CN106487178B - 一种盘式双定子混合励磁电动机 - Google Patents

一种盘式双定子混合励磁电动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种盘式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基于磁场调制的原理较好地实现了盘式永磁电机与电励磁系统的结合，既具有盘式永磁电机高功率密度、高转矩密度、轴向尺寸短、结构紧凑等特点，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轮毂驱动领域。本发明包括两个定子、一个盘式转子，励磁绕组与电枢绕组分别位于两侧定子上，转子上均布有永磁极与铁心极。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。并且多相结构及三层分数槽集中绕组的设计改善了反电势波形，同时提高了电机的可靠性和容错性。

Description

一种盘式双定子混合励磁电动机
技术领域
本发明属于永磁电机设计领域，具体涉及一种盘式双定子混合励磁电动机。
背景技术
当前盘式永磁电机在驱动及工业应用等领域以其独特的优势受到广泛关注，它既具有永磁电机高功率密度、高转矩密度等优点，同时又具有盘式电机轴向尺寸短、结构紧凑、硅钢片利用率高等优势，使其在特有的安装空间条件下具有径向磁场电机无法比拟的性能。此外盘式永磁电机由于其结构的特点，转动惯量小，下线方便，定子绕组有良好的散热条件，同时可以制成多气隙结构，进一步提高输出能力。但与其它类型的永磁电机一样，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，使得盘式混合励磁电机能更好地应用于要求宽调速范围的驱动领域如电动汽车轮毂驱动。
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。
电动汽车驱动方式可分为集中电机驱动和轮毂电机驱动，而轮毂电机驱动无变速箱、传动链，结构紧凑，控制灵活等优势成为未来电动汽车驱动的发展方向。而盘式永磁电机因其特有的结构特点，易于安装于车轮内，成为轮毂驱动电机的设计方向。同时电动汽车要求宽的调速范围，因此盘式混合励磁电机是本发明的研究问题。目前，盘式混合励磁电机的研究相对较少，已有的盘式混合励磁电机大多利用轴向磁场和爪极转子结构实现励磁磁场的调节，但这些电机结构复杂，生产加工困难，可靠性低。因此有必要研制高可靠性，结构简单且励磁调节灵活的盘式混合励磁电机。
发明内容
技术问题：针对上述问题，提出一种基于磁场调制盘式双定子混合励磁电机，解决了现有的盘式混合励磁电机结构复杂，可靠性低的问题；通过励磁绕组改变铁心极的磁通大小，实现励磁磁场的灵活调节。该电机具有盘式永磁电机的优点，同时具有宽的调速运行范围，动态性能优越。
技术方案：本发明公开了一种盘式双定子混合励磁电动机，该电机采用多相双定子结构，电枢绕组采用三层集中绕组隔齿绕于电枢齿上，能够获得理想的反电势波形且提高电机的容错性能。位于一侧定子上励磁绕组通过调节导磁铁心极的磁通大小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。永磁体位于不导磁材料的基座上，进一步提高电机的磁场调节能力。
一种盘式双定子混合励磁电动机，包括转轴、转子、内定子、外定子、励磁绕组、电枢绕组、永磁极、铁心极、永磁体基座；所述转子、内定子和外定子均呈环形盘状，内定子和外定子沿轴向分别设置在转子两侧形成双气隙盘式电机结构；电枢绕组采用多相三层分数槽集中绕组隔齿绕的方式，且每层采用相同的绕线方式，依次错开绕于外定子上；励磁绕组采用三相分布式绕组绕于内定子上。
进一步的，永磁极和铁心极沿转子圆周均匀布置，且两极性相反的永磁极为一组，每组永磁极之间间隔有铁心极放置。
进一步的，电枢绕组的极数等于励磁绕组的极数与永磁极块数之和，且励磁绕组的极数等于铁心极的块数。
进一步的，每组永磁极位于永磁体基座上，且永磁体基座采用非导磁材料位于面向内定子一侧，而铁心极则贯穿于转子两侧。
进一步的，励磁绕组的相轴线位置及励磁电流的相位应适当调整，使得励磁磁动势的轴线位置与铁心极位置对齐。
有益效果：
(1)双定子结构，一侧定子放置电枢绕组，另一侧定子放置励磁绕组，从而实现混合励磁，结构简单可靠。
(2)利用一侧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)多相电机由于相数的冗余，能够提高电机的容错性能，其次集中绕组及容错齿的设计实现相间的电隔离、磁隔离、热隔离和物理隔离，进一步提高电机的可靠性。
(4)三层集中绕组的设计能够获得理想对称的反电势波形，从而提高电机的转矩输出能力及降低转矩脉动。
(5)转子上永磁体位于不导磁材料的基座上，提高励磁绕组磁场调节能力的同时减少永磁磁链匝链到励磁绕组侧，从而降低齿槽转矩及改善转矩质量。
(6)虽然永磁体的块数与电枢绕组的极数不同，但励磁绕组可以通过铁心极的设计共同产生主磁场与电枢磁场作用。并且铁心极可以充当永磁磁力线回路，即当励磁电流故障或励磁电流为零时，转子上依旧能够产生与电枢磁场匹配的励磁磁场使电机能正常工作，进一步提高电机的可靠性。
(7)励磁绕组和永磁体产生的磁场在磁路上呈并列结构，加之基座的设计，能有效减少永磁体发生不可逆退磁风险。
(8)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心极块数与励磁绕组极数相同，从而大大提高了磁场调制的效率。
附图说明
图1为本发明盘式双定子混合励磁电机结构示意图；
其中：1为转轴、2为转子、3为内定子、4为外定子、5为励磁绕组、6为电枢绕组、7为永磁极、8为铁心极、9为永磁体基座。
图2为本发明电机盘式转子结构图。
图3为本发明电机混合励磁磁力线分布示意图。
图4为励磁绕组产生磁动势与铁心极位置配合示意图。
图5为三层分数槽集中绕组的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的设计原理如下：本发明所述的盘式双定子混合励磁电机基于磁场调制的原理实现混合励磁，在环形盘状转子上沿圆周均匀布置2p1块永磁体，且两两极性相反的永磁体为一组间隔有铁心极，如图2所示。励磁绕组位于内定子上通以相应的交流电产生励磁磁场，由于不导磁材料构成的永磁体基座与铁心极间隔面向励磁绕组侧，已知铁心的磁导率远远大于基座的磁导率，励磁绕组产生的磁力线将在铁心极处聚集进入外气隙，因而励磁磁场将通过转子的调制作用，与永磁磁场共同形成外气隙磁场，生产转矩输出。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。在本发明电机中m取1，k取0，即2p2极励磁磁场通过导磁的铁芯极在外气隙同样形成2p2极的磁场。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。因此，电枢绕组的极对数p＝p1+p2，又由于特殊的永磁极与铁心极的布置方式，有p1＝2p2。因此该电机电枢磁场极对数为p＝3k,k＝1,2,3……。作为优选方案本发明采用5相18极20槽结构，其中永磁体为12极，内定子上励磁绕组采用6极36槽分布式绕组。该电机具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，励磁绕组控制铁心极在外气隙产生的磁通大小，实现磁场的灵活调节，如图3所示。
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f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。因此转子铁心极所在位置尽量与励磁磁动势轴线位置对齐，才能在外气隙产生最大的稳定的18极磁场，如图4所示。
分数槽集中绕组相对分布式绕组具有弱磁性能好、绕组端部短、铜耗低，易于实现模块化结构等优点。但由于该发明电机电枢绕组匝链的磁链包括永磁磁链和电励磁磁链，且通过调节励磁电流的大小可以实现弱磁、增磁的效果，永磁磁链与电励磁磁链的不等将造成绕组位于永磁极和铁心极处感应出不等的反电势，极大地影响电机的输出性能。因此本发明电机采用三层集中绕组。每层集中绕组线圈边感应的电动势依次叠加将得到理想的对称空载反电势波形，即eA＝e1-e2+e3-e4+e5-e6,如图5所示。永磁体基座的设计，减少永磁磁链匝链到励磁绕组，达到减少脉动的效果，且改善铁心极的磁场调制效果，使得电励磁和永磁体在磁路上呈并列结构，从而电励磁对励磁磁场的调节效果更加明显，改善了混合励磁电机的性能。
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 (3)

