CN107959365A - 磁通可调型磁齿轮复合电机 - Google Patents

磁通可调型磁齿轮复合电机 Download PDF

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Abstract

磁通可调型磁齿轮复合电机，涉及混合励磁复合电机领域。解决了混合励磁电机输出转矩小问题。本发明的杯型转子作为调磁环，来调节其与内定子、以及与外定子间的磁场；外定子包括外定子铁芯、外定子永磁体和外定子直流励磁绕组；外定子铁芯的内侧壁的周向均匀设有外定子齿；外定子齿上缠绕有外定子直流励磁绕组，且外定子直流励磁绕组用于通入直流励磁脉冲；外定子永磁体设置在相邻的两个外定子齿之间，且与其相邻的两个外定子齿间存在间隙；外定子永磁体径向充磁。本发明主要应用在电动汽车上。

Description

磁通可调型磁齿轮复合电机
技术领域
本发明涉及混合励磁复合电机领域。
背景技术
随着稀土永磁材料性能的不断提高，以高效率、高功率密度为显著特征的永磁电机得以快速发展，在航空、航天、舰船、汽车、机床等很多工业领域获得广泛应用，不仅显著地加快了我国实现工业现代化的步伐，而且有效地促进了我国节能减排战略目标的实现。
传统永磁电机的气隙磁场很难调节，这导致电动运行时，恒功率区较窄，调速范围有限；发电运行时，电压调节和故障灭磁困难。当需要弱磁时，通常施加持续的d轴弱磁电流来削弱气隙磁场，此时永磁体易发生不可逆退磁，极大地限制了永磁电机在电动汽车、高速电机和飞轮储能等领域的应用。为此，如何实现永磁电机的气隙磁场调节成为近年来电机领域的一个研究热点。
比较可行的方案是采用混合励磁技术，它是在永磁电机的基础上引入电励磁，通过调节电励磁电流的大小和方向来实现电机气隙磁通的调节，具有调磁方便、效率高等优点。混合励磁电机的主要特点是永磁体产生的磁场和电励磁绕组产生的磁场共同影响电机的气隙磁场并且利用励磁电流可调的优势对气隙磁密大小进行灵活的调节。混合励磁电机同时克服了永磁电机磁场调节困难以及电励磁电机功率因数低的缺点，使得电机具有体积小、结构紧凑、功率因数高、磁场调节方便等优点，但仍然存在输出转矩小的问题。
发明内容
本发明是为了解决混合励磁电机输出转矩小问题，本发明提供了一种磁通可调型磁齿轮复合电机。
磁通可调型磁齿轮复合电机，包括内定子、外定子和杯型转子，三者同轴设置，并位于机壳内，杯型转子位于内定子和外定子之间；
内定子固定在机壳前端盖的延伸基座上，内定子上缠绕有内定子电枢绕组；
内定子和杯型转子间、杯型转子与外定子间均存在气隙；
杯型转子固定在主轴上，且主轴贯穿于机壳的前后端盖、及杯型转子的底端，并与机壳的前后端盖转动连接，与杯型转子的底端固定连接；
杯型转子作为调磁环，来调节其与内定子、以及与外定子间的磁场；
外定子固定在机壳上；
外定子包括外定子铁芯、外定子永磁体和外定子直流励磁绕组；
外定子铁芯的内侧壁的周向均匀设有外定子齿；
外定子齿上缠绕有外定子直流励磁绕组，且外定子直流励磁绕组用于通入直流励磁脉冲；
外定子永磁体设置在相邻的两个外定子齿之间，且与其相邻的两个外定子齿间存在间隙；外定子永磁体径向充磁。
优选的是，杯型转子的侧壁由导磁块和非导磁块相间排列构成。
优选的是，所述外定子齿的个数与外定子永磁体的个数相同均为N，N为整数；
内定子通电运行时，产生的旋转磁场的极对数为P1，P1为整数；
外定子上的外定子永磁体形成的磁场的极对数为P2，P2为整数；
满足条件：P2＝|m P1+kN|，其中，m＝1，3，5，…，+∞；k＝0，±1，±2，…，±∞。
优选的是，所述外定子铁芯及其上的外定子齿一体成型，且均为硅钢片。
优选的是，外定子齿上的磁力线方向和外定子永磁体上的磁力线方向相反。
本发明带来的有益效果是，通过外定子齿上缠绕有外定子直流励磁绕组产生的电励磁磁场，来调节外定子永磁体产生的永磁磁场，最终改变气隙磁场强度，电励磁磁场直接作用在气隙中的永磁磁场上，由于外定子永磁体的永磁体利用率高，从而使其杯型转子的输出转矩得以提升，杯型转子输出转矩的性能提高了20％以上，很好的满足了电动汽车等直接驱动场合的要求。
同时与传统的并联式混合励磁符合电机相比较，本发明所述电机的结构相较简单，永磁部分和电励磁部分可以共用一个外定子，永磁体设置在相邻的两个外定子齿之间，永磁体的用量少，且其利用率大大提高，励磁绕组缠绕在外定子上，可以很好地实现了无刷化，若内定子上电枢绕组发生短路故障时，通过调节外定子上的励磁电流来抵消永磁部分产生的磁场，实现电机电枢绕组短路故障时高效灭磁。
杯型转子作为调磁环，来调节其与内定子、以及与外定子间的磁场；能够实现高速电机的控制和系统的低速大转矩输出，在电动汽车领域具有重要应用价值。
附图说明
图1为磁通可调型磁齿轮复合电机的主剖视图；
图2为磁通可调型磁齿轮复合电机的径向剖视图；
