CN111030403A - 双转子磁通切换电机及其优化方法 - Google Patents

双转子磁通切换电机及其优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111030403A
CN111030403A CN201911214224.1A CN201911214224A CN111030403A CN 111030403 A CN111030403 A CN 111030403A CN 201911214224 A CN201911214224 A CN 201911214224A CN 111030403 A CN111030403 A CN 111030403A
Authority
CN
China
Prior art keywords
motor
rotor
stator
radical
flux switching
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911214224.1A
Other languages
English (en)
Inventor
温鲜慧
王爱玲
代雨婷
郑丹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Shenxin Chuanglian Intelligent Technology Co ltd
Original Assignee
Shenzhen Shenxin Chuanglian Intelligent Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Shenxin Chuanglian Intelligent Technology Co ltd filed Critical Shenzhen Shenxin Chuanglian Intelligent Technology Co ltd
Priority to CN201911214224.1A priority Critical patent/CN111030403A/zh
Publication of CN111030403A publication Critical patent/CN111030403A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/02Machines with one stator and two or more rotors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14Stator cores with salient poles
    • H02K1/146Stator cores with salient poles consisting of a generally annular yoke with salient poles
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/17Stator cores with permanent magnets
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Abstract

本发明实施例公开了一种双转子磁通切换电机及其优化方法,所述电机由一个定子与内转子、外转子两个转子构成,中间的定子铁芯两边分别开槽,内转子、外转子共用一个定子铁芯,定子、外转子、内转子相配合的槽数比为12:22:10,定子铁芯中径向内置有永磁体,永磁体采用切向交替充磁;所述电机的电枢绕组围绕圆周采用集中式绕组结构。本发明通过增加磁通的相对有效面积来增加外部输出转矩,从而可以提升了电机的转矩密度,进而应用在混合动力汽车、混合舰船推进和矿山机械等的驱动系统中时有着良好的性能。

