CN107276356B - 一种轴向磁通无刷混合励磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向磁通无刷混合励磁电机，包括电枢定子铁芯、电枢绕组、内爪极、外爪极、永磁体、转子框架、励磁定子铁芯、励磁绕组等。电枢定子铁芯为盘状单侧开槽结构，与端盖相连，其槽内嵌有电枢绕组；转子是由导磁的内、外爪极以及永磁体嵌放在不导磁的转子框架中，与转轴共同构成旋转结构；下定子由两个不同半径铁芯和绕在两者中间的环状励磁绕组构成，端盖与环状铁芯共同构成电励磁磁路的一部分。本发明由于永磁磁路与电励磁磁路相互并联，在调节磁场的过程中永磁体不存在退磁的风险，磁场调节能力强、范围大；轴向磁通的结构适合于安装空间有特殊要求的场合；特殊的磁路结构省去了电刷部件，使得电机结构可靠，使用寿命长。

Description

一种轴向磁通无刷混合励磁电机

技术领域

本发明属于混合励磁电机领域，更具体地，涉及一种电枢绕组与励磁绕组在定子上，永磁体在转子上，磁通沿轴向，无需电刷的混合励磁电机。

背景技术

随着永磁体性能的提升，永磁电机得到了广泛的应用，但是同时也带来了一些问题。仅使用永磁体提供励磁的电机，作为电动机运行时，其端电压会随着转速升高，当端电压超过直流母线电压时电机将不能正常工作，因此需要相应的弱磁控制使电机适合高速运行，控制复杂，损耗大；作为发电机运行时，由于电机内电抗的影响，输出端电压随着负载的改变而变化，输出电压不稳定。

混合励磁电机具有额外的励磁绕组用于调节气隙磁场，克服了上述困难，使得电机在低速大转矩和高速弱磁下有良好的性能。但一般混合励磁的电机结构存在电刷结构，降低了可靠性，同时永磁体在励磁绕组的影响下可能有退磁的风险。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明提供了一种轴向磁通无刷混合励磁电机，以提升电机在低速大转矩和高速弱磁状态下的性能，解决现有技术电机中电刷结构可靠性差、永磁体在励磁绕组的影响下容易退磁技术问题。

本发明提出的一种轴向磁通无刷混合励磁电机，包括电枢定子铁芯(1)、电枢绕组(2)、内爪极(3)、外爪极(4)、永磁体(5)、转子框架(6)、励磁定子铁芯(7)、励磁绕组(8)、转轴(9)和端盖(11)；其中：

所述电枢定子铁芯(1)为环形结构，其一面开设有多个径向槽，各径向槽结构相同且呈圆对称分布，用于设置电枢绕组(2)；电枢定子铁芯(1)开槽面朝向工作气隙，非开槽面与端盖(11)固定相连；所述电枢绕组(2)嵌放在电枢定子铁芯(1)槽内；

所述励磁定子铁芯(7)包括两个圆心相同、半径不同的圆环，内外圆环之间的环形空间设置有励磁绕组(8)，励磁绕组(8)用于产生轴向励磁磁场；励磁定子铁芯(7)的一面与端盖(11)连接固定；所述端盖(11)为圆盘状结构，中间开孔用于设置转轴(9)；励磁定子铁芯(7)另一面朝向转子并留有间距；

所述转子包括内爪极(3)、外爪极(4)、永磁体(5)、转子框架(6)和转轴(9)；内、外爪极(3、4)为嵌入转子框架(6)中的铁芯，内、外爪极(3、4)绕转子框架(6)交错间隔设置；内爪极(3)靠转轴一端铁芯较厚、靠机壳一端铁芯较薄；外爪极(4)靠转轴一端铁芯较薄，靠机壳一端铁芯较厚，内、外爪极(3、4)为反对称结构；通过爪极厚度的改变使得其在不同位置与励磁铁芯的磁阻不同，因为磁路优先通过磁阻小的部分，所以励磁铁芯内环的磁通经过内爪极，励磁铁芯外环的磁通经过外爪极，使得内、外爪极N、S产生交替极性；永磁体(5)设在每个相邻的内、外爪极之间；内、外爪极(3、4)、永磁体(5)均嵌合在所述转子框架(6)中，通过转子框架和转轴(9)相连，共同构成转子整体；

所述转子嵌有内爪极(3)、外爪极(4)和永磁体(5)的一面朝向电枢定子铁芯(1)并留有工作气隙，另一面与励磁定子铁芯(7)相对并留有间距；转子面覆盖了励磁定子铁芯的内环和外环；转子上边间隔工作气隙为电枢定子铁芯；下部间隔非工作气隙为励磁定子铁芯。

