸，集合于圆环形极靴，与前面相对应的，转子S极极靴/转子N极极靴的电励磁侧延伸呈瓶颈状收缩，集合成外径小于前述圆环形极靴的空心圆柱形极靴；所述空心圆柱形极靴与圆环形极靴之间设置环形的导磁桥，所述导磁桥与两极附加导磁体延伸端之间形成两个附加气隙，该附加气隙的长度小于主气隙长度；机壳两侧均设有与之配合的端盖，导磁桥固定在转子极靴延伸端一侧端盖上，内嵌励磁绕组。

上述转子极靴的永磁侧和电励磁侧外径不同，与定子铁心之间形成长度不同的两段主气隙，所述永磁侧主气隙的长度可大于或小于电励磁侧主气隙的长度。

上述转子中的圆环形极靴的电励磁侧沿转轴方向外侧外径不变，内侧经一过度段内径不变延伸，其电励磁侧内径大于永磁侧内径，二者之间以斜面或圆弧面作为过渡段。

上述转轴在转子的空心圆柱形极靴处与转子紧密配合，且所述转轴的外径等于空心圆柱形极靴的内径。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

（1）永磁体轴向长度小于定子铁心长度，相比磁分路式混合励磁同步电机，减少了稀土永磁体用量，显著降低电机成本；

（2）实现了永磁部分与电励磁部分一体化，相比并列式混合励磁电机可以减小电机轴向长度，从而减小电机体积，有利于在航空电源、新能源汽车等空间受限的场合上的应用；

（3）转子N极或S极极靴电励磁侧沿转轴方向外径不变延伸，可以避免为避开电枢绕组端接部分而增大转子轴向长度；经一过渡段后内径不变延伸，优化了转子结构，减小了转子材料的使用量；两者都可以减小电机体积重量，从而提高电机功率密度；

（4）合理设计转子N极及S极极靴永磁侧与电励磁侧的比例及结构尺寸，可以获得较宽的磁场调节范围，同时可以实现完全灭磁，克服了磁分路式混合励磁同步电机这方面的不足；可应用于宽范围调压、调速及需要完全灭磁保护的场合，拓宽了永磁电机的应用领域。

附图说明

图1是本发明的组合剖视图；

图2是本发明的转子N极（或S极）极靴结构图；

图3是本发明的转子S极（或N极）极靴结构图；

图4是本发明的环形导磁桥结构图；

图5是本发明第一实施例的剖面图；

图6是本发明第二实施例的剖面图；

图7是3对极轴向非均匀气隙混合励磁同步电机第一实施例下每极磁通—励磁磁势曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种轴向非均匀气隙混合励磁同步电机，包括机壳1及设于机壳1内的定子、转子、转轴10和固定在端盖9上的环形导磁桥7，其中，定子包括定子铁心2和嵌在定子槽内的电枢绕组6，定子铁心2固定在机壳1上。

转子固定在转轴10上，且包括转子N极极靴3、转子S极极靴4和切向磁化永磁体5，以下分别介绍。

转子N极极靴3及转子S极极靴4上与永磁体5相邻的部分均称为永磁侧，而转子N极极靴3及转子S极极靴4上不与永磁体5相邻的部分均称为电励磁侧，可配合图1所示，其中的径向虚线定义为转子N极及S极极靴永磁侧和电励磁侧的分隔线；永磁体5的轴向长度小于定子铁心2的轴向长度。转子N极及S极极靴永磁侧和电励磁侧外径不同，与定子铁心2之间形成长度不同的两段主气隙。转子N极及S极极靴永磁侧主气隙长度可大于电励磁侧主气隙长度或者小于电励磁侧主气隙长度。

转子N极或S极极靴电励磁侧沿转轴方向外径不变延伸，集合于圆环形极靴，形成如图3所示结构；同时，转子S极或N极极靴电励磁侧延伸呈瓶颈状收缩，集合成外径较小的空心圆柱形极靴，形成如图4所示结构。所述空心圆柱形极靴和圆环形极靴之间设置环形导磁桥7，其与两极附加导磁体延伸端之间形成两个附加气隙，附加气隙长度小于主气隙长度。机壳两侧均置有与之配合的端盖9，导磁桥7固定在端盖9上，内嵌励磁绕组8。

