CN110601475A

CN110601475A - 轴向磁场复合型磁通切换电机

Info

Publication number: CN110601475A
Application number: CN201910873670.7A
Authority: CN
Inventors: 莫丽红; 张涛; 王业琴; 张晨; 刘保连; 叶小婷; 鲁庆
Original assignee: Huaiyin Institute of Technology
Current assignee: Huaiyin Institute of Technology
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2019-12-20

Abstract

本发明涉及电机设计领域，公开了一种轴向磁场复合型磁通切换电机，包括同轴安装的凸极结构的第一转子和第二转子以及一个双凸极轴向对称结构的定子，所述第一转子和所述第二转子的结构完全相同且对称设置在所述定子的轴向两侧，所述定子与所述第一转子、所述第二转子之间均具有气隙，所述第一转子和所述第二转子固定连接构成转子本体；所述定子径向分为内定子和外定子，所述内定子外径通过轴承与所述外定子内径转动连接；所述转子本体径向分为内转子和外转子，所述内转子外径和所述外转子内径间通过非导磁磁隔实现内、外转子隔磁和固定。本电机满足直驱式系统较好动力性能、较宽调速范围及安全可靠运行的要求。

Description

轴向磁场复合型磁通切换电机

技术领域

本发明涉及电机设计领域，特别涉及一种轴向磁场复合型磁通切换电机。

背景技术

直驱式电动汽车的驱动部件是电机，电机的性能对电动汽车的性能起着至关重要的影响。由于永磁电机具有的高转矩密度及高功率密度特点，直驱式电动汽车中多采用永磁轮毂电机结构以实现小型轻量化。与径向磁场永磁轮毂电机相比，轴向磁场永磁盘式电机具有轴向尺寸短、结构紧凑、硅钢片利用率高等优势，使其在特有的安装空间条件下具有径向磁场电机无法比拟的性能；此外，轴向磁场永磁盘式电机因其结构特点，转动惯量小，下线方便，定子绕组具有良好的散热条件，同时可加工成多气隙结构，进一步提高输出能力。

近年来，许多轴向磁场永磁盘式电机的新型拓扑结构被研制，其中永磁磁通切换型盘式电机由于其“聚磁效应”拓扑结构获得的高转矩密度和高效率性能受到关注。然而常规结构的永磁磁通切换型盘式电机用于电动汽车直驱式系统具有较大的不足，因为在直驱式系统中，出于增加转矩输出及电机效率的需要，电机额定转速往往设置在转速较低且运行频繁的市区工况范围，使得电机调速范围受到了很大限制，而另一方面由于永磁电机弱磁调速的需要，如何避免永磁体不可逆退磁，保障电机安全稳定运行应是首先需要考虑的难题。

专利ZL201510028269.5公开了一种双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机结构，保留永磁磁通切换电机高功率密度的特点的同时，还具有记忆电机宽调速运行范围和高效率的特点。然而，这种电机结构由于永磁体的频繁充去磁操作，易陷入永磁体不可逆退磁，降低了电机运行的稳定性和可靠性。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种轴向磁场复合型磁通切换电机，满足直驱式系统较好动力性能、较宽调速范围及安全可靠运行的要求。

技术方案：本发明提供了一种轴向磁场复合型磁通切换电机，包括同轴安装的凸极结构的第一转子和第二转子以及一个双凸极轴向对称结构的定子，所述第一转子和所述第二转子的结构完全相同且对称设置在所述定子的轴向两侧，所述定子与所述第一转子、所述第二转子之间均具有气隙，所述第一转子和所述第二转子固定连接构成转子本体；所述定子径向分为内定子和外定子，所述内定子外径通过轴承与所述外定子内径转动连接；所述转子本体径向分为内转子和外转子，所述内转子外径和所述外转子内径间通过非导磁圆环形磁隔实现内、外转子的隔磁和固定。

进一步地，所述外定子包括均匀交替布置成圆环形的P _so个“H”型铁心单元和P _so个梯形聚磁中间齿，所述梯形聚磁中间齿的梯面朝向转子本体，且满足P _so=6 n，其中n为正整数。