优选地，2、根据权利要求1所述的轴向磁通无刷混合励磁电机，其特征在于，内外爪极(3、4)沿周向的投影为矩形与梯形的组合，梯形的下底与矩形相连；对于内爪极(3)，梯形的上底朝向机壳一侧，下底朝向转轴一侧；对于外爪极(4)，梯形的上底朝向转轴一侧，下底朝向机壳一侧；矩形所在一端为爪极的较厚一端，梯形所在一端为爪极较薄一端；内外爪极(3、4)沿轴向的投影为扇环形，靠近电枢定子铁芯(1)一侧的表面为扇环形平面，靠近励磁定子铁芯(7)一侧的面为平面与斜面的组合，对于内爪极(3)，靠近励磁定子铁芯(7)侧的平面与励磁定子铁芯(7)内环表面相对，斜面用于拉开内爪极(3)与励磁定子铁芯(7)外环间距离，使得磁路不从该处经过，对于外爪极(4)，靠近励磁定子铁芯(7)一侧的平面与励磁定子铁芯(7)外环表面相对，斜面用于拉开外爪极(4)与励磁定子铁芯内环间距离，使得磁路不从该处经过。

优选地，所述电枢绕组(2)为三相双层分布式绕组，嵌放在电枢定子铁芯(1)槽内，励磁绕组(8)为多匝环绕，嵌放在励磁定子铁芯(8)内外环状铁芯间。

优选地，所述永磁体(5)采用周向充磁的充磁方式，每个内爪极或外爪极两侧的永磁体充磁方向相反。

优选地，所述内爪极(3)和外爪极(4)采用软磁材料整体模压成型。

优选地，所述轴向磁通无刷混合励磁电机中，位于转子框架中心轴是转轴，转轴与转子框架是整体结构。

优选地，所述的轴向磁通无刷混合励磁电机，还包括机壳(10)，其设与端盖(11)结合，用于将电机包覆。

本发明在轴向磁通无刷混合励磁电机在混合励磁电机的基础上，更进一步对磁路进行了特殊的设计，巧妙地利用爪极结构将励磁绕组从转子上分离，达到了无刷的目的。同时，并联设置电励磁磁路和永磁磁路，使在调节电励磁大小的时候不会导致永磁体工作点的变化，所以在整个调节范围内永磁体不会退磁，调节范围大。此外，所用爪极结构优选采用软磁复合材料制成，不同于常规的硅钢片，其可以通过模压成型的方式制成特殊的形状，同时也具有涡流损耗小的特点，适合于用在转子上。

本发明的有益效果体限在：

(1)采用特殊的交替的爪极转子结构，以及爪极间安放永磁体的方式，使得电励磁绕组可以安放在定子上，实现无刷的混合励磁方式。

(2)采用混合励磁的励磁方式，以永磁体为主、电励磁辅助的形式，调节气隙磁场，使得电机在低速大转矩和高速弱磁状态下有良好的工作特性；

(3)电励磁磁路与永磁磁路为并联的关系，在电励磁进行调节的时候永磁体不存在退磁的风险，电机磁场调节范围大，调节能力强；

(4)将励磁绕组设计在定子上，转子上只有永磁体，省去了电刷结构，提高了电机的可靠性和使用寿命，减小了其故障率；

(5)励磁绕组和电枢绕组分别位于两侧的定子上，将热源分开，利于散热。

(6)轴向磁通的磁路使得电机形状扁平，适合安装于空间有限的特殊场合。

附图说明

图1为电机整体的结构图；

图2为电枢定子铁芯及电枢绕组结构图；

图3为励磁定子铁芯，励磁绕组及下端盖结构图；

图4为转子结构图；

图5为内爪极结构图，其中(a)为立体图，(b)为主视图，(c)为左视图，(d)为俯视图；

图6为外爪极结构图，其中(a)为立体图，(b)为主视图，(c)为左视图，(d)为俯视图；

图7为不同励磁电流下气隙磁密；

图8为额定励磁电流下电磁转矩；

图中：1、电枢定子铁芯；2、电枢绕组；3、内爪极；4、外爪极；5、永磁体；6、转子框架；7、励磁定子铁芯；8、励磁绕组；9、转轴；10、机壳；11、端盖。

具体实施方式

为了更清晰地阐明本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不限定本发明。此外，只要本发明各个实施方案方式中所涉及到的技术特征彼此之间未构成矛盾就可以相互组合。

