CN106374704B - 一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机，其包括单定子(1)、调制转子(4)和永磁转子(5)；其中，所述定子(1)表面开有闭口槽，槽内放置两套极对数不等的绕组，一套绕组为调制绕组，另一套为永磁绕组；永磁绕组极对数P_A1与永磁转子极对数P_m相等，使得定子与永磁转子可构成永磁电机结构；同时，调制绕组极对数P_A等于调制转子凸极数P_f和永磁转子极对数P_m的和或差的绝对值，使得所述定子、调制转子和永磁转子同时形成磁场调制电机结构。本发明的无刷双机械端口永磁电机其结构复杂度、制造难度均大大降低；此外，该电机单定子双气隙的结构更为紧凑，能实现较大的转矩密度。

Description

一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机

技术领域

本发明属于永磁电机领域，更具体地，涉及一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机。

背景技术

在各个领域，均会用到改变旋转部件转速与转矩的传动装置，例如工业中常用的齿轮就是一种固定转速与转矩传动比的装置。而随着工业的发展，人们对于传动装置的要求不断提高，也需要传动比可变的装置，即无级变速器。然而，该装置的传输受到功率关系的约束，不计损耗时输出功率必须与输入功率相同，这也为其使用带来了制约。例如，在混合动力汽车中，为了保证发动机效率的最大化，往往需要发动机固定在某个运行点，即其转速、转矩与输出功率均保持固定，但汽车所需的功率不一定与发动机最佳运行点提供的功率相同，这就要求传动装置的输入及输出端的四个量：输入/输出转速与转矩均可独立控制。

为了实现这一功能，陆续提出了各种不同方案，其中纯电气的传动方案由于不存在机械结构的振动、噪声以及机械磨损等问题，存在自动过载保护的优点，应用潜力大，这类具有两个机械端口，可独立控制各端口转速/转矩的电气传动装置被称为双机械端口电机。双机械端口电机往往由两台永磁电机构成，一台为双转子结构，一台为单转子结构，在双转子电机中，利用电刷以及滑环将交流电引入转子。但是该结构无可避免会带来粉尘、磨损等问题。此外，在旋转的电枢上难以设置冷却系统，为了控制电机升温，绕组电流较小，造成双转子电机输出转矩较低。

为了弥补这一缺陷，有学者提出了无刷化的双机械端口永磁电机，如专利文献CN105375714A公开了一种双机械端口双电端口永磁电机，其将磁场调制电机与普通永磁电机嵌入到同一台电机内，外部定子与永磁体构成一台普通永磁电机，内部定子、调制环与永磁体构成一台磁场调制电机。该结构通过内、外定子绕组的电流频率独立控制两转子的转速，通过普通永磁电机在永磁转子上施加额外转矩实现两转子的转矩解耦，从而利用无刷结构实现双机械端口电机的功能。

但是专利文献CN105375714A公开的双机械端口双电端口永磁电机也存在以下不足，首先，该专利文献中提出的结构具有两个定子和两个转子，之间具有三层气隙，因此对于制造加工的工艺要求高，同时制造过程较为复杂，生产成本较高；其次，该拓扑中永磁体产生的励磁磁场需要穿越三层气隙，其磁路磁阻较大，造成磁场较弱，削弱了电机的转矩输出能力。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机，其包含一定子与一调制转子、一永磁转子，利用磁场调制电机中永磁体产生磁场的无用部分，仅在磁场调制电机中增加一套绕组即可实现双机械端口电机的功能，其结构复杂度、制造难度均大大降低；此外，该电机单定子双气隙的结构更为紧凑，能实现较大的转矩密度。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机，该永磁电机包括单定子、调制转子和永磁转子；

其中，所述定子表面开有闭口槽，槽内放置两套极对数不等的绕组，一套绕组为调制绕组，另一套为永磁绕组；

永磁绕组极对数P_A1与永磁转子极对数P_m相等，使得定子与永磁转子可构成永磁电机结构；

同时，调制绕组极对数P_A等于调制转子凸极数P_f和永磁转子极对数P_m的和或差的绝对值，使得所述定子、调制转子和永磁转子同时形成磁场调制电机结构。

进一步地，所述普通永磁电机结构的定子与永磁转子之间相互作用产生稳定的电磁转矩T_m1，该转矩的大小仅与永磁绕组上电流有效值I_A1以及电流角ψ_A1有关，且永磁转子转速n_m受永磁绕组内电流频率f_A1控制，它们之间的关系为：

