CN108616203B - 错位双定子混合励磁型轴向磁场磁通切换电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种错位双定子混合励磁型轴向磁场磁通切换电机，包括同轴安装的第一定子、第二定子和位于两个定子之间且与定子间留有气隙的转子；每一定子包括交替设置的若干导磁铁芯、永磁体、电枢绕组和励磁绕组；导磁铁芯包括相连接的定子齿a、定子齿c和位于二者之间的定子齿b，定子齿b为两齿结构，定子齿b与两侧的定子齿a、定子齿c之间设置间隙，永磁体沿平行永磁切向充磁且相邻永磁体充磁方向相反，电枢绕组绕制在两个相邻的定子齿a上，励磁绕组绕制在定子齿b的根部位置，两个定子之间沿轴向错开一机械角度安装；转子包括隔磁盘和设置于隔磁盘两侧且对称的转子铁芯a、转子铁芯b，每一铁心包括若干转子齿和连接转子齿的导磁桥。

Description

错位双定子混合励磁型轴向磁场磁通切换电机

技术领域

本发明属于混合励磁电机技术，特别是一种错位双定子混合励磁型轴向磁场磁通切换电机。

背景技术

永磁体产生的恒定磁场使永磁电机存在电压难以调节和调速范围较窄等缺点，限制了其在恒压发电等领域的推广应用，因此，如何有效地调节永磁电机内的气隙磁场倍受国内外学者的关注。

混合励磁电机的出现可有效解决上述问题，它不仅继承了永磁电机功率密度大和可靠性高等诸多优点，而且拥有电励磁电机磁场可灵活调节的优点，在汽车牵引、风力发电、工业传动和航空航天等领域具有广阔的发展空间。近年来，国内外电机专家学者相继提出了磁极分割式、并列结构式、组合转子式、爪极式和磁分路式等多种混合励磁电机，取得了丰富的研究成果。

然而传统的永磁体与励磁绕组都安装在转子上的串联磁势式混合励磁磁通切换电机，结构较复杂，可靠性较低。电励磁磁势和永磁磁势呈串联关系，电励磁绕组产生的磁通直接穿过永磁体，而永磁体的磁导率接近于空气，磁阻大。因此为了实现混合励磁运行，励磁绕组必须注入足够大的电流，这样就会产生一个较大的额外铜耗，同时，励磁绕组注入过大电流，有可能造成永磁体的永久退磁。

法国学者E.Hoang于1997年提出的磁通切换型永磁电机是一种定子永磁型电机，该种电机定、转子都采用双凸极结构，永磁体和绕组均置于定子上，转子上既无永磁体也无绕组，结构简单，易于散热冷却，机械强度高。混合励磁磁通切换电机兼具磁通切换电机和混合励磁电机的优点，通过控制励磁电流的大小和方向调节气隙磁通密度。但是，调磁范围仍然不够宽，齿槽转矩和谐波分量都比较大，增磁性能和弱磁性能仍有较大的发展空间，限制了其在宽速驱动系统场合的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种错位双定子混合励磁型轴向磁场磁通切换电机，该电机调节范围宽、齿槽转矩小以及谐波分量小。

实现本发明目的的技术方案为：一种错位双定子混合励磁型轴向磁场磁通切换电机，包括同轴安装的第一定子、第二定子和位于两个定子之间且与定子间留有气隙的转子；其中第一定子、第二定子结构相同，且每一定子包括交替设置的若干导磁铁芯、永磁体、电枢绕组和励磁绕组；导磁铁芯包括定子齿a、定子齿c和位于二者之间的定子齿b，三个定子齿的底部通过定子轭部连接，定子齿b上端面沿径向设置定子槽a，定子齿b与两侧的定子齿a、定子齿c之间设置间隙，永磁体沿平行永磁切向充磁且相邻永磁体充磁方向相反，电枢绕组绕制在两个相邻的定子齿a上，励磁绕组绕制在定子齿b的根部位置，第一定子和第二定子之间沿轴向错开一机械角度安装；转子包括隔磁盘和设置于隔磁盘两侧且对称的转子铁芯a、转子铁芯b，每一铁心包括若干转子齿和连接转子齿的导磁桥。

