CN104362822B - 自弱磁复合磁通切换永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自弱磁复合磁通切换永磁电机，拥有两个定子，两个转子，两套多相电枢绕组，永磁体和隔磁环。一方面，内、外转子上不含永磁体和任何励磁绕组，因此该电机拥有结构坚固的特点；另一方面，内、外两个定子上安装有永磁体和电枢绕组并通过隔磁环连接。在结构上保留了永磁式磁通切换电机鲁棒性好、适于高速运行的优势。无需额外增加励磁绕组，通过调整内、外定子之间的相对角度就可以实现电机弱磁，保证了该电机具有较大的调速范围，特别适合于要求体积小调速范围大的场合，能够实现恒功率区的宽调速功能。

Description

自弱磁复合磁通切换永磁电机

技术领域

本发明涉及一种能够实现电子无级变速与自弱磁调速运行的电机，属于电机制造领域。

背景技术

随着世界能源的不断衰竭，采用新能源汽车取代传统燃油汽车成为全世界的共识。目前国际上主要研究的新能源汽车主要有三种，即纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车，其中前两者因为技术不成熟、行驶里程不足或经济成本高昂而在商用、家用乘用车领域难以大范围推广。混合动力汽车则因其技术成熟，续航里程长而被广泛关注并得到了最为普及的应用。

有效实现混合动力汽车基本功能的关键技术之一是研发高性能的电子无级调速器（Electrical-Continuous Variable Transmission，以下简称E-CVT）系统。E-CVT系统作为一种具有机械功率分配的能量传递系统，其突出优点是能够使发动机在全程范围内运行在最佳燃油经济线，从而有效提高整车效率。E-CVT系统的核心部件是其功率分配装置，保证发动机运行于最佳区域，从而实现混合动力汽车传动系统的综合最优控制。根据是否采用机械齿轮，可将现有上市混合动力汽车的E-CVT系统以及国内外专家学者广泛关注的E-CVT系统分为两大类：一类是采用机械齿轮（行星齿轮）的E-CVT系统，另一类为没有齿轮啮合的无齿轮E-CVT系统。

尽管行星齿轮结构较好地解决了发动机功率分配以及驱动转矩的合成问题，然而，和所有机械齿轮一样，行星齿轮存在着传输损耗和齿轮噪声的缺点，而且必须人为定期地给齿轮施加润滑剂加以维护。为了解决这种复合机械结构所存在的弊端，国内外研究人员尝试采用由一个双转子电机来替代行星齿轮结构，即通过无接触的电磁力（电磁转矩）作用，以实现能量的集中与分配以及车速的自由调节，即采用电气联结方式克服上述问题。然而，这种基于双转子电机实现电气联结的电子无级调速系统在克服行星齿轮缺点的同时也产生了一个新的问题：系统中所采用的双转子电机必需通过滑环和碳制电刷实现转子中的电能传递。而众所周知，滑环和碳制电刷将产生额外的损耗，而且需要定期维护。

不同于改良的思想，近年来出现了一种全新的电子无级调速系统概念（2012 10274466.1），既不需要行星齿轮，也不需要滑环和碳制电刷。这套系统不仅可以从本质上解决现在所有以行星齿轮方式联结的电子无级调速系统的缺点，而且也可以避免已有的基于滑环和电刷的电气联结电子无级调速系统的缺点。然而，作为新能源汽车用电子无级调速系统，往往要求与车轮传动系统相连的低速转子具有较大的转矩输出能力，而与发动机相连的高速转子具有较为宽广的恒功率调速性能。以2008款雷克萨斯LS600h汽车驱动电机为例，其调速范围为0~10230rpm，额定转矩输出为200Nm，最大峰值转矩为300Nm。而要实现上述目标的电子无级调速系统，需要同时具备较强的恒转矩输出能力和较广的恒功率调速范围。而专利（2012 1 0274466.1）之中所提复合型磁通切换永磁电机本质上属于一种由定子永磁型无刷同步电机组成的复合电机系统，很难同时上述大转矩与宽调速的性能要求。

