CN105790470A - 一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机及方法，包括径向定子、轴向定子和转子，其中，所述转子套装于径向定子内部，与径向定子同轴布设，所述转子的一端或两端设置有轴向定子，轴向定子与转子同心布设；径向定子的定子槽内设置有径向绕组，所述轴向定子的定子槽内设置有轴向绕组；转子上设置有转子槽，转子槽内放置有永磁体，所述永磁体使转子上产生径向磁极和轴向磁极，所述径向磁极面向电机径向定子，所述轴向磁极面向电机轴向定子，使得电机径向、轴向均产生转矩，形成混合磁路。本发明电机永磁体产生的径向磁通和轴向磁通均得到了利用，消除了端部漏磁效应，提高了电机材料利用率，减轻了电机的重量。

Description

一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机及方法

技术领域

本发明涉及一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机及方法。

背景技术

近年来，随着永磁材料耐高温性能的提高和价格的降低，永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面得到更为广泛的应用，正向大功率化、高性能化和微型化方向发展。目前永磁电机的功率从几毫瓦到几千千瓦，应用范围从玩具电机、工业应用到舰船牵引用的大型永磁电机，在国民经济、日常生活、军事工业、航空航天的各个方面得到了广泛应用。

但是现有永磁同步电机存在如下缺点：

1、永磁同步电机由于永磁体磁动势固定，电机主磁通不可调，导致恒功率运行范围窄，调速范围不够宽泛。

2、现有内置式永磁同步电机转子结构中，转子永磁体通过各种组合实现“聚磁效应”，因此转子铁芯磁极磁密很高，使得其端部存在较大漏磁通，转子漏磁通通过电机转子的端部或者端盖闭合，由于永磁体产生的总磁通量一定，端部漏磁通的存在不但使得电机两个端部磁场分布不均匀，而且降低了电机的有效磁通利用率，从而降低了电机的功率密度和转矩密度，为克服端部漏磁通的影响，实际设计时，电机转子经常采用overhang结构，使得转子铁芯轴向长度大于电机定子铁芯轴向长度，但该结构显著增加了电机的轴向长度，进而增加了电机的铁芯材料用量和制造成本，而且该结构本质上没有起到抑制端部漏磁通的效果。

3、现有永磁同步电机正常运行时，通常只有iq电流产生转矩，此时id＝0，弱磁运行时，需要对转子施加d轴电流，此时id≠0，进而实现对转子磁极的去磁作用，由于d轴电流由电机的功率逆变器产生，因此当电机进行弱磁控制时，会显著增大电机绕组电流的幅值，并大大增加功率逆变器的容量，当需要进行深度弱磁时，此时需要的d轴电流很大，电机的功角将迅速减小，电机电流将很快超过变频器的容量，因此，对需要进行弱磁扩速运行的永磁同步电机，通常需要采取额外的措施和方法进行弱磁调节，以此减弱每极磁通。

4、按照弱磁时d轴磁通经过的路径不同，现有内置式转子结构的永磁同步电机可以分为两类，其中一类，当进行弱磁控制时，电枢绕组产生的d轴磁通会穿过电机的永磁体，引起永磁体不可逆退磁，另外一类，当进行弱磁控制时，电枢绕组产生的d轴磁通不经过永磁体闭合，但d轴电流产生的磁场强迫更多的转子磁通通过电机的端部和端盖闭合，显著增大了电机的漏磁通，而且由于电机端部磁阻通常比气隙磁阻大得多，因此，弱磁所需要的d轴电流较大，显著增加了电机功率逆变器的成本和绕组铜耗。

5、现有永磁同步电机通常电枢反电动势谐波较大，齿槽转矩问题突出，带来严重的振动和噪声问题，目前通常是采用定子斜槽或者转子斜极的方法来改善反电动势谐波并削弱齿槽转矩，但定子斜槽和转子斜极加工工艺较复杂，大大增加了制造成本，而且会一定程度减小电机的平均电磁转矩，降低电机的转矩密度和功率密度。

