CN110518765A - 一种爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机 - Google Patents

一种爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机 Download PDF

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Abstract

一种爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机，属于双凸极磁阻电机技术领域。所述爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机，包括机壳、第一转子、第二转子和爪型定子，第一转子和第二转子均固设在转轴上，与转轴同轴旋转，第一转子设置有若干个第一转子凸极，第二转子设置有若干个第二转子凸极，爪型定子设置有若干个与第一转子凸极对应的第一定子凸极，还设置有若干个与第二转子凸极对应的第二定子凸极，爪型定子的定子轭部对称设置有永磁体。所述爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机能够有效地提升输出转矩、在输出转矩相同的条件下降低电枢电流以及定子轭部损耗，提高电机运行效率，改善其性能指标。

Description

一种爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机
技术领域
本发明涉及双凸极磁阻电机技术领域，特别涉及一种爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机。
背景技术
磁阻电机由于其驱动电路简单、可靠性高、能在较宽的转速范围内保持高效运行的特点，使其迅速地发展。但是普通开关磁阻电机相邻齿间的漏磁通会对转子产生负转矩，并且电流越大、极数越多(极间距离越小)，极间漏磁影响越显著，这将极大地影响电机的出力。尽管电磁原理和结构都相当简单，但磁路周期性变化并存在严重的局部饱和，其设计和性能分析与传统电机差异较大。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机，能够有效地提升输出转矩、在输出转矩相同的条件下降低电枢电流以及定子轭部损耗，提高电机运行效率，改善其性能指标。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机，包括机壳、第一转子、第二转子和爪型定子；
所述第一转子和第二转子均固设在转轴上，与转轴同轴旋转，第一转子设置有若干个第一转子凸极，第二转子设置有若干个第二转子凸极；
所述爪型定子设置有若干个与第一转子凸极对应的第一定子凸极，还设置有若干个与第二转子凸极对应的第二定子凸极，爪型定子的定子轭部对称设置有永磁体。
上述技术方案中，定子和转子上均设置有凸极构成双凸极结构，采用爪型定子的定子轭部嵌入永磁体辅助励磁结构，通过永磁体在磁路中的励磁作用间接地减少定子励磁电流消耗，永磁体辅助作用的加入实现了定子励磁电流的减少，有效减小了定子励磁绕组的铜耗，有效的减少了定转子铁心损耗，永磁辅助技术与爪型定子结合，有效提升气隙磁密，减小漏磁。
所述定子轭部的主体为圆柱筒结构，若干个所述第一定子凸极均匀设置在定子轭部的一侧，若干个所述第二定子凸极均匀设置在定子轭部的内壁。
上述技术方案中，采用定子隔磁技术，若干个第一定子凸极均匀设置在定子轭部的一侧减少硅钢片材料损耗并有效减小了定子相邻两凸极之间的漏磁，还能够有效地将电机磁路“规划”到特定路径，减少漏磁在不通电相以及传统定子轭部上的损耗。
所述定子轭部对称嵌入两块永磁体，并且永磁体位于相邻的两个第二定子凸极之间。
上述技术方案中，永磁体嵌入定子轭部一方面起到隔磁作用，另一方面有效提升气隙磁密，两块永磁体对称设置能够配合励磁绕组产生的磁路，使励磁绕组产生的磁路与永磁体产生的磁路有效叠加。
所述第一定子凸极上绕有励磁绕组。
上述技术方案中，每个第一定子凸极上都绕有相同匝数的励磁绕组，使磁动势均匀。
所述第二定子凸极上也绕有励磁绕组。
上述技术方案中，第一定子凸极和第二定子凸极都绕有励磁绕组，使磁路更加规范，减少漏磁，从而增加有效磁通，增大电机的出力。