采用上述电机，定子槽a至少一条。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)该电机采用轴向磁通盘式结构，轴向长度小，磁路短，磁阻较小，在相同功率的情况下，体积和重量都比较小，功率密度较大；(2)定子铁芯采用U、E组合型的结构，减小了励磁磁路的磁阻，增加了有效励磁面积，提高了电机的调磁范围；(3)两侧的定子错开一机械角度安装，可抵消绕组磁链和反电动势中的偶次谐波，同时定子铁芯采用多齿结构，有效地降低了齿槽转矩的大小；(4)转子的两个铁芯采用非导磁材料隔开，实现了两个定子磁路的解耦，降低了磁路的饱和程度，也提高了电机的容错运行能力。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是本发明电机的结构示意图。

图2是本发明电机E、U结合型定子铁芯的结构示意图。

图3是本发明电机两侧定子错位角度示意图。

图4是本发明电机转子结构示意图。

图5是本发明电机转子角度为β₁时的永磁磁通路径图。

图6是本发明电机转子角度为β₂时的永磁磁通路径图。

图7是本发明电机的增磁运行原理图。

图8是本发明电机的去磁运行原理图。

具体实施方式

结合图1，一种错位双定子混合励磁型轴向磁场磁通切换电机，包括同轴安装的第一定子1、第二定子3和位于两个定子之间且与定子间留有气隙的转子2。其中第一定子1、第二定子3结构相同，且每一定子包括交替设置的若干导磁铁芯4、永磁体5、电枢绕组6和励磁绕组7。第一定子1、转子2和第二定子3均采用凸极结构，由硅钢片叠压而成，转子2分别与第一定子1和第二定子3之间留有气隙，双定子和单转子的结构，可以平衡轴向磁拉力。

第一定子1、转子2和第二定子3均采用凸极结构，由硅钢片叠压而成，转子2分别与第一定子1和第二定子3之间留有气隙，双定子和单转子的结构，可以平衡轴向磁拉力。永磁体5采用平行永磁切向充磁结构，相邻永磁体5充磁方向相反。

结合图2，导磁铁芯4采用U、E组合型结构，包括E型定子齿a4-1、定子齿c4-3和U型定子齿b4-2。具体地定子齿b4-2位于定子齿a4-1、定子齿c4-3之间，三者根部通过定子轭部4-4连接。定子齿b4-2上端面沿径向设置定子槽a4-5，定子齿b4-2与两侧的定子齿a4-1、定子齿c4-3之间设置间隙。电枢绕组6绕制在两个相邻的定子齿a4-1上，励磁绕组7绕制在定子齿b4-2的根部位置。

结合图4，转子2包括隔磁盘2-2和设置于隔磁盘2-2两侧且对称的转子铁芯a2-1、转子铁芯b2-3，每一铁心包括若干转子齿2-4和连接转子齿2-4的导磁桥2-5。转子2上既无永磁体也无绕组，结构简单，工作可靠。中间转子的结构可使电机获得最小的转动惯量和最优的散热条件。转子2的两个铁芯采用非导磁材料隔开，实现了两个定子磁路的解耦，大大提高了电机的容错运行能力。

本发明中，导磁铁芯4和永磁体5的数量为6n个，每一转子铁芯的转子齿2-4的数量为12±2n个，n为正整数。

由于转子2的齿部与第一定子1和第二定子3上的对应齿部的重合出现滞后现象，转子2两侧的气隙分在轴向和圆周上的分布也会发生改变。结合图3，永磁体5沿平行永磁切向充磁且相邻永磁体5充磁方向相反，第一定子1和第二定子2之间沿轴向错开一(90/n)°机械角度安装。因此，第一定子1和第二定子3上同一相电枢绕组中匝链的磁通不再一致，空间错位导致的相位滞后可以减少单相合成的磁通谐波，同时，两个定子对转子2产生的齿槽转矩也将错开一个角度，齿槽转矩重叠的减少可以有效削弱总齿槽转矩。

电枢绕组6和励磁绕组7采用集中式绕组，缩短了端部长度，减少了用铜量，降低了铜耗。电枢绕组6绕制在两个相邻的定子齿a4-1上，励磁绕组7绕制在定子齿b4-2的根部位置，每相电枢绕组6由4n个空间位置分布的集中绕组串联而成。励磁绕组7通入电流，可以产生2组磁动势矢量，因此更加适合采用容错控制。

为了增加绕组安放空间，使得励磁绕组和电枢绕组不重叠，U型定子齿b4-2侧面根部设置凹槽，励磁绕组7绕制在定子齿b4-2的根部凹槽内。根部凹槽与定子齿b4-2两侧的间隙形成L型定子槽b4-6。

