CN111541351B - 一种双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机。该电机包括两个定子盘、一个转子盘、转轴、两个轴承、前端盖机壳、后端盖机壳和旋转变压器，其中转子盘与转轴固定连接，转子盘两侧转轴上安装两个定子盘，定子盘外侧安装前端盖机壳和后端盖机壳，后端盖机壳上安装旋转变压器；定子铁心单侧嵌绕电枢绕组，定子轭外圈安装环形励磁绕组，环形励磁绕组外圈安装L形导磁圆盘，两个定子铁心电枢绕组侧相对安装，两个L形导磁圆盘相对安装；转子支架上交替安装倒梯形永磁体和倒梯形导磁块。本发明双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机具有磁场调节范围宽、永磁体用量少、轴向尺寸小、可靠性高的优点。

Description

一种双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机

技术领域

本发明涉及轴向磁场电机技术领域，特别是一种双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机。

背景技术

混合励磁同步电机(hybrid excitation synchronous machine,HESM)是上个世纪 80年代由俄罗斯学者最先提出的一种新的电机结构，它存在两个磁势源，综合了电励磁和永磁同步电机各自的优点，具备气隙磁场易于调节、调磁量小且运行效率高、转矩密度大的优势，具有很高的研究价值。混合励磁电机发展至今已有多种结构形式，根据励磁源之间的磁路关系，混合励磁同步电机分为串联磁路型、并联磁路型和并列式磁路型。串联磁路型混合励磁同步电机的磁势源由永磁体和励磁绕组的磁路串联组成，可分为转子永磁型和定子永磁型，结构简单，但是励磁电流产生的磁路经过永磁体，磁阻较大，调节气隙磁场所需的励磁磁势较大，损耗较大，电励磁效率低，同时永磁体有不可逆退磁风险；并联磁路型混合励磁同步电机中，气隙磁链由励磁电流和永磁体共同形成，两者磁路相互独立，励磁电流的磁路几乎不通过永磁体，励磁绕组只要消耗较小的功率就能良好调节气隙磁通，且避免了永磁体的去磁风险；并列式磁路型混合励磁电机可以认为是由一个永磁电机和一个电励磁电机在空间上并列组成，可以根据两个磁势源产生磁路的耦合关系分为耦合型与非耦合型。并列式磁路型混合励磁电机最早由俄罗斯学者提出，其中电励磁部分采用爪极结构，使得电励磁磁路既具有轴向磁路，又具有径向磁路，使得电励磁磁路和永磁磁路存在较严重的耦合。针对以上不足，南京航空航天大学的严仰光教授提出了两种经典并列式混合励磁电机结构，分别为转子励磁型和定子励磁型，有效实现了两种磁势源磁路上的解耦。

永磁电机的拓扑结构主要分为径向磁通式、轴向磁通式和横向磁通式三种。作为轴向磁通式的盘式电机有诸多优于径向电机的特点，比如当拥有较小的长径比时，盘式电机具有更高的转矩密度、更好的散热以及紧凑的结构，在对轴向空间要求很高的应用场合中(比如电动汽车领域)，盘式电机具有很大的优势，而且可继续利用径向磁通电机中成熟的控制方式，实用性强，具有巨大的应用价值和前景。

混合励磁电机技术与轴向磁场电机拓扑结构的结合可以有效提高电机的转矩密度并且解决宽转速范围的调速问题，在发电和驱动场合应有都具有突出的技术优势。目前轴向磁场混合励磁电机已经得到了国内外各国学者的广泛关注和深入研究，主要集中在结构拓扑方面的研究和工程实践。英国学者E.Spooner在1989年提出一种受到广泛关注的并联磁势式混合励磁同步电机，转子采用磁极分割形结构，称为磁极分割形永磁(Consequentpole permanent magnet,CPPM)电机。IEEE Trans.Ind.Electron. 发表的期刊论文《Design,analysis,and control of a hybrid field-controlled axial-fluxpermanent-magnet motor》上描述的轴向磁场混合励磁电机就是采用这种结构，在定子上引入了励磁绕组，调磁能力相比于永磁电机得到了大幅度改进，然而该结构励磁绕组置于定子中间，漏磁较大，且功率密度有待进一步提高，同时励磁绕组的安装空件受到了一定的限制。专利CN200510112091公开的双馈电混合励磁轴向磁场永磁电机也属于该类型混合励磁电机结构拓扑。另外，近年来磁阻电机的长足发展也衍生出一系列的混合励磁磁通切换型轴向磁场电机，例如专利CN201710086123公开的一种双 H形定子铁心双转子混合励磁型轴向磁通切换永磁电机、CN201610944356公开的一种盘式双定子混合励磁电动机都属于混合励磁磁通切换型轴向磁场电机，该类型电机具有磁场调节方便、结构简单等优势。然而，该类型电机的基本原理给电机本体的功率密度和结构强度的提升带来了较大的挑战，其采用磁通单极性切换，铁心利用率低，难以达到同步励磁电机的转矩密度水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率密度高、磁场调节范围宽的双定子单转子轴向混合励磁同步电机。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机，包括两个定子盘、一个转子盘、转轴、两个轴承、前端盖机壳、后端盖机壳和旋转变压器，其中定子盘包括定子铁心、电枢绕组、环形励磁绕组和L形导磁圆盘，转子盘包括倒梯形导磁块、倒梯形永磁体和转子支架；