所述壳体设置有若干个与第一定子凸极对应的隔磁槽，第一定子凸极固设在隔磁槽内。
上述技术方案中，机壳与转轴同轴设置，机壳采用隔磁材料制成，隔磁槽与第一定子凸极的数量相等，并且第一定子凸极插入到对应的隔磁槽内，固定第一定子凸极的同时防止其由于电机定转子齿间产生磁力矩而脱落。
所述爪型定子、第一转子和第二转子均由硅钢片叠压而成。
上述技术方案中，采用硅钢片叠压能够大大减轻电机的质量，减小了电机的转动惯量。
所述第一转子凸极与第二转子凸极的数量相等，且对应的第一转子凸极与第二转子凸极沿同一直线方向设置。
上述技术方案中，第一转子和第二转子固定在转轴上平行排列，对应的第一转子凸极与第二转子凸极之间不会出现周向错角。
所述第一定子凸极与第二定子凸极的数量相等，且对应的第一定子凸极与第二定子凸极沿同一直线方向设置。
本发明的有益效果：
(1)采用爪型定子的定子轭部嵌入永磁体辅助励磁结构，通过永磁体在磁路中的励磁作用间接地减少定子励磁电流消耗，永磁体辅助作用的加入实现了定子励磁电流的减少，有效减小了定子绕组的铜耗，有效的减少了定转子铁心损耗，提高效率，永磁辅助技术与爪型定子结合，有效提升气隙磁密，减小漏磁；
(2)采用爪型定子结构，减少硅钢片材料损耗并有效减小了定子相邻两极之间漏磁；
(3)由于定转子需要有良好的导磁性能，爪型定子、第一转子和第二转子均由硅钢片叠压而成均采用硅钢片叠压而成，大大减轻了电机的质量，减小了电机的转动惯量；
(4)爪型式定子以有效的将电机磁路“规划”到特定路径，减少漏磁在不通电相以及机壳上的损耗；
(5)本发明积极遵循低耗节能原则，能够提高单位质量下电机输出转矩指标以及降低相邻定子齿间轭部磁通损耗，增大气隙磁密，一定条件下减少定子绕组电流近而达到节能目的。
本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例第一转子、第二转子和爪型定子安装的立体示意图；
图2为本发明实施例第一转子、第二转子和爪型定子安装的轴向剖面示意图；
图3为图2的左视示意图；
图4为本发明实施例爪型定子的结构示意图；
图5为本发明实施例第一转子和第二转子安装在转轴上的示意图；
图6为本发明实施例机壳的结构示意图；
图7为本发明实施例爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机的整体示意图；
图8为本发明实施例励磁绕组产生的磁路的示意图；
图9为本发明实施例永磁体产生的磁路的示意图。
说明书附图中的附图标记包括：
1-定子轭部，2-第一定子凸极，3-第二定子凸极，4-第一转子凸极，5-第二转子凸极，6-气隙，7-永磁体，8-转轴，9-机壳，10-隔磁条，11-励磁绕组，12-第二转子轭部，13-隔磁槽，14-第一转子轭部。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图9所示，本发明实施例提供了一种爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机，能够有效地提升输出转矩、在输出转矩相同的条件下降低电枢电流以及定子轭部1损耗，提高电机运行效率，改善其性能指标。
如图1至图7所示，一种爪型定子轭部1嵌入永磁体7辅助双转子轴向双凸极电机，适用于多相制，包括机壳9、第一转子、第二转子和爪型定子，第一转子和第二转子均固设在转轴8上，与转轴8同轴旋转，第一转子设置有若干个第一转子凸极4，第二转子设置有若干个第二转子凸极5，爪型定子设置有若干个与第一转子凸极4对应的第一定子凸极2，还设置有若干个与第二转子凸极5对应的第二定子凸极3，即爪型定子设置第一定子凸极2的一侧与第一转子位置对应，爪型定子设置第二定子凸极3的一侧与第二转子位置对应，以实现电机的多相制工作，爪型定子的定子轭部1对称设置有永磁体7。本实施例中，爪型定子轭部1嵌入永磁体7辅助双转子轴向双凸极电机采用三相制，第一转子和第二转子的固定在转轴8上，爪型定子固定在机壳9上，第一转子上均匀分布4个第一转子凸极4，第二转子上均匀分布4个第二转子凸极5，爪型定子沿圆周向均匀分布6个第一定子凸极2和6个第二定子凸极3，并且爪型定子与第一转子、第二转子之间设置有气隙6，气隙6为0.2-0.4mm，本实施例中气隙6为0.4mm。转轴8采用钢材料制成，爪型定子、第一转子和第二转子均由硅钢片叠压而成，采用硅钢片叠压能够大大减轻电机的质量，减小了电机的转动惯量。