进一步地，相邻的两个所述“H”型铁心单元和梯形聚磁中间齿之间存在间隙，在间隙内固定嵌满沿圆周方向交替充磁的稀土永磁材料，形成P _so个外定子磁通切换磁极，每个所述外定子磁通切换磁极由三块外定子齿和两块所述稀土永磁材料组成；穿过所述外定子磁通切换磁极圆周两侧外定子槽，环绕每个所述外定子磁通切换磁极缠绕一组集中绕组线圈。

进一步地，自所述“H”形铁心单元的轭部沿轴向每侧凸出三个外定子导磁极，三个所述外定子导磁极沿圆周方向等间隔布置，每个所述外定子导磁极均由一块铁氧体永磁材料及一个导磁齿组成，并按照轭部、铁氧体永磁材料、导磁齿的顺序依次轴向固定；穿过所述外定子导磁极圆周两侧外定子槽，环绕每个与所述外定子磁通切换磁极相邻的所述外定子导磁极缠绕一组集中绕组线圈。

优选地，所述外定子轴向两侧共6*P _so组所述集中绕组线圈，6*P _so组所述集中绕组线圈分成三组，同相所述集中绕组线圈串联，形成三相外电枢绕组。

进一步地，所述内定子包括内定子轭和自所述内定子轭向轴向每侧凸出的P _si个内定子磁极，所述P _si个内定子磁极沿圆周方向均匀设置；每个所述内定子磁极包括三个平行的内定子齿，即一块内定子中间齿及其圆周两侧的两块内定子端齿，三个所述平行的内定子齿之间存在两个形状相同的且开口朝向所述转子本体的平行凹槽；圆周方向相邻的两个所述内定子磁极之间存在一个开口面向所述转子本体的扇形凹槽，且其径向内侧槽口小于径向外侧槽口。

进一步地，穿过相邻两个所述平行凹槽，分别环绕各所述内定子磁极的内定子中间齿、环绕所述扇形凹槽圆周两侧相邻两个所述内定子端齿缠绕直流磁化线圈，所述内定子轴向两侧共4P _si组所述直流磁化线圈串联或并联，形成直流磁化绕组；同一直流磁化线圈槽内的直流磁化线圈边中的电流流向相同，相邻两个直流磁化线圈槽内的直流磁化线圈边中的电流流向相反。

进一步地，穿过相邻两个所述扇形凹槽，环绕每个所述内定子磁极缠绕一组集中绕组线圈，所述内定子轴向两侧共2P _si组所述集中绕组线圈，2P _si组所述集中绕组线圈分成三组，同相集中绕组线圈串联，形成三相内电枢绕组。

优选地，所述内转子包括内转子轭和自内转子轭向定子方向凸出的沿圆周均匀分布的梯形内转子齿，所述梯形内转子齿的数量P _ri满足：P _ri=P _si±2N₁，其中N₁为正整数；所述梯形内转子齿的梯面朝向内定子。

优选地，所述外转子包括外转子轭和自外转子轭向定子方向凸出的沿圆周均匀分布的梯形外转子齿，所述梯形外转子齿的数量P _ro满足：P _ro=P _so±2N₂，其中N₂为正整数；所述梯形外转子齿的梯面朝向外定子。

有益效果：1、本发明中，外定子和外转子构成外电机，内定子和内转子构成内电机，内定子和内转子上均无永磁体，因此可避免内电机不易散热导致的永磁体高温不可逆退磁；外电机虽有永磁体，但是由于定子上轴承的作用，高速工况时，由内电机完成调速，外电机的外定子在转子高速旋转时通过同向旋转可始终工作于额定点附近，完成增加转矩输出的同时，避免了外电机弱磁调速带来的永磁体不可逆退磁风险；从上述两点来看，本发明提高了永磁体工作稳定性，提高了电机工作的可靠性。

