CN107579638A - 一种双定子聚磁‑磁阻混合转子电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双定子聚磁‑磁阻混合转子电机，该电机该电机包括外定子(1)、永磁磁阻混合式转子(2)和内定子(3)；外定子(1)和内定子(3)两个定子同轴安装，且他们的同相中轴线存在角度偏移；而转子为聚磁式永磁体(2.1)与多层磁阻磁障(2.2)式结构混合型转子。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，难以折衷设计的弱点，并通过两定子的直轴中心线的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，并充分提升了空间利用率，进一步提高电机的转矩密度。

Description

一种双定子聚磁-磁阻混合转子电机

技术领域

本发明涉及一种永磁电机技术，属于双定子混合转子电机设计的技术领域。

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，这种加附加磁障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，且永磁体机械强度不高，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双定子聚磁-磁阻混合转子电机，结合了聚磁式永磁电机与磁阻电机的优势，解决电传统内置式永磁电机永磁转矩分量和磁阻转矩分量最优电流角存在偏差，不能独立设计，利用率不高，转矩密度受限等问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种双定子聚磁-磁阻混合转子电机，采用的技术方案是，通过偏移内外定子的同相绕组的中轴线，使得混合转子中的永磁转矩和磁阻转矩实现分离；而转子为聚磁式永磁体与多层磁阻磁障式结构共同构成了混合型转子，其中磁阻磁障对永磁磁场还有进一步聚磁的作用，此外，双层定子的设置可充分提高电机的空间利用率，提高转矩密度；

该电机包括外定子、永磁磁阻混合式转子和内定子；外定子和内定子两个定子同轴安装，且他们的同相中轴线存在角度偏移；而转子为聚磁式永磁体与多层磁阻磁障式结构混合型转子。

其中，外定子包括第一电枢铁心齿、第一定子轭和设于第一电枢铁心齿上的第一电枢绕组，相邻的第一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第一电枢绕组，其中外定子第一电枢绕组为分布式设计，即每个绕组线圈跨越过大于1个第一电枢铁心齿。

所述永磁磁阻混合式转子包括聚磁式钕铁硼永磁、多层磁障空气槽、转子铁心和导磁桥，其中聚磁式钕铁硼永磁位于相邻多层磁障空气槽组成的磁阻单元之间。

内定子包括第二电枢铁心齿、第二定子轭和设于第二电枢铁心齿上的第二电枢绕组，第二电枢绕组为集中式设计，即每个绕组线圈均集中式缠绕在每个第二电枢铁心齿上。

永磁磁阻混合式转子沿周向布置有钕铁硼永磁体块数为偶数，钕铁硼永磁体沿切向充磁，相邻两块永磁的充磁方向相反。

所述的聚磁式钕铁硼永磁块数与多层磁阻单元个数数目一致，且两者直轴中轴线之间的夹角α_s满足：

式中，N_r表示转子极数。

所述的第二电枢绕组A相轴线与第一电枢绕组A相轴线之间存在偏移，其夹角α_w满足：

式中，N_r表示转子极数。

有益效果：

1、本电机通过内外定子A相绕组中心线的错开实现电机永磁转矩和磁阻转矩的分离设计，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进行单独设计，提升了设计的空间自由度和永磁利用率；

2、本电机双定子的结构设计可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；

3、本电机解决了传统内置式电机铁心饱和，损耗较大等问题，并在保证一定转矩输出情况下减少永磁用量，有利于电动汽车等领域的运行。

4、本电机解决了传统双定子电机内外磁路耦合的问题，饱和过于严重的问题，可以灵活控制两套绕组电枢电流的大小和相位，实现调速范围的扩展。

5、本电机多层磁障可以起到对切向充磁的永磁体聚磁的作用，将永磁磁通推入内定子，以进一步提高电机的转矩密度。

附图说明

图1为本发明的电机的截面图；

图2为本发明的电机内外定子部分A相中心线错开角度示意图；

图3为本发明的电机转子永磁和磁阻直轴中心线错开角度示意图。

图中有：外定子1、永磁磁阻混合式转子2、内定子3、电枢绕组4；

外定子1包括第一电枢铁心齿1.1、第一定子轭1.2、间槽1.3、第一电枢绕组4.1；

永磁磁阻混合式转子2包括聚磁式钕铁硼永磁2.1、多层磁障空气槽2.2、转子铁心2.3、导磁桥2.4。

内定子3包括第二电枢铁心齿3.1、第二定子轭3.2、第二电枢绕组4.2。

具体实施方式

本实施例的双定子聚磁-磁阻混合转子电机，结构类似于传统双定子电机，两定子为同轴安装，转子结构类似于传统内置式永磁电机，为空心杯状结构，但不同点在于：转子巧妙地对聚磁式永磁体和多层磁障式磁阻部分进行设计，并通过内外定子A相绕组中心线的错开实现电机永磁转矩和磁阻转矩的分离设计，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进行单独设计，提高了设计的空间自由度和永磁利用率，进一步提升了电机的转矩密度；