定子和转子上均设置有凸极构成双凸极结构，定、转子采用凸极式设计，利用“磁阻最小原理”产生切向拉力，实现电机起动、制动、停车及四象限运行。采用爪型定子的定子轭部1嵌入永磁体7辅助励磁结构，通过永磁体7在磁路中的励磁作用间接地减少定子励磁电流消耗，永磁体7辅助作用的加入实现了定子励磁电流的减少，有效减小了定子励磁绕组11的铜耗，有效的减少了定转子铁心损耗，永磁辅助技术与爪型定子结合，有效提升气隙磁密，减小漏磁。
如图1至图4所示，定子轭部1的主体为圆柱筒结构，若干个第一定子凸极2均匀设置在定子轭部1的一侧，若干个第二定子凸极3均匀设置在定子轭部1的内壁。本实施例中，6个第一定子凸极2均匀设置在定子轭部1的一侧，6个第二定子凸极3均匀设置在定子轭部1的内壁上，定子轭部1的主体为圆柱筒结构，定子轭部1主体向设置第一定子凸极2的一侧延伸出6个定子轭部1伸出部用于设置第一定子凸极2，第一定子凸极2位于靠近第一转子凸极4的一侧。
采用定子隔磁技术，若干个第一定子凸极2均匀设置在定子轭部1的一侧减少硅钢片材料损耗并有效减小了定子相邻两凸极之间的漏磁，还能够有效地将电机磁路“规划”到特定路径，减少漏磁在不通电相以及机壳9上的损耗。
如图1至图4所示，定子轭部1对称嵌入两块永磁体7，并且永磁体7位于相邻的两个第二定子凸极3之间。永磁体7嵌入定子轭部1一方面起到隔磁作用，另一方面有效提升气隙磁密，两块永磁体7对称设置能够配合励磁绕组11产生的磁路，使励磁绕组11产生的磁路与永磁体7产生的磁路有效叠加。采用永磁体7辅助励磁可以减小定子电流而电机输出性能不变，节约能源，由于永磁体7和励磁绕组11同时在气隙6中产生气隙磁密，永磁体7的加入可以相应的减少励磁电流相应增加气隙磁密提升转矩。
如图1至图3所示，第一定子凸极2上绕有励磁绕组11，每个第一定子凸极2上都绕有相同匝数的励磁绕组11，使磁动势均匀。当然，第二定子凸极3上也可以绕有励磁绕组11，第一定子凸极2和第二定子凸极3都绕有励磁绕组11，使磁路更加规范，减少漏磁，从而增加有效磁通，增大电机的出力。
本实施例中，每个第一定子凸极2上缠绕有相同匝数励磁绕组11，第二定子凸极3上没有绕励磁绕组11，第一转子凸极4和第二转子凸极5也没有绕励磁绕组11，将爪型定子6个第一定子凸极2的励磁绕组11合理布局，均匀分为A、B、C三相，顺序导通A、B、C，则电机顺时针旋转；依次导通C、B、A，则电机逆时针旋转。
如图6所示，壳体设置有若干个与第一定子凸极2对应的隔磁槽13，第一定子凸极2固设在隔磁槽13内。本实施例中，壳体设置有6个分别与第一定子凸极2对应的隔磁槽13。
机壳9与转轴8同轴设置，机壳9采用隔磁材料制成，隔磁槽13与第一定子凸极2的数量相等，并且第一定子凸极2插入到对应的隔磁槽13内，固定第一定子凸极2的同时防止其由于电机定转子齿间产生磁力矩而脱落，相邻两个隔磁槽13之间的凸起为隔磁条10，隔磁条10起到隔断相邻第一定子凸极2间磁通并且对定子起到固定作用，解决了通电相励磁绕组11产生的磁通漏向不通电相定子的技术问题，减少损耗。
如图5所示，第一转子凸极4与第二转子凸极5的数量相等，且对应的第一转子凸极4与第二转子凸极5沿同一直线方向设置。第一转子和第二转子固定在转轴8上平行排列，对应的第一转子凸极4与第二转子凸极5之间不会出现周向错角。
如图2至图4所示，第一定子凸极2与第二定子凸极3的数量相等，且对应的第一定子凸极2与第二定子凸极3沿同一直线方向设置。
上述爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机的运行原理如下：
本发明电机中的一相爪型定子励磁绕组11中通入电流产生磁动势，则爪型定子两端分别形成N极和S极，该电机的磁路是一相励磁绕组11和永磁体7产生的磁动势效果叠加，如图8所示，一相励磁绕组11产生的磁路：一个第一定子凸极2、气隙6、一个第一转子凸极4、第一转子轭部14、另一个第一转子凸极4、气隙6、另一个第一定子凸极2、定子轭部1、一个第二定子凸极3、气隙6、一个第二转子凸极5、第二转子轭部12、另一个第二转子凸极5、气隙6、另一个第二定子凸极3、定子轭部1、一个第一定子凸极2；如图9所示，永磁体7产生的磁路：永磁体7N极、定子轭部1、一个第二定子凸极3、气隙6、一个第二转子凸极5、第二转子轭部12、另一个第二转子凸极5、气隙6、另一个第二定子凸极3，定子轭部1、永磁体7S极。由于定子轭部1加入永磁体7形成两套独立磁路，同相励磁绕组11通过串联方式连接起来，驱动电机运转，永磁体7和励磁绕组11分别产生的磁动势叠加作用在两套闭合磁路中，产生气隙磁密。根据“磁阻最小原理”产生切向拉力，通过控制励磁绕组11依次导通，可使电机旋转，永磁体7的加入使磁路中总磁动势增加进而加强磁路中气隙磁密，因此可以采用较小励磁电流实现气隙6给定磁密效果。
