CN107579636A - 一种轴向并列式混合转子电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向并列式混合转子电机，该电机包括定子(1)、永磁转子(2)和磁阻转子(3)；永磁转子(2)和磁阻转子(3)的特征在于空间上两转子处于轴向并列关系，同轴安装，且他们的直轴中轴线之间存在角度偏移；定子(1)设在永磁转子(2)和磁阻转子(3)外部，包括电枢铁心齿(1.1)、定子轭(1.2)和设于电枢铁心齿上的电枢绕组(4)，永磁转子(2)包括表面贴装式钕铁硼永磁(2.1)和转子铁心背轭(2.2)，磁阻转子(3)呈多层磁障式结构，包括转子铁心(3.1)、空气槽(3.2)和导磁桥(3.3)。本发明可以解决传统内置式永磁电机永磁转矩和磁阻转矩分量利用率低的弱点，并通过两转子的直轴偏移实现永磁转矩和磁阻转矩分量在相同内功率因数角达到最大值，以提高转矩密度，且永磁转子安装方便，机械强度高，利于高速运行。

Description

一种轴向并列式混合转子电机
所属领域
本发明涉及一种永磁电机技术，属于混合转子电机技术领域。
背景技术
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM)由于采用较高磁能积的传统稀土永磁材料(如钕铁硼)具有高功率密度、高效率、运行可靠和强过载能力等优势，是电机学科的重要发展方向。得益于稀土永磁材料及电力电子技术的发展，PMSM在中小功率领域大量取代电励磁电机，进而在航空航天、国防、工农业生产以及日常生活的各个领域得到了大规模应用。
内置式PMSM将永磁置于磁阻转子内部，由于其凸极转矩的存在，可实现转矩密度的提升以及恒功率区运行范围的有效拓宽，因此被广泛应用于电动汽车场合，如雪佛兰BOLT、宝马i3、丰田prius等多款车型。众所周知，电动汽车必须使用不仅高效而且轻型的部件，最常规的办法是尽可能减少电动机的尺寸，增大电机的功率重量比。传统的内置式PMSM中永磁转矩和磁阻转矩获得最大值的电流角不同，这导致两者不能被充分利用，从而减小了电机的功率重量比。
近些年来，为了增强电机的功率重量比，美国威斯康辛大学麦迪逊分校的电机学者托马斯.李泊(T.A.Lipo)教授提出了一种磁阻偏移式电机的概念。这种拓扑结构利用在内置式PMSM转子内部设置不对称磁障，使得磁阻中心轴发生偏移，与永磁中心轴同相位，也就是说：永磁转矩和磁阻转矩分量在相同内功率因数角达到最大值，这使得电机的转矩密度得到了进一步提高。然而，这种基本结构的电机的转子结构存在着不足。由于永磁体处于转子内部的开槽内，加工装配工艺较为复杂，且机械强度不高，不适于高速运行；而且内置式永磁电机漏磁较多，永磁利用率有所降低，限制了其在电动汽车等应用场合的应用。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是提供一种轴向并列式混合转子电机，解决电动汽车用传统内置式永磁电机永磁转矩分量和磁阻转矩分量两者达到最大时的内功率因数角不等，利用率不高，转矩密度受限，永磁安装不便，漏磁较大以及机械强度不够等问题。这些问题限制了其在风力发电和电动汽车宽调速驱动场合的应用。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种轴向并列式混合转子电机采用的技术方案是：在定子内该转子电机轴向上同轴设置有永磁转子和磁阻转子，两转子在空间上处于轴向并列设置，且他们的直轴中轴线之间存在角度偏移。
所述的定子设在永磁转子和磁阻转子外部，包括电枢铁心齿、定子轭和设于电枢铁心齿上的电枢绕组，电枢铁心齿设置在定子轭部与转子之间，相邻的电枢铁心齿之间形成内凹的间槽，间槽用于置放缠绕于电枢铁心齿上的电枢绕组。
所述的永磁转子环体沿周向间隔布置有两块以上的钕铁硼永磁体，钕铁硼永磁体表面贴装在转子铁心背轭的外圆周上。
所述的磁阻转子呈多层磁障式结构，即该转子内沿圆周设有多组磁障式结构，每一组由内至外顺次设置有圆弧状空气槽，同心且沿半径方向对称的两条空气槽之间设有导磁桥，用于连接由相邻的转子铁心层。
所述的永磁转子与磁阻转子极对数数目一致，且直轴中轴线之间的偏移夹角αs满足：
αs＝|αPMmax-αSynRMmax| (1)
式中，αPMmax表示永磁转子达到最大转矩的内功率因数角，αSynRMmax表示磁阻转子达到最大转矩的内功率因数角。
所述的永磁转子上的永磁体径向充磁，沿永磁转子周向布置的相邻永磁体极性相反。
有益效果：
1、本电机将传统表贴式永磁电机与同步磁阻电机相结合，空间利用率高，可以通过轴向直轴中心线的错开提升电机永磁转矩和磁阻转矩的利用率，从而进一步提高电机的转矩密度；
2、本电机解决了传统内置式永磁电机永磁安装不便，漏磁大以及机械强度不够等劣势，极大地简化了电机整体结构；
3、本电机解决了传统内置式永磁电机永磁体和磁阻设计难以权衡的问题，使得永磁转矩和磁阻转矩分量可以分别进行设计，提升了设计的空间自由度和永磁利用率；
4、本电机解决了传统内置式电机气隙谐波较多，铁心损耗较大等问题，可以实现反电势的高度正弦，并减少转矩脉动，有利于电动汽车等领域的运行。
附图说明
图1为本发明的电机三维结构示意图，其中箭头方向表示XYZ轴方向；
图2为本发明的电机的两段转子的截面图以及两者直轴中心线的角度偏移；
图3为本发明的电机的转矩分量示意图。
图中有：定子1、永磁转子2、磁阻转子3、电枢绕组4，
定子1包括：电枢铁心齿1.1、定子轭1.2、间槽1.3，
永磁转子2包括：钕铁硼永磁体2.1、转子铁心背轭2.2，
磁阻转子3包括：转子铁心层3.1、圆弧状空气槽3.2、导磁桥3.3。
具体实施方式
本实施例的混合转子电机采用轴向并列的双段转子，两段混合转子共用一个定子，需要保证永磁转子上永磁的极对数和磁阻转子的极对数相等，定子绕组上通以三相交流电以驱动转子进行旋转。两段转子的直轴中轴线具有角度偏差，这使得内置式永磁电机永磁转矩与磁阻转矩分量的利用率不高等问题得到了有效解决，使得电机的转矩密度得到了进一步提升。
所述的定子1设在永磁转子2和磁阻转子3外部，包括电枢铁心齿1.1、定子轭1.2和设于电枢铁心齿上的电枢绕组4，电枢铁心齿1.1设置在定子轭部1.2与转子2之间，相邻的电枢铁心齿1.1之间形成内凹的间槽1.3，间槽1.3用于置放缠绕于电枢铁心齿1.1上的电枢绕组4所述的永磁转子2环体沿周向布置有两块以上的钕铁硼永磁体2.1，钕铁硼永磁体2.1表面贴装在转子铁心背轭2.2的外圆周上。所述的磁阻转子3呈多层磁障式结构，即该转子3内沿圆周设有多组磁障式结构，每一组由内至外顺次设置有圆弧状空气槽3.2，同心且沿半径方向对称的两条空气槽3.2之间设有导磁桥3.3，用于连接由相邻的转子铁心层3.1。所述的永磁转子2与磁阻转子3极对数数目一致，且直轴中轴线之间的偏移夹角αs满足：
αs＝|αPMmax-αSynRMmax| (1)
式中，αPMmax表示永磁转子达到最大转矩的内功率因数角，αSynRMmax表示磁阻转子达到最大转矩的内功率因数角。所述的永磁转子2上的永磁体2.1径向充磁，沿永磁转子2周向布置的相邻永磁体2.1极性相反。
本发明公开的一种轴向并列式混合转子电机的运行原理如下：
对于永磁转子部分，永磁磁通首先从转子永磁的北极到定子电枢齿，再穿过定子背轭，到达转子永磁的南极，形成闭合的旋转磁场；与此同时，电机定子绕组里将通入和转子旋转速度相同的三相交流电，定转子形成的旋转磁场相互作用，从而实现机电能量转换。而对于磁阻转子，通过直轴与交轴磁阻的差异产生转矩驱动，实际运行中通过改变电流角，进行最优转矩寻优，进而获得使得电机稳态运行的最优电流角，同时，电机的输出转矩正比于电感，因而磁路饱和引起的磁阻增大对电机转矩密度影响严重。很多情况下，当电机重载或过载运行时凸极率会因饱和而迅速减小，进而影响转矩密度。因此同步磁阻电机的设计应该增大电机的凸极率同时减小饱和效应。
本发明的分析同样适用于外转子轴向并列式混合转子电机，以上所述仅是本发明的优选实施方式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 (6)