该电机包括外定子1、永磁磁阻混合式转子2和内定子3；外定子1和内定子3两个定子同轴安装，且他们的同相中轴线存在角度偏移；而转子为聚磁式永磁体2.1与多层磁阻磁障2.2式结构混合型转子。

所述的双定子聚磁-磁阻混合转子电机，外定子1包括第一电枢铁心齿1.1、第一定子轭1.2和设于电枢铁心齿上的第一电枢绕组4.1，相邻的第一电枢铁心齿1.1之间形成内凹的间槽1.3，间槽1.3用于置放缠绕于第一电枢铁心齿1.1上的第一电枢绕组4.1，其中外定子第一电枢绕组为分布式设计，即每个绕组线圈跨越过大于1个第一电枢铁心齿1.1；

永磁磁阻混合式转子2包括聚磁式钕铁硼永磁2.1、多层磁障空气槽2.2、转子铁心2.3和导磁桥2.4，其中聚磁式钕铁硼永磁2.1位于相邻多层磁障空气槽2.2组成的磁阻单元之间。内定子3包括第二电枢铁心齿3.1、第二定子轭3.2和设于电枢铁心齿上的第二电枢绕组3.2，第二电枢绕组4.2为集中式设计，即每个绕组线圈均集中式缠绕在每个第二电枢铁心齿3.1；永磁磁阻混合式转子2沿周向布置有聚磁式钕铁硼永磁2.1块数为偶数，聚磁式钕铁硼永磁2.1沿切向充磁，相邻两块永磁的充磁方向相反；

本发明公开的一种双定子聚磁-磁阻混合转子电机的运行原理如下：

对于永磁励磁部分，永磁磁通首先从转子永磁的北极到内定子电枢齿，再穿过内定子背轭，到达转子永磁的南极，形成闭合的旋转磁场；与此同时，电机内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。而对于磁阻部分，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外定子电枢绕组的电流角，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。因此，本发明可在减少磁阻饱和的情况下使得电机的转矩密度得到了进一步提升。

所述的磁阻空气槽2.2可按设计要求设计为单层磁障式结构，即该转子2内沿圆周设有单层磁障式结构，同样可以实现对永磁体的聚磁效果，并提供转子的磁阻转矩。

本发明的分析同样适用于内定子使用分布绕组，提供磁阻转矩，外定子采用集中绕组，提供永磁转矩的结构形式。

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 (7)

1.一种双定子聚磁-磁阻混合转子电机，其特征在于，该电机包括外定子(1)、永磁磁阻混合式转子(2)和内定子(3)；外定子(1)和内定子(3)两个定子同轴安装，且他们的同相中轴线存在角度偏移；而转子为聚磁式永磁体(2.1)与多层磁阻磁障(2.2)式结构混合型转子。

2.根据权利要求1所述的双定子聚磁-磁阻混合转子电机，其特征在于，外定子(1)包括第一电枢铁心齿(1.1)、第一定子轭(1.2)和设于第一电枢铁心齿(1.1)上的第一电枢绕组(4.1)，相邻的第一电枢铁心齿(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)上的第一电枢绕组(4.1)，其中外定子第一电枢绕组(4.1)为分布式设计，即每个绕组线圈跨越过大于1个第一电枢铁心齿(1.1)。

3.根据权利要求1所述的双定子聚磁-磁阻混合转子电机，其特征在于，所述永磁磁阻混合式转子(2)包括聚磁式钕铁硼永磁(2.1)、多层磁障空气槽(2.2)、转子铁心(2.3)和导磁桥(2.4)，其中聚磁式钕铁硼永磁(2.1)位于相邻多层磁障空气槽(2.2)组成的磁阻单元之间。

4.根据权利要求1所述的双定子聚磁-磁阻混合转子电机，其特征在于，内定子(3)包括第二电枢铁心齿(3.1)、第二定子轭(3.2)和设于第二电枢铁心齿上的第二电枢绕组(4.2)，第二电枢绕组(4.2)为集中式设计，即每个绕组线圈均集中式缠绕在每个第二电枢铁心齿(3.1)上。

5.根据权利要求1或3所述的双定子聚磁-磁阻混合转子电机，其特征在于，永磁磁阻混合式转子(2)沿周向布置有钕铁硼永磁体(2.1)块数为偶数，钕铁硼永磁体(2.1)沿切向充磁，相邻两块永磁的充磁方向相反。

6.根据权利要求3所述的双定子聚磁-磁阻混合转子电机，其特征是，所述的聚磁式钕铁硼永磁(2.1)块数与多层磁阻单元个数数目一致，且两者直轴中轴线之间的夹角α_s满足：

<mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>r</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，N_r表示转子极数。

7.根据权利要求1所述的双定子聚磁-磁阻混合转子电机，其特征是，所述的第二电枢绕组(4.2)A相轴线与第一电枢绕组(4.1)A相轴线之间存在偏移，其夹角α_w满足：

<mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>w</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <msub> <mi>N</mi> <mi>r</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，N_r表示转子极数。