CN109600010B - 一种具有Halbach永磁阵列的双定子混合励磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有Halbach永磁阵列的双定子混合励磁电机，中间转子同轴心地装在外定子和内定子中间，内定子由1个内定子轭、12个内定子齿、12个圆弧形的Halbach永磁阵列模块、12个内定子槽和12个非导磁圆弧形的支架组成，相邻两个内定子齿之间连接支架，内定子齿沿直径方向上由内而外分别是电励磁磁极、磁通道和混合磁场磁极，两个支架之间留有距离的内定子齿部分是磁通道，电励磁磁极上套有集中式励磁绕组，每个支架外壁上固定设置一个Halbach永磁阵列模块，Halbach永磁阵列模块镶嵌在两个混合磁场磁极之间；采用Halbach阵列结构排布，充分利用其单侧磁场屏蔽性和单侧增磁性，有效减少永磁体在内定子处漏磁分量，增加永磁体利用率，提高转矩输出能力。
Description
技术领域
本发明涉及属于电工、电机领域，具体是适用于电动汽车、风力发电等具有高转矩密度、宽调速范围需求的应用场合的混合励磁电机。
背景技术
传统永磁电机具有高效率、高转矩和高功率密度等优点，由于稀土资源的战略性地位与不可控的恒定励磁磁场，使传统永磁电机在相关领域的发展受到了严重阻碍。因此，降低电机稀土永磁体用量和实现恒功率区的宽调速已成为永磁电机领域研究的主要目标。
混合励磁电机是同时具有电励磁绕组和永磁体两种磁源的电机。中国专利公开号为CN104638792A的文献中提出了一种并联式混合励磁电机，励磁绕组产生的磁场不经过永磁体，且与永磁磁场平行，很好地解决了串联式混合励磁电机面临的永磁体不可逆退磁风险大以及励磁磁场磁阻大的问题。但是由于该电机通过电刷和滑环将励磁电流引入到转子励磁绕组，不可避免地带来电火花及维护问题，从而降低了电机运行可靠性。中国专利公开号为CN102820755A的文献中基于普通永磁同步电机提出了一种三维磁路结构的混合励磁同步电机，该电机的励磁绕组置于电机转子端部，励磁磁场通过旋转的导磁桥进入转子，进而实现励磁磁场和永磁磁场的叠加，借助于旋转导磁桥的作用，该电机取消了滑环电枢装置，实现混合励磁同步电机无刷化，然而，该电机具有的三维磁路结构增加了电机设计、分析和制造的难度。中国专利公开号为CN106385153A的文献中基于磁通切换电机提出了一种混合励磁电机，转子结构简单，无需滑环和电刷，运行可靠稳定，直流励磁绕组套设在定子齿部，并可以根据运行需要改变励磁电流方向，实现对总励磁磁场的双向调节，具有较好的调磁能力；然而，由于该电机所有磁源均位于一个定子上，不可避免地带来空间上的矛盾和散热困难等问题。中国专利公开号为CN107222075A的文献提出了一种双定子混合励磁电机，该电机采用双定子结构，减轻了磁源的空间竞争，具有良好的调磁能力。同时，永磁磁场与电励磁磁场在磁路上相互并联，有效避免了永磁体不可逆退磁风险；然而，由于该电机内定子轭部的存在，永磁体磁场在内定子部分具有较多漏磁分量，降低了永磁体的利用率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种结构简单、动态响应迅速、永磁体利用率高的具有Halbach永磁阵列的双定子混合励磁电机。
