CN110138165A - 一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机 - Google Patents

一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机，包括转子、位于转子之轴一侧的电枢定子与位于转子之轴另一侧的励磁定子三部分，励磁定子在转子一侧分为四层。本发明，磁路上三层永磁体采用混联形式，有效地防止永磁电机可能导致的失磁情况，客观上提高了该类永磁电机的可靠性，励磁绕组的加入，使得气隙磁场平滑可调，弥补了永磁电机磁场不可调的弊端。轴向结构的采用，使得电机结构更加紧凑，效率更高。

Description

一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机
技术领域
本发明涉及一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机，属于电机技术领域。
背景技术
伴随着稀土资源的开发，永磁电机由于其结构多样化、高功率密度、高效率、低损耗等显著优点，逐步应用于电动汽车、航空航天、工农业生产等各个领域。轴向永磁电机，其不仅保留了永磁电机高功率密度、高效率的特点，同时又具备轴向电机结构紧凑、集成度高的特点，在新能源领域具有广阔的应用前景。但是现有的轴向永磁电机在具体应用中存在诸多不足之处，具体体现在：
(1)在永磁电机中，永磁体是其关键的励磁部件，其磁性能直接决定了电动汽车的效率、性能以及运行可靠性，但是在复杂工况下，永磁电机极易由于温度过高、剧烈振动以及磁场影响等原因发生部分或全部不可逆退磁，使得电机性能急剧下降甚至无法正常工作，对高可靠性要求的场合造成了极大的影响，因此如何保证永磁电机应用的高可靠性，解决运行过程中可能发生的部分或全部失磁问题具有十分重要的意义。
(2)现有的双定子轴向永磁电机中大多是采用的是对称结构，即采用中间转子的双边结构，且转子两侧均为电枢定子，给现有的双定子轴向电机在电流控制上提出了较高的要求。此外，现有的双定子轴向永磁电机中电枢绕组与永磁体共用电枢定子，不利于电枢绕组的散热，且一定程度上削弱了电机的转矩输出能力。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机，它通过采用混合磁路的结构，磁路经过两条路径闭合，保证电机的可靠性，通过采用定子分割式结构，保证了电机的功率密度，改善了电机的散热条件。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机，同轴方向自一端向另一端依次包括电枢定子(1)、转子(3)、励磁定子(4)；
所述电枢定子(1)包括电枢铁芯，以及设置于电枢铁芯(1-3)上间隔均匀分布的m个电枢齿(1-1)和m个励磁齿(1-2),电枢齿(1-1)上绕有电枢绕组(2-1)，励磁齿(1-2)上绕有励磁绕组(2-2)；
所述转子(3)由P个凸极铁块构成，且在圆周上均等间距排列，相邻凸极铁块间采用非导磁材料连接；
所述励磁定子(4)在转子一侧分为四层，其中第一层与第四层相同，由n个导磁铁块A(4-1)与n个钕铁硼永磁体块(4-2)分布构成，其中钕铁硼永磁体块(4-2)嵌于相邻导磁铁块A(4-1)间，与导磁铁块A(4-1)共同构成圆环状励磁定子铁芯；所述励磁定子(4)第二层由n个铁氧体永磁体块(4-3)构成，其中心与励磁定子第一层导磁铁块A(4-1)中心对齐，沿圆周方向均匀布置，所述励磁定子(4)第三层由n个导磁铁块B(4-4)构成，其形状与第二层铁氧体永磁体块(4-3)相同。
优选地，所述单个转子凸极铁块(3)外侧极弧宽度与所述电枢定子(1)上的电枢齿(1-1)外侧的极弧宽度相同。
进一步，非导磁材料可以为树脂材料，该树脂材料呈圆环段形状，嵌于相邻两个凸极铁块之间，与凸极铁块共同构成转子圆环。
进一步，所述钕铁硼永磁体块(4-2)呈轮辐状。
进一步，所述电枢齿(1-1)与励磁齿(1-2)个数相等，且所述电枢齿下侧极弧宽度与励磁齿下侧极弧宽度满足βa>βb。