图3为内定子1的径向剖视图；
图4为外定子2的径向剖视图；
图5为杯型转子3侧壁的径向剖视图；
图6为外定子齿2-1-1上的磁力线和外定子永磁体2-2上的磁力线的方向图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述磁通可调型磁齿轮复合电机，包括内定子1、外定子2和杯型转子3，三者同轴设置，并位于机壳4内，杯型转子3位于内定子1和外定子2之间；
内定子1固定在机壳4前端盖的延伸基座5上，内定子1上缠绕有内定子电枢绕组1-1；
内定子1和杯型转子3间、杯型转子3与外定子2间均存在气隙；
杯型转子3固定在主轴6上，且主轴6贯穿于机壳4的前后端盖、及杯型转子3的底端，并与机壳4的前后端盖转动连接，与杯型转子3的底端固定连接；
杯型转子3作为调磁环，来调节其与内定子1、以及与外定子2间的磁场；
外定子2固定在机壳4上；
外定子2包括外定子铁芯2-1、外定子永磁体2-2和外定子直流励磁绕组2-3；
外定子铁芯2-1的内侧壁的周向均匀设有外定子齿2-1-1；
外定子齿2-1-1上缠绕有外定子直流励磁绕组2-3，且外定子直流励磁绕组2-3用于通入直流励磁脉冲；
外定子永磁体2-2设置在相邻的两个外定子齿2-1-1之间，且与其相邻的两个外定子齿2-1-1间存在间隙；外定子永磁体2-2径向充磁。
本实施方式中，外定子永磁体2-2与缠有外定子直流励磁绕组2-3的外定子齿2-1-1沿内圆圆周方向交替排列，若外定子铁芯2-1的内圆表面沿圆周方向均布N个外定子永磁体2-2，永磁体的充磁方式为径向充磁，内圆表面缠有外定子直流励磁绕组2-3的外定子齿2-1-1有N个，由于外定子永磁体2-2的磁力线经过外定子齿2-1-1，形成类似于永磁体的磁极，与外定子永磁体2-2共同作用在电机的外气隙产生N对极磁场。外定子直流励磁绕组2-3通过加直流电流对外定子齿2-1-1进行充磁弱磁，达到改变电机磁场的目的。
调磁环转子输出轴6和内定子输出轴的轴线重合，与外定子4和内定子5之间均通过径向气隙隔开。
永磁部分和电励磁部分可以共用一个外定子，与现有技术中使用分开的两个外定子比较，一个外定子用于固定励磁绕组，另一个外定子用于固定永磁体；电机的过载能力提高，并且结构简单，安装方便，同时，永磁体可采用C型结构，使其用量再次减少，电机制造成本大幅度降低情况下，电机输出转矩性能基本不受影响。
具体实施方式二：参见图1至6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的磁通可调型磁齿轮复合电机的区别在于，杯型转子3的侧壁由导磁块3-1和非导磁块3-2相间排列构成。
具体实施方式三：参见图1至6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的磁通可调型磁齿轮复合电机的区别在于，所述外定子齿2-1-1的个数与外定子永磁体2-2的个数相同均为N，N为整数；
内定子1通电运行时，产生的旋转磁场的极对数为P1，P1为整数；
外定子2上的外定子永磁体2-2形成的磁场的极对数为P2，P2为整数；
满足条件：P2＝|m P1+kN|，其中，m＝1，3，5，…，+∞；k＝0，±1，±2，…，±∞。
本实施方式中，当m＝1，k＝-1时，经调磁环(即：杯型转子3)调制后的气隙谐波磁场最强，此时，磁场空间谐波旋转速度为可得定子磁场转速n1与转子转速n比即传动比Gr为：其中Ωs为调磁环转速。
内定子电枢绕组1-1通电后产生的高速旋转磁场经调磁环调制，在气隙中产生了与转子磁极数目相同的多极低速磁场，此谐波磁场与永磁磁极相互配合，完成大转矩输出。
例如：内定子1上有36个定子槽，通以三相对称电流，在内气隙形成三对极旋转磁场，导磁块3-1个数为19个，外定子永磁体2-2的块数为16，且径向充磁，与外定子2上的外定子齿2-1-1共同构成16对磁极气隙磁场。
具体实施方式四：参见图1至6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的磁通可调型磁齿轮复合电机的区别在于，所述外定子铁芯2-1及其上的外定子齿2-1-1一体成型，且均为硅钢片。
具体实施方式五：参见图1至6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一至四之一所述的磁通可调型磁齿轮复合电机的区别在于，外定子齿2-1-1上的磁力线方向和外定子永磁体2-2上的磁力线方向相反。
本实施方式中相邻的一个外定子齿2-1-1上的磁力线和一个外定子永磁体2-2上的磁力线，共同构成气隙磁场中的一对磁极。
本发明所述磁通可调型磁齿轮复合电机的结构不局限于上述各实施方式所记载的具体结构，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。