本发明采用的具体技术方案为：本发明电机的中间转子同轴心地装在外定子和内定子中间，内定子由集中式励磁绕组、1个内定子轭、12个内定子齿、12个圆弧形的Halbach永磁阵列模块、12个内定子槽和12个非导磁圆弧形的支架组成，12个内定子齿沿内定子轭的圆周方向均匀布置，相邻两个内定子齿之间形成内定子槽，相邻两个内定子齿之间连支架，支架的两端从镶嵌在内定子齿中，内定子齿中相邻两个支架的两端之间留有距离，内定子齿沿直径方向上由内而外分别是电励磁磁极、磁通道和混合磁场磁极，两个支架之间留有距离的内定子齿部分是磁通道，电励磁磁极上套有集中式励磁绕组，每个支架的外壁上固定设置一个Halbach永磁阵列模块，Halbach永磁阵列模块镶嵌在两个混合磁场磁极之间。
进一步地，每个Halbach永磁阵列模块都由三块永磁体沿圆周方向紧密贴合组成，中间的一块永磁体切向充磁，其余两块是两侧的永磁体径向充磁，径向充磁的两侧永磁体充磁方向相反；相邻两个Halbach永磁阵列模块中的中间的永磁体充磁方向相反，同一个混合磁场磁极两侧镶嵌的两块永磁体充磁方向相同。
进一步地，混合磁场磁极和磁通道的两侧面为平面，是平行齿结构，电励磁磁极是扇形齿结构。
本发明的技术效果为：
1）采用双定子结构，将永磁体、励磁绕组和电枢绕组分别置于内、外定子中，中间转子由导磁块与非导磁块间隔排列而成，结构简单，体积小，既无永磁材料，也无绕组，解决了传统混合励磁电机各磁源安装空间相互限制的问题，转动惯量低，动态响应迅速，提高了电机的空间利用率，进而改善电机功率密度和转矩密度。
2）利用转子铁心块（调磁块）对由永磁体和电励磁磁场两种励磁磁源产生的静止气隙励磁磁场进行调制，产生与电枢绕组极对数相同的旋转谐波分量，实现了无刷化，避免了复杂的三维磁路结构，降低了电机设计和分析的难度。
3）永磁体嵌装于内定子槽内，采用Halbach阵列结构排布，充分利用其单侧磁场屏蔽性和单侧增磁性，有效减少了永磁体在内定子处漏磁分量，使得永磁磁场主要作用于外定子部分，增加了永磁体利用率，从而提高了转矩输出能力。
4）由于Halbach永磁阵列安装于内定子槽内，且永磁体磁导接近真空磁导，因此，当向电励磁绕组通入不同方向的直流电时，可有效避免电励磁磁场直接经过永磁体短路，并且简单直接地与永磁磁场共同作用于外气隙，从而实现增磁或弱磁调节，有效地减轻了永磁体的不可逆退磁风险以及永磁磁场对励磁绕组侧的影响，同时降低电励磁磁路磁阻，改善混合励磁效果。
5）为增加永磁体阵列牢固性，在内定子齿两侧靠近内层气隙处开槽，用于安装非导磁的弧形支架。一方面可将永磁体阵列牢固在支架上，又可避免电励磁绕组产生的电励磁磁场通过内定子齿短路，进而增加混合励磁效果；另一方面形成内定子磁通道和电励磁磁极两部分，进而从物理上隔离永磁体和电励磁绕组，降低两者之间的热传递和永磁体退磁风险。
6）内定子齿分为三部分，由内向外依次为电励磁磁极、内定子磁通道、混合磁场磁极；将励磁绕组和电枢绕组分别置于内、外定子，可避免使用滑环、电刷，便于散热，同时有效缓解了各磁源的空间竞争，进而提高电机空间利用率，增加了永磁体、励磁绕组和电枢绕组可安装空间；由于永磁磁场与电励磁磁场完全并联，主要通过混合磁场磁极作用于外定子部分，简单直接，有效拓宽了该电机在恒功率区间的弱磁范围；同时，可有效避免不可逆退磁风险。
附图说明
图1为本发明的径向结构示意图；
图2为本发明的轴向结构缩小示意图；
图3为图1中四分之一结构以及三相绕组的放大图；
图4为图3中两个Halbach永磁阵列模块的结构放大及尺寸标注图；
图5为本发明工作时在增磁情况下的磁回路示意图；
图6为本发明工作时在弱磁情况下的磁回路示意图；
图7为本发明工作时在Halbach永磁阵列模块单独励磁时磁场示意图；
图8为本发明工作时在电机励磁磁场增磁时合成磁场示意图；
图9为本发明工作时在电机励磁磁场弱磁时合成磁场示意图；
