CN106992650B - 一种双端混合励磁型定子分区式磁通切换电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双端混合励磁型定子分区式磁通切换电机，外定子的定子轭部内表面沿圆周方向相互交错间隔布置电枢齿和励磁齿，电枢齿上绕有电枢绕组，励磁齿上绕有外直流励磁绕组；内定子的定子铁心上沿圆周方向均匀布置数量与电枢齿数量相等的内定子槽，每个内定子槽的内侧嵌放一块非稀土铁氧体永磁体，每个内定子槽的外侧放置内直流励磁绕组，在每两个内定子槽之间的定子铁心上嵌有一块稀土钕铁硼永磁体，稀土钕铁硼永磁体的外径与非稀土铁氧体永磁体的内径相等，稀土钕铁硼永磁体的内径与内定子槽的内径相等；本发明采用内外定子双端电励磁，实现气隙磁场的灵活控制，具有更广阔的调磁范围，保证了电机较高的转矩密度和功率密度。

Description

一种双端混合励磁型定子分区式磁通切换电机
技术领域
本发明涉及一种永磁电机结构，具体是一种混合励磁磁通切换永磁电机，属于电机制造领域。
背景技术
传统的永磁电机由于永磁材料的限制，其气隙磁场难以调节，难以实现电机的宽调速运行，限制了永磁电机在电动汽车、航空航天等宽调速场合的应用。混合励磁电机不仅能继承永磁电机的诸多优点，而且电机气隙磁场平滑可调。电动运行时，具有启动转矩大、调速范围广的优点；发电运行时，具有较宽的电压调节能力或宽范围变速恒压输出能力。
中国专利申请号为201510852091.6的文献中公开了一种H型铁芯混合励磁磁通切换电机，通过减少永磁体的体积为代价，增加励磁绕组，这样不可避免地降低了气隙磁密和功率密度。中国专利申请号为201510026381.5的文献中公开了一种混合励磁磁通切换电机，采用定子永磁型结构，H型铁芯和永磁体沿圆周方向交替排列，励磁绕组绕于H型铁芯的轭部导磁桥上，该电机能够保证较好的转矩密度，但由于特殊的H型结构仅能对电机进行弱磁，无法保证较为宽广的调磁范围。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有混合励磁磁通切换电机结构存在的问题，提出一种转子结构简单、混合永磁材料、定子回路双端电励磁的混合励磁型定子分区式磁通切换电机结构，具有高转矩密度、高功率密度、宽调磁范围的特点。
本发明采用的技术方案是：包括外定子、中间转子和内定子，外定子的定子轭部内表面沿圆周方向相互交错间隔布置电枢齿和励磁齿，电枢齿上绕有电枢绕组，励磁齿上绕有外直流励磁绕组；内定子的定子铁心上沿圆周方向均匀布置数量与电枢齿和励磁齿数量相等的内定子槽，每个内定子槽的内侧嵌放一块非稀土铁氧体永磁体，每个内定子槽的外侧放置内直流励磁绕组，在每两个内定子槽之间的定子铁心上嵌有一块稀土钕铁硼永磁体，稀土钕铁硼永磁体的外径与非稀土铁氧体永磁体的内径相等，稀土钕铁硼永磁体的内径与内定子槽的内径相等，内定子槽的外径与定子铁心的外径相等。
中间转子为圆环形，由相互间隔的导磁块和非导磁块沿圆周方向接合而成，导磁块与非导磁块的数量相等，等于电机的极对数。
外直流励磁绕组通正向电流时，产生的磁路与稀土钕铁硼永磁体和非稀土铁氧体永磁体产生的磁路方向相同，对电机增磁；外直流励磁绕组通反向电流时，产生的磁路与稀土钕铁硼永磁体和非稀土铁氧体永磁体产生的磁路方向相反，对电机弱磁；内直流励磁绕组通正向电流时时，产生的磁路与稀土钕铁硼永磁体的磁路方向相同，对电机增磁；内直流励磁绕组通反向电流时，产生的磁路与稀土钕铁硼永磁体的磁路方向相反，对电机弱磁。
本发明的有益效果：
（1）本发明采用了稀土钕铁硼永磁体和非稀土铁氧体永磁体混合永磁，降低了电机的制造成本；同时由于高磁能积的钕铁硼永磁体的存在，又保证了电机较高的转矩密度和功率密度。两种永磁材料的利用，保证了在一种材料失磁的情况下，另一种永磁材料仍能保持电机的平稳运行，提高了电机的可靠性。
