CN107769502B - 一种转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机 - Google Patents

一种转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机，属于混合励磁同步电机领域；包括同轴安装的第一定子、转子、第二定子，转子夹于第一定子和第二定子之间，定子由六个E型铁心、六个集中电枢绕组、六个集中励磁绕组构成，转子由十对转子极与十个铝镍钴永磁体组成；本发明电机轴向长度短，结构紧凑，体积小，提高了功率和转矩密度；铝镍钴永磁体放置在转子上，转矩输出能力强，提高了电机过载能力；转矩脉动小，提高了系统的动态和稳态性能，运行更加平稳。电枢反应电抗较小，励磁磁场与永磁磁场呈并联关系，调磁灵活方便；永磁体位于转子上，定子磁路不易饱和，极大拓宽了电机的恒功率调速范围。

Description

一种转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机
技术领域
本发明属于混合励磁同步电机技术领域，具体涉及一种转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机。
背景技术
在1997年欧洲电力电子及应用会议上，法国学者E.Hoang提出了一种定子永磁型三相12/10极磁通切换永磁电机，受到了国内外诸多学者的广泛关注。磁通切换永磁电机采用了双凸极结构，电枢绕组与永磁体均置于定子上，转子既无绕组也无永磁体，具有功率/转矩密度高、效率高、磁链与反电势正弦度高、转子结构简单坚固、散热容易等优点。但磁通切换永磁电机磁场不易调节，为进一步提高该类电机的调磁能力，在2007年的欧洲电力电子及应用会议上，E.Hoang提出了一种混合励磁磁通切换永磁电机，该电机在磁通切换永磁电机基础上添加了一套电励磁绕组，通过改变励磁磁场的大小和方向调节气隙磁场，兼具磁通切换永磁电机和电励磁电机的特点，功率/转矩密度高，转子结构简单，调磁范围宽，高速运行性能好，低速转矩大，散热容易。此外，该电机本身也具有一定的容错能力，既可应用于低速大转矩场合，也可作为高速电机使用，是风力发电和电动汽车等领域的最佳候选。
相对于径向磁场电机，轴向磁场电机具有结构简单紧凑、体积小、功率/转矩密度高、散热方便和转子铁心利用率高等优点，已经成为国内外学者研究的热点。
定子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机的永磁体、电枢绕组与励磁绕组均置于定子上，转子既无永磁体也无绕组，具有结构简单紧凑、功率/转矩密度高、调磁能力较强、转子结构坚固、易于散热冷却等优点，但该类电机过载能力低、输出转矩脉动较大、增磁与弱磁能力仍然不够强，在一定程度上限制了该类电机在输出转矩要求高的领域的应用。
发明内容
本发明目的是提供一种转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机，解决了现有技术中存在的定子永磁型盘式混合励磁磁通切换永磁电机输出转矩脉动大的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机，包括同轴依次安装的第一定子、转子、第二定子，第一定子、第二定子与转子之间均留有气隙，第一定子与第二定子关于转子对称，转子外圆周上等距离设置十对转子极和十个铝镍钴永磁体，每对转子极之间设置一个铝镍钴永磁体，相邻的两个铝镍钴永磁体的极性相反。
本发明的特点还在于：
铝镍钴永磁体的径向长度低于转子极的径向长度，每对转子极与铝镍钴永磁体在径向末端形成转子槽。
第一定子、第二定子均包括由六个E形铁心并构成定子圆盘，相邻的两个E形铁心上均跨绕有集中电枢绕组，每个E形铁心的中间齿上均缠绕有集中励磁绕组。
每两个集中电枢绕组串联构成一相电枢绕组，三相电枢绕组分别顺次序串联或并联构成整个电机的A相、B相、C相电枢绕组。
E形铁心采用非晶合金材料，沿着定子圆盘中心卷绕成盘式结构。
E型铁心采用矩形槽与矩形齿结构。
第一定子、转子、第二定子均为凸极结构。
本发明一种转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机有益效果为：
(1)铝镍钴永磁体从定子上转移至转子上，提高了转矩/功率密度，发挥了转矩输出能力，增强了带载能力，且输出转矩脉动小，提高了系统稳态与动态性能；
(2)铝镍钴永磁体位于转子，沿切向交错充磁，定子磁路不易饱和，并联式混合励磁方式可灵活方便地实现电机的增磁和弱磁运行模式，既可为电动汽车起动或爬坡提供大转矩，也可以满足电动汽车高速巡航要求；
(3)定子采用E型铁心，中间齿提高了电机相与相之间的隔磁能力，增强了电机的容错能力；中间齿上缠绕励磁绕组使得电励磁磁场与永磁磁场是并联关系，永磁体工作点受电枢反应磁场和励磁磁场的扰动很小，可有效避免永磁体退磁和短路问题；
(4)通过合理安排电励磁绕组的空间与比例，可进一步提高电机的转矩密度，同时通过灵活调节电励磁电流和电枢电流，可提高恒功率运行区的范围；
(5)转子槽结构发挥了双凸极结构电机的特点，减少了永磁体用量，在相同条件下，电机可获得较高的气隙磁密，进一步提高了电机功率/转矩密度；