图10为本发明工作时在通入不同励磁电流下电枢绕组中空载磁链波形图。
图中：1、外定子；2、外定子槽；3、中间转子；4、Halbach永磁阵列模块；5、转轴；6、内定子槽；7、支架；8、内定子；9、外定子轭部；10、外定子齿；11、电枢绕组；12、非导磁块；13、磁通道；14、励磁绕组；15、电励磁磁极；16、内定子轭；17、转子调磁块；18、机壳；19、轴承；20、连接架；21、混合磁场磁极；22、内定子齿。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明包括外定子1、中间转子3、永磁体4、转轴5、支架7和内定子8。中间转子3同轴心地安装在外定子1和内定子8中间。外定子1和内定子8都固定在机壳18上，中间转子3通过连接架20与转轴5连接在一起且同步旋转，并通过轴承19与机壳18转动连接。
参见图1和图3，外定子1由集中式的电枢绕组11、外定子轭9、12个外定子齿10和12个外定子槽2组成，12个外定子齿10沿外定子轭部9内壁的圆周方向均匀布置，相邻两个外定子齿10之间形成外定子槽2，外定子齿10上套有集中式的电枢绕组11。图3中的“+”为电枢绕组11的进线方向，“-”为电枢绕组11的出线方向，A、B、C三相电枢绕组11为双层绕组，极对数为P=4。
外定子1内壁和中间转子3外壁之间设有外气隙12-1，中间转子3内壁和内定子8外壁之间设有内气隙12-2，气隙的厚度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及内定子8、外定子1、中间转子3加工和装配工艺有关。外定子1、内定子8均采用硅钢片叠制。
中间转子3由10个转子调磁块17和非导磁块12沿圆周方向相互交错连接组成，转子调磁块17由硅钢片叠压而成，两个转子调磁块17之间是一个非导磁块12，同轴安装在外定子1和内定子8中间。
内定子8由集中式励磁绕组14、1个内定子轭16、12个内定子齿22、12个Halbach永磁阵列模块4、12个内定子槽6和12个非导磁圆弧形的支架7组成。Halbach永磁阵列模块4和支架7都是圆弧形状，与内定子8共轴心线。12个内定子齿22沿内定子轭16的圆周方向均匀布置，相邻两个内定子齿22之间形成内定子槽6。在相邻两个内定子齿22之间连接圆弧形的支架7，支架7的两端从内定子齿22的两侧壁镶嵌在内定子齿22中，镶嵌内定子齿22中相邻的两个支架7的两端不接触，之间留有距离，形成内定子齿22的磁通道13。这样，支架7将内定子齿22沿直径方向上分为三段，由内而外分别是电励磁磁极15、磁通道13、混合磁场磁极21，其中，混合磁场磁极21在支架7的外侧，靠近中间转子3，两个支架7之间的内定子齿22部分就是磁通道13，电励磁磁极15在支架7的内侧。 混合磁场磁极21和磁通道13的两侧面设计为平面，为平行齿结构，便于加工。而电励磁磁极15为扇形齿结构，为了最大化内定子槽6的面积，同时将电励磁磁极15饱和程度控制在一定程度以下，电励磁磁极15扇形齿所占的圆弧角度应控制在13º到16º之间。在电励磁磁极15上套有集中式励磁绕组14，励磁方式为直流励磁。
在位于内定子槽6中的每个支架7的外壁上固定设置一个Halbach永磁阵列模块4，Halbach永磁阵列模块4的两侧与混合磁场磁极21的两侧紧密贴合在一起，也就是在相邻的两个混合磁场磁极21之间镶嵌一个Halbach永磁阵列模块4，Halbach永磁阵列模块4贴在支架7的外壁上。相邻两个Halbach永磁阵列模块4的充磁方向相反。Halbach永磁阵列模块4的材料选择钕铁硼或铁氧体等类型永磁材料。