本发明的工作原理与常规同步电机相同，区别在于特殊的励磁磁路结构：永磁体磁路的磁动势来自永磁体，磁力线从永磁体出发沿周向进入爪极，再从爪极经过气隙进入电枢定子铁芯，从铁芯再经过对称的磁路回到永磁体闭合；电励磁磁路的磁动势来自励磁绕组，磁力线从励磁定子铁芯出发，经过非工作气隙进入爪极，再从爪极经过工作气隙进入电枢定子铁芯，磁力线再对称地依次经过工作气隙、另一个爪极，回到电枢定子铁芯，电枢定子铁芯内外圈的磁力线经过下侧端盖闭合形成磁路。这样分别以内、外爪极形成了交替的N、S磁场，与电枢绕组作用实现能力转换，同时电励磁的磁路不经过永磁体，在调节电励磁时不会影响永磁体的工作点。

图1为电机整体的结构图。如图所示：本发明中电机有上下两侧两个定子，两个定子结构不相同，为了区分，一个叫做电枢定子，一个叫做励磁定子，电枢定子的铁芯叫电枢定子铁芯，励磁定子的铁芯叫励磁定子铁芯。电枢绕组与励磁磁场作用，产生转矩，实现电机功能。电枢定子铁芯与转子间隔有工作气隙，励磁定子铁芯与转子间隔有非工作气隙。

图2为电枢绕组定子铁芯及电枢绕组结构图，其整体与常规盘式电机单侧定子结构相似，铁芯通过硅钢片卷绕而成，在其单侧开槽，电枢绕组以一定规律嵌放在铁芯槽内，这里采用三相双层分布式绕组。电枢定子通过未开槽的一侧固定在上侧端盖上。

图3为励磁绕组铁芯、励磁绕组及下侧端盖，励磁绕组铁芯同样通过硅钢片卷绕而成，分为内圈铁芯和外圈铁芯，两者都固定在下侧端盖上，端盖由导磁的钢制成。由于交变的磁场主要集中在励磁绕组铁芯靠近非工作气隙的一侧，所以虽然端盖作为磁路的一部分，但是磁通交变较小，可以采用钢直接制成，不会产生较大涡流损耗。励磁绕组由多匝导线绕制成型后，嵌放进励磁铁芯内圈和外圈中间。

图4为转子结构图，包括内、外爪极、永磁体、转子框架和转轴。内爪极与外爪极的立体图与三视图分别描绘在图5与图6中。内、外爪极为一端厚一端薄周向投影为矩形与梯形组合的结构，内爪极侧面矩形朝下的一边与励磁绕组铁芯内环相对，外爪极侧面矩形朝下的一边与励磁绕组铁芯外环相对，内外爪极侧面矩形朝上的一边和梯形朝上的一边与电枢定子铁芯相对。通过爪极厚度的改变使得其在不同位置与励磁铁芯的磁阻不同，因为磁路优先通过磁阻小的部分，所以励磁铁芯内环的磁通经过内爪极，励磁铁芯外环的磁通经过外爪极，使得内、外爪极N、S交替极性。对于电励磁磁路，内、外爪极的作用是将励磁定子内圈铁芯的磁通通入电枢定子铁芯，所以其下面与励磁定子铁芯内、外圈相对，间隔一个非工作气隙，上面与电枢定子铁芯相对，间隔一个工作气隙；对于永磁磁路，内、外爪极的作用是将侧面永磁体的磁通通入电枢定子铁芯，其侧面与永磁体连接。永磁体与爪极沿转子周向交替安放，沿周向充磁，同一爪极两侧永磁体充磁方向不同。转子框架上有与爪极和永磁体形状贴合的槽，爪极和永磁体可以直接嵌入转子框架进行固定安装，转子框架再与转子连接，构成整个旋转结构。

图7横坐标为极距，纵坐标为气隙磁密，励磁绕组安匝数在±3141A内调节。气隙磁密幅值可以从0.3T调节到1.2T，具有较宽的调磁范围。气隙磁场成N、S极交替分布。图8为额定工况下两个电周期内电机输出的转矩随时间变化曲线，均值为15.5Nm，证明了发明方案的可行性。

机壳连接固定上下侧两个端盖，由于电枢定子和励磁定子固定在端盖上，所以机壳连接了整个电机的定子结构，与转子框架为主的旋转结构共同构成电机。电枢绕组和励磁绕组都在定子上，引线可直接由端盖引出，无需电刷。电机的气隙磁通方向为轴向，绕组沿径向放置，使得电机结构扁平，易于安装在空间受限的场合。