(6)由双定子和单转子组成的双气隙对称结构，可平衡轴向磁拉力；
(7)轴向拓扑结构结构紧凑、长度短、体积小，极大缩短了电机主磁路；且轴向控制灵活，具有独特的聚磁效应。
附图说明
图1是本发明转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机结构示意图；
图2是本发明中转子槽结构示意图；
图3是本发明转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机永磁运行原理图；
图4是本发明转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机增磁运行原理图；
图5是转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机弱磁运行原理图。
图中，1.第一定子，2.转子，3.第二定子，4.E形铁心，5.集中电枢绕组，6.中间齿，7.集中励磁绕组，8.铝镍钴永磁体，9.转子极，10.转子槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机，如图1所示，采用双定子/单转子轴向拓扑结构，包括同轴依次安装的第一定子1、转子2、第二定子3，第一定子1、第二定子3均与转子2之间均留有气隙，第一定子1与第二定子3关于转子2对称，由双定子和单转子组成的双气隙对称结构，可平衡轴向磁拉力，转子2外圆周上等距离设置十对转子极9和十个铝镍钴永磁体8，每对转子极9之间设置一个铝镍钴永磁体8，相邻的两个铝镍钴永磁体8的极性相反。
如图2所示，铝镍钴永磁体8的径向长度低于转子极9的径向长度，每对转子极9与铝镍钴永磁体8在径向末端形成转子槽10，能够减少铝镍钴永磁体8的用量，提高电机过载能力，降低输出转矩脉动。
第一定子1、第二定子3均包括由六个E形铁心4并构成定子圆盘，相邻的两个E形铁心4上均跨绕有集中电枢绕组5，每个E形铁心4的中间齿6上均缠绕有集中励磁绕组7，可缩短端部连接、降低铜耗。
每两个集中电枢绕组5串联构成一相电枢绕组，三相电枢绕组分别顺次序串联或并联构成整个电机的A相、B相、C相电枢绕组。
E形铁心4采用非晶合金材料，沿着定子圆盘中心卷绕成盘式结构，提高电机功率密度和转矩密度，增强电机转矩输出能力。
E型铁心4采用矩形槽与矩形齿结构。
第一定子1、转子2、第二定子3均为凸极结构。
如图3所示，当集中励磁绕组7中通入的直流励磁电流为零时，气隙磁场仅由铝镍钴永磁体8提供，电机运行在永磁励磁模式，转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机等同于转子永磁型轴向磁通切换永磁电机。转子2的一对转子极11和集中电枢绕组5的一个E型定子铁心4相对，根据铝镍钴永磁体8的磁化方向，一半永磁磁通从转子极11的一个极经过第一气隙9穿进第一定子1的E型铁心中间齿6，再穿出第一定子1的齿，经第一气隙9穿进转子2的另一个极构成回路；另一半永磁磁通从转子极11的一个极经过第二气隙10穿进第二定子3的E型铁心中间齿13，再穿出第二定子3的齿，经第二气隙10穿进转子2的另一个极构成回路。
如图4所示，实线为永磁磁通路径，虚线为励磁磁通路径。当第一定子1的励磁绕组7中通入正向直流励磁电流，第二定子3的励磁绕组14通入反向直流励磁电流时，同一电枢绕组5匝链的励磁磁通与永磁磁通方向相同，二者共同形成并增强气隙磁场，电机运行在增磁模式，永磁体位于转子，定子铁心磁路不易饱和，充分发挥电机的转矩输出能力，提高电机过载能力，提供起动和重载运行时所需的大转矩。
当第一定子1的励磁绕组7中通入反向直流励磁电流，第二定子3的励磁绕组14通入正向直流励磁电流时，同一电枢绕组5匝链的励磁磁通与永磁磁通方向相反，励磁磁通和永磁磁通共同形成并削弱气隙磁场，电机运行在弱磁模式，拓宽了恒功率区域范围。永磁磁通与励磁磁通在磁路上呈并联关系，永磁体位于转子，定子铁心磁路不易饱和，容易实现增磁与弱磁，具有宽调磁范围特点。
通过上述方式，本发明一种转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机，解决了现有技术中存在的定子永磁型盘式混合励磁磁通切换永磁电机过载能力低的问题；铝镍钴永磁体位于转子，沿切向交错充磁，定子磁路不易饱和；并联式混合励磁方式可灵活方便地实现电机的增磁和弱磁运行模式，既可为电动汽车起动或爬坡提供大转矩，也可以满足电动汽车高速巡航要求；定子采用E型铁心，中间齿提高了电机相与相之间的隔磁能力，增强了电机的容错能力；中间齿上缠绕励磁绕组使得电励磁磁场与永磁磁场是并联关系，永磁体工作点受电枢反应磁场和励磁磁场的扰动很小，可有效避免永磁体退磁和短路问题；通过合理安排电励磁绕组的空间与比例，可进一步提高电机的转矩密度，同时通过灵活调节电励磁电流和电枢电流，可提高恒功率运行区的范围；转子槽结构发挥了双凸极结构电机的特点，减少了永磁体用量，在相同条件下，电机可获得较高的气隙磁密，进一步提高了电机功率/转矩密度；由双定子和单转子组成的双气隙对称结构，可平衡轴向磁拉力；轴向拓扑结构结构紧凑、长度短、体积小，极大缩短了电机主磁路；且轴向控制灵活，具有独特的聚磁效应。