因此，本发明提出了一种新型自弱磁复合磁通切换无刷电机系统，在能够实现功率分配的基础之上，同时满足大转矩与宽调速的性能需求。既具备电子无级调速性能，同时实现了无刷化，且还具有较强的自弱磁能力，无需借助传统恒功率区弱磁调速算法即可实现外电机气隙磁场的自我调节。

发明内容

技术问题：本发明提供一种结构坚固、工作模式多样化、具有较强转矩输出能力和较高功率密度的具有自弱磁能力的复合磁通切换永磁无刷电机。

技术方案：本发明的自弱磁复合磁通切换永磁电机，由具有相同定子齿数与转子齿数的内转子磁通切换永磁电机和外转子磁通切换永磁电机复合而成，包括位于中心的内转子、从内至外依次环绕在内转子外侧的内定子、隔磁环、外定子和外转子；所述内定子和外定子的每个定子齿中均嵌入一块永磁体，相邻两个定子齿中的两块永磁体极性交错分布，即呈NS-SN分布，永磁体磁极方向呈切向分布。

本发明电机的优选方案中，外定子为导磁铁心和镶嵌于外定子齿正中间的外定子永磁体拼装而成。

本发明电机的优选方案中，内定子为导磁铁心和镶嵌于内定子齿正中间的内定子永磁体拼装而成。

本发明电机的优选方案中，外转子和内转子上既无永磁体也无绕组，转子为适合于无刷直流运行的直槽或者适合于无刷交流运行的斜槽。

本发明电机的优选方案中，隔磁环固定安装，隔磁环和外定子之间，以及隔磁环和内定子之间均通过滑环或滚珠安装连接，内定子和外定子之间的相对位置能够通过相对于隔磁环的转动而变换。

本发明电机中，内定子和外定子通过隔磁环隔离。

本发明电机包括内电机、外电机、隔磁环三大部分，其中：内、外电机采用同心式结构，内电机置于内部，外电机置于外部，内外电机之间通过隔磁环隔离；内电机包括：内转子、内定子；外电机包括：外转子、外定子。内定子和外定子齿数相同，内定子和外定子的每个定子齿中间嵌入永磁体，永磁体充磁磁极方向呈切向分布；相邻定子齿中的永磁体极性呈交错分布，即第一个定子齿中永磁体极性分布若为N-S，则与之相邻的定子齿中永磁体极性为S-N，依次交错分布于内、外定子齿中。因此，若定子齿数为P _s ，则一共有2P _s 块永磁体嵌入定子齿，其中内定子有P _s 块，外定子有P _s 块。内、外定子之间通过隔磁环隔离，同时由于内、外定子与隔磁环通过滑环或滚珠链接，所以内、外定子之间可以产生相对旋转。若定义永磁体极性相同的内定子齿和外定子齿之间偏差角度为θ _sro ，则初始位置为θ _sro =0°，终止位置为θ _sro =360°/P _s 。三相集中式电枢绕组的各组成线圈均横跨于一个定子齿上，其中，m相集中电枢绕组一共有P _s 个集中式电枢线圈以m相的顺序依次交替分布，每相由P _s /m个电枢线圈组成，属于同相的各个线圈空间彼此相差m*360^o/P _s （空间机械角度）。为满足绕组互补性以改善每相永磁磁链和空载感应电势的正弦度，组成一相的P _s /m个电枢线圈必须按照如下的方式连接：空间机械角度相差m*360^o/P _s 的两个线圈必须串联组成一个线圈组，而P _s /(2m)个电枢线圈组之间则可以根据性能需求串联、并联或者串并混联（线圈组数为偶数，且大于或等于4）。若以一台内、外定子均12个槽，内、外转子均10个齿（极）的三相自弱磁复合磁通切换电机为例，每相电枢绕组一共由四个集中式电枢线圈组成，其中第一、第二集中式电枢线圈空间相差90^o（机械角度），为了绕组互补性必须要串联组成第一线圈组。而分别与第一线圈、第二线圈径向相对的第三线圈、第四线圈径向相对亦空间相差90^o机械角度，必须要串联组成第二线圈组。第一线圈组与第二线圈组之间可以串联或者并联组成A相电枢绕组；与此相似，第五、第六集中电枢线圈与第七、第八集中电枢线圈径向相对（空间相差90^o），顺序串连后组成B相电枢绕组；第九、第十集中电枢线圈与第十一、第十二集中电枢线圈径向相对（空间相差90^o），顺序串连后组成C相电枢绕组；对于组成A相的4个电枢绕组线圈而言，第一、第二集中线圈和第三、第四集中线圈在任何转子位置，其绕组中匝链的永磁磁链数量相同、方向相反，故需要反向串连组成A相，对B、C两相情况类似，对于组成B相的4个电枢绕组线圈而言，第五、第六集中线圈和第七、第八集中线圈在任何转子位置，其绕组中匝链的永磁磁链数量相同、方向相反，故需要反向串连组成B相，对于组成C相的4个电枢绕组线圈而言，第九、第十集中线圈和第十一、第十二集中线圈在任何转子位置，其绕组中匝链的永磁磁链数量相同、方向相反，故需要反向串连组成C相。内、外定子都由导磁铁心和永磁体拼接而成。内、外转子均为直槽或斜槽转子（为进一步改善磁链和感应电势正弦度），内、外转子上既无永磁体也无绕组。永磁体可以为铁氧体、钐钴或者钕铁硼等其他类型永磁材料。隔磁环为非导电非导磁材料。内、外转子铁心均由硅钢片冲压而成，内转子置于内定子中，外转子套在外定子外部，即内定子和内转子组成一个内转子的磁通切换永磁电机，外定子和外转子组成一个外转子的磁通切换永磁电机。