Description

双转子磁通切换电机及其优化方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域,尤其涉及一种双转子磁通切换电机及其优化方法。
背景技术
随着能源结构的转变,针对风力发电以及混合动力汽车的研究也开始大量出现,传统永磁电机以其结构简单、功率密度高、运行可靠性高及维护成本低的优点受到了人们的重视。磁通切换电机又因其拓扑简单、结构紧凑、转矩密度大等优点备受关注,因其能够在较宽速度范围内调速运行而更加适用于上述的领域。近年,越来越多的电机研究团队相继对这类电机开始了研究。在我国,东南大学的花为、程明以及朱孝勇教授团队,江苏大学的全力教授,还有华南理工大学的陈世元教授等;在国外,英国谢菲尔德的Z.Q.Zh教授等近年都在磁通切换电机上进行了大量的研究,他们也发表了很多关于这类电机的论文。
永磁电机尽管具有上述很多的优点,但是其存在的散热以及表贴式永磁体当离心力过大时需要加固等问题。前者可能导致电机的温升较大,去磁现象比较明显,导致电机性能在实际使用中并不能达到理想的标准;后者会使得电机的结构比较复杂,相对应的成本比较高。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于,提供一种双转子磁通切换电机及其优化方法,以使提升电机性能。
为了解决上述技术问题,本发明实施例提出了一种双转子磁通切换电机,由一个定子与内转子、外转子两个转子构成,中间的定子铁芯两边分别开槽,内转子、外转子共用一个定子铁芯,定子、外转子、内转子相配合的槽数比为12:22:10,定子铁芯中径向内置有永磁体,永磁体采用切向交替充磁;所述电机的电枢绕组围绕圆周采用集中式绕组结构。
相应地,本发明实施例还提供了一种双转子磁通切换电机的优化方法,包括:
定义参数步骤:根据电机的应用环境,定义电机的结构参数;
建立模型步骤:根据结构参数构建Maxwell有限元仿真模型;
分析求解步骤:根据模型对电机进行网格剖分、求解,得到电机待优化数据;
处理分析步骤:对电机待优化数据进行处理,并进行电磁性能分析;
性能对比步骤:对性能进行对比,判断是否满足优化指标要求,若是,则确定最终的结构参数;若否,则调整结构参数,回到定义参数步骤。
本发明的有益效果为:本发明通过增加磁通的相对有效面积来增加外部输出转矩,从而可以提升了电机的转矩密度,进而应用在混合动力汽车、混合舰船推进和矿山机械等的驱动系统中时有着良好的性能。
附图说明
图1是磁通切换原理图。
图2是本发明实施例的双转子磁通切换电机的立体结构图。
图3是本发明实施例的双转子磁通切换电机的优化方法的流程示意图。
图4是本发明实施例的双转子磁通切换电机磁场分布图。
图5是本发明实施例的双转子磁通切换电机的气隙磁密分布图。
图6是本发明实施例的双转子磁通切换电机的A相磁链图。
图7是本发明实施例的双转子磁通切换电机的A相反电动势图。
图8是本发明实施例的双转子磁通切换电机的输出转矩对比图。
附图标号说明
定子1
内转子2
外转子3。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合,下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中若有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
另外,在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
请参照图2,本发明实施例的双转子磁通切换电机由一个定子1与内转子2、外转子3两个转子构成。定子1由铁芯、永磁体、励磁绕组、隔磁环及电枢绕组组成。
本发明实施例的双转子磁通切换电机属于磁阻型电机,是根据“磁阻最小”原理来工作的。采用双凸极的结构,将磁力线或者磁通类比于电流就可以很好地理解磁阻最小原理。所谓的“磁通切换”,简单来说就是在每一个转子极距或者电机的一个机械周期,或者理解成当磁链在绕组中电流穿入穿出的两个位置之间持续运动时,从波形上来看就是磁链不断在波峰与波谷(或最大值与最小值)之间不断重复呈现周期性变化,从而在绕组两端产生了正弦化程度较高的反电动势。参考图1的磁链走向,从磁链和磁阻的数学关系来讲,可以知道磁阻最小的位置就是磁链最大位置。
中间的定子1铁芯两边分别开槽,内转子2、外转子3共用一个定子1铁芯。定子1采用两边开槽的设计,这样相对于应用在混合动力汽车上的双电机系统可以减小电机的尺寸,缩减电机的成本。
定子1、外转子3、内转子2相配合的槽数比为12:22:10。定子1铁芯中径向内置有永磁体,永磁体采用切向交替充磁。双转子磁通切换电机的电枢绕组围绕圆周采用集中式绕组结构。整个电机的电枢绕组围绕圆周采用集中式结构——A+A-B+B-C+C-连接。采用集中式绕组既可以减少铜导线的使用量,还可以减少绕组的端部损耗,适当的提高电机的效率。这种集中式绕组还可以抵消一部分磁链和反电动势中的高次谐波,从而使得电机不经优化就能得到正弦化较高的磁链和反电动势波形。
作为一种实施方式,所述定子1的内径满足以下公式:
其中:Dg是定子1内径;P2是电机输出功率;Nr是内转子2极数;Ns是定子1极数;kd是漏磁系数;kfe是电机长径比,取值在0.4-0.65之间;As是电负荷;Bg是磁负荷;Cs是定子1极弧系数;η是效率;n是电机转速。