（2）本发明中的直流励磁绕组采用内、外定子双端电励磁，通过控制励磁电流的大小和方向，可以实现气隙磁场的灵活控制。外定子一端直流励磁磁场由于特殊的磁路结构，调磁时直流励磁磁场与永磁磁场为并联磁路，减少了工作过程中的励磁损耗，增大了电机的工作效率；在两种励磁绕组共同调磁的情况下，能够使得电机具有更广阔的调磁范围。
（3）本发明采用定子分区的结构，电机内部空间得到充分利用。不同于传统的混合励磁电机，内、外定子的分区结构使得励磁绕组、电枢绕组、永磁体有了更充分的放置空间，降低了三者之间用量的相互限制，大大提高了电机的空间利用率，使得更多拓扑结构组合成为可能。
（4）本发明中的电枢绕组和励磁绕组均采用集中式绕组，端部较短，降低了电机铜耗，提高了电机效率。
（5）本发明中的转子上采用导磁块和非导磁块相互间隔叠加成一个圆环，上面没有永磁体和绕组，因此结构相对较为稳固，同时可以允许较高的温升，有利于电机的高速运行。
附图说明
图1是本发明提供的双端混合励磁型定子分区式磁通切换电机的径向截面结构示意图，其中箭头方向表示永磁体充磁方向；
图2是图1中外定子的径向截面和电枢绕组连接方式图；
图3是图1中内定子的1/2截面图；
图4是图3中I局部放大图以及局部几何尺寸标注图；
图5是图1中稀土钕铁硼永磁体1-8、非稀土铁氧体永磁体1-9的径向截面图以及局部几何尺寸标注图；
图6和图7是本发明电机的运行原理图；
图8、9、10和图11是本发明电机的调磁原理图；
图12是本发明电机空载磁链变化图。
图中：1.外定子；2.中间转子；4.内定子；1-2.导磁块；1-3.非导磁块；1-4.定子铁心；1-5.电枢绕组；1-6.外直流励磁绕组；1-7.内直流励磁绕组；1-8.稀土钕铁硼永磁体；1-9.非稀土铁氧体永磁体；1-10.内定子槽；2-1.电枢齿、2-2.励磁齿。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括外定子1、中间转子2和内定子4，外定子1同轴套在中间转子2外部，中间转子2同轴套在内定子4外部，外定子1、内定子4和中间转子2之间均留有径向气隙，因此本发明有两层径向气隙。中间转子2与内外两侧的内定子4和外定子1之间的径向气隙相等，气隙范围大小为0.4～0.6mm。
再结合图2，外定子1由电枢齿2-1、励磁齿2-2、电枢绕组1-5和外直流励磁绕组1-6组成，外定子1的定子轭部内表面沿圆周方向均匀布置了电枢齿2-1和励磁齿2-2，电枢齿2-1和励磁齿2-2相互交错间隔布置，电枢齿2-1和励磁齿2-2的数量相等，均为N s个，N s=6n，n=1,2，3…。其中电枢齿2-1上绕有电枢绕组1-5，励磁齿2-2上绕有外直流励磁绕组1-6。电枢绕组1-5的连接方式均为集中式绕组，图2中“+”为电枢绕组1-5的进线方向，“-”为电枢绕组1-5的出线方向。电枢齿2-1的极弧为β 1，励磁齿2-2的极弧为β 2，满足的关系式为β 1>β 2，能够有效的降低反电动势的谐波畸变率。
参见图1，中间转子2为圆环形，由相互间隔的导磁块1-2和非导磁块1-3沿圆周方向接合而成，导磁块1-2与非导磁块1-3的数量相等，均为N r个，也是电机的极对数。
内定子4由定子铁心1-4、内直流励磁绕组1-7、稀土钕铁硼永磁体1-8、非稀土铁氧体永磁体1-9构成。定子铁心1-4与中间转子2之间的间隙是径向气隙。在定子铁心1-4上沿圆周方向均匀布置N s个内定子槽1-10，每个内定子槽1-10的内侧固定嵌入放置一块非稀土铁氧体永磁体1-9，外侧放置内励磁绕组1-7。在每两个内定子槽1-10之间的定子铁心1-4上嵌有一块稀土钕铁硼永磁体1-8，稀土钕铁硼永磁体1-8的外径与非稀土铁氧体永磁体1-9的内径相等，稀土钕铁硼永磁体1-8的内径与内定子槽1-10的内径相等，内定子槽1-10的外径与定子铁心1-4的外径相等。稀土钕铁硼永磁体1-8和非稀土铁氧体永磁体1-9这两种永磁体组合成一个相当于非稀土铁氧体永磁体1-9向外凸的凸极结构。稀土钕铁硼永磁体1-8和非稀土铁氧体永磁体1-9的数量相等，也为N s个。
