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Abstract

本发明公开了一种极爪式混合励磁电机，包括前端盖、机壳及后端盖、前轴承、后轴承、转轴、定子组、永磁转子铁心、电励磁转子励磁磁极、磁轭托架以及励磁绕组。有益之处在于：在本发明的励磁电机中，电励磁磁路和永磁磁路并联向主气隙提供磁通，共同向外输出转矩，因而能够提供较大的转矩输出，具有较高的单位体积出力，并节省永磁材料的使用量，降低电机的成本；在电励磁电流为零时，永磁磁钢提供的永磁磁通有一部分通过极爪漏磁路得到了削减，即此时已经处于弱磁状态，使得电机的空载反电势得到降低，进而使得电机能够以较高的效率运行于较高的转速区域，并且在此弱磁状态下，磁钢不需要承受反向的励磁磁势，减小了磁钢不可逆退磁的风险。

Description

一种极爪式混合励磁电机
技术领域
本发明涉及一种混合励磁式旋转电机，尤其是涉及一种基于极爪式的、使用切向永磁磁钢及电励磁线圈的混合励磁式旋转电机。
背景技术
驱动电机作为电动汽车的关键核心部件之一，它极力追求高转矩密度、高可靠性、低速大转矩和恒功率宽调速的性能，其苛刻的性能指标迫使电机在设计时必须系统地综合考虑低速和高速性能，以达到良好的折中平衡。
在驱动电机设计时，如果要保证在低转速下具有大转矩输出，那么由于其较高的反电势，高速下的输出性能就会得到限制，虽然可以通过弱磁进行扩速，但是仍然不足以支撑电动汽车所需求的大转速范围，并且也无法在整个转速范围内都保持较高的效率。
混合励磁电机能够最大程度地继承永磁电机高效率、高功率密度等诸多优点，而且具有电励磁电机气隙磁场平滑可调的优点，这就使得混合励磁电动机的调速范围得到了大大的拓宽，在电动汽车上得到了广泛的应用。
近年来，随着电力电子以及永磁电机技术的不断研究和发展，涌现的混合励磁电机多种多样，从永磁与电励磁磁势组合方式来看大致归结为以下三种结构：磁势串联式、磁势并联式和磁势混联式。其中，磁势并联式的磁场调节性能比其它两种有较明显的优势，应用较为广泛，但是现有的磁势并联式混合励磁电机的磁路结构均比较复杂，寻求结构简单、合理、紧凑的电机本体结构成为混合励磁电机设计追求的主要目标之一。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种极爪式混合励磁电机，具有低速大转矩、宽的调速范围等特点，能够充分利用永磁电机高效率、高功率密度、低速大转矩的特性，又具有电励磁气隙磁场平滑可调的功能，弱磁范围宽广，是电动汽车理想的驱动电机。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种极爪式混合励磁电机，包括连接为一体的前端盖、机壳及后端盖，还包括：前轴承、后轴承、转轴、定子组、永磁转子铁心、电励磁转子励磁磁极、磁轭托架以及励磁绕组，所述前轴承和后轴承分别安装于前端盖和后端盖上以支承转轴，所述定子组包括定子铁心和内嵌于其中的定子绕组，定子铁心过盈配合于机壳内；所述永磁转子铁心上均匀分布有若干个磁体安装槽和磁极安装槽，所述磁体安装槽内插入安装有切向式永磁磁钢，所述电励磁转子励磁磁极安装于磁极安装槽内，并且，电励磁转子励磁磁极的后极爪与转轴固定连接，前极爪固定在后极爪上，所述磁轭托架固定于前端盖内，励磁绕组绕置于磁轭托架上，所述磁轭托架与前极爪、后极爪之间留有第二气隙。
优选地，前述前极爪通过非导磁连接环固定在后极爪上。
具体地，前述磁极安装槽为燕尾安装槽，所述电励磁转子励磁磁极形成有燕尾槽式凸极结构以嵌入燕尾安装槽内。
优选地，在前述转轴上形成有键槽以连接后极爪。
更优选地，前述磁轭托架通过螺栓与前端盖相连接。
进一步地，该电机为四极、六极或八极结构。所谓八极结构，即：所述永磁转子铁心上均匀分布有8个磁体安装槽和磁极安装槽。