作为一种实施方式,所述电机的长度和内外径比满足下式:
其中:Dso指定子1外径;Doro指外转子3外径;Diro指内转子2外径;hsos指定子1外部槽的深度;kfeW为长度和外径比,kfeN为长度和内径比。优选地,kfeW与kfeN分别为0.8与0.48。
转速表达式是:
其中:Nr是内转子2极数。
本发明内外转子3共用一个定子1铁芯,这样有二点好处:第一,电机的功率密度较高;第二,不仅相对地增加了磁通的有效面积,而且使得电机定转子齿的重叠面积也相对增加,进而导致电机的输出转矩增大,尤其是外部转矩。
作为一种实施方式,所述电机输出的转矩TN满足下式:
其中:kφ是内外电机磁场的耦合系数,nN为电机的转速,f为频率,PN为输入功率。
作为一种实施方式,所述kφ取1.539。
请参照图3,本发明实施例的双转子磁通切换电机的优化方法,包括:
定义参数步骤:根据电机的应用环境,定义电机的结构参数;
建立模型步骤:根据结构参数构建Maxwell有限元仿真模型;
分析求解步骤:根据模型对电机进行网格剖分、求解,得到电机待优化数据;
处理分析步骤:对电机待优化数据进行处理,并进行电磁性能分析;
性能对比步骤:对性能进行对比,判断是否满足优化指标要求,若是,则确定最终的结构参数;若否,则调整结构参数,回到定义参数步骤。
作为一种实施方式,分析求解步骤中采用以下公式计算得到定子1的内径:
其中:Dg是定子1内径;P2是电机输出功率;Nr是内转子2极数;Ns是定子1极数;kd是漏磁系数;kfe是电机长径比,取值在0.4-0.65之间;As是电负荷;Bg是磁负荷;Cs是定子1极弧系数;η是效率;n是电机转速。
作为一种实施方式,分析求解步骤中采用下式得到电机的长度和内外径比:
其中:Dso指定子1外径;Doro指外转子3外径;Diro指内转子2外径;hsos指定子1外部槽的深度;kfeW为长度和外径比,kfeN为长度和内径比。
作为一种实施方式,分析求解步骤中采用下式计算得到电机输出的转矩TN
其中:kφ是内外电机磁场的耦合系数,nN为电机的转速,f为频率,PN为输入功率。
作为一种实施方式,所述kφ取1.539。
实施例:电机的基本尺寸如表1所示,额定参数表2所示:
表1
基本参数 数值
内转子2内径/mm 11
内转子2外径/mm 35
外转子3内径/mm 85.2
外转子3外径/mm 105.6
定子1内径/mm 35.6
定子1外径/mm 84.6
内外气隙长度/mm 0.6
定子1内绕组每槽匝数/匝 50
定子1外绕组每槽匝数/匝 30
电机轴向有效长度/mm 75
表2
经过Maxwell有限元仿真,可以得出电机的磁场分布,如图4所示,其中(a)、(b)分别是剖分图以及磁密云图。图(a)中气隙部分的剖分采用最细化剖分,可以确保后面得出的性能曲线的误差最小;图(b)可以看出电机定转子齿的饱和程度相对较高,符合双凸极电机的特点,这是由于双凸极电机的聚磁效应所决定的。图(c)和(d)分别是内外电机单元第一次磁链最大位置时的磁密云图。
图5是电机的气隙磁密图可以看出对于电机的气隙磁密较大,这正是磁通切换电机的一大特点之一。由于电机采用切向交替充磁,相邻两块永磁体产生的磁链会相互匝链一起穿过气隙,并且由于电机的聚磁效应,从而电机的气隙磁密会较之一般的永磁电机大,电机的气隙长度内外均为0.6mm,气隙磁密的峰值达到了2.0T,可以知道气隙较为饱和。一方面,过高的饱和程度会使得电机匝链更多的磁通,从而增加电机的输出转矩;另一方面,它又会不可避免的导致电机的漏磁较为严重。由于磁通切换电机的工作原理所导致,其端部饱和程度较高也是不可避免的,只能尽力在不降低性能的情况下给予削弱。
由于三相系统的对称性,所以用图6、7电机的A相磁链和反电动势曲线来反映电机整体的三相反电动势和磁链的情况。从图中可以知道,作为关注度较高的外部电机单元其磁链和反电动势的正弦化较高,基本可以达到永磁同步电机的水准;正弦度较高的磁链和反电动势又会使得电机在使用过程中,适用于更多的控制策略。
众所周知,磁通切换电机的最大优点就是它能够提供一个比传统永磁电机更大的输出转矩,例如:一台功率为2000W、转速为1500r/min、定子1外径为135mm以及轴向有效长度为60mm的单转子磁通切换电机,其输出转矩是12N·m,与其同体积同功率的传统永磁同步电机,其输出转矩为10.2N·m,输出转矩提高了1.8N·m,大约18%。这恰恰是混合动力汽车所要求的。
由于内外电机单元的磁场在定子1铁芯处的耦合较为严重,这种耦合明显提高了内外部的输出转矩,这也是本发明的双转子磁通切换电机的特点。其内外部分的输出转矩计算公式如下:
其中:kφ是内外电机磁场的耦合系数,经过建模[14]计算取1.539。
用作对比的外转子3磁通切换电机的输出转矩的计算公式为:
其中:pr——永磁体极对数;
Φmax——气隙中心线处最大气隙磁通密度;
Bgmax——气隙永磁磁密峰值;
I——额定电流
如图8所示,经过实际负载仿真得出:外部的输出转矩是71N·m,相比之下,同体积同功率的传统外转子3磁通切换电机只有65N·m,外部输出转矩提高了10%,可知明显提高了双转子磁通切换电机的出力。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (10)