在这种情况下，寻求一种端部漏磁小，磁通利用率高，正弦度好，调磁功能灵活但功率逆变器容量小的交流永磁同步电机至关重要。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机及方法，本发明采用轴向定子和径向定子的双定子结构方式，并结合复合结构的转子，使得永磁体产生的径向磁通和轴向磁通均得到了利用，消除了端部漏磁效应，提高了电机材料利用利用率，减轻了电机的重量，提高了功率密度，而且能够灵活地实现增磁运行和弱磁扩速运行，拓宽了电机的经济运行范围，对提高电动汽车用驱动电机的性能具有重要意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机，包括径向定子、轴向定子和转子，其中，所述转子为复合结构，包括连接在一起的实心铁芯和叠压铁芯，转子内放置有永磁体，所述永磁体使转子上产生磁通，一部分磁通沿电机的径向方向通过径向气隙进入到径向定子当中，形成径向主磁通，另一部分磁通沿轴向方向通过轴向气隙进入到轴向定子当中，形成轴向主磁通，径向主磁通和轴向主磁通组成混合磁路，通过调控混合磁路，使电机实现在增磁运行状态和弱磁扩速运行状态之间的转换。

进一步的，一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机，包括径向定子、轴向定子和转子，其中，所述转子套装于径向定子内部，与径向定子同轴布设，所述转子的一端或两端设置有轴向定子，轴向定子与转子同心布设；

所述转子为复合结构，包括连接在一起的实心铁芯和叠压铁芯；

所述径向定子的定子槽内设置有径向绕组，所述轴向定子的定子槽内设置有轴向绕组；

所述转子上设置有若干个转子槽，转子槽内放置有永磁体，所述永磁体使转子上产生径向磁极和轴向磁极，所述径向磁极面向电机径向定子，所述轴向磁极面向电机轴向定子，使得电机径向、轴向均产生转矩，形成混合磁路，通过调控混合磁路，使电机实现在增磁运行状态和弱磁扩速运行状态之间的转换。

所述径向定子和转子外沿之间存在径向气隙，所述轴向定子和转子端部之间存在轴向气隙。

所述径向定子，包括定子槽、定子齿和定子轭部，其中，定子轭部为圆环状，定子齿有多个，沿定子轭部圆周均匀分布，相邻的定子齿之间有定子槽，所述定子槽内放置有径向绕组。

所述轴向定子包括轴向定子背轭、轴向定子槽和轴向定子齿，所述轴向定子背轭位于轴向定子的轴向的一侧，轴向定子齿设置在轴向定子背轭上，轴向定子齿之间设置有轴向定子槽，轴向定子槽内安放有轴向绕组。

所述永磁体产生的磁通，一部分沿电机径向通过径向气隙进入到径向定子当中，形成径向主磁通，另一部分沿轴向通过轴向气隙进入到轴向定子当中，形成轴向主磁通，径向主磁通与径向电枢绕组产生的磁场相互作用产生转矩，轴向主磁通与轴向电枢绕组产生的磁场相互作用产生转矩。

所述电机的径向主磁通和轴向主磁通为并联关系。

由于永磁体产生的总磁通量是一定的，电机的径向主磁通和轴向主磁通为并联关系，当径向电枢绕组施加d轴去磁电流时，电机的径向主磁通减小，轴向主磁通增大，相反，当电机的轴向电枢绕组施加d轴去磁电流时，电机的轴向主磁通减小，径向主磁通减增大。

当电机正常工作不需要弱磁时，电机轴向电枢绕组施加d轴去磁电流，此时电机径向主磁通最大，电机径向磁密也最大，电机可输出额定最大转矩和功率，当电机需要进行弱磁扩速时，减小轴向电枢绕组的d轴去磁电流，此时电机径向主磁通减小，径向磁密随之降低，电机实现弱磁运行，电机运行转速提高，此时轴向电枢绕组可以施加q轴电流，对电机产生助力转矩，提高电机弱磁运行时的转矩输出能力，进一步提高电机的功率密度和转矩密度。

优选的，所述径向定子由硅钢片叠压而成，所述轴向定子由硅钢片卷叠并加工而成。

优选的，所述电机相数m≥3，极对数p≥1，径向电枢绕组和轴向电枢绕组为单层绕组或双层绕组，径向电枢绕组产生的磁场极数与径向磁极极数相等，轴向电枢绕组产生的磁场的极数与轴向磁极极数相等。

优选的，所述转子上设有安放永磁体的槽，所述转子端部加工成扇环形状，形成轴向磁极，轴向磁极的极数和径向磁极的极数相等。

所述永磁体按照同性磁极相对的规则在转子中排列，实现聚磁效应，形成磁极。优选的，所述永磁体可以为单一并联结构或串并联结构。

优选的，所述永磁体为高性能永磁材料制成，如钕铁錋、稀土钴等，或者低磁能积永磁材料制成，如铁氧体等。

基于上述电机的磁路调控方法，具体为：根据电机工作的额定转速，额定转矩以及性能要求，设置电机的径向气隙长度、轴向气隙长度和径向电枢绕组和轴向电枢绕组的匝数，确定电机径向定子和轴向定子的作用为产生主驱动转矩或实现弱磁，以决定电机的工作状态。