Claims (5)

1.磁通可调型磁齿轮复合电机，包括内定子(1)、外定子(2)和杯型转子(3)，三者同轴设置，并位于机壳(4)内，杯型转子(3)位于内定子(1)和外定子(2)之间；
内定子(1)固定在机壳(4)前端盖的延伸基座(5)上，内定子(1)上缠绕有内定子电枢绕组(1-1)；
内定子(1)和杯型转子(3)间、杯型转子(3)与外定子(2)间均存在气隙；
杯型转子(3)固定在主轴(6)上，且主轴(6)贯穿于机壳(4)的前后端盖、及杯型转子(3)的底端，并与机壳(4)的前后端盖转动连接，与杯型转子(3)的底端固定连接；
杯型转子(3)作为调磁环，来调节其与内定子(1)、以及与外定子(2)间的磁场；
外定子(2)固定在机壳(4)上；
其特征在于，外定子(2)包括外定子铁芯(2-1)、外定子永磁体(2-2)和外定子直流励磁绕组(2-3)；
外定子铁芯(2-1)的内侧壁的周向均匀设有外定子齿(2-1-1)；
外定子齿(2-1-1)上缠绕有外定子直流励磁绕组(2-3)，且外定子直流励磁绕组(2-3)用于通入直流励磁脉冲；
外定子永磁体(2-2)设置在相邻的两个外定子齿(2-1-1)之间，且与其相邻的两个外定子齿(2-1-1)间存在间隙；外定子永磁体(2-2)径向充磁。
2.根据权利要求1所述的磁通可调型磁齿轮复合电机，其特征在于，杯型转子(3)的侧壁由导磁块(3-1)和非导磁块(3-2)相间排列构成。
3.根据权利要求2所述的磁通可调型磁齿轮复合电机，其特征在于，所述外定子齿(2-1-1)的个数与外定子永磁体(2-2)的个数相同均为N，N为整数；
内定子(1)通电运行时，产生的旋转磁场的极对数为P1，P1为整数；
外定子(2)上的外定子永磁体(2-2)形成的磁场的极对数为P2，P2为整数；
满足条件：P2＝|m P1+kN|，其中，m＝1，3，5，…，+∞；k＝0，±1，±2，…，±∞。
4.根据权利要求1所述的磁通可调型磁齿轮复合电机，其特征在于，所述外定子铁芯(2-1)及其上的外定子齿(2-1-1)一体成型，且均为硅钢片。
5.根据权利要求1至4之一所述的磁通可调型磁齿轮复合电机，其特征在于，外定子齿(2-1-1)上的磁力线方向和外定子永磁体(2-2)上的磁力线方向相反。
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