Halbach永磁阵列模块4的外径与内定子齿22的外径相同，也就是与混合磁场磁极21的外径相同，内径与支架7的外径相同。
参见图4，每个Halbach永磁阵列模块4都是由三块永磁体沿圆周方向紧密贴合组成，中间的一块永磁体4-2为切向充磁，其余两块是两侧的永磁体4-1和永磁体4-3，均为径向充磁，且径向充磁的两侧永磁体4-1和永磁体4-3的充磁方向相反。三块永磁体共同组成一个Halbach永磁阵列模块4。本发明共12个Halbach永磁阵列模块4，相邻两个Halbach永磁阵列模块4中的中间的永磁体4-2充磁方向相反，相邻两个Halbach永磁阵列模块4中的最靠近的两个永磁体4-1充磁方向相同，也就是同一个混合磁场磁极21两侧镶嵌两个的永磁体4-1充磁方向相同。
每个Halbach永磁阵列模块4所占的圆弧角度是30º，其中，中间永磁体4-2的内壁弧长为λ，两侧的永磁体4-3和永磁体4-1的内壁弧长均为α。每个Halbach永磁阵列模块4的径向长度是L pm ，内定子8的径向长度是L ist ，为保证较大转矩同时，取得较宽调磁范围，应具有以下约束关系：1≤α/λ≤2.5，比值L pm /L ist 应取在0.1到0.2之间；同时，0.9≤λ/L pm ≤1.2。
为保证支架7的物理强度，且不占用过多槽面积，其直径方向上的径向尺寸取在2mm到2.5mm之间，而磁通道13的径向尺寸对电磁性能和支架稳定性有着直接影响，综合考虑，取在1mm到1.5mm之间。
参见图5和图6，本发明工作时，Halbach永磁阵列模块4产生的永磁磁通有两条路径：永磁磁通F1-1和永磁磁通F1-2的回路。永磁磁通F1-1的路径如下：依次经过第二个Halbach永磁阵列模块4、第二个调磁块17、第二个外定子齿10、外定子轭9、第一个外定子齿10、第一个调磁块17再回到第二个Halbach永磁阵列模块4。永磁磁通F1-2的路径如下：依次经过第二个Halbach永磁阵列模块4、第二个调磁块17、第二个混合磁极磁场21、第二个磁通道13再回到第二个Halbach永磁阵列模块4。励磁电流产生的电励磁磁通F2的路径如下：依次经过第二个电励磁磁极15、第二个磁通道13、第二个混合磁场磁极21、第二个调磁块17、第二个外定子齿10、外定子轭9、第一个外定子齿10、第一个调磁块17、第一个混合磁极磁场磁21、第一个磁通道13、第一个电励磁磁极15、内定子轭16再回到第二个电励磁磁极15。永磁磁通F1-1、永磁磁通F1-2和电励磁磁通F2三者相互并联，构成一个转子极上的总磁通。
图7为本发明中的Halbach永磁阵列模块4单独工作的磁力线分布图，图8为本发明中的Halbach永磁阵列模块4和励磁绕组14共同工作且电励磁磁场起增磁作用时的磁力线分布图，由图7和图8可以看出：其中永磁磁通F1-1与电励磁磁通F2相叠加，永磁磁通F1-2与电励磁磁通F2相抵。
参见图9为本发明中的Halbach永磁阵列模块4和励磁绕组14共同工作且电励磁磁场起弱磁作用时的磁力线分布图，其中永磁磁通F1-1与电励磁磁通F2相抵，永磁磁通F1-2与电励磁磁通F2叠加。
参见图10为本发明向励磁绕组14通入不同直流电时其A相的空载磁链波形，可以看出该电机电枢绕组匝链的磁链可以随励磁电流幅值和方向自由调节。假设以径向向外为参考正方向，以径向向内为参考负方向，当向励磁绕组14通入正向电流时，励磁磁场对气隙主磁场起增磁作用；当向励磁绕组14通入负向电流时，励磁磁场对气隙主磁场起弱磁作用。电枢反应磁通与永磁磁通在磁路上是并联关系，降低了永磁体的去磁程度和不可逆退磁风险。