自弱磁复合磁通切换电机在电枢绕组不通电流时，一个定子齿被永磁体分为两部分，当转子在旋转过程中与这两部分分别对齐时，永磁体所产生的永磁磁通匝链到各个定子集中式电枢线圈的方向就会相反，从而产生“磁通切换”效应，导致每相电枢绕组中所匝链的永磁磁链为双极性，产生交变空载感应电势。电机作电动运行时，电机内部耦合着永磁磁场和电枢磁场。由永磁体的固有特性可知，在没有外在激励源的条件下，在转子位置固定时，永磁磁场所产生的气隙磁通密度不变，因此由永磁磁场感应出的每相空载感应电势也不变。而永磁电机的空载感应电势与转子转速成正比，在直流母线电压为固定值的驱动调速系统中，转速受到限制，从而影响了电机在恒功率运行模式下的高速性能。本发明的关键之处在于，无需通过调节电枢电流的直轴分量，直接通过改变内、外相同磁极方向的定子齿之间的相对角度，使得内、外定子齿之间的永磁体磁链产生部分耦合，从而达到外电机弱磁增速效果。

如图1所示，当永磁体极性相同的对应外定子齿与内定子齿之间偏差θ _sro =0°时，内、外定子永磁体间磁耦合程度最小，所对应的内、外定子齿中的永磁体间漏磁最小，此时外电机处于最大永磁磁链模式；如图2所示，当永磁体极性相同的对应内定子齿和外定子齿偏差θ _sro =9°时，内、外定子齿中的永磁体间会发生耦合并产生部分闭合磁链回路，此时内、外定子齿中的永磁体间存在漏磁，从而削弱匝链到电枢线圈中的有效永磁磁链，进而达到弱磁效果；如图3所示，当永磁体极性相同的对应内定子齿和外定子齿偏差为θ _sro =30°时，由于极性相反的永磁体间距离最小，此时永磁体漏磁情况最为严重，外电机弱磁效果最佳。可见，不同的转子位置所对应的永磁磁链耦合程度不同，因此可实现不同程度的弱磁；具体转子位置所对应的弱磁要求可根据实际运行情况进行离线或者在线动态调节。

本发明电机可以在不额外增加体积和励磁线圈的情况下，通过合理改变内、外两个电机定子齿之间的相对角度实现有效弱磁，从而提升电机各项性能，包括减少定位力矩、提高恒功率最高运行转速、拓宽调速范围等。与现有的复合磁通切换电机相比，其结构创新之处在于隔磁环固定安装，隔磁环和外定子之间，以及隔磁环和内定子之间均通过滑环或滚珠安装连接，内定子和外定子之间的相对位置能够通过相对于隔磁环的转动而变换。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1．与传统复合磁通切换永磁电机相比，自弱磁复合磁通切换电机仍由内电机、外电机以及隔磁环组成，在结构上保留了普通复合磁通切换永磁电机结构坚固、工作模式多样化的优点；