2、传统轴向磁场电机难以兼顾低速大转矩和宽调速范围的应用需求；本发明通过在传统轴向磁场永磁磁通切换电机内侧设置电励磁磁通切换电机，内、外转子通过非导磁磁隔连接固定并为内外电机共用，内定子外径和外定子内径通过轴承连接，实现内电机宽调速范围基础上，外电机根据工况需求调节转矩；同时因为内电机无永磁体避免了内电机永磁体高温退磁风险，因外电机轴承的作用避免了外电机弱磁调速时永磁体的不可逆退磁。本发明中内电机采用电励磁磁通切换结构，外电机采用集成式永磁磁通切换结构和混合永磁的励磁方式，使得该电机具有较高的转矩密度和永磁体利用率。

3、本发明中外定子采用集成式磁通切换磁极和导磁磁极结构，利用集成式磁通切换磁极和导磁磁极的聚磁效应，相对于常规磁通切换电机具有更高的转矩输出能力和永磁体利用率，有利于实现电机的小型轻量化。

4、本发明中内定子和内转子构成电励磁调速内电机，具有较宽调速范围，外定子和外转子构成永磁调矩外电机，具有较大的转矩输出能力，内外电机运行中分别用于调节转速和转矩，以实现不同工况下负载直接驱动的功率需求，满足电动汽车驱动系统低速大转矩和宽调速范围的要求。

5、调矩外电机采用了稀土钕铁硼-铁氧体混合励磁，调速内电机采用电励磁方式，利用了稀土钕铁硼剩磁较大、铁氧体价格低及电励磁调速范围宽的特点，减少了稀土永磁体用量，降低了成本。

6、本发明中内电机和外电机可运行于单独驱动或共同驱动等不同工作模式，当调矩外电机永磁体工作出现故障时，可使调速内电机单独运行，因此本发明中电机具有一定的容错性。

附图说明

图1是本发明提出的轴向磁场复合型磁通切换电机结构图，内电机为三相定子18槽/转子10极电励磁结构，外电机为三相定子24槽/转子22极混合永磁励磁结构；

图2是图1中定子结构图；

图3是图2中外定子结构图；

图4是图2中内定子结构图；

图5是图1中第一转子结构图；

图6是外定子轴向结构展开图；

图7是图6中外电机三相电枢绕组连接方式图；

图8是内定子轴向结构、电枢绕组线圈分布及励磁绕组连接图；

图9是图8中内电机三相电枢绕组连接方式图；

图10为内电机磁通切换工作原理图；

图11为外电机磁通切换工作原理图；

图中：1 定子，2 第一转子，3 第二转子，4 外定子，4-1外定子磁通切换磁极，4-2外定子导磁极，5 铁氧体永磁材料，6稀土永磁材料，7 内、外定子间轴承，8 内定子，9 外定子导磁齿，10外定子“H”形铁心单元，10-1“H”形铁心单元上外定子聚磁端齿，11外定子聚磁中间齿，12 “H”形铁心单元的轭部，13 内定子齿，13-1内定子中间齿，13-2内定子端齿，14 内定子轭，15 外转子，16 外转子齿，17 外转子轭，18 内外转子间非导磁圆环形磁隔，19 内转子，20 内转子齿，21 内转子轭，22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57 外定子上集中绕组线圈，58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69 内定子上集中绕组线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的介绍。

本实施方式提供了一种轴向磁场复合型磁通切换电机，如图1所示，包括同轴安装的双凸极结构的定子1、凸极结构的第一转子2和凸极结构的第二转子3。定子1轴向两侧对称，第一转子2和第二转子3结构相同，相对设置在定子1轴向两侧且关于定子1对称，定子1与第一转子2、第二转子3间留有气隙，第一转子2和第二转子3轭部铁芯的外缘通过连接壳体连接构成转子本体。定子1结构如图2所示，其径向分为外定子4和内定子8，图3显示转子本体径向分为外转子15和内转子19。外定子4和外转子15组成外电机，内定子8和内转子19组成内电机。内转子19的外径和外转子15的内径间设置有环形非导磁圆环形磁隔18间隔并固定，外定子4的内径和内定子8的外径间设置有轴承7，轴承7内、外侧分别与内定子8的外径和外定子4的内径固定，这样，内定子8无转速，外定子4可相对外转子15差速旋转。