仿真分析及样机实验证明，本发明所述的轴向磁通无刷混合励磁电机，可以做到磁场调节范围大、永磁体不易退磁、无刷结构可靠、绕组位于两侧定子上易于散热等诸多优势。在混合励磁电机领域有良好的前景。

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)

1.一种轴向磁通无刷混合励磁电机，其特征在于，包括电枢定子铁芯(1)、电枢绕组(2)、内爪极(3)、外爪极(4)、永磁体(5)、转子框架(6)、励磁定子铁芯(7)、励磁绕组(8)、转轴(9)和端盖(11)；其中：

所述电枢定子铁芯(1)为环形结构，其一面开设有多个径向槽，各径向槽结构相同且呈圆对称分布，用于设置电枢绕组(2)；电枢定子铁芯(1)开槽面朝向工作气隙，非开槽面与端盖(11)固定相连；所述电枢绕组(2)嵌放在电枢定子铁芯(1)槽内；

所述励磁定子铁芯(7)包括两个圆心相同、半径不同的圆环，内外圆环之间的环形空间设置有励磁绕组(8)，励磁绕组(8)用于产生轴向励磁磁场；励磁定子铁芯(7)的一面与端盖(11)连接固定；所述端盖(11)为圆盘状结构，中间开孔用于设置转轴(9)；励磁定子铁芯(7)另一面朝向转子并留有间距；

所述转子包括内爪极(3)、外爪极(4)、永磁体(5)、转子框架(6)和转轴(9)；内、外爪极(3、4)为嵌入转子框架(6)中的铁芯，内、外爪极(3、4)绕转子框架(6)交错间隔设置；内爪极(3)靠转轴(9)一端铁芯较厚、另一端铁芯较薄；外爪极(4)靠转轴一端铁芯较薄，靠机壳一端铁芯较厚，内、外爪极(3、4)为反对称结构；永磁体(5)设在每个相邻的内、外爪极之间；内、外爪极(3、4)、永磁体(5)均嵌合在所述转子框架(6)中，通过转子框架和转轴(9)相连，共同构成转子；

所述转子嵌有内爪极(3)、外爪极(4)和永磁体(5)的一面朝向电枢定子铁芯(1)并留有工作气隙，另一面与励磁定子铁芯(7)相对并留有间距。

2.根据权利要求1所述的轴向磁通无刷混合励磁电机，其特征在于，内爪极(3)、外爪极(4)沿周向的投影为矩形与梯形的组合，梯形的下底与矩形相连；对于内爪极(3)，梯形的上底朝向机壳一侧，下底朝向转轴一侧；对于外爪极(4)，梯形的上底朝向转轴一侧，下底朝向机壳一侧；内爪极(3)、外爪极(4)沿轴向的投影为扇环形，靠近电枢定子铁芯(1)一侧的表面为扇环形平面，靠近励磁定子铁芯(7)一侧的面为平面与斜面的组合；对于内爪极(3)，靠近励磁定子铁芯(7)侧的平面与励磁定子铁芯(7)内环表面相对，斜面用于拉开内爪极(3)与励磁定子铁芯(7)外环间距离，使得磁路不从励磁定子铁芯(7)外环经过；对于外爪极(4)，靠近励磁定子铁芯(7)一侧的平面与励磁定子铁芯(7)外环表面相对，斜面用于拉开外爪极(4)与励磁定子铁芯内环间距离，使得磁路不从励磁定子铁芯内环经过。

3.根据权利要求1所述的轴向磁通无刷混合励磁电机，其特征在于，电枢绕组(2)为三相双层分布式绕组，嵌放在电枢定子铁芯(1)槽内，励磁绕组(8)为多匝环绕，嵌放在励磁定子铁芯(8)内外环状铁芯间。

4.根据权利要求1所述的轴向磁通无刷混合励磁电机，其特征在于，永磁体(5)采用周向充磁的充磁方式，每个内爪极或外爪极两侧的永磁体充磁方向相反。

5.根据权利要求1或2所述的轴向磁通无刷混合励磁电机，其特征在于，内爪极(3)和外爪极(4)采用软磁材料整体模压成型。

6.根据权利要求1或2所述的轴向磁通无刷混合励磁电机，其特征在于，还包括机壳(10)，其与端盖(11)结合，用于将电机包覆。