1.一种双转子磁通切换电机,由一个定子与内转子、外转子两个转子构成,其特征在于,中间的定子铁芯两边分别开槽,内转子、外转子共用一个定子铁芯,定子、外转子、内转子相配合的槽数比为12:22:10,定子铁芯中径向内置有永磁体,永磁体采用切向交替充磁;所述电机的电枢绕组围绕圆周采用集中式绕组结构。
2.如权利要求1所述的双转子磁通切换电机,其特征在于,所述定子的内径满足以下公式:
其中:Dg是定子内径;P2是电机输出功率;Nr是内转子极数;Ns是定子极数;kd是漏磁系数;kfe是电机长径比,取值在0.4-0.65之间;As是电负荷;Bg是磁负荷;Cs是定子极弧系数;η是效率;n是电机转速。
3.如权利要求2所述的双转子磁通切换电机,其特征在于,所述电机的长度和内外径比满足下式:
其中:Dso指定子外径;Doro指外转子外径;Diro指内转子外径;hsos指定子外部槽的深度;kfeW为长度和外径比,kfeN为长度和内径比。
4.如权利要求1所述的双转子磁通切换电机,其特征在于,所述电机输出的转矩TN满足下式:
其中:kφ是内外电机磁场的耦合系数,nN为电机的转速,f为频率,PN为输入功率。
5.如权利要求4所述的双转子磁通切换电机,其特征在于,所述kφ取1.539。
6.一种双转子磁通切换电机的优化方法,其特征在于,包括:
定义参数步骤:根据电机的应用环境,定义电机的结构参数;
建立模型步骤:根据结构参数构建Maxwell有限元仿真模型;
分析求解步骤:根据模型对电机进行网格剖分、求解,得到电机待优化数据;
处理分析步骤:对电机待优化数据进行处理,并进行电磁性能分析;
性能对比步骤:对性能进行对比,判断是否满足优化指标要求,若是,则确定最终的结构参数;若否,则调整结构参数,回到定义参数步骤。
7.如权利要求6所述的双转子磁通切换电机的优化方法,其特征在于,分析求解步骤中采用以下公式计算得到定子的内径:
其中:Dg是定子内径;P2是电机输出功率;Nr是内转子极数;Ns是定子极数;kd是漏磁系数;kfe是电机长径比,取值在0.4-0.65之间;As是电负荷;Bg是磁负荷;Cs是定子极弧系数;η是效率;n是电机转速。
8.如权利要求7所述的双转子磁通切换电机的优化方法,其特征在于,分析求解步骤中采用下式得到电机的长度和内外径比:
其中:Dso指定子外径;Doro指外转子外径;Diro指内转子外径;hsos指定子外部槽的深度;kfeW为长度和外径比,kfeN为长度和内径比。
9.如权利要求6所述的双转子磁通切换电机的优化方法,其特征在于,分析求解步骤中采用下式计算得到电机输出的转矩TN
其中:kφ是内外电机磁场的耦合系数,nN为电机的转速,f为频率,PN为输入功率。
10.如权利要求9所述的双转子磁通切换电机的优化方法,其特征在于,所述kφ取1.539。
CN201911214224.1A 2019-12-02 2019-12-02 双转子磁通切换电机及其优化方法 Pending CN111030403A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911214224.1A CN111030403A (zh) 2019-12-02 2019-12-02 双转子磁通切换电机及其优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911214224.1A CN111030403A (zh) 2019-12-02 2019-12-02 双转子磁通切换电机及其优化方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111030403A true CN111030403A (zh) 2020-04-17

