CN106026583B - 一种基于磁场调制双定子混合励磁电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁场调制双定子混合励磁电动机，其中，本发明所设计的混合励磁电机较好地实现了无刷电励磁系统与永磁同步电机的结合，既具有永磁电机高功率密度、高转矩密度等特点，又具有励磁磁场可灵活调节，宽调速范围的优势，从而使之能更好地应用于电动汽车等驱动领域。同时本发明利用磁场调制技术，使转子上永磁体与内定子上的励磁绕组共同在外气隙产生与电枢绕组极对数相同的磁场，从而实现机电能量转换。转子上的不对称V型结构永磁体具有单边聚磁效果，从而有效改善了电动机的转矩质量，并且电励磁绕组无需电刷和滑环，同时双定子的设计提高了电机的可靠性和容错性。

Description

一种基于磁场调制双定子混合励磁电动机
技术领域
本发明涉及一种基于磁场调制双定子混合励磁电动机，属于永磁电机设计领域。
背景技术
当前永磁电机在驱动领域以其高功率密度、高转矩密度等优势受到广泛关注，但由于永磁体产生的励磁磁通保持恒定，无法调节励磁使其在需要宽调速范围的应用领域受到限制。因此，为解决这一问题，混合励磁电机得到发展。混合励磁电机结合永磁电机和电励磁电机的优点，既具有永磁电机高功率密度的优点，同时又具有励磁磁场灵活调节，拓宽调速范围的能力。
近些年来，许多混合励磁电机新型拓扑结构被研制。根据电励磁与永磁体的磁路结构，可分为串联式和并列式。串联式结构中电励磁产生的磁通将穿过永磁体，由于永磁体磁阻较大导致电励磁需要更高的安匝数且永磁体易发生不可逆退磁，而并列式结构能避免串联结构的缺点，成为当前混合励磁电机结构的研究热点。根据永磁体的位置的不同又可分为定子永磁型混合励磁和转子永磁型混合励磁。其中定子永磁型电机能够有效解决电刷滑环的问题，容易实现混合励磁，从而有大量的研究文献，主要有双凸极混合励磁、磁通切换混合励磁等结构。
转子永磁型电机是目前商业应用特别是电动汽车领域使用最广的电机结构，因此转子永磁型实现混合励磁是本发明的研究问题。在转子永磁型混合励磁中，无刷化励磁技术是首要解决的问题。目前的方法主要为轴向混合励磁、爪极结构和谐波励磁等。其中轴向混合励磁，既有轴向磁场又有径向磁场，空间磁场分析复杂；爪极结构混合励磁电机结构复杂；谐波励磁技术调磁范围有限且整流器的使用增加电机轴向长度。因此有必要研制高可靠性，结构简单且励磁调节灵活的转子永磁型混合励磁电机。
发明内容
技术问题：针对上述问题，提出一种基于磁场调制双定子混合励磁电动机，解决了传统的混合励磁电机调磁范围有限且结构复杂，可靠性低的问题；通过永磁体与磁障的结合，实现了励磁绕组既能用来调节励磁磁场，又能与永磁磁场作用产生额外的转矩输出。同时降低转矩脉动，提高转矩质量，实现无刷化，保证电机的可靠运行。
技术方案：本发明公开了一种基于磁场调制双定子混合励磁电动机，包括：外定子、内定子、电枢绕组、转子、永磁体、第一磁障、第二磁障、励磁绕组；所述转子位于外定子和内定子之间形成双气隙电机结构，电枢绕组采用分布式绕在外定子上，永磁体位于转子上。内定子上励磁绕组通过导磁铁芯极的调制作用与永磁体共同形成外气隙中励磁磁场，实现混合励磁的效果。
进一步的，所述永磁体包括两个永磁单元，两个永磁单元呈V型排布，并且两两永磁体为一组，均匀分布于转子的圆周上，每组之间间隔有铁芯极。通过V型永磁体和磁障设计提高转矩输出能力，且励磁绕组能与永磁体作用产生额外的转矩，省去电刷和滑环，进一步提高电机的可靠性和容错性。
进一步的，所述第一磁障为圆形，位于一组中两个V型永磁体之间靠近内气隙的转子轭部；所述第二磁障为长条形，并且两两为一组，每组对称位于铁芯极的两侧。
进一步的，所述励磁绕组采用三相对称分布绕于内定子的齿上，且铁芯极与A、B、C相绕组的其中一相的轴线对齐。
进一步的，每个永磁体采用不对称结构，即每两个V型永磁体为一组，其靠外侧的永磁单元关于V型中线对称轴的夹角小于另一侧的夹角。