T_m1＝k₁I_A1cosψ_A1

式中，k₁为仅与电机尺寸结构有关的常数。

进一步地，所述磁场调制电机结构的调制转子(4)与永磁转子(5)上均受到磁场调制作用产生的转矩,分别为T_f与T_m2，两转子受到的转矩满足：

T_f＝P_fk₂I_A cosψ_A

T_m2＝P_mk₂I_Acosψ_A

式中，k₂为仅与电机尺寸结构有关的常数。

进一步地，永磁转子转速n_f、调制转子转速n_m以及调制绕组内通电频率f_A满足：

P_fn_f-P_mn_m＝60f_A

通过调节两套绕组内电流频率f_A、有效值I_A1及电流角ψ_A1控制两机械端口转速与转矩。

优选地，定子可放置于两转子的外部或内部，从而构成外转子或内转子结构。

进一步地，调制转子置于定子与永磁转子之间，调制转子由调制块通过不导磁材料固定后制成，永磁转子存在轭部，永磁体可置于转子表面或内部。

进一步地，永磁转子置于定子与调制转子之间，调制转子具有轭部，永磁转子通过不导磁材料固定，无轭部。

进一步地，所述定子、调制转子和永磁转子为同轴套设。

进一步地，一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机在混合动力汽车、风力发电等多种技术领域的应用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供了一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机，其包括一定子与一调制转子、一永磁转子，利用磁场调制电机中永磁体产生磁场的无用部分，仅在磁场调制电机中增加一套绕组即可实现双机械端口电机的功能，其结构复杂度、制造难度均大大降低。

(2)与现有永磁电机拓扑相比，该电机单定子双气隙的结构更为紧凑，能实现较大的转矩密度。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于磁场调制原理的外定子结构的双机电端口电机，且永磁转子置于定子与调制转子之间；

图2为本发明实施例的一种基于磁场调制原理的外定子结构的双机电端口电机，且调制转子置于定子与永磁转子之间；

图3为本发明实施例的一种基于磁场调制原理的内定子结构的双机电端口电机，且调制转子置于定子与永磁转子之间；

图4为本发明实施例的一种基于磁场调制原理的内定子结构的双机电端口电机，且永磁转子置于定子与调制转子之间；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1—定子铁心，2—调制绕组，3—永磁绕组，4—调制转子，5—永磁转子。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例的一种基于磁场调制原理的外定子结构的双机电端口电机，且永磁转子置于定子与调制转子之间；如图1所示，该永磁电机包括单定子1、调制转子4和永磁转子5；

其中，所述定子1表面开有闭口槽，槽内放置两套极对数不等的绕组，一套绕组为调制绕组，另一套为永磁绕组；

永磁绕组极对数P_A1与永磁转子极对数P_m相等，使得定子与永磁转子可构成永磁电机结构；

同时，调制绕组极对数P_A等于调制转子凸极数P_f和永磁转子极对数P_m的和或差的绝对值，使得所述定子、调制转子和永磁转子同时形成磁场调制电机结构。

现以图1中的永磁电机结构为例，对该电机的工作原理进行说明，其它结构的工作原理类似。

在图1所示永磁电机结构中，调制绕组极对数P_A，永磁绕组极对数P_A1，调制转子凸极数P_f以及永磁转子极对数P_m，

永磁绕组极对数P_A1与永磁转子极对数P_m相等，使得定子1与永磁转子5可构成永磁电机结构，因此定子与永磁转子之间可以相互作用产生稳定的电磁转矩T_m1，该转矩的大小仅与永磁绕组上电流有效值I_A1以及电流角ψ_A1有关，且永磁转子转速n_m受永磁绕组内电流频率f_A1控制，它们之间的关系为：

T_m1＝k₁I_A1cosψ_A1 (1)

式中，k₁为仅与电机尺寸结构有关的常数；

同时，调制绕组极对数P_A等于调制转子凸极数P_f和永磁转子极对数P_m的和或差的绝对值，使得所述定子1、调制转子4和永磁转子5同时形成磁场调制电机结构，因此调制转子与永磁转子上均受到磁场调制作用产生的转矩,分别记为T_f与T_m2，根据电机基本理论，两转子上由于改作用受到的转矩满足

式中，k₂为仅与电机尺寸结构有关的常数。

同时，永磁转子转速n_f、调制转子转速n_m以及调制绕组内通电频率f_A满足

P_fn_f-P_mn_m＝60f_A (4)