Claims (8)
1.一种具有Halbach永磁阵列的双定子混合励磁电机，中间转子（3）同轴心地装在外定子（1）和内定子（8）中间，其特征是：内定子（8）由集中式励磁绕组（14）、1个内定子轭（16）、12个内定子齿（22）、12个圆弧形的Halbach永磁阵列模块（4）、12个内定子槽（6）和12个非导磁圆弧形的支架（7）组成，12个内定子齿（22）沿内定子轭（16）的圆周方向均匀布置，相邻两个内定子齿（22）之间形成内定子槽（6），相邻两个内定子齿（22）之间连接支架（7），支架（7）的两端镶嵌在内定子齿（22）中，内定子齿（22）中相邻两个支架（7）的两端之间留有距离，内定子齿（22）沿直径方向上由内而外分别是电励磁磁极（15）、磁通道（13）和混合磁场磁极（21），两个支架（7）之间留有距离的内定子齿（22）部分是磁通道（13），电励磁磁极（15）上套有集中式励磁绕组（14），每个支架（7）的外壁上固定设置一个Halbach永磁阵列模块（4），Halbach永磁阵列模块（4）镶嵌在两个混合磁场磁极（21）之间；每个Halbach永磁阵列模块（4）都由三块永磁体沿圆周方向紧密贴合组成，中间的一块永磁体切向充磁，其余两块是两侧的永磁体径向充磁，径向充磁的两侧永磁体充磁方向相反；相邻两个Halbach永磁阵列模块（4）中的中间的永磁体充磁方向相反，同一个混合磁场磁极（21）两侧镶嵌的两块永磁体充磁方向相同。
2.根据权利要求1所述的一种具有Halbach永磁阵列的双定子混合励磁电机，其特征是：混合磁场磁极（21）和磁通道（13）的两侧面为平面，是平行齿结构，电励磁磁极（15）是扇形齿结构。
3.根据权利要求1所述的一种具有Halbach永磁阵列的双定子混合励磁电机，其特征是：Halbach永磁阵列模块（4）的外径与内定子齿（22）的外径相同。
4.根据权利要求1所述的一种具有Halbach永磁阵列的双定子混合励磁电机，其特征是：每个Halbach永磁阵列模块（4）所占的圆弧角度是30º，电励磁磁极（15）所占的圆弧角度是13º到16º之间。
5.根据权利要求1所述的一种具有Halbach永磁阵列的双定子混合励磁电机，其特征是：每个Halbach永磁阵列模块（4）的中间一块永磁体的内壁弧长为λ，两侧的两块永磁体的内壁弧长均为α，每个Halbach永磁阵列模块（4）的径向长度是L pm ，内定子（8）的径向长度是L ist ，1≤α/λ≤2.5，0.9≤λ/L pm ≤1.2，L pm /L ist 在0.1到0.2之间。
6.根据权利要求1所述的一种具有Halbach永磁阵列的双定子混合励磁电机，其特征是：支架（7）直径方向上的尺寸是2mm到2.5mm之间，磁通道（13）直径方向上的尺寸是1mm到1.5mm之间。
7.根据权利要求1所述的一种具有Halbach永磁阵列的双定子混合励磁电机，其特征是：中间转子（3）由10个转子调磁块（17）和非导磁块（1）沿圆周方向相互交错连接组成。
8.根据权利要求1所述的一种具有Halbach永磁阵列的双定子混合励磁电机，其特征是：外定子（1）由集中式的电枢绕组（11）、外定子轭（9）、12个外定子齿（10）和12个外定子槽（2）组成，12个外定子齿（10）沿外定子轭（9）内壁的圆周方向均匀布置，相邻两个外定子齿（10）之间形成外定子槽（2），外定子齿（10）上套有集中式的电枢绕组（11）。
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