进一步的，所述电机的工作状态具体包括三种：

(1)轴向电枢绕组施加d轴电流，径向定子产生主驱动转矩，轴向定子实现弱磁功能并产生助力转矩；

(2)径向电枢绕组施加d轴电流，轴向定子产生主驱动转矩，径向定子实现弱磁功能产生助力转矩；

(3)电机的径向电枢绕组和轴向电枢绕组均不施加d轴电流，均只产生q轴电流，径向主磁通和径向定子电枢磁场产生驱动转矩，轴向主磁通和轴向定子电枢磁场产生驱动转矩，电机转矩密度和功率密度达到最大。

具体的介绍下三种工作状态：

(1)径向定子产生主驱动转矩，轴向定子实现弱磁功能并产生助力转矩

当径向电枢绕组和轴向电枢绕组均不通电时，所述转子上永磁体产生的磁通的一部分沿径向经过径向气隙进入径向定子形成径向主磁通，另一部分沿轴向经过轴向气隙进入轴向定子形成轴向主磁通，径向主磁通决定电机的径向气隙磁密，轴向主磁通决定电机的轴向气隙磁密，由于两部分磁通并联，电机空载径向主磁通和轴向主磁通占比由径向气隙和轴向气隙的长度决定，与轴向气隙相比，径向气隙越大，径向主磁通的占比就越低，反之则越高。当电机正常工作不需要弱磁运行时，轴向定子的电枢绕组产生d轴电流，使得电机轴向主磁通减小，径向主磁通增大，电机转矩主要由径向主磁通和径向电枢绕组磁场产生，此时电机轴向电枢绕组只施加d轴电流，径向主磁通最大，通过调节电机轴向电枢绕组的d轴电流可以调节径向主磁通的大小，当电机需要进行弱磁运行时，轴向电枢绕组的d轴电流减小，电机径向主磁通减小，轴向主磁通增大，此时电机的径向部分工作在弱磁条件，减小轴向电枢绕组的d轴电流的同时，可以同时增大其q轴电流，此时轴向定子电枢绕组与轴向主磁通产生助力转矩，增大电机的转矩密度和功率密度。

(2)轴向定子产生主驱动转矩，径向定子实现弱磁功能产生助力转矩

当径向电枢绕组和轴向电枢绕组均不通电时，所述转子上永磁体产生的磁通的一部分沿径向经过径向气隙进入径向定子形成径向主磁通，另一部分沿轴向经过轴向气隙进入轴向定子形成轴向主磁通，径向主磁通决定电机的径向气隙磁密，轴向主磁通决定电机的轴向气隙磁密，由于两部分磁通并联，电机空载径向主磁通和轴向主磁通占比由径向气隙和轴向气隙的长度决定，与轴向气隙相比，径向气隙长度越大，径向主磁通的占比就越低，反之则越高。当电机正常工作不需要弱磁运行时，径向定子的电枢绕组产生d轴电流，使得电机径向主磁通减小，轴向主磁通增大，电机转矩主要由轴向主磁通和轴向电枢绕组磁场产生，此时电机径向电枢绕组只施加d轴电流，轴向主磁通最大，通过调节电机径向电枢绕组的d轴电流可以调节轴向主磁通的大小，当电机需要进行弱磁运行时，径向电枢绕组的d轴电流减小，电机轴向主磁通减小，径向主磁通增大，此时电机的轴向部分工作在弱磁条件，减小径向电枢绕组的d轴电流的同时，可以同时增大其q轴电流，此时径向定子电枢绕组与径向主磁通产生助力转矩，增大电机的转矩密度和功率密度。

(3)径向定子和轴向定子均产生驱动转矩

这是电机的第三种工作情况，此时电机的径向电枢绕组和轴向电枢绕组均不产生d轴电流，均只产生q轴电流，在这种情况下，径向主磁通和径向定子电枢磁场产生驱动转矩，轴向主磁通和轴向定子电枢磁场产生驱动转矩，即径向定子和轴向定子均都产生驱动转矩，此时电机转矩密度和功率密度达到最大。