稀土钕铁硼永磁体1-8的位置与外定子1上的励磁齿2-2的位置相对齐，充磁方向为径向充磁，内端是S极，外端是N极，相邻的两块稀土钕铁硼永磁体1-8的充磁方向相反。非稀土铁氧体永磁体1-9的位置与外定子1上的电枢齿2-1的位置相对齐，充磁方向为切向充磁，相邻的两块非稀土铁氧体永磁体1-9的充磁方向相反。
参见图3和图4，内定子槽1-10的径向截面的总面积为s, 槽的切向宽度为w，非稀土铁氧体永磁体1-9的径向长度为l 2，内直流励磁绕组1-7所占槽内的径向长度为l 1，内直流励磁绕组1-7和非稀土铁氧体永磁体1-9所占槽内面积分别为和，则有：，。通过控制励磁电流的大小和方向能对气隙磁场进行调节，因此，通过调节内直流励磁绕组1-7和非稀土铁氧体永磁体1-9的径向长度l 1与径向长度l 2的比例，在满足功率密度的前提下，可实现较为灵活的调磁范围。
参见图5，稀土钕铁硼永磁体1-8沿径向充磁方向的厚度为，非稀土铁氧体永磁体1-9沿切向充磁方向的厚度为，即是内定子槽1-10的切向宽度，厚度和厚度直接决定了永磁体产生的磁势，限定，这样的尺寸设计有利于维持两种永磁体间的磁势相等，使得两种永磁体均能有效的发挥作用，确保了电机的转矩密度和功率密度，同时降低了电机成本。
本发明具有磁通切换电机的普遍特性，极对数配比与一般磁通切换电机的配比均较吻合。中间转子2的导磁块1-2的数量N r为转子的极对数，内定子槽1-10与电枢齿2-1、励磁齿2-2的数量相等为N s个，其中满足的关系为，k=1，2，3…。
由于中间转子2的存在将电机分为内外两层，因此外定子1上的外直流励磁绕组1-6与内定子4上的永磁体磁路为并列磁路，同时内定子4上的两种永磁体间磁路同样为并列磁路。
本发明的运行遵循磁通切换原理，当中间转子2在图6所示的位置时，内定子4上的稀土钕铁硼永磁体1-8和非稀土铁氧体永磁体1-9产生的磁通经过中间转子2和外定子1上的电枢齿2-1以及励磁齿2-2进而形成一个闭合磁路，对于空载的电枢绕组1-5而言，其两端会感应出相应的反电动势；而当中间转子2相对于图6的位置逆时针转过180°电角度，运动到图7所示位置时，稀土钕铁硼永磁体1-8和非稀土铁氧体永磁体1-9这两种永磁体产生的磁通与图6所示位置产生的磁通大小相等，但方向对于电枢绕组1-5来说正好相反，电枢绕组1-5同样会感应出相应的反电动势，该反电动势与图6位置产生的反电动势相比，幅值相等，方向相反。正是基于这一原理，中间转子2转动时，电枢绕组1-5里匝链的永磁磁通就会不断地在正负最大值之间改变，与之相对应，电枢绕组1-5两端会产生幅值和相位交变的反电势。
参见图8-11所示为本发明的调磁原理示意图，中间转子2的位置均为经过电枢齿2-1的磁通最大时的同一时刻位置。通过对外定子1上的外直流励磁绕组1-6和内定子4上的内直流励磁绕组1-7施加直流电产生电励磁磁场，进而调节电机主磁场。当电励磁磁场与永磁磁场方向相同时，主磁场增强，对电机起增磁作用；当电励磁磁场与永磁磁场方向相反时，主磁场减弱，起弱磁作用。参见图8，当外直流励磁绕组1-6通正向电流时，产生的电励磁磁通经过中间转子2和电枢齿2-1形成闭合磁路，该磁路与稀土钕铁硼永磁体1-8和非稀土铁氧体永磁体1-9产生的磁路方向相同，且为并列磁路，主磁场增强，对电机起增磁作用。参见图9，当外直流励磁绕组1-6通反向电流时，产生的电励磁磁通经过中间转子2和电枢齿2-1形成闭合磁路，该磁路与稀土钕铁硼永磁体1-8和非稀土铁氧体永磁体1-9产生的磁路方向相反，且为并列磁路，主磁场减弱，对电机起弱磁作用。参见图10，当内直流励磁绕组1-7通正向电流时，产生的电励磁磁通经过稀土钕铁硼永磁体1-8、中间转子2、电枢齿2-1形成闭合磁路，该磁路与稀土钕铁硼永磁体1-8的磁路方向相同，且为串联磁路，主磁场增强，对电机起增磁作用。参见图11, 当直流励磁绕组1-7通反向电流时，产生的电励磁磁通经过稀土钕铁硼永磁体1-8、中间转子2、电枢齿2-1形成闭合磁路，该磁路与稀土钕铁硼永磁体1-8的磁路方向相反，且为串联磁路，主磁场减弱，对电机起弱磁作用。