2．与传统复合磁通切换永磁电机相比，自弱磁复合磁通切换电机中的内电机和外电机都为磁通切换电机，在性能上保留了永磁无刷电机转矩出力大、功率密度高、效率高的优势；

3．与传统复合磁通切换永磁电机相比，自弱磁复合磁通切换电机中的外电机和内电机与隔磁环的连接方式由固定连接变为可转动链接，除增加内电机、外电机与隔磁环连接处的滑环或滚珠外，不需要额外增加任何部件，节约成本；

4．与传统复合磁通切换永磁电机相比，自弱磁复合磁通切换电机中的电枢绕组依然采用集中式线圈，端部较短；

5．与传统复合磁通切换永磁电机相比，自弱磁复合磁通切换电机仍可根据不同性能需求，灵活调节定转子齿槽配合或采用直槽、斜槽转子直槽或者斜槽，从而获得梯形波或者正弦波的每相空载感应电势；

6．与传统复合磁通切换永磁电机相比，自弱磁复合磁通切换电机通过改变相应内、外定子齿之间的相对位置即可改变永磁体间的耦合情况，从而取得不同的外电机弱磁效果，可操作性强，调速范围宽。

7.自弱磁复合磁通切换电机在调磁过程中，对内电机磁链影响极小，内电机磁链几乎保持不变，能够保证内电机发电运行时的功率输出。

附图说明

图1所示为一台永磁体极性相同、内外定子齿偏差角度θ _sro =0°的三相定子12槽/转子10极自弱磁复合磁通切换永磁电机结构，对应的每相绕组永磁磁链与空载感应电势最大。

图2所示将图1中电机的外定子旋转9°，即内外定子齿偏差角度θ _sro =9°的复合电机结构，对应的外电机每相绕组永磁磁链与空载感应电势有一定的削弱，而内电机每相绕组永磁磁链与空载感应电势并无明显削弱。

图3所示将图1中电机的外定子旋转30°，即内外定子齿偏差角度θ _sro =30°后的复合电机结构，对应的外电机每相绕组永磁磁链与空载感应电势最小，而内电机每相绕组永磁磁链与空载感应电势并无明显削弱。

图4为在空载情况下，电机在内、外定子齿相对位置分别为θ _sro =0^o、θ _sro =9^o、θ _sro =30^o时，内电机中A相永磁磁链的比较。

图5为在空载情况下，电机在内、外定子齿相对位置分别为θ _sro =0^o、θ _sro =9^o、θ _sro =30^o时，内电机中A相空载感应电势的比较。

图6为在空载情况下，电机在内、外定子齿相对位置分别为θ _sro =0^o、θ _sro =9^o、θ _sro =30^o时，外电机中A相永磁磁链的比较。

图7为在空载情况下，电机在内、外定子齿相对位置分别为θ _sro =0^o、θ _sro =9^o、θ _sro =30^o时，外电机中A相空载感应电势的比较。

图8和图9分别为内、外定子齿偏差θ _sro =9°时，内、外电机三相永磁磁链波形图。

图10和图11分别为内、外定子齿偏差θ _sro =30°时，内、外电机三相永磁磁链波形图。

图中有：外转子1，外定子永磁体2，内定子永磁体3，隔磁环4，内转子5，内定子6，外定子7；永磁体极性由图中箭头标出，箭头所指方向为永磁体N极方向。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明的的技术方案做进一步详细说明。