一种电动汽车，电动机使用上述双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机。

本发明的有益效果为：

(1)本发明电机为双定子结构，该双定子结构与现有绝大多数双定子结构不同，现有双定子电机中其中一个定子安放在电机转子内部，为内定子，一个在转子外部，为外定子，电机发热集中在电机轴向，电机热负荷很高，而且内定子不直接与外部环境相连接，电机散热较为困难。本发明电机的两个定子分别为径向定子和轴向定子，该双定子结构的两个定子分别安放在电机径向和轴向方向，径向定子与普通永磁同步电机的定子完全相同，径向定子同轴安放在永磁转子外侧，电机转子永磁体产生的磁通一部分沿径向经过气隙进入到径向定子形成径向主磁通，径向定子上安放有径向绕组，轴向定子安放在电机的端部，轴向定子与永磁转子同轴相对，转子永磁体产生的磁通沿轴向进入到轴向定子铁芯当中，轴向定子上安放有轴向绕组，两个定子外壳均在电机外部，与外界环境直接接触，并能够充分利用电机的端部进行散热；

(2)本发明电机为内置式转子结构，具有内置式永磁同步电机结构紧凑性好，气隙有效磁密高，易于高速旋转以及转矩密度高等优点，本法明电机的转子为复合结构，硅钢片转子部分能够减小运行时的涡流损耗，实心转子部分能够增大电机轴向磁导率，并能够产生涡流起动转矩，实现自起动，本发明电机转子磁极分为径向和轴向两部分，径向磁极部分与普通内置式永磁同步电机的转子磁极类似，轴向磁极部分通过将实心转子的轴向端部加工成扇环形状的凸极铁芯得到，轴向磁极与电机轴向定子配合产生转矩，径向磁极与电机径向定子配合产生转矩，电机转子结构简单，易于机械加工，制造成本低；

(3)本发明电机为混合磁路永磁同步电机，永磁体产生的磁通一部分沿电机径向经过径向气隙到达径向定子成为径向主磁通，另一部分磁通沿轴向经过轴向气隙到达电机端部的轴向定子成为轴向主磁通，本发明电机为永磁转子的径向磁通和端部磁通均提供了磁通路径，径向磁通和端部磁通都得到了充分的利用，电机没有端部漏磁通，提高了磁通利用率，有效改善了电机端部磁场分布，提高了电机的功率密度和转矩密度；

(4)本发明电机可以进行弱磁扩速运行，电机正常运行时，轴向定子绕组同时产生d轴和q轴电流，d轴电流产生的磁场使得转子产生的绝大部分磁通沿径向进入到径向铁芯，与径向定子绕组产生的磁场相互作用产生主转矩，另外一小部分磁通沿轴向进入到轴向定子中，这部分磁通与轴向定子绕组的q轴电流相互作用产生助力转矩，即电机正常运行时，轴向定子绕组起到增大电机径向主磁通并产生助力转矩；当需要弱磁扩速运行时，减小电机轴向定子绕组的d轴电流，这使得相当多的转子磁通沿轴向进入到轴向铁芯中，显著减小了电机的径向主磁通，使得径向定子工作在弱磁条件下，显著增大电机的调速范围，实现弱磁扩速；

(5)本发明电机径向定子绕组和轴向定子绕组的匝数根据实际电机的极数，永磁体剩磁密度，永磁体安放组合方式和电机速度运行范围合理设计选择，目的是使得电机轴向定子部分既能够有效改变电机的径向主磁通，从而具备足够的弱磁能力，在不需要弱磁的情况下，又能够产生足够的助力转矩，显著增大电机的功率密度和转矩密度；

(6)本发明电机可以分别设计电机径向磁极和端部扇环磁极的形状尺寸以及电枢绕组的匝数，通过两者的合理组合叠加，来抵消削弱反电动势的谐波和齿槽转矩，以此改善和优化电机的反电动势波形，并削弱电机的齿槽转矩，克服了现有永磁同步电机必须采用斜槽来抑制谐波并削弱齿槽转矩的缺点。