作为一种传动装置，该电机需要匹配输入端的转矩以及转速，并在合适的转速下输出所需转矩。换言之，电机两个机械端口，也就是两个转子的转速与转矩均需独立控制。

根据公式(2)和(4)，根据所需的端口转速可计算两绕组电流频率，然后控制输入两绕组的电流频率f_A即可实现对两个转子转速的控制；

为了使调制转子受到的转矩为其所需值，根据公式(3)可以确定调制绕组电流及其电流角，同时永磁转子上同样受到由于磁场调制作用产生的转矩，因此普通永磁电机提供给它的转矩应该是所需转矩与磁场调制电机转矩的差，计算该转矩的值后根据公式(1)确定永磁绕组内电流大小及电流角。两绕组均根据计算值通入相应电流有效值I_A1以及电流角ψ_A1的电流，从而确保两转子上实际转矩与所需要的值相同。

综上，可以通过调节两套绕组内电流频率f_A、有效值I_A1及电流角ψ_A1控制两机械端口转速与转矩。

优选地，所述定子1可放置于两转子的外部或内部，从而构成外转子或内转子结构。

如图2所示，在本发明的另一个实施例中，一种基于磁场调制原理的外定子结构的双机电端口电机，且调制转子4置于定子1与永磁转子5之间；如图3所示，在本发明的另一个实施例中，一种基于磁场调制原理的内定子结构的双机电端口电机，且调制转子4置于定子1与永磁转子5之间，调制转子4由调制块通过不导磁材料固定后制成，永磁转子5存在轭部，永磁体可置于转子表面或内部。

如图4所示，在本发明的另一个实施例中，一种基于磁场调制原理的内定子结构的双机电端口电机，且永磁转子5置于定子1与调制转子4之间，调制转子4具有轭部，永磁转子5通过不导磁材料固定，无轭部。

所述定子1、调制转子4和永磁转子5为同轴套设。

本发明基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机，其包括一定子与一调制转子、一永磁转子，利用磁场调制电机中永磁体产生磁场的无用部分，仅在磁场调制电机中增加一套绕组即可实现双机械端口电机的功能，其结构复杂度、制造难度均大大降低；此外，与现有永磁电机拓扑相比，该电机单定子双气隙的结构更为紧凑，能实现较大的转矩密度。可用于混合动力汽车、风力发电等多种技术领域。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机，其特征在于，该永磁电机包括单定子(1)、调制转子(4)和永磁转子(5)；

其中，所述定子(1)表面开有闭口槽，槽内放置两套极对数不等的绕组，一套绕组为调制绕组，另一套为永磁绕组；

其中，所述永磁电机结构的定子(1)与永磁转子(5)之间相互作用产生稳定的电磁转矩T_m1，该转矩的大小仅与永磁绕组上电流有效值I_A1以及电流角ψ_A1有关，且永磁转子转速n_m受永磁绕组内电流频率f_A1控制，它们之间的关系为：

T_m1＝k₁I_A1cosψ_A1

式中，k₁为仅与电机尺寸结构有关的常数；且，

永磁转子转速n_f、调制转子转速n_m以及调制绕组内通电频率f_A满足：

P_fn_f-P_mn_m＝60f_A

通过调节两套绕组内电流频率f_A、有效值I_A1及电流角ψ_A1控制两机械端口转速与转矩，永磁绕组极对数P_A1与永磁转子极对数P_m相等，使得所述定子(1)与永磁转子(5)可构成永磁电机结构；

同时，所述磁场调制电机结构的调制转子(4)与永磁转子(5)上均受到磁场调制作用产生的转矩,分别为T_f与T_m2，两转子受到的转矩满足：

T_f＝P_fk₂I_Acosψ_A

T_m2＝P_mk₂I_Acosψ_A

式中，k₂为仅与电机尺寸结构有关的常数，调制绕组极对数P_A等于调制转子凸极数P_f和永磁转子极对数P_m的和或差的绝对值，使得所述定子(1)、调制转子(4)和永磁转子(5)同时形成磁场调制电机结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机，其特征在于，所述定子(1)可放置于两转子的外部或内部，从而构成外转子或内转子结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机，其特征在于，所述调制转子(4)置于定子(1)与永磁转子(5)之间，所述调制转子(4)由调制块通过不导磁材料固定后制成，所述永磁转子(5)存在轭部，永磁体可置于转子表面或内部。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机，其特征在于，所述永磁转子(5)置于定子(1)与调制转子(4)之间，所述调制转子(4)具有轭部，所述永磁转子(5)通过不导磁材料固定，无轭部。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机，其特征在于，所述定子(1)、调制转子(4)和永磁转子(5)为同轴套设。

6.权利要求1-4中任一项所述的一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机在混合动力汽车、风力发电中的应用。