如图1以一台定子12槽/转子10极电机为例，将永磁体分别嵌入内定子和外定子的定子齿中，永磁体极性与电机定子圆周呈正切，此时内、外定子齿偏差角度即θ _sro =0^o。对于内定子6而言，第一个定子齿之中永磁体3极性为N-S分布，则与之相邻的第二个定子齿中永磁体极性则为S-N分布，以此类推，内定子6的12个定子齿中永磁体极性呈交替分布，即NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN；对外定子7而言，定子齿中永磁体2极性为N-S分布，则与之相邻的第二个定子齿中永磁体极性则为S-N分布，以此类推，内定子6的12个定子齿中永磁体极性呈交替分布，即NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN；在内、外定子齿偏差角度即θ _sro =0^o时，处于同一直线的内外定子齿中永磁体极性方向一致，呈切向分布。通过内定子6和隔磁环4之间的滑环或滚珠以及外定子7和隔磁环4之间的滑环或滚珠，内定子6和外定子7可进行相对转动，从而拥有相同极性永磁体的定子齿之间将出现偏差角度，图2为将图1中定子12槽/转子10极内、外电机旋转后的电机结构图，内外定子齿偏差角度为即θ _sro =9°，内定子6、外定子7永磁体极性分布保持不变，角度偏差后，根据磁阻最小原理，内外定子齿永磁体间将发生磁场耦合从而削弱外电机磁链，图3为将图1中定子12槽/转子10极内、外电机旋转至磁链耦合最大时的电机结构图，此时拥有相同极性永磁体的定子齿之间偏差角度为即θ _sro =30° ，此时拥有相反永磁体极性的定子齿之间偏差角度为0°，根据磁阻最小原理，内外定子齿间磁场耦合最大。

内转子5和外转子1可以是直槽转子，保证了本发明在采用集中绕组和转子不斜槽的条件下，可获得非常接近于梯形波分布的磁链、反电动势等静态特性，从而使本发明更加适合于作为无刷直流驱动方式的交流调速系统元件。此外，也可以对转子5斜槽一定角度，获得较为正弦的反电动势，使本发明适合于作为无刷交流驱动方式的交流调速系统元件。

永磁体3是铁氧体、钐钴或者钕铁硼等其他类型永磁材料，外定子7、内定子6、外转子1和内转子5都可以采用硅钢片冲片压叠制成。

内定子和外定子通过隔磁环4隔离，隔磁环4和外定子7通过滑环或滚珠链接，隔磁环4和内定子6之间亦通过滑环或滚珠链接，则外定子7和内定子6可以产生相对旋转，从而内定子6和外定子7之间的相对位置可以变换。

从图4、图5、图6、图7中可以看出，内、外定子齿偏差9°、30°后，内电机永磁磁链幅值及其有效值几乎保持不变，空载感应电势波形亦较为一致；外电机永磁磁链幅值及其有效值随着角度的增加而减小，空载感应电势在30°时有一定的畸变，但仍在可控范围内。此外，从图8-图11中可以看出，内、外定子齿偏差9°、30°后，内、外电机三相电枢绕组中匝链的永磁磁链波形仍然呈三相正弦对称分布，无明显畸变。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有自弱磁能力的复合磁通切换电机，其特征在于，该电机是由具有相同定子齿数与转子齿数的内转子磁通切换永磁电机和外转子磁通切换永磁电机复合而成，包括位于中心的内转子(5)、从内至外依次环绕在内转子(5)外侧的内定子(6)、隔磁环(4)、外定子(7)和外转子(1)；所述内定子(6)和外定子(7)的每个定子齿中均嵌入一块永磁体，相邻两个定子齿中的两块永磁体极性交错分布，即呈NS-SN分布，永磁体磁极方向呈切向分布；所述隔磁环(4)固定安装，隔磁环(4)和外定子(7)之间，以及隔磁环(4)和内定子(6)之间均通过滑环或滚珠安装连接，内定子(6)和外定子(7)之间的相对位置能够通过相对于隔磁环(4)的转动而变换。

2.根据权利要求1所述的具有自弱磁能力的复合磁通切换电机，其特征在于，所述外定子(7)为导磁铁心和镶嵌于外定子齿正中间的外定子永磁体(2)拼装而成。

3.根据权利要求1所述的具有自弱磁能力的复合磁通切换电机，其特征在于，所述内定子(6)为导磁铁心和镶嵌于内定子齿正中间的内定子永磁体(3)拼装而成。

4.根据权利要求1、2或3所述的具有自弱磁能力的复合磁通切换电机，其特征在于，所述外转子(1)和内转子(5)上既无永磁体也无绕组，转子为适合于无刷直流运行的直槽或者适合于无刷交流运行的斜槽。

5.根据权利要求1、2或3所述的具有自弱磁能力的复合磁通切换电机，其特征在于，所述内定子(6)和外定子(7)通过隔磁环(4)隔离。