为了减小了电机的定位力矩，定子铁芯的定子齿b4-2为双齿结构或多齿结构，通过增加定子槽a4-5的数量实现定子齿b4-2的数量。

本发明中，导磁铁芯4为对称结构，定子齿a4-1、定子齿c4-3、U型定子齿b4-2的两个齿、转子齿的横截面相同。

实施例一

本实施例中，第一定子1和第二定子3均由6个U、E组合型铁心单元4和6块永磁体5拼装成圆形，转子铁芯a2-1和转子铁芯b2-3分别有10个转子齿2-4。第一定子1和第二定子3沿轴向错开90°的角度安装。具体参数如表1所示。

表1

当励磁绕组7中通入的励磁电流为零时，气隙磁场仅由永磁体5提供，当转子2运行至β₁角度时，其永磁磁通路径如图5所示，实线为A相绕组，长虚线为B相绕组，短虚线为C相绕组。以A相为例，根据“磁阻最小原理”，磁通沿箭头的方向穿入A1绕组；当转子2转至β₂角度时，其永磁磁通路径如图6所示，磁通沿箭头的方向穿出A1绕组。在两种位置，A1绕组匝链的磁通数值相同但极性相反，当转子2连续转动时，匝链的磁通在正负最大值之间周期变化，对应产生幅值和相位交变的感应电动势。

当励磁绕组7中通入的励磁电流为正时，如图7所示，实线为永磁磁通路径，虚线为励磁磁通路径，两者方向一致，励磁磁通和永磁磁通共同形成并增强气隙磁场，电机运行于增磁模式；在相同转子位置，改变励磁电流方向，即励磁绕组7中通入的励磁电流为负，如图8所示，励磁电流和永磁磁通方向相反，两者共同形成并削弱气隙磁场，电机运行于去磁模式。励磁磁势和永磁磁势在磁路上呈现并联关系，励磁绕组产生的磁通不直接穿过永磁体，所以不存在退磁问题。通过调节励磁电流的方向和大小，可改变励磁磁场，实现电枢绕组磁链大小的调节，使得电机在宽广的恒功率调速范围运行。

Claims (9)

1.一种错位双定子混合励磁型轴向磁场磁通切换电机，其特征在于，包括同轴安装的第一定子(1)、第二定子(3)和位于两个定子之间且与定子间留有气隙的转子(2)；其中

第一定子(1)、第二定子(3)结构相同，且每一定子包括交替设置的若干导磁铁芯(4)、永磁体(5)、电枢绕组(6)和励磁绕组(7)；

导磁铁芯(4)包括定子齿a(4-1)、定子齿c(4-3)和位于二者之间的定子齿b(4-2)，

三个定子齿的底部通过定子轭部(4-4)连接，

定子齿b(4-2)上端面沿径向设置定子槽a(4-5)，

定子齿b(4-2)与两侧的定子齿a(4-1)、定子齿c(4-3)之间设置间隙，永磁体(5)位于定子齿a(4-1)和定子齿c(4-3)之间，

永磁体(5)沿平行永磁切向充磁且相邻永磁体(5)充磁方向相反，

电枢绕组(6)绕制在两个相邻的定子齿a(4-1)和定子齿c(4-3)上，励磁绕组(7)绕制在定子齿b(4-2)的根部位置，

第一定子(1)和第二定子(2)之间沿轴向错开一机械角度安装；

转子(2)包括隔磁盘(2-2)和设置于隔磁盘(2-2)两侧且对称的转子铁芯a(2-1)、转子铁芯b(2-3)，

转子铁芯a(2-1)、转子铁芯b(2-3)均包括若干转子齿(2-4)和连接转子齿(2-4)的导磁桥(2-5)。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，导磁铁芯(4)和永磁体(5)的数量为6n个，每一转子铁芯的转子齿(2-4)的数量为(12±2)n个，n为正整数。

3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，第一定子(1)和第二定子(3)沿轴向错开(90/n)°机械角度安装。

4.根据权利要求1或3所述的电机，其特征在于，定子槽a(4-5)至少一条。

5.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，导磁铁芯(4)为对称结构。

6.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，定子齿a(4-1)、定子齿c(4-3)、U型定子齿b(4-2)的两个齿、转子齿的横截面相同。

7.根据权利要求5所述的电机，其特征在于，定子齿a(4-1)、定子齿c(4-3)、U型定子齿b(4-2)的两个齿、转子齿的横截面相同。

8.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，U型定子齿b(4-2)侧面根部设置凹槽，励磁绕组(7)绕制在定子齿b(4-2)的根部凹槽内。

9.根据权利要求5或6所述的电机，其特征在于，U型定子齿b(4-2)侧面根部设置凹槽，励磁绕组(7)绕制在定子齿b(4-2)的根部凹槽内。