进一步的，永磁体采用8极结构，励磁绕组采用4极结构，电枢绕组采用12极结构。
有益效果：
(1)双定子结构，充分利用转子内部空间，提高电机的空间利用率及转矩密度和功率密度。
(2)利用内定子上励磁绕组实现混合励磁功能，既能弱磁，又能增磁，有效地扩大永磁电机的调速范围，更好地应用于电动汽车等驱动领域。
(3)电机在结构上只有径向磁场，相对与轴向混合励磁电机，结构更加简单。
(4)V型永磁体设计，既有很好的单边聚磁效果，同时两对V型永磁体为一组的排布方式，能够实现转子在内外气隙形成不同级数的磁场。即内定子励磁绕组与永磁体共同在外气隙产生12极的磁场与电枢磁场作用产生转矩输出，同时永磁体在内气隙形成4极磁场与内定子励磁绕组作用产生额外的转矩。
(5)不对称V型永磁体的采用能够有效降低转矩脉动，提高转矩输出的平稳性。
(6)当外定子电枢绕组发生故障导致转子输出转矩降低时，通过调节内定子励磁电流大小相位，使之产生最大的额外转矩，保证电机暂时的输出能力，因此该电机具有一定的容错功能。
(7)虽然永磁体采用8极设计，使之与4极的励磁磁场通过调制与12极电枢磁场作用。但由于铁芯极的设计，当励磁电流故障或励磁电流为零时，转子依然能够产生12极磁场使电机能正常工作，进一步提高电机的可靠性。
(8)励磁绕组和永磁体产生的磁场在磁路上呈并列结构，加之磁障的设计，能有效减少永磁体发生不可逆退磁风险。
(9)相对与传统的磁场调制利用谐波而导致调制效率不高的缺点，本电机采用进行磁场调制的铁芯极与内定子励磁绕组极数相同，从而大大提高了磁场调制的效率。
附图说明
图1为本发明电机横向剖面图；
图2为外气隙混合励磁磁场的示意图。
图3为永磁体在内外气隙产生不同极数磁场。
图4为不对称V型永磁体结构。
其中：1为外定子、2为内定子、3为电枢绕组、4为转子、5为永磁体、6为铁芯极、7为第一磁障、8为第二磁障、9为励磁绕组。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的具体结构如下：一种基于磁场调制双定子混合励磁电动机，包括：外定子1、内定子2、电枢绕组(3)、转子4、永磁体5、第一磁障7、第二磁障8、励磁绕组9；所述转子4位于外定子1和内定子2之间形成双气隙电机结构，电枢绕组3采用分布式绕在外定子1上，永磁体5位于转子4上。内定子上励磁绕组通过导磁铁芯极的调制作用与永磁体共同形成外气隙中励磁磁场，实现混合励磁的效果。所述永磁体5包括两个永磁单元，两个永磁单元呈V型排布，并且两两永磁体为一组，均匀分布于转子4的圆周上，每组之间间隔有铁芯极6。通过V型永磁体和磁障设计提高转矩输出能力，且励磁绕组能与永磁体作用产生额外的转矩，省去电刷和滑环，进一步提高电机的可靠性和容错性。所述第一磁障7为圆形，位于一组中两个V型永磁体之间靠近内气隙的转子轭部；所述第二磁障8为长条形，并且两两为一组，每组对称位于铁芯极6的两侧。所述励磁绕组9采用三相对称分布绕于内定子2的齿上，且铁芯极6与A、B、C相绕组的其中一相的轴线对齐。图1所示为励磁绕组B相轴线与铁芯极对齐。所述永磁体(5)采用不对称结构，即每两个V型永磁体为一组，其靠外侧的永磁单元关于V型中线对称轴的夹角小于另一侧的夹角。永磁体5采用8极结构，励磁绕组9采用4极结构，电枢绕组3采用12极结构。