进一步，所述电枢齿(1-1)与励磁齿(1-2)凸设于电枢铁芯表面，且在电枢铁芯表面相间排列。
进一步，钕铁硼永磁体块(4-2)采用切向充磁，铁氧体永磁体块(4-3)采用轴向充磁，钕铁硼永磁体块(4-2)、铁氧体导磁体块(4-3)、导磁铁块A(4-1)极弧宽度应满足αi<αr<αo。
进一步，钕铁硼永磁体块(4-2)与铁氧体永磁体块(4-3)产生的永磁磁通路径有两条：以逆向充磁的钕铁硼永磁体块(4-2)为例两条路径如下：
第一条路径依次经过励磁定子第四层钕铁硼永磁体块(4-2)、励磁定子第四层导磁铁块A(4-1)、励磁定子第三层导磁铁块B(4-4)、励磁定子第二层铁氧体永磁体块(4-3)、励磁定子第一层导磁铁块A(4-1)、转子凸极铁块(3)、电枢齿(1-1)、电枢铁芯(1-3)、励磁齿(1-2)、相邻转子凸极铁块(3)、相邻励磁定子第一层导磁铁块A(4-1)、相邻励磁定子第二层铁氧体永磁体块(4-3)、相邻励磁定子第三层导磁铁块B(4-4)，最后经过相邻励磁定子第四层导磁铁块A(4-1)回到励磁定子第四层钕铁硼永磁体块(4-2)；
第二条路径如下：依次经过励磁定子第一层钕铁硼永磁体块(4-2)、励磁定子第一层导磁铁块A(4-1)、转子凸极铁块(3)、电枢齿(1-1)、电枢铁芯(1-3)、励磁齿(1-2)、相邻转子凸极铁块(3)后经过相邻励磁定子第一层导磁铁块A(4-1)，回到励磁定子第一层钕铁硼永磁体块(4-2)。
当钕铁硼永磁体(4-2)磁极相反时上述两条磁通路径方向正好相反。
进一步，通过改变通入励磁绕组(2-2)中的电流的大小和方向，可以实现对电机的增磁和弱磁，增磁时励磁磁通从励磁齿(1-2)出发，其磁路与永磁磁路同向并联；弱磁时励磁磁通从励磁齿(1-2)出发，其磁路与永磁磁路反向并联。
本发明提供的一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机，相比现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明通过采用定子分割结构，将电枢绕组与永磁体分开，给电枢绕组的分布提供了更大的空间，一定程度上提高了电机反电势的幅值以及电机的转矩输出能力。
2.本发明通过在电枢定子上加入励磁齿，有效地解决了永磁电机磁通不可调以及轴向磁场电机弱磁能力弱的问题，实现气隙磁场的平滑可调。
3.本发明励磁定子采用钕铁硼永磁体与铁氧体永磁体组合励磁，通过合理放置永磁体块的位置，将永磁体块在轴向分为三层，磁路上三层永磁体块采用混联形式，有效地防止永磁电机可能导致的永磁体失磁的情况，同时在保证功率密度的前提下有效地减少了电机制造成本。
4.本电机的励磁齿在电枢齿中电枢绕组断相的情况下可以充当容错齿，当给励磁齿的励磁绕组加入三相交变的控制电流，可以输出三相正弦反电势，从而增加电机的容错能力。
5.本电机采用轴向结构，相对于传统的径向磁场电机，轴向永磁电机在单位输出转矩转矩和功率密度方面有较大优势，此外，其转动惯量小，定子绕组散热条件好，轴向上结构更加紧凑，体积更小，电机效率更高。
综上所述，本发明不仅能够解决传统定子永磁型电机散热困难的问题，同时通过采用混联磁路的结构，有效地防止了永磁电机可能导致的永磁体失磁问题，相较于传统的径向磁场电机，其结构紧凑，体积更小，效率更高。
附图说明
附图1为本发明一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机的电枢定子、绕组、转子、励磁定子分解图。
附图2为附图1中电枢定子的结构图。
附图3为附图1中绕组的结构图。
附图4为附图1中励磁定子的结构图。
附图5为励磁定子轴向永磁体磁化方向示意图，图中，箭头的方向为磁化方向。
附图6为本发明一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机的永磁磁路原理图。
附图7为本发明一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机的增磁原理图。