Family

ID=70207691

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911214224.1A Pending CN111030403A (zh) 2019-12-02 2019-12-02 双转子磁通切换电机及其优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111030403A (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104362822A (zh) * 2014-10-24 2015-02-18 东南大学 自弱磁复合磁通切换永磁电机
CN104506011A (zh) * 2014-12-18 2015-04-08 江苏大学 一种适用于增程式电动汽车的磁通切换永磁电机
CN110504811A (zh) * 2019-09-12 2019-11-26 山东大学 一种错位双转子磁通切换型永磁电机及发电设备

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104362822A (zh) * 2014-10-24 2015-02-18 东南大学 自弱磁复合磁通切换永磁电机
CN104506011A (zh) * 2014-12-18 2015-04-08 江苏大学 一种适用于增程式电动汽车的磁通切换永磁电机
CN110504811A (zh) * 2019-09-12 2019-11-26 山东大学 一种错位双转子磁通切换型永磁电机及发电设备

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘玉雷: "双转子磁通切换电机的设计及齿槽转矩的优化", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库(电子期刊)》 *
刘玉雷等: "新型双转子磁通切换电机的设计及转矩特性的研究", 《大电机技术》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nikam et al. A high-torque-density permanent-magnet free motor for in-wheel electric vehicle application
Lindh et al. Comparison of concentrated winding permanent magnet motors with embedded and surface-mounted rotor magnets
More et al. Power density improvement of three phase flux reversal machine with distributed winding
Germishuizen et al. IPM traction machine with single layer non-overlapping concentrated windings
CN103956872B (zh) 永磁同步电机及其转子
Li et al. Design and analysis of a flux reversal machine with evenly distributed permanent magnets
CN111404290B (zh) 一种集中绕组横向磁通永磁同步电机
CN110323863B (zh) 非对称混合磁极型永磁电机
CN105186818A (zh) 一种磁路混合排列的永磁同步电机
Li et al. Influence of adjacent teeth magnet polarities on the performance of flux reversal permanent magnet machine
CN104993629B (zh) 一种绕线式直线无刷双馈发电机
CN205178671U (zh) 一种定子及其相应的无刷直流、三相开关磁阻和罩极电机
Zhu et al. Torque analysis for in-wheel switched reluctance motors with varied number of rotor poles
Zohoori et al. Design study of FSPM generator with novel outer rotor configuration for small wind turbine application
CN106295004B (zh) 一种考虑扰动型设计变量区间的永磁电机优化设计方法
CN105305734B (zh) 永磁容错电机的谐波注削法
Shao et al. Design of a twelve-phase flux-switching permanent magnet machine for wind power generation
CN111030403A (zh) 双转子磁通切换电机及其优化方法
CN112467951A (zh) 一种双定子交替极无刷混合励磁电机
CN110401273A (zh) 低谐波的分数槽集中绕组设计方法
CN111064300A (zh) 24槽10极三相电机绕组结构及电动车辆
Chen et al. Torque optimization of synchronous reluctance motor for electric powertrain application
CN109038871A (zh) 一种分段转子开关磁阻电机
Sun et al. Improvement of pole-splitting permanent-magnet vernier machine with permanent magnets on both stator and rotor sides
Li et al. A novel E-core hybrid-excited flux switching machine based on biased flux

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200417

RJ01 Rejection of invention patent application after publication