附图说明

图1(a)为本发明电机实施方式一结构示意图；

图1(b)为本发明电机实施方式一的径向电机定子铁芯和转子示意图；

图1(c)为本发明电机实施方式一的复合结构转子立体图；

图1(d)为本发明电机实施方式一的复合结构转子右视图；

图1(e)为本发明电机实施方式一的轴向定子示意图；

图1(f)为本发明电机实施方式一的整体电机右视图；

图2(a)为本发明电机实施方式二结构示意图；

图2(b)为本发明电机实施方式二的径向电机定子铁芯和转子示意图；

图2(c)为本发明电机实施方式二的复合结构转子立体图；

图2(d)为本发明电机实施方式二的复合结构转子右视图；

图2(e)为本发明电机实施方式二的轴向定子示意图；

图2(f)为本发明电机实施方式二的整体电机右视图；

其中，1.径向定子齿，2.径向定子轭，3.径向定子槽，4.径向电枢绕组，5.径向气隙，6.轴向定子齿，7.轴向定子轭，8.轴向定子槽，9.轴向电枢绕组，10.轴向气隙，11.实心转子，12.硅钢片转子，13.转子槽，14.永磁体，15.径向磁极，16.轴向磁极。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机，包括径向定子，轴向定子及转子，所述转子安放在径向定子内部，与径向定子同轴放置，所述转子和径向定子之间有径向气隙，所述轴向定子安放在转子端部，与转子同轴放置，所述转子与轴向定子之间有轴向气隙，所述径向定子由硅钢片叠压而成，所述径向定子包括定子槽，定子齿和定子轭部，所述定子槽内安放有径向绕组，所述轴向定子由硅钢片卷叠并加工而成，轴向定子包括轴向定子背轭，轴向定子槽和轴向定子齿，轴向定子槽内安放有轴向绕组，所述转子为复合结构，一部分由实心铁芯制成，另一部分由硅钢片叠压制成，两部分同轴连接在一起，所述转子上有转子槽，转子槽内安放有永磁体，所述永磁体通过合理的安放组合实现“聚磁效应”，在转子上产生磁极，所述磁极分为径向磁极和轴向磁极，所述径向磁极面向电机径向定子，径向磁极与转子之间为径向气隙，所述轴向磁极加工成扇环的形状，面向电机轴向定子，所述轴向磁极和轴向定子之间为轴向气隙。

进一步的，电机永磁体产生的磁通，一部分沿电机径向通过径向气隙进入到径向定子当中，形成径向主磁通，另一部分沿轴向通过轴向气隙进入到轴向定子当中，形成轴向主磁通，径向主磁通与径向电枢绕组产生的磁场相互作用产生转矩，轴向主磁通与轴向电枢绕组产生的磁场相互作用产生转矩，电机不存在端部漏磁场，磁通利用率高，功率密度和转矩密度高。

进一步的，由于永磁体产生的总磁通量是一定的，电机的径向主磁通和轴向主磁通为并联关系，当径向电枢绕组施加d轴去磁电流时，电机的径向主磁通减小，轴向主磁通增大，相反，当电机的轴向电枢绕组施加d轴去磁电流时，电机的轴向主磁通减小，径向主磁通减增大。当电机正常工作不需要弱磁时，电机轴向电枢绕组施加d轴去磁电流，此时电机径向主磁通最大，电机径向磁密也最大，电机可输出额定最大转矩和功率，当电机需要进行弱磁扩速时，减小轴向电枢绕组的d轴去磁电流，此时电机径向主磁通减小，径向磁密随之降低，电机实现弱磁运行，电机运行转速提高，此时轴向电枢绕组可以施加q轴电流，对电机产生助力转矩，提高电机弱磁运行时的转矩输出能力，进一步提高电机的功率密度和转矩密度。

进一步的，所述电机相数m≥3，极对数p≥1，径向电枢绕组和轴向电枢绕组可以为单层绕组，也可以为双层绕组，径向电枢绕组和轴向电枢绕组产生的磁场的极数均和转子磁极极数相等。

进一步的，所述复合转子上轴向设有安放永磁体的槽，所述转子端部加工成扇环形状形成轴向磁极，轴向磁极的极数和径向磁极的极数相等。

进一步的，所述永磁体为高性能永磁材料制成，如钕铁錋，稀土钴等，或者低磁能积永磁材料制成，如铁氧体等。

进一步的，所述永磁体按照同性磁极相对的规则，按照一定的组合在转子中排列，实现聚磁效应，形成磁极。

进一步的，所述径向定子和复合转子外圆之间存在径向气隙，所述轴向定子和实心转子端部凸极扇环之间存在轴向气隙。

电机实际应用时，根据电机工作的额定转速，额定转矩以及具体性能要求，通过合理设计电机的各个参数如径向气隙长度，轴向气隙长度和径向电枢绕组和轴向电枢绕组的匝数，来决定电机径向定子和轴向定子是产生主驱动转矩还是实现弱磁功能。

本发明电机为内置式转子结构，具有内置式永磁同步电机结构紧凑性好，气隙有效磁密高，易于高速旋转以及转矩密度高等优点，本法明电机的转子为复合结构，一部分为实心转子，由实心铁芯加工制成，另一部分由硅钢片叠压制成，本发明电机转子磁极分为径向和轴向两部分，径向磁极部分与普通内置式永磁同步电机的转子磁极类似，轴向磁极部分通过将实心转子的轴向部分加工成为扇环形状的凸极铁芯得到，轴向磁极与电机轴向定子配合产生转矩，径向磁极与电机径向定子配合产生转矩。