本发明进行调磁时分成两个部分完成，增磁部分和弱磁部分，具体是：
增磁部分：当电机需要较大的启动转矩时，原有的永磁体产生的磁场固定，无法调节，因此这里需要外直流励磁绕组1-6和内直流励磁绕组1-7作用于电机的磁场来实现磁场的增强。由于外定子1上的外直流励磁绕组1-6产生的电励磁磁场的磁路与永磁磁场的磁路为并列关系，调磁效果相对于内定子4上的内直流励磁绕组1-7更加方便、高效。因此首先通过外定子1上的外直流励磁绕组1-6进行调节，参见图8，对外直流励磁绕组1-6持续通以大小可调的正向直流电时，会产生方向与主磁场方向同向、大小可调的电励磁磁场，该磁场与永磁磁场共同作用，从而增强了电机的主磁场，即为外定子1上的外直流励磁绕组1-6对电机的一次增磁；然而由于外直流励磁绕组1-6通以的正向电流大小受到温度、损耗、材料等的限制，继续增大电机磁场时，需要内定子4上的内直流励磁绕组1-7参与进来与外定子1上的外直流励磁绕组1-6共同作用。在图8中所示位置的外定子1上的外直流励磁绕组1-6作用的基础上，将图10所示位置内定子4上的内直流励磁绕组1-7持续通以正向的直流电，该内直流励磁绕组1-7产生的磁场的磁路与稀土钕铁硼永磁体1-8产生的磁场的磁路为串行关系且方向相同，相当于增强了稀土钕铁硼永磁体1-8产生的永磁磁场，更进一步增强了电机的主磁场，即为内定子4上的内直流励磁绕组1-7对电机起二次增磁作用。
弱磁部分：当电机需要较宽的调速范围时，原有的永磁体产生的磁场固定，无法调节，因此这里需要外直流励磁绕组1-6和内直流励磁绕组1-7作用于电机的磁场来实现磁场的减弱。由于外定子1上的外直流励磁绕组1-6产生的电励磁磁场的磁路与永磁磁场的磁路为并列关系，调磁效果相对于内定子4上的内直流励磁绕组1-7更加方便、高效。因此首先通过外定子1上的外直流励磁绕组1-6进行调节，参见图9，对外直流励磁绕组1-6持续通以大小可调的反向直流电时，会产生方向与主磁场方向相反、大小可调的电励磁磁场，该磁场与永磁磁场共同作用，从而减弱了电机的主磁场，即为外定子1上的外直流励磁绕组1-6对电机的一次弱磁；然而由于外直流励磁绕组1-6通以的反向电流大小受到温度、损耗、材料等的限制，继续降低电机磁场时，需要内定子4上的内直流励磁绕组1-7参与进来与外定子1上的外直流励磁绕组1-6共同作用。在图9位置所示的外定子1上的外直流励磁绕组1-6作用的基础上，将图11位置所示的内定子4上的内直流励磁绕组1-7持续通以反向的直流电，该内直流励磁绕组1-7产生的磁场的磁路与稀土钕铁硼永磁体1-8的磁路为串行关系且方向相反，相当于降低了稀土钕铁硼永磁体1-8产生的永磁磁场，更进一步减弱了电机的主磁场，即为内定子4上的内直流励磁绕组1-7对电机的二次弱磁。
本发明电机的外定子1上的外直流励磁绕组1-6和内定子4上的内直流励磁绕组1-7共同作用时，电机可以得到一个更广阔的调磁范围。参见图12，利用有限元仿真得到空载情况，内、外的内直流励磁绕组1-7和外直流励磁绕组1-6共同作用下电枢绕组磁链波动图。内直流励磁绕组1-7和外直流励磁绕组1-6均加载负向励磁电流-30A时，磁链幅值为0.02Wb；直内流励磁绕组1-7和外直流励磁绕组1-6均未加励磁电流时，磁链幅值为0.09Wb；内直流励磁绕组1-7和外直流励磁绕组1-6均加载正向励磁电流30A时，磁链幅值为0.15Wb。若令未加励磁电流时的磁链幅值为基准值1时，则本发明电机的调磁范围为从22.2%到166.7%。可知本发明电机在保证功率密度的前提下，具有更广阔的调磁范围。