附图8为本发明一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机的弱磁原理图。
其中，1为电枢定子,2为绕组，3为转子，4为励磁定子，1-1为电枢齿，1-2为励磁齿，1-3为电枢铁芯，2-1为电枢绕组，2-2为励磁绕组，4-1为导磁铁块A，4-2为钕铁硼永磁体块，4-3为铁氧体永磁体块，4-4为导磁铁块B
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机，其特征在于，包括转子、位于转子之轴一侧的电枢定子与位于转子之轴另一侧的励磁定子三部分。电枢定子、转子、励磁定子同轴放置。
所述电枢定子1包括电枢铁芯1-3、电枢齿1-1、励磁齿1-2、电枢绕组2-1和励磁绕组2-2，其中所述电枢绕组2-1绕制于电枢齿1-1上；所述励磁绕组2-2绕制于励磁齿1-2上；所述电枢齿1-1与励磁齿1-2呈倒梯形，两者凸设于电枢铁芯表面，且在电枢铁芯表面相间排列。
优选地，所述电枢齿1-1与励磁齿1-2个数相等，且所述电枢齿下侧极弧宽度与励磁齿下侧极弧宽度满足βa>βb，其有益效果为有效减小了该类定子分割式电机的定位力矩。
优选地，所述电枢绕组2-1通入的控制电流为交变电流，所述励磁绕组2-2通入的控制电流为直流励磁电流，当所述电枢绕组2-1发生断相情况时，可以在所述励磁绕组2-2中通入交变的控制电流，通过改变所述励磁绕组2-2的控制电流，能够实现电机在断相情况下仍具备正常运转的能力，进而增强了该类电机的容错能力。
所述转子3由P个凸极铁块构成，凸极铁块且在圆周上均等间距排列，相邻凸极铁块间采用非导磁材料连接。
优选地，本发明满足磁通切换电机原理，所述电枢定子电枢齿个数、转子凸极铁块个数满足：p＝km±1(k＝1,2,...)，本例中p＝11，m＝6。
所述励磁定子4在转子一侧分为四层，其中第一层与第四层相同，由n个导磁铁块A与n个钕铁硼永磁体块4-2构成，其中所述钕铁硼永磁体块4-2呈轮辐状，嵌于相邻导磁铁块A间，与导磁铁块A共同构成圆环状励磁铁芯；所述励磁定子第二层由n个铁氧体永磁体块4-3构成，其中心与励磁定子第一层导磁铁块A中心对齐，沿圆周方向均匀布置；所述励磁定子第三层由n个导磁铁块B构成，其形状与第二层铁氧体永磁体块相同。
优选地，所述钕铁硼永磁体块4-2采用切向充磁，相邻钕铁硼永磁体块磁极相反，所述铁氧体永磁体块4-3采用轴向充磁，相邻铁氧体永磁体块磁极相反，具体充磁方向如图5箭头所指方向，所述钕铁硼永磁体块4-2、铁氧体导磁体块4-3、导磁铁块A4-1极弧宽度应满足αi<αr<αo。
优选地，当永磁磁路b中励磁定子第一层钕铁硼永磁体发生失磁故障时，由于永磁磁路a与永磁磁路b为并联磁路，永磁磁路a可以实现气隙磁路的正常供磁，保证电机的正常运行。永磁磁路a采用铁氧体永磁体与钕铁硼永磁体串联磁路形式，当永磁磁路a中铁氧体永磁体或钕铁硼永磁体发生失磁故障时，另一种永磁体能够继续保证磁路的走向，当永磁磁路a中永磁体均发生失磁故障时，永磁磁路b可以实现气隙磁路的正常供磁，进而大大地提高了电机的可靠性。
具体地，通过改变励磁齿上励磁绕组通入的电流可以实现对电机的磁场调节，图7为给电机励磁绕组施加正向励磁电流时磁路走向图，图8为给电机励磁绕组施加负向励磁电流时磁路走向图，其磁路路径均为：从电枢励磁齿(1-2)出发，经过电枢铁芯(1-3)、电枢定子齿(1-1)、转子凸极铁块(3)、励磁定子第一层导磁铁块A(4-1)、相邻转子凸极铁块(3)回到励磁齿(1-2)。增磁时励磁磁路与永磁磁路同向并联；弱磁时励磁磁路与永磁磁路反向并联。
以上所述仅为本发明的较佳实施方案而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机，其特征在于，同轴方向自一端向另一端依次包括电枢定子(1)、转子(3)、励磁定子(4)；