本发明电机为双定子结构，该双定子结构与现有绝大多数双定子结构不同，现有双定子电机中其中一个定子安放在电机转子内部，为内定子，一个在转子外部，为外定子，电机发热集中在电机轴向，电机热负荷很高，而且内定子不直接与外部环境相连接，电机散热较为困难。本发明电机的两个定子分别为径向定子和轴向定子，该双定子结构的两个定子分别安放在电机径向和轴向方向，径向定子与普通永磁同步电机的定子完全相同，径向定子同轴安放在永磁转子外侧，电机转子永磁体产生的磁通一部分沿径向经过气隙进入到径向定子形成径向主磁通，径向定子上安放有径向绕组，轴向定子安放在电机的端部，轴向定子与永磁转子同轴相对，转子永磁体产生的磁通沿轴向进入到轴向定子铁芯当中，轴向定子上安放有轴向绕组，两个定子外壳均在电机外部，与外界环境直接接触，并能够充分利用电机的端部进行散热。

本发明电机为混合磁路永磁同步电机，永磁体产生的磁通一部分经过电机径向到达径向定子，经过定子铁芯形成磁通回路，成为径向主磁通，另一部分磁通沿轴向到达电机端部的轴向定子，经过端部的轴向定子铁芯形成磁通回路，本发明电机中永磁转子的径向磁通和端部磁通都得到了充分的利用，提高了磁通利用率，电机没有端部漏磁通，有效改善了电机端部磁场分布，提高了电机的功率密度和转矩密度。

本发明电机可以进行弱磁扩速运行。电机正常运行时，轴向定子绕组同时产生d轴和q轴电流，d轴电流产生的磁场使得转子产生的绝大部分磁通沿径向进入到径向铁芯，与径向定子绕组产生的磁场相互作用产生主转矩，另外一小部分磁通沿轴向进入到轴向定子中，这部分磁通与轴向定子绕组的q轴电流相互作用产生助力转矩，即电机正常运行时，轴向定子绕组增大电机径向主磁通并产生助力转矩；当需要弱磁扩速运行时，减小电机轴向定子绕组的d轴电流，这使得相当多的转子磁通沿轴向进入到轴向铁芯中，显著减小了电机的径向主磁通，使得径向定子工作在弱磁条件下，显著增大电机的调速范围，实现弱磁扩速。

本发明电机径向定子绕组和轴向定子绕组的匝数根据实际电机的极数，永磁体剩磁密度，永磁体安放组合方式和电机速度运行范围合理设计选择，目的是使得电机轴向定子部分既能够有效改变电机的径向主磁通，从而具备足够的弱磁能力，在不需要弱磁的情况下，又能够产生足够的助力转矩，显著增大电机的功率密度和转矩密度。

本发明电机可以分别设计电机径向磁极和端部扇环磁极的形状以及电枢绕组的匝数，通过两者的合理组合叠加，来抵消削弱反电动势的谐波和齿槽转矩，以此改善和优化电机的反电动势波形，并削弱电机的齿槽转矩，克服了现有永磁同步电机必须采用斜槽来抑制谐波并削弱齿槽转矩的缺点。

进一步的，本发明提供的电机可以使用到以下领域：

(1)家用电器领域：包括电视音像设备、风扇、空调器、食品加工机、美容工具、油烟机等。

(2)计算机及其外围设备领域：包括计算机(驱动器、风扇等)、打印机、绘图仪、光驱、光盘刻录机等。

(3)工业生产领域：包括工业驱动装置、材料加工系统、自动化设备、机器人等。

(4)汽车领域：包括永磁起动机、雨刮器电机、门锁电机、座椅升降电机、遮阳顶棚电机、清洗泵电机、录音机用电机、玻璃升降电机、散热器冷却风扇电机、空调电机、天线升降电机、油泵电机等。