转子N极或S极极靴电励磁侧沿转轴方向外侧外径不变、内侧经一过渡段内径不变延伸，集合于圆环形极靴，其电励磁侧内径大于永磁侧内径，之间以斜面或圆弧面作为过渡段。

转轴10在空心圆柱形极靴段与转子紧密配合，转轴10的外径等于空心圆柱形极靴的内径。

图5是本发明第一实施例的剖面图，永磁体5的轴向长度小于定子铁心2的轴向长度，侧面与永磁体5的N极接触的称之为转子N极极靴3；侧面与永磁体5的S极接触的称之为转子S极极靴4。转子N极极靴3包括与永磁体5相邻的永磁侧（附图中虚线左侧）和不与永磁体5相邻的电励磁侧（附图中虚线右侧）；转子S极极靴4包括与永磁体5相邻的永磁侧（附图中虚线左侧）和不与永磁体5相邻的电励磁侧（附图中虚线右侧）。转子N极极靴3的永磁侧内径小于电励磁侧内径，两者之间通过斜面或圆弧面过渡。转子N极极靴3的永磁侧和转子S极极靴4的永磁侧外径相同；转子N极极靴3的电励磁侧和转子S极极靴4的电励磁侧外径相同。转子N极极靴3的永磁侧和转子S极极靴4的永磁侧合称转子永磁侧；转子N极极靴3的电励磁侧和转子S极极靴4的电励磁侧合称转子电励磁侧。转子永磁侧轴向长度与永磁体5的轴向长度相同。转子永磁侧和转子电励磁侧外径不同，与定子铁心2之间形成长度不同的两段主气隙，构成轴向非均匀气隙结构。第一实施例中转子永磁侧主气隙长度大于转子电励磁侧主气隙长度。

转子N极极靴3的电励磁侧沿轴向外侧外径不变，内侧经一过渡段内径不变延伸，集合于圆环形极靴，形成如图3所示结构；转子S极极靴4的电励磁侧延伸呈瓶颈状收缩，集合成外径较小的空心圆柱形极靴，形成如图4所示结构。延伸形成的圆环形极靴与空心圆柱形极靴之间设置有环形导磁桥7，环形导磁桥7的外径小于圆环形极靴的内径，内径大于空心圆柱形极靴的外径。这样，环形导磁桥7分别与圆环形极靴和空心圆柱形极靴形成两个附加气隙，附加气隙长度小于主气隙的长度。环形导磁桥7固定在端盖9上，且内嵌励磁绕组8，通过调节励磁绕组8中电流的大小可以调节电机的轴向磁通进而调节主气隙磁通。

转子N极极靴3和转子S极极靴4固定在压板11上，形成整体；转子N极极靴3的永磁侧及转子S极极靴4的永磁侧端部均和压板11之间有螺钉连接。转轴10在空心圆柱形极靴段与转子紧密配合，转轴10的外径等于空心圆柱形极靴的内径。在转轴10的表面和空心圆柱形极靴的内侧分别开有键槽，中间用键连接传动。

由图7可以看出，施加励磁磁势

时每极磁通Ф_p＝0，说明本发明提出的轴向非均匀气隙混合励磁同步电机可以实现灭磁为零，其中，Ф_p表示每极磁通(Wb)，U_F表示励磁磁势(A.T)，

表示Ф_p＝0时的U_F值。

图6是本发明第二实施例的剖面图，永磁体5的轴向长度小于定子铁心2的轴向长度。侧面与永磁体5的N极接触的称之为转子N极极靴3；侧面与永磁体5的S极接触的称之为转子S极极靴4。转子N极极靴3分为与永磁体5相邻的永磁侧(附图中虚线左侧)和不与永磁体5相邻的电励磁侧(附图中虚线右侧)；转子S极极靴4分为与永磁体5相邻的永磁侧(附图中虚线左侧)和不与永磁体5相邻的电励磁侧(附图中虚线右侧)。转子N极极靴3的永磁侧内径小于电励磁侧内径，两者之间通过斜面或圆弧面过渡。转子N极极靴3的永磁侧和转子S极极靴4的永磁侧外径相同；转子N极极靴3的电励磁侧和转子S极极靴4的电励磁侧外径相同。转子N极极靴3的永磁侧和转子S极极靴4的永磁侧合称转子永磁侧；转子N极极靴3的电励磁侧和转子S极极靴4的电励磁侧合称转子电励磁侧。转子永磁侧轴向长度与永磁体5的轴向长度相同。转子永磁侧和转子电励磁侧外径不同，与定子铁心2之间形成长度不同的两段主气隙，构成轴向非均匀气隙结构。第二实施例中转子永磁侧主气隙长度小于转子电励磁侧主气隙长度。