1.一种盘式双定子混合励磁电动机，其特征在于：包括转轴(1)、转子(2)、内定子(3)、外定子(4)、励磁绕组(5)、电枢绕组(6)、永磁极(7)、铁心极(8)、永磁体基座(9)；所述转子(2)、内定子(3)和外定子(4)均呈环形盘状，内定子(3)和外定子(4)沿轴向分别设置在转子(2)两侧形成双气隙盘式电机结构；电枢绕组(6)采用多相三层分数槽集中绕组隔齿绕的方式，且每层采用相同的绕线方式，依次错开绕于外定子(4)上；励磁绕组(5)采用三相分布式绕组绕于内定子(3)上；
永磁极(7)和铁心极(8)沿转子(2)圆周均匀布置，且两极性相反的永磁极(7)为一组，每组永磁极(7)之间间隔有铁心极(8)放置；
每组永磁极(7)位于永磁体基座(9)上，且永磁体基座(9)采用非导磁材料位于面向内定子一侧，而铁心极(8)则贯穿于转子(2)两侧。
2.根据权利要求1所述的一种盘式双定子混合励磁电动机，其特征在于:电枢绕组(6)的极数等于励磁绕组(5)的极数与永磁极(7)块数之和，且励磁绕组(5)的极数等于铁心极(8)的块数。
3.根据权利要求1所述的一种盘式双定子混合励磁电动机，其特征在于：励磁绕组(5)的相轴线位置及励磁电流的相位应适当调整，使得励磁磁动势的轴线位置与铁心极(8)位置对齐。
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