(5)公共生活领域：包括钟表、美容机械、自动售货机、自动取款机、点钞机等。

(6)交通运输领域：包括电车、飞机辅助设备、舰船等。

(7)航天领域：包括火箭、卫星、宇宙飞船、航天飞机等。

(8)国防领域：包括坦克、导弹、潜艇、飞机等。

(9)医疗领域：包括牙钻、人工心脏、医疗器械等。

(10)发电领域：包括风力发电、余热发电、小型水力发电、小型内燃发电机组用发电机，以及大型发电机的副励磁机等。

上述应用只需要将电动机或起动机替换为本发明的电机，不需要本领域技术人员付出创造性的劳动，因此，也应属于本发明的保护范围。

实施例一

如图1(a)-图1(f)所示，本实施方式电机相数为3，径向定子齿数为24，轴向定子齿数为12，转子槽数为4，永磁体块数为4，径向磁极数为4，轴向磁极数为4，本实施方式包括径向定子，轴向定子和转子，径向定子由硅钢片叠压而成，径向定子包括径向定子齿1，径向定子轭2和径向定子槽3，径向定子槽3内安放有径向电枢绕组4，径向电枢绕组4可为分布绕组，集中绕组或者叠绕组，径向电枢绕组的极数与转子径向磁极极数一致，径向定子和转子同轴，径向定子和转子之间有径向气隙5，轴向定子由硅钢片卷叠而成，轴向定子包括轴向定子齿6，轴向定子轭7和轴向定子槽8，轴向定子槽8内安放有轴向电枢绕组9，轴向电枢绕组9可为分布绕组，集中绕组或者叠绕组，轴向电枢绕组的极数与转子轴向磁极极数一致，轴向定子和转子同心，轴向定子和转子之间有轴向气隙10，复合转子由两部分组成，一部分为实心转子11，另一部分为硅钢片转子12，实心转子11与轴向定子相对，复合转子沿轴向开有转子槽13，转子槽13内安放有永磁体14，相邻两块永磁体的充磁方向相反，相邻两块永磁体和之间的转子铁芯沿径向形成径向磁极15，实心转子11端部轴向部分加工成凸极扇环形状，形成轴向磁极16，轴向磁极16与轴向定子相对，永磁体产生的磁通通过径向磁极经过径向气隙进入径向定子铁芯与径向电枢绕组交链形成径向主磁通，永磁体产生的磁通通过轴向磁极经过轴向气隙进入轴向定子铁芯与轴向电枢绕组交链形成轴向主磁通，径向主磁通与轴向主磁通并联，可以通过分别设计径向气隙和轴向气隙的长度来控制电机空载时的径向主磁通和轴向主磁通，电机运行时，通过向径向电枢绕组和轴向电枢绕组施加d轴电流来动态调节电机的运行时的轴向主磁通和径向主磁通，以此实现弱磁控制，拓宽电机的恒功率运行区域。

实施例二

如图2(a)-图2(f)所示，实施例二与实施例一的主要区别是，(1)实施例二中电机的两个端部均存在轴向定子，且电机转子铁芯的两个端部均加工成凸极扇环的形状形成轴向磁极，(2)实施例二中复合转子由三部分组成，中间为硅钢片转子，两端为实心转子，(3)实施例二中永磁体的排列方式与实施例一不同，实施例一中永磁体为单一并联结构，而实施例二中永磁体为串并联结构。本实施方式电机相数为3，径向定子齿数为24，轴向定子齿数为12，转子槽数为4，永磁体块数为4，径向磁极数为4，轴向磁极数为4，本实施方式包括径向定子，轴向定子和转子，径向定子由硅钢片叠压而成，径向定子包括径向定子齿1，径向定子轭2和径向定子槽3，径向定子槽3内安放有径向电枢绕组4，径向电枢绕组4可为分布绕组，集中绕组或者叠绕组，径向电枢绕组的极数与转子径向磁极极数一致，径向定子和转子同轴，径向定子和转子之间有径向气隙5，轴向定子由硅钢片卷叠而成，轴向定子包括轴向定子齿6，轴向定子轭7和轴向定子槽8，轴向定子槽8内安放有轴向电枢绕组9，轴向电枢绕组9可为分布绕组，集中绕组或者叠绕组，轴向电枢绕组的极数与转子轴向磁极极数一致，轴向定子和转子同心，轴向定子和转子之间有轴向气隙10，复合转子由3部分组成，两端为实心转子11，中间为硅钢片转子12，两端的实心转子11与轴向定子相对，复合转子沿轴向开有转子槽13，转子槽13内安放有永磁体14，相邻两块永磁体的充磁方向相反，相邻两块永磁体和之间的转子铁芯沿径向形成径向磁极15，实心转子11的端部轴向部分加工成凸极扇环形状，形成轴向磁极16，轴向磁极16与轴向定子相对，永磁体产生的磁通通过径向磁极经过径向气隙进入径向定子铁芯与径向电枢绕组交链形成径向主磁通，永磁体产生的磁通通过轴向磁极经过轴向气隙进入轴向定子铁芯与轴向电枢绕组交链形成轴向主磁通，径向主磁通与轴向主磁通并联，可以通过分别设计径向气隙和轴向气隙的长度来控制电机空载时的径向主磁通和轴向主磁通，电机运行时，通过向径向电枢绕组和轴向电枢绕组施加d轴电流来动态调节电机的运行时的轴向主磁通和径向主磁通，以此实现弱磁控制，拓宽电机的恒功率运行区域。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机，其特征是：包括径向定子、轴向定子和转子，其中，所述转子为复合结构，包括连接在一起的实心铁芯和叠压铁芯，转子内放置有永磁体，所述永磁体使转子上产生磁通，一部分磁通沿电机的径向方向通过径向气隙进入到径向定子当中，形成径向主磁通，另一部分磁通沿轴向方向通过轴向气隙进入到轴向定子当中，形成轴向主磁通，径向主磁通和轴向主磁通组成混合磁路，通过调控混合磁路，使电机实现在增磁运行状态和弱磁扩速运行状态之间的转换。