采用爪型定子的隔磁手段以及定子轭部1嵌入永磁体7的结构使电机磁通在特定路径(即一相励磁绕组11产生的磁路和永磁体7产生的磁路)导通，有效减少不通电定子侧的漏磁损耗，产生不必要的损耗。由于采用永磁体7辅助励磁可以减小定子电流而电机输出性能不变，节约能源。永磁体7辅助作用的加入实现了定子励磁电流的减少，有效减小了定子绕组的铜耗，提高效率方面。永磁体7辅助技术的具体原理如下：
开关磁阻电机的电磁转矩可从机电能量转换角度根据磁共能计算得到：
式中，Tem是电磁转矩，是磁共能，i是相电流，是磁链，θ是电机转子转过角度。
电机运行时，当通入相电流后，忽略互感引起的磁阻转矩分量，则电机输出有效转矩由自感磁阻转矩和永磁转矩两部分组成。其一相转矩为：
其中
式中，Tep为p相输出有效电磁转矩；Trp为p相自感磁阻转矩，Tmp为p相永磁转矩，ip为p相电流，Lp为p相绕组电感，ψmp为永磁体7磁链。在Tep不变的情况下，由于永磁体7提供一定转矩Tmp，故可以相应减小输入电流。
本发明中电机在使用中的固定装置可采用现有技术，不做限定。为实现电机的控制与检测，本发明还可安装了位置传感器和电流传感器，均采用现有技术中电机的常规设置即可，不做限定。本发明同相励磁绕组11串联用一个开关管(IGBT)控制通断，采用现有技术的设置，不做限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机，其特征在于，包括机壳、第一转子、第二转子和爪型定子；
所述第一转子和第二转子均固设在转轴上，与转轴同轴旋转，第一转子设置有若干个第一转子凸极，第二转子设置有若干个第二转子凸极；
所述爪型定子设置有若干个与第一转子凸极对应的第一定子凸极，还设置有若干个与第二转子凸极对应的第二定子凸极，爪型定子的定子轭部对称设置有永磁体。
2.根据权利要求1所述的爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机，其特征在于，所述定子轭部的主体为圆柱筒结构，若干个所述第一定子凸极均匀设置在定子轭部的一侧，若干个所述第二定子凸极均匀设置在定子轭部的内壁。
3.根据权利要求1或2所述的爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机，其特征在于，所述定子轭部对称嵌入两块永磁体，并且永磁体位于相邻的两个第二定子凸极之间。
4.根据权利要求1或2所述的爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机，其特征在于，所述第一定子凸极上绕有励磁绕组。
5.根据权利要求4所述的爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机，其特征在于，所述第二定子凸极上也绕有励磁绕组。
6.根据权利要求1或2所述的爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机，其特征在于，所述壳体设置有若干个与第一定子凸极对应的隔磁槽，第一定子凸极固设在隔磁槽内。
7.根据权利要求1或2所述的爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机，其特征在于，所述爪型定子、第一转子和第二转子均由硅钢片叠压而成。
8.根据权利要求1或2所述的爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机，其特征在于，所述第一转子凸极与第二转子凸极的数量相等，且对应的第一转子凸极与第二转子凸极沿同一直线方向设置。
9.根据权利要求1或2所述的爪型定子轭部嵌入永磁体辅助双转子轴向双凸极电机，其特征在于，所述第一定子凸极与第二定子凸极的数量相等，且对应的第一定子凸极与第二定子凸极沿同一直线方向设置。
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