本发明的设计原理如下：该电机有永磁体励磁和电励磁两种励磁源，共同在外气隙产生励磁磁场，根据电磁转矩理论，电机要输出恒定的转矩必须满足：定转子磁场极对数相同；定转子磁场相对静止；定转子磁动势轴线存在相位差。该电机永磁体采用8极结构，励磁绕组采用4极结构。根据磁场调制规则：Z1(m,k)＝|mZ2+kZ3|，m＝1,2,3……∞，k＝0，±1，±2，∞，其中Z1为绕组产生磁场的极数，Z2为起调制作用的导磁块数，Z3为另一绕组产生磁场的级数。因此在本发明电机中Z1取4，m取1，k取0，即4极励磁磁场通过导磁的铁芯极在外气隙同样形成4极的磁场，与永磁体产生的8极磁场合成12极磁场与电枢绕组12极磁场作用，产生转矩输出。为了保证励磁绕组产生的磁场与转子同步旋转并通过铁芯极形成稳定的NS极结构，励磁绕组通以三相交流电，频率f2和电枢频率f1的关系为： 此外根据交流绕组的磁动势理论，当某一相的电流达到最大值时，三相合成磁动势的幅值就位于该相轴线处。因此转子铁芯极所在位置必须与内定子绕组排布相轴位置对齐，才能经调制在外气隙产生最大的稳定的12极磁场。
电枢绕组匝链的磁链包括永磁磁链和电励磁磁链，如图2所示。因此通过调节励磁电流的大小可以实现弱磁、增磁的效果。V型永磁具有单边聚磁的效果，从而减少永磁体在内气隙产生的磁链，提高外气隙的磁密幅值，增加转矩输出能力；同时两个V型为一组结合磁障的设计，使得8极永磁体在内气隙能够产生4极的磁场，调节4极的励磁磁场，从而产生额外的转矩输出，能够在电枢绕组发生故障导致转矩输出下降的情况下，保证电机的可靠运行，如图3所示。铁芯极两侧矩形磁障的设计，减少永磁体经过铁芯极的磁链，从而降低了电励磁磁路的饱和程度，使得电励磁对励磁磁场的调节效果更加明显，且电励磁和永磁体在磁路上呈并列结构，减少了永磁体不可逆退磁风险。转子轭部圆形磁障的加入，增加磁路磁阻，改善铁芯极的磁场调制效果，同时减少了交直轴的耦合程度，改善了混合励磁电机的性能。
由于双气隙的结构，永磁体产生的磁场在内外气隙分别与电枢绕组、励磁绕组产生的磁场发生耦合，气隙磁场分布复杂导致电机输出转矩的脉动较大，因此本发明采用不对称V型永磁体结构，如图4所示。V型永磁体关于其中轴线的夹角不等，即θ1＜θ2，改善气隙磁密波形，从而降低转矩脉动。具体的，θ1可取值为30°，θ2可取值为40°。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点，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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于磁场调制双定子混合励磁电动机，其特征在于：包括：外定子(1)、内定子(2)、电枢绕组(3)、转子(4)、永磁体(5)、第一磁障(7)、第二磁障(8)、励磁绕组(9)；所述转子(4)位于外定子(1)和内定子(2)之间形成双气隙电机结构，电枢绕组(3)采用分布式绕在外定子(1)上，永磁体(5)位于转子(4)上；所述永磁体(5)包括两个永磁单元，两个永磁单元呈V型排布，并且两两永磁体为一组，均匀分布于转子(4)的圆周上，每组之间间隔有铁芯极(6)；所述第一磁障(7)为圆形，位于一组中两个V型永磁体之间靠近内气隙的转子轭部；所述第二磁障(8)为长条形，并且两两为一组，每组对称位于铁芯极(6)的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁场调制双定子混合励磁电动机，其特征在于：所述励磁绕组(9)采用三相对称分布绕于内定子(2)的齿上，且铁芯极(6)与A、B、C相绕组的其中一相的轴线对齐。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁场调制双定子混合励磁电动机，其特征在于:每个永磁体(5)采用不对称结构，每两个V型永磁体为一组，其靠外侧的永磁单元关于V型中线对称轴的夹角小于另一侧的夹角。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁场调制双定子混合励磁电动机，其特征在于：永磁体(5)采用8极结构，励磁绕组(9)采用4极结构，电枢绕组(3)采用12极结构。
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