Claims (4)

1.一种转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机，其特征在于，包括同轴依次安装的第一定子(1)、转子(2)、第二定子(3)，第一定子(1)、第二定子(3)与转子(2)之间均留有气隙，所述第一定子(1)与第二定子(3)关于转子(2)的中心对称，所述转子(2)外圆周上等距离设置十对转子极(9)和十个铝镍钴永磁体(8)，每对所述转子极(9)之间设置一个铝镍钴永磁体(8)，相邻的两个铝镍钴永磁体(8)的极性相反；
所述铝镍钴永磁体(8)的径向长度低于转子极(9)的径向长度，每对所述转子极(9)与铝镍钴永磁体(8)在径向末端形成转子槽(10)；
第一定子(1)、第二定子(3)均包括由六个E形铁心(4)并构成定子圆盘，相邻的两个E形铁心(4)上均跨绕有集中电枢绕组(5)，每个所述E形铁心(4)的中间齿(6)上均缠绕有集中励磁绕组(7)；
每两个所述集中电枢绕组(5)串联构成一相电枢绕组，三相电枢绕组分别顺次序串联或并联构成整个电机的A相、B相、C相电枢绕组；
E形铁心(4)采用非晶合金材料，沿着定子圆盘中心卷绕成盘式结构。
2.如权利要求1所述一种转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机，其特征在于，所述E形 铁心(4)采用矩形槽与矩形齿结构。
3.如权利要求1所述一种转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机，其特征在于，所述第一定子(1)、转子(2)、第二定子(3)均为凸极结构。
4.如权利要求1所述一种转子永磁型混合励磁轴向磁通切换永磁电机，其特征在于，所述第一定子(1)、转子(2)、第二定子(3)均为轴向拓扑结构。
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