以图1所示的一台内电机三相定子18槽/转子10极电励磁结构、外电机三相定子24槽/转子22极混合永磁体励磁的轴向磁场复合型磁通切换电机为例，具体说明本实施方式的技术方案。

参见图3，所述外定子4包括六个“H”型铁心单元10和六个梯形聚磁中间齿11。六个“H”型铁心单元10和六个梯形聚磁中间齿11沿圆周均匀间隔布置成圆环形，“H”型铁心单元10的两端开口分别朝向轴向第一转子2和第二转子3，“H”型铁心单元10的两侧端面与梯形聚磁中间齿11两侧腰面均朝向圆周方向，梯形聚磁中间齿11上顶面朝向轴心线，其两侧梯面分别朝向轴向第一转子2和第二转子3。相邻的“H”型铁心单元10和梯形聚磁中间齿11之间存在间隙，在间隙内固定嵌满沿圆周方向交替充磁的梯形稀土永磁材料6，形成P _so个外定子磁通切换磁极4-1，每个外定子磁通切换磁极4-1由两块外定子聚磁端齿10-1、一块梯形聚磁中间齿11和两块稀土永磁材料6组成，且沿圆周按照外定子聚磁端齿10-1、稀土永磁材料6、外定子聚磁中间齿11、稀土永磁材料6、外定子聚磁断齿10-1的顺序相邻放置。自“H”形铁心单元10的轭部12沿轴向每侧分别凸出3个外定子导磁极4-2，3个外定子导磁极4-2沿圆周方向等间隔布置，每个外定子导磁极4-2均由一块铁氧体永磁材料5及1个导磁齿9组成，并按照“H”形铁心单元10的轭部12、铁氧体永磁材料5、导磁齿9依次轴向固定，3块铁氧体永磁材料5采用轴向交替充磁方式。 “H”型铁心单元10上的外定子聚磁端齿10-1和外定子导磁齿9均为平行齿。参见图6，穿过外定子磁通切换磁极4-1圆周两侧外定子槽，环绕每个外定子磁通切换磁极4-1缠绕一组集中绕组线圈22、25、28、31、34、37、40、43、46、49、52、55；穿过外定子导磁极4-2圆周两侧外定子槽，环绕每个与外定子磁通切换磁极4-1相邻的外定子导磁磁极4-2缠绕一组集中绕组线圈23、24、26、27、29、30、32、33、35、36、38、39、41、42、44、45、47、48、50、51、53、54、56、57。参见图7外定子轴向两侧共三十六组集中绕组线圈分成三组，同相集中绕组线圈串联，形成三相外电枢绕组。

参见图4，所述内定子8包括内定子轭14和自内定子轭向轴向每侧凸出的6个沿圆周方向均匀设置的内定子磁极8-1 ，每个内定子磁极8-1包括3个平行内定子齿13，3个平行内定子齿13之间存在两个形状相同的开口朝向转子本体的平行凹槽。圆周方向相邻的两个内定子磁极8-1之间存在一个开口面向转子本体的扇形凹槽，且其径向内侧槽口小于径向外侧槽口。穿过相邻两个平行凹槽，分别环绕内定子磁极8-1上的内定子中间齿13-1、环绕扇形凹槽圆周两侧相邻的两个内定子端齿13-2缠绕直流磁化线圈，24组直流磁化线圈串联或并联形成直流磁化绕组，同一直流磁化线圈槽内的直流磁化线圈中的电流流向相同，相邻两个直流磁化线圈槽内的直流磁化线圈中的电流流向相反，如图8所示。穿过相邻两个扇形凹槽，环绕每个内定子磁极缠绕一组集中绕组线圈58-64，十二组集中绕组线圈分成三组，同相集中绕组线圈串联，形成三相内电枢绕组，参见图8和图9。