2.如权利要求1所述的一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机，其特征是：包括径向定子、轴向定子和转子，其中，所述转子套装于径向定子内部，与径向定子同轴布设，所述转子的一端或两端设置有轴向定子，轴向定子与转子同心布设；

所述转子为复合结构，包括连接在一起的实心铁芯和叠压铁芯；

所述径向定子的定子槽内设置有径向绕组，所述轴向定子的定子槽内设置有轴向绕组；

所述转子上设置有若干个转子槽，转子槽内放置有永磁体，所述永磁体使转子上产生径向磁极和轴向磁极，所述径向磁极面向电机径向定子，所述轴向磁极面向电机轴向定子，使得电机径向、轴向均产生转矩，形成混合磁路，通过调控混合磁路，使电机实现在增磁运行状态和弱磁扩速运行状态之间的转换。

3.如权利要求1所述的一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机，其特征是：所述径向定子和转子外沿之间存在径向气隙，所述轴向定子和转子端部之间存在轴向气隙；

所述径向主磁通与径向电枢绕组产生的磁场相互作用产生转矩，轴向主磁通与轴向电枢绕组产生的磁场相互作用产生转矩。

4.如权利要求1所述的一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机，其特征是：所述径向定子，包括定子槽、定子齿和定子轭部，其中，定子轭部为圆环状，定子齿有多个，沿定子轭部圆周均匀分布，定子齿之间有定子槽，所述定子槽内放置有径向绕组；

所述轴向定子包括轴向定子背轭、轴向定子槽和轴向定子齿，所述轴向定子背轭位于轴向定子的轴向的一侧，轴向定子齿设置在轴向定子背轭上，轴向定子齿之间设置有轴向定子槽，轴向定子槽内安放有轴向绕组。

5.如权利要求1所述的一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机，其特征是：所述电机的径向主磁通和轴向主磁通为并联关系，电机空载径向主磁通和轴向主磁通占比由径向气隙和轴向气隙的长度决定。

6.如权利要求1所述的一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机，其特征是：所述电机相数m≥3，极对数p≥1，径向电枢绕组和轴向电枢绕组为单层绕组或双层绕组，径向电枢绕组产生的磁场极数与径向磁极极数相等，轴向电枢绕组产生的磁场的极数与轴向磁极极数相等。

7.如权利要求1所述的一种双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机，其特征是：所述转子上设有安放永磁体的槽，所述转子端部加工成扇环形状，形成轴向磁极，轴向磁极的极数和径向磁极的极数相等。

8.基于如权利要求1-7中任一项所述的电机的磁路调控方法，其特征是：根据电机工作的额定转速，额定转矩以及性能要求，设置电机的径向气隙长度、轴向气隙长度和径向电枢绕组和轴向电枢绕组的匝数，确定电机径向定子和轴向定子的作用为产生主驱动转矩或实现弱磁，以决定电机的工作状态。

9.如权利要求8所述的磁路调控方法，其特征是：所述电机的工作状态具体包括三种：

(1)轴向电枢绕组施加d轴电流，径向定子产生主驱动转矩，轴向定子实现弱磁功能并产生助力转矩；

(2)径向电枢绕组施加d轴电流，轴向定子产生主驱动转矩，径向定子实现弱磁功能产生助力转矩；

(3)电机的径向电枢绕组和轴向电枢绕组均不施加d轴电流，均只产生q轴电流，径向主磁通和径向定子电枢磁场产生驱动转矩，轴向主磁通和轴向定子电枢磁场产生驱动转矩，电机转矩密度和功率密度达到最大。

10.一种电动汽车，其特征是：包括如权利要求1-7中任一项所述的双定子复合结构转子径轴向混合磁路永磁同步电机。