本发明的混合励磁电机的工作原理为：永磁转子铁心采用具有聚磁效果的切向式永磁磁钢结构，为单块永磁磁钢向外提供磁通，磁路从永磁磁钢的N极出发，经气隙、定子齿、定子轭、定子齿、气隙回到永磁磁钢S极构成回路。电励磁磁路为电励磁线圈产生的轴向磁通经过极爪转换为径向磁通，从励磁磁极N极出发，经气隙、定子齿、定子轭、定子齿、气隙回到电励磁磁路的S极，并经轴向导磁轭部形成闭合磁路，该磁路与永磁磁路并联，共同向气隙提供磁通。其中，永磁磁场基本恒定，当需要电励磁磁路提供助磁磁通时，此时电励磁与永磁磁钢共同向外提供磁通；当电励磁线圈电流为零时，此时只有永磁磁通，鉴于电励磁线圈支架与爪极导磁轭部之间的气隙即第二气隙与电机主气隙相差不多，根据磁路最小磁阻原理，此时永磁磁钢产生的磁通，有几乎一半的磁通通过极爪和导磁轭部形成的漏磁通路径闭合，使得供给主气隙的永磁磁通降低了接近50%，此时对应的弱磁扩速范围得到了大幅拓展。
本发明的有益之处在于：在本发明的励磁电机中，电励磁磁路和永磁磁路并联向主气隙提供磁通，共同向外输出转矩，因而能够提供较大的转矩输出，具有较高的单位体积出力，并节省永磁材料的使用量，降低电机的成本；在电励磁电流为零时，永磁磁钢提供的永磁磁通有一部分通过极爪漏磁路得到了削减，即此时已经处于弱磁状态，使得电机的空载反电势得到降低，进而使得电机能够以较高的效率运行于较高的转速区域，并且在此弱磁状态下，磁钢不需要承受反向的励磁磁势，减小了磁钢不可逆退磁的风险。
附图说明
图1是本发明的一种极爪式混合励磁电机的一个优选实施例的剖视图；
图2是图1所示实施例中的转子结构平面图；
图3是图1所示实施例中电励磁转子励磁磁极的立体结构示意图。
图中附图标记的含义：1、转轴，2-1、后轴承，2-2、前轴承，3-1、后端盖，3-2、前端盖，4、机壳，5、定子绕组，6、定子铁心，7、永磁转子铁心，8、电励磁转子励磁磁极，9、非导磁连接环，10、励磁绕组，11、磁轭托架，12、螺栓，13、磁体安装槽，14、永磁磁钢，15、磁极安装槽，16、燕尾槽式凸极结构。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参见图1，本发明的一种极爪式混合励磁电机，包括连接为一体的前端盖3-2、机壳4及后端盖3-1，在前端盖3-2和后端盖3-1上分别设有前轴承2-2和后轴承2-1，转轴1支撑于前轴承2-2和后轴承2-1上并能自由旋转。定子绕组5内嵌于定子铁心6中，定子铁心6通过过盈配合的方式热套于机壳4内。
结合图2来看，永磁转子铁心7上均匀分布有若干个磁体安装槽13和磁极安装槽15，在磁体安装槽13内插入安装切向式永磁磁钢14，电励磁转子励磁磁极8则安装于磁极安装槽15内，并且，电励磁转子励磁磁极8的后极爪与转轴1固定连接，前极爪通过非导磁连接环9固定在后极爪上，磁轭托架11通过螺栓12固定于前端盖3-2内，励磁绕组10绕置于磁轭托架11上，安装完成后，磁轭托架11与前极爪、后极爪之间留有第二气隙。
作为一种优选，如图2和图3所示，磁极安装槽15为燕尾安装槽，而电励磁转子励磁磁极8则形成有燕尾槽式凸极结构16，将该燕尾槽式凸极结构16嵌入燕尾安装槽内，即可将电励磁转子励磁磁极8与永磁转子铁心7固定连接在一起。
本实施例的电机为八极结构，即：永磁转子铁心7上均匀分布有8个磁体安装槽13和磁极安装槽15，实际上，电机的结构不限于此，四极或六极结构均可，这是本领域技术人员很容易想到的简单变通，也属于本发明的保护范围，此处不再赘述。
为了更好地理解本发明，下面对不同工作状态下的磁通路径分析如下。
永磁磁通磁路为：从永磁磁钢14的N极出发，经气隙、定子铁心6的齿部、定子铁心6的轭部、定子铁心6的齿部、气隙回到永磁磁钢14的S极构成回路。