转子N极极靴3的电励磁侧沿轴向外侧外径不变，内侧经一过渡段内径不变延伸，集合于圆环形极靴，形成如图3所示结构；转子S极极靴4的电励磁侧延伸呈瓶颈状收缩，集合成外径较小的空心圆柱形极靴，形成如图4所示结构。延伸形成的圆环形极靴与空心圆柱形极靴之间设置有环形导磁桥7，环形导磁桥7的外径小于圆环形极靴的内径，内径大于空心圆柱形极靴的外径。这样，环形导磁桥7分别与圆环形极靴和空心圆柱形极靴形成两个附加气隙，附加气隙长度小于主气隙的长度。环形导磁桥7固定在端盖9上，且内嵌励磁绕组8，通过调节励磁绕组8中电流的大小可以调节电机的轴向磁通进而调节主气隙磁通。

转子N极极靴3和转子S极极靴4固定在压板11上，形成整体；转子N极极靴3的永磁侧及转子S极极靴4的永磁侧端部均和压板11之间有螺钉连接。转轴10在空心圆柱形极靴段与转子紧密配合，转轴10的外径等于空心圆柱形极靴的内径。在转轴10的表面和空心圆柱形极靴的内侧分别开有键槽，中间用键连接传动。

在第二实施例中，转子电励磁侧外圆处增加一个环形非导磁不锈钢套12，以紧固转子N极极靴3及转子S极极靴4，其内径与转子电励磁侧外径相同，外径与转子永磁侧外径相同。增加非导磁不锈钢套12后，电励磁侧的物理气隙和永磁侧物理气隙相同，但由于不锈钢套为非导磁材料，转子电励磁侧有效气隙仍然大于转子永磁侧。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种轴向非均匀气隙混合励磁同步电机，包括机壳及设于机壳内的定子、转子和转轴；其特征在于：定子包括定子铁心和嵌在定子槽内的电枢绕组；转子固定在转轴上且包括转子N极极靴、转子S极极靴和切向磁化永磁体，转子N、S极极靴分别包括与永磁体相邻的永磁侧和不与永磁体相邻的电励磁侧，且永磁体的轴向长度小于定子铁心的轴向长度；转子N极极靴/转子S极极靴的电励磁侧沿转轴方向外径不变延伸，集合于圆环形极靴，与前面相对应的转子S极极靴/转子N极极靴的电励磁侧延伸呈瓶颈状收缩，集合成外径小于前述圆环形极靴的空心圆柱形极靴；所述空心圆柱形极靴与圆环形极靴之间设置环形的导磁桥，所述导磁桥与两极附加导磁体延伸端之间形成两个附加气隙，该附加气隙的长度小于主气隙长度；机壳两侧均设有与之配合的端盖，导磁桥固定在转子极靴延伸端一侧端盖上，内嵌励磁绕组。

2.如权利要求1所述的一种轴向非均匀气隙混合励磁同步电机，其特征在于：所述转子极靴的永磁侧和电励磁侧外径不同，与定子铁心之间形成长度不同的两段主气隙，且所述永磁侧主气隙的长度与电励磁侧主气隙的长度不同。

3.如权利要求1所述的一种轴向非均匀气隙混合励磁同步电机，其特征在于：所述转子中的圆环形极靴的电励磁侧沿转轴方向外侧外径不变，内侧经一过渡段内径不变延伸，其电励磁侧内径大于永磁侧内径，二者之间以斜面或圆弧面作为过渡段。

4.如权利要求1所述的一种轴向非均匀气隙混合励磁同步电机，其特征在于：所述转轴在转子的空心圆柱形极靴处与转子紧密配合，且所述转轴的外径等于空心圆柱形极靴的内径。

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