参见图5，内转子19包括内转子轭21和自内转子轭21向定子1方向凸出的沿圆周均匀分布的梯形内转子齿20，梯形内转子齿的梯面朝向内定子8，内转子齿20数量设置为10，以获得较大空载反电动势和正弦性较好的反电动势波形。外转子15包括外转子轭17和自外转子轭17向定子1方向凸出的沿圆周均匀分布的梯形外转子齿16，梯形外转子齿16的梯面朝向外定子4，外转子齿16的数量设置为22，以获得较小定位转矩，减小转矩脉动。

如图5所示，外转子15和内转子19间由环形非导磁圆环形磁隔18进行隔磁和固定，因此外转子15和内转子19总是具有相同的转速；外定子4和内定子8以非导磁轴承7转动连接，因此在内电机高速运行时，外电机的外定子4可与第一转子2和第二转子3同向差速旋转，使之在额定点附近高效率工作的同时，为内电机辅助增加转矩输出，因此本发明电机结构可满足低速大转矩和宽速范围高效运行。内、外电机均采用磁通切换结构，利用磁场聚磁效应，可提高电机的转矩密度；其中内电机采用电励磁充磁方式，无永磁体布置，利于内电机散热和可靠宽调速运行；外电机采用集成式磁通切换结构和稀土永磁-铁氧体混合永磁励磁方式，兼顾高转矩密度和低成本需求。

图10和图11分别给出了内、外电机分别在电励磁磁场和永磁磁场激励下由位置A到位置B“磁通切换”的二维原理图。内（外）电机在位置A处，励磁磁通遵循“磁阻最小原理”沿着图示箭头的路径穿出内定子中间齿13-1（外定子聚磁中间齿11）而进入与之对齐的内转子齿20（外转子齿16）。对于开路的电枢绕组线圈59、25来说，其两端会感应出一定的反电动势。而当内(外)电机转子运动到位置B处时，励磁磁通穿行路径对电枢绕组来说恰好反向，为穿出内转子齿20(外转子齿16)而进入内定子端齿13-2（外定子聚磁端齿10-1），此时电枢绕组线圈59、25中感应的反电动势与位置A处时极性相反。当转子在上述两个位置之间连续运动时，电枢绕组里匝链的励磁磁链就会不断在正负值之间改变，与之对应，绕组两端会产生幅值和相位交变的反电动势，即“磁通切换”。

此复合型电机的内、外两个电机系统之间无电磁耦合，可按照两个普通磁通切换电机进行独立控制，可控参数大大多于普通磁通切换电机，十分灵活。内、外电机根据不同的工况需求可运行于单机驱动、双机共同驱动、双机发电等不同工作模式，内、外电机都做发电运行时，可以输出两组不同功率、频率、幅值和电压等级的电能；内、外电机系统也可以一个做发电运行，另一个做电动运行，以满足不同的应用场合与性能需求。

本实施方式提出的电机在一个轴向磁场电机空间内将永磁磁通切换外电机和电励磁磁通切换内电机集成起来，提供两条功率流动路径。内电机和外电机均可采用其他的电机结构，大大提高了系统的灵活性，拓展了应用范围。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种轴向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，包括同轴安装的凸极结构的第一转子（2）和第二转子（3）以及一个双凸极轴向对称结构的定子（1），所述第一转子（2）和所述第二转子（3）的结构完全相同且对称设置在所述定子（1）的轴向两侧，所述定子（1）与所述第一转子（2）、所述第二转子（3）之间均具有气隙，所述第一转子（2）和所述第二转子（3）固定连接构成转子本体；所述定子（1）径向分为内定子（8）和外定子（4），所述内定子（8）外径通过轴承（7）与所述外定子（4）内径转动连接；所述转子本体径向分为内转子（19）和外转子（15），所述内转子（19）外径和所述外转子（15）内径间通过非导磁圆环形磁隔（18）实现内、外转子的隔磁和固定。

2.根据权利要求1所述的轴向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，所述外定子（4）包括均匀交替布置成圆环形的P _so个“H”型铁心单元（10）和P _so个梯形聚磁中间齿（11），所述梯形聚磁中间齿（11）的梯面朝向所述转子本体，且满足P _so=6 n，其中n为正整数。