电励磁磁通磁路为：电励磁转子励磁绕组10产生的轴向磁通经过电励磁转子励磁磁极8转换为径向磁通，从后极爪励磁磁极N极出发，经永磁转子铁心7、气隙、定子铁心6的齿部、定子铁心6的轭部、定子铁心6的齿部、气隙、永磁转子铁心7回到前极爪励磁磁极的S极，经磁轭托架11及第二气隙形成闭合磁路，该磁路与永磁磁路并联，共同向气隙提供磁通。其中，永磁磁场基本恒定，当电励磁绕组10的电流为零时，此时只有永磁磁通，鉴于磁轭托架11与爪极导磁轭部之间的气隙即第二气隙与电机主气隙相差不多，此时永磁磁通除了一部分磁通按照前述的磁路运行外，另外一部分磁通从永磁磁钢14的N极出发，经电励磁转子的后极爪、磁轭托架11及第二气隙、电励磁转子的前极爪到达永磁磁钢14的S极，此时处于弱磁状态。
综上，本发明的电励磁磁路和永磁磁路并联向主气隙提供磁通，共同向外输出转矩，因而能够提供较大的转矩输出，具有较高的单位体积出力，并节省永磁材料的使用量，降低电机的成本；当电励磁电流为零时，永磁磁钢14提供的永磁磁通有一部分通过极爪漏磁路得到了削减，即此时已经处于弱磁状态，使得电机的空载反电势得到降低，进而使得电机能够以较高的效率运行于较高的转速区域。并且在此弱磁状态下，磁钢不需要承受反向的励磁磁势，减小了磁钢不可逆退磁的风险。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种极爪式混合励磁电机，包括连接为一体的前端盖、机壳及后端盖，其特征在于，还包括：前轴承、后轴承、转轴、定子组、永磁转子铁心、电励磁转子励磁磁极、磁轭托架以及励磁绕组，所述前轴承和后轴承分别安装于前端盖和后端盖上以支承转轴，所述定子组包括定子铁心和内嵌于其中的定子绕组，定子铁心过盈配合于机壳内；所述永磁转子铁心上均匀分布有若干个磁体安装槽和磁极安装槽，所述磁体安装槽内插入安装有切向式永磁磁钢，所述电励磁转子励磁磁极安装于磁极安装槽内，并且，电励磁转子励磁磁极的后极爪与转轴固定连接，前极爪固定在后极爪上，所述磁轭托架固定于前端盖内，励磁绕组绕置于磁轭托架上，所述磁轭托架与前极爪、后极爪之间留有第二气隙；
工作原理为：永磁转子铁心采用具有聚磁效果的切向式永磁磁钢结构，为单块永磁磁钢向外提供磁通，磁路从永磁磁钢的N极出发，经气隙、定子齿、定子轭、定子齿、气隙回到永磁磁钢S极构成回路；电励磁磁路为励磁绕组产生的轴向磁通经过极爪转换为径向磁通，从励磁磁极N极出发，经气隙、定子齿、定子轭、定子齿、气隙回到电励磁磁路的S极，并经轴向导磁轭部形成闭合磁路，该磁路与永磁磁路并联，共同向气隙提供磁通；其中，永磁磁场基本恒定，当需要电励磁磁路提供助磁磁通时，此时电励磁与永磁磁钢共同向外提供磁通；当励磁绕组电流为零时，此时只有永磁磁通，根据磁路最小磁阻原理，此时永磁磁钢产生的磁通，有几乎一半的磁通通过极爪和导磁轭部形成的漏磁通路径闭合。
2.根据权利要求1所述的一种极爪式混合励磁电机，其特征在于，所述前极爪通过非导磁连接环固定在后极爪上。
3.根据权利要求1所述的一种极爪式混合励磁电机，其特征在于，所述磁极安装槽为燕尾安装槽，所述电励磁转子励磁磁极形成有燕尾槽式凸极结构以嵌入燕尾安装槽内。
4.根据权利要求1所述的一种极爪式混合励磁电机，其特征在于，所述转轴上形成有键槽以连接后极爪。
5.根据权利要求1所述的一种极爪式混合励磁电机，其特征在于，所述磁轭托架通过螺栓与前端盖相连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种极爪式混合励磁电机，其特征在于，该电机为四极、六极或八极结构。
7.根据权利要求6所述的一种极爪式混合励磁电机，其特征在于，该电机为八极结构，即：所述永磁转子铁心上均匀分布有8个磁体安装槽和磁极安装槽。
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