所述电枢定子(1)包括电枢铁芯(1-3)，以及设置于电枢铁芯(1-3)上间隔均匀分布的电枢齿(1-1)和励磁齿(1-2),电枢齿(1-1)上绕有电枢绕组(2-1)，励磁齿(1-2)上绕有励磁绕组(2-2)；
所述转子(3)由P个凸极铁块构成，且在圆周上均等间距排列，相邻凸极铁块间采用非导磁材料连接；
所述励磁定子(4)在转子一侧分为四层，其中第一层与第四层相同，由n个导磁铁块A(4-1)与n个钕铁硼永磁体块(4-2)分布构成，其中钕铁硼永磁体块(4-2)嵌于相邻导磁铁块A(4-1)间，与导磁铁块A(4-1)共同构成圆环状励磁定子铁芯；所述励磁定子(4)第二层由n个铁氧体永磁体块(4-3)构成，其中心与励磁定子第一层导磁铁块A(4-1)中心对齐，沿圆周方向均匀布置，所述励磁定子(4)第三层由n个导磁铁块B(4-4)构成，其形状与第二层铁氧体永磁体块(4-3)相同。
2.根据权利要求1所述的一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机，其特征在于，非导磁材料可以为树脂材料，该树脂材料呈圆环段形状，嵌于相邻两个凸极铁块之间，与凸极铁块共同构成转子圆环。
3.根据权利要求1所述的一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机，其特征在于，所述钕铁硼永磁体块(4-2)呈轮辐状。
4.根据权利要求1所述的一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机，其特征在于，所述电枢齿(1-1)与励磁齿(1-2)个数相等，且所述电枢齿下侧极弧宽度与励磁齿下侧极弧宽度满足βa>βb。
5.根据权利要求1所述的一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机，其特征在于，所述电枢齿(1-1)与励磁齿(1-2)凸设于电枢铁芯表面，且在电枢铁芯表面相间排列。
6.根据权利要求1所述的一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机，其特征在于，钕铁硼永磁体块(4-2)采用切向充磁，铁氧体永磁体块(4-3)采用轴向充磁，钕铁硼永磁体块(4-2)、铁氧体导磁体块(4-3)、导磁铁块A(4-1)极弧宽度应满足αi<αr<αo。
7.根据权利要求1所述的一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机，其特征在于，钕铁硼永磁体块(4-2)与铁氧体永磁体块(4-3)产生的永磁磁通路径有两条：如果钕铁硼永磁体块(4-2)以逆向充磁，两条路径如下：
第一条路径依次经过励磁定子第四层钕铁硼永磁体块(4-2)、励磁定子第四层导磁铁块A(4-1)、励磁定子第三层导磁铁块B(4-4)、励磁定子第二层铁氧体永磁体块(4-3)、励磁定子第一层导磁铁块A(4-1)、转子凸极铁块(3)、电枢齿(1-1)、电枢铁芯(1-3)、励磁齿(1-2)、相邻转子凸极铁块(3)、相邻励磁定子第一层导磁铁块A(4-1)、相邻励磁定子第二层铁氧体永磁体块(4-3)、相邻励磁定子第三层导磁铁块B(4-4)，最后经过相邻励磁定子第四层导磁铁块A(4-1)回到励磁定子第四层钕铁硼永磁体块(4-2)；
第二条路径如下：依次经过励磁定子第一层钕铁硼永磁体块(4-2)、励磁定子第一层导磁铁块A(4-1)、转子凸极铁块(3)、电枢齿(1-1)、电枢铁芯(1-3)、励磁齿(1-2)、相邻转子凸极铁块(3)后经过相邻励磁定子第一层导磁铁块A(4-1)，回到励磁定子第一层钕铁硼永磁体块(4-2)。
当钕铁硼永磁体(4-2)磁极相反时上述两条磁通路径方向正好相反。
8.根据权利要求7所述的一种复合磁路定子分割式轴向永磁电机，其特征在于，还包括：增磁路径和弱磁路径，增磁时励磁磁通从励磁齿(1-2)出发，其磁路与永磁磁路同向并联；弱磁时励磁磁通从励磁齿(1-2)出发，其磁路与永磁磁路反向并联。
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