3.根据权利要求2所述的轴向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，相邻的两个所述外定子“H”型铁心单元（10）和梯形聚磁中间齿（11）之间存在间隙，在间隙内固定嵌满沿圆周方向交替充磁的稀土永磁材料（6），形成P _so个外定子磁通切换磁极（4-1），每个外定子磁通切换磁极（4-1）由两块外定子聚磁端齿（10-1）、一块梯形聚磁中间齿（11）和两块稀土永磁材料（6）组成；穿过所述外定子磁通切换磁极（4-1）圆周两侧外定子槽，环绕每个所述外定子磁通切换磁极（4-1）缠绕一组集中绕组线圈。

4.根据权利要求3所述的轴向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，自所述外定子“H”形铁心单元（10）的轭部（12）沿轴向每侧凸出三个外定子导磁极（4-2），三个所述外定子导磁极（4-2）沿圆周方向等间隔布置，每个所述外定子导磁极（4-2）均由一块铁氧体永磁材料（5）及一个导磁齿（9）组成，并按照轭部（12）、铁氧体永磁材料（5）、导磁齿（9）的顺序依次轴向固定；穿过所述外定子导磁极（4-2）圆周两侧外定子槽，环绕每个与所述外定子磁通切换磁极（4-1）相邻的所述外定子导磁极（4-2）缠绕一组集中绕组线圈（22~57）。

5.根据权利要求4所述的轴向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，所述外定子（4）轴向两侧共6P _so组所述集中绕组线圈（22~57），6P _so组所述集中绕组线圈（22~57）分成三组，同相所述集中绕组线圈（22~57）串联，形成三相外电枢绕组。

6.根据权利要求1所述的轴向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，所述内定子（8）包括内定子轭（14）和自所述内定子轭（14）向轴向每侧凸出的P _si个内定子磁极（8-1），所述P _si个内定子磁极（8-1）沿圆周方向均匀设置；每个所述内定子磁极（8-1）包括三个平行的内定子齿（13），即一个内定子中间齿（13-1）及其圆周两侧的两个内定子端齿（13-2），三个所述内定子齿（13）之间存在两个形状相同的且开口朝向所述转子本体的平行凹槽；圆周方向相邻的两个所述内定子磁极（8-1）之间存在一个开口面向所述转子本体的扇形凹槽，且其径向内侧槽口小于径向外侧槽口。

7.根据权利要求6所述的轴向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，穿过相邻两个所述平行凹槽，分别环绕各所述内定子磁极（8-1）的内定子中间齿（13-1）、环绕所述扇形凹槽圆周两侧相邻两个所述内定子端齿（13-2）缠绕直流磁化线圈，所述内定子轴向两侧共4P _si组所述直流磁化线圈串联或并联，形成直流磁化绕组；同一直流磁化线圈槽内的直流磁化线圈中的电流流向相同，相邻两个直流磁化线圈槽内的直流磁化线圈中的电流流向相反。

8.根据权利要求6所述的轴向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，穿过相邻两个所述扇形凹槽，环绕每个所述内定子磁极（8-1）缠绕一组集中绕组线圈（58~69），所述内定子（8）轴向两侧共2P _si组所述集中绕组线圈（58~69），2P _si组所述集中绕组线圈（58~69）分成三组，同相集中绕组线圈（58~69）串联，形成三相内电枢绕组。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的轴向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，所述内转子（19）包括内转子轭（21）和自内转子轭（21）向定子（1）方向凸出的沿圆周均匀分布的梯形内转子齿（20），所述梯形内转子齿（20）的数量P _ri满足：P _ri=P _si±2N₁，其中N₁为正整数；所述梯形内转子齿（20）的梯面朝向内定子（8）。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的轴向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，所述外转子（15）包括外转子轭（17）和自外转子轭（17）向定子（1）方向凸出的沿圆周均匀分布的梯形外转子齿（16），所述梯形外转子齿（16）的数量P _ro满足：P _ro=P _so±2N₂，其中N₂为正整数；所述梯形外转子齿（16）的梯面朝向外定子（4）。