1.一种轴向并列式混合转子电机，其特征是，在定子(1)内该转子电机轴向上同轴设置有永磁转子(2)和磁阻转子(3)，两转子在空间上处于轴向并列设置，且他们的直轴中轴线之间存在角度偏移。
2.根据权利要求1所述的轴向并列式混合转子电机，其特征是，所述的定子(1)设在永磁转子(2)和磁阻转子(3)外部，包括电枢铁心齿(1.1)、定子轭(1.2)和设于电枢铁心齿上的电枢绕组(4)，电枢铁心齿(1.1)设置在定子轭部(1.2)与转子(2)之间，相邻的电枢铁心齿(1.1)之间形成内凹的间槽(1.3)，间槽(1.3)用于置放缠绕于电枢铁心齿(1.1)上的电枢绕组(4)。
3.根据权利要求1所述的轴向并列式混合转子电机，其特征是，所述的永磁转子(2)环体沿周向布置有两块以上的钕铁硼永磁体(2.1)，钕铁硼永磁体(2.1)表面贴装在转子铁心背轭(2.2)的外圆周上。
4.根据权利要求1所述的轴向并列式混合转子电机，其特征是，所述的磁阻转子(3)呈多层磁障式结构，即该转子(3)内沿圆周设有多组磁障式结构，每一组由内至外顺次设置有圆弧状空气槽(3.2)，同心且沿半径方向对称的两条空气槽(3.2)之间设有导磁桥(3.3)，用于连接由相邻的转子铁心层(3.1)。
5.根据权利要求1所述的轴向并列式混合转子电机，其特征是，所述的永磁转子(2)与磁阻转子(3)极对数数目一致，且直轴中轴线之间的偏移夹角αs满足：
αs＝|αPMmax-αSynRMmax| (1)
式中，αPMmax表示永磁转子达到最大转矩的内功率因数角，αSynRMmax表示磁阻转子达到最大转矩的内功率因数角。
6.根据权利要求1所述的轴向并列式混合转子电机，其特征是，所述的永磁转子(2)上的永磁体(2.1)径向充磁，沿永磁转子(2)周向布置的相邻永磁体(2.1)极性相反。
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