Claims (8)

1.一种双端混合励磁型定子分区式磁通切换电机，包括外定子（1）、中间转子（2）和内定子（4），其特征是：外定子（1）的定子轭部内表面沿圆周方向相互交错间隔布置电枢齿（2-1）和励磁齿（2-2），电枢齿（2-1）上绕有电枢绕组（1-5），励磁齿（2-2）上绕有外直流励磁绕组（1-6）；内定子（4）的定子铁心（1-4）上沿圆周方向均匀布置数量与电枢齿（2-1）和励磁齿（2-2）数量相等的内定子槽（1-10），每个内定子槽（1-10）的内侧嵌放一块非稀土铁氧体永磁体（1-9），每个内定子槽（1-10）的外侧放置内直流励磁绕组（1-7），在每两个内定子槽（1-10）之间的定子铁心（1-4）上嵌有一块稀土钕铁硼永磁体（1-8），稀土钕铁硼永磁体（1-8）的外径与非稀土铁氧体永磁体（1-9）的内径相等，稀土钕铁硼永磁体（1-8）的内径与内定子槽（1-10）的内径相等，内定子槽（1-10）的外径与定子铁心（1-4）的外径相等。
2.根据权利要求1所述一种双端混合励磁型定子分区式磁通切换电机，其特征是：中间转子（2）为圆环形，由相互间隔的导磁块（1-2）和非导磁块（1-3）沿圆周方向接合而成，导磁块（1-2）与非导磁块（1-3）的数量相等，等于电机的极对数。
3.根据权利要求2所述一种双端混合励磁型定子分区式磁通切换电机，其特征是：内定子槽（1-10）、电枢齿（2-1）和励磁齿（2-2）的数量均为N s，导磁块（1-2）和非导磁块（1-3）的数量均为N r，，k=1，2，3…。
4.根据权利要求1所述一种双端混合励磁型定子分区式磁通切换电机，其特征是：稀土钕铁硼永磁体（1-8）的位置与励磁齿（2-2）的位置相对齐，稀土钕铁硼永磁体（1-8）径向充磁，相邻的两块稀土钕铁硼永磁体（1-8）的充磁方向相反；非稀土铁氧体永磁体（1-9）的位置与电枢齿（2-1）的位置相对齐，非稀土铁氧体永磁体（1-9）切向充磁，相邻的两块非稀土铁氧体永磁体（1-9）的充磁方向相反。
5.根据权利要求1所述一种双端混合励磁型定子分区式磁通切换电机，其特征是：稀土钕铁硼永磁体（1-8）沿径向充磁方向的厚度为，非稀土铁氧体永磁体（1-9）沿切向充磁方向的厚度为，。
6.根据权利要求1所述一种双端混合励磁型定子分区式磁通切换电机，其特征是：电枢齿（2-1）的极弧角度为β 1，励磁齿（2-2）的极弧角度为β 2，满足β 1>β 2。
7.根据权利要求1所述一种双端混合励磁型定子分区式磁通切换电机，其特征是：外直流励磁绕组（1-6）通正向电流时，产生的磁路与稀土钕铁硼永磁体（1-8）和非稀土铁氧体永磁体（1-9）产生的磁路方向相同，对电机增磁；外直流励磁绕组（1-6）通反向电流时，产生的磁路与稀土钕铁硼永磁体（1-8）和非稀土铁氧体永磁体（1-9）产生的磁路方向相反，对电机弱磁；内直流励磁绕组（1-7）通正向电流时时，产生的磁路与稀土钕铁硼永磁体（1-8）的磁路方向相同，对电机增磁；内直流励磁绕组（1-7）通反向电流时，产生的磁路与稀土钕铁硼永磁体（1-8）的磁路方向相反，对电机弱磁。
8.根据权利要求7所述一种双端混合励磁型定子分区式磁通切换电机，其特征是：外直流励磁绕组（1-6）持续通以大小能调的正向直流电，内直流励磁绕组（1-7）持续通以正向的直流电，对电机二次增磁；外直流励磁绕组（1-6）持续通以大小能调的反向直流电，内直流励磁绕组（1-7）持续通以反向的直流电，对电机二次弱磁。
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