所述转子盘通过转子支架与转轴固定连接，转子盘两侧分别安装两个定子盘，两个定子盘均通过轴承安装在转轴上；两个定子盘外侧分别安装前端盖机壳和后端盖机壳；后端盖机壳上安装有旋转变压器定子，对应的转轴位置上安装有旋转变压器转子，用于识别永磁同步电机的绝对转子位置信息；

所述定子盘的定子铁心单侧开有电枢绕组槽并保留一部分定子轭，电枢绕组槽内嵌绕电枢绕组，定子轭外圈安装环形励磁绕组，环形励磁绕组外圈安装L形导磁圆盘，两个定子铁心开槽侧相对安装，两个L形导磁圆盘相对安装，构成U形导磁环；

所述转子盘的转子支架内外环之间设有辐条，形成倒梯形槽，倒梯形槽内交替安装倒梯形永磁体和倒梯形导磁块。

作为一种具体示例，两个L形导磁盘形状和大小相同，所述L形导磁圆盘由导磁圆盘与导磁圆环组合而成，构成中空的L形导磁圆盘，两个L形导磁圆盘相对安装，构成U形导磁环，所述U形导磁环内侧同轴安装两个定子盘和一个转子盘，外侧同轴安装前端盖机壳和后端盖机壳；所述前端盖机壳和后端盖机壳用于支撑两个定子盘和U形导磁环；所述两个轴承安装于两个定子盘内圈，用于支撑转轴使其随转子盘转动。

作为一种具体示例，所述倒梯形导磁块与倒梯形永磁体形状和尺寸均相同；所述转子盘极数与定子槽数量相同，位置相对应设置。

作为一种具体示例，所述L形导磁圆盘的内径与定子盘的内径相同，L形导磁圆盘中侧导磁圆环的内侧半径大于定子铁心的半径，从而拼接成导磁环后不与电枢绕组安装干涉。

作为一种具体示例，所述定子铁心安装在L形导磁圆盘内，定子铁心的背轭侧与 L形导磁圆盘的内侧圆盘壁紧密接触连接；所述环形励磁绕组为圆环形，安装在定子轭上，位于L形导磁圆盘与定子铁心之间。

作为一种具体示例，所述两个定子盘在轴向上匹配安装，所述两个L形导磁圆盘中侧导磁圆环在轴向方向紧密无缝接触；所述L形导磁圆盘中侧导磁圆环的轴向长度大于定子铁心的轴向长度，从而在两个定子铁心之间形成了一个轴向间隙。

作为一种具体示例，所述转子盘安装在两个定子铁心之间，并分别与两个定子铁心形成轴向气隙。

作为一种具体示例，所述转子支架由不锈钢或环氧树脂构造而成。

作为一种具体示例，所述倒梯形永磁体的充磁方向均相同，均为沿着轴向方向的相同方向充磁。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)加入了励磁绕组形成混合励磁，没有增加附加气隙，提高了励磁效率，且励磁绕组安装在定子上，结构简单可靠，对转子结构形状要求低，提高了电机的可靠性；(2)由于励磁电流产生的磁通不经过永磁体，且励磁磁通回路磁阻小，因此励磁效率高；每对极下永磁体产生的磁通与励磁电流产生的磁通并列存在，励磁调节范围宽；(3)在定子上增加了U形导磁环，且U 型导磁环属于金属材料，其与机壳接触后散热性能高，有利于励磁绕组和电枢绕组的冷却。

附图说明

图1是本发明一种双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机的结构示意图。

图2是本发明中单侧定子盘的结构爆炸示意图。

图3是本发明中双侧定子盘的结构爆炸示意图。

图4是本发明实施例中定子盘的二维结构示意图。

图5是本发明实施例中转子盘的结构示意图。

图6是本发明实施例中转子盘的结构爆炸示意图。

图7是本发明实施例中双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机总成的二维结构示意图。

图8是本发明实施例中双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机总成的外形示意图。

图中：1、定子盘，1-1、定子铁心，1-2、电枢绕组，1-3、环形励磁绕组，1-4、L 形导磁圆盘，2、倒梯形导磁块，3、倒梯形永磁体，4、转子支架，5、转轴，6、轴承，7、前端盖机壳，8、后端盖机壳，9、旋转变压器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明一种双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机，包括两个定子盘1、一个转子盘、转轴5、两个轴承6、前端盖机壳7、后端盖机壳8和旋转变压器 9，其中定子盘1包括定子铁心1-1、电枢绕组1-2、环形励磁绕组1-3和L形导磁圆盘1-4，转子盘包括倒梯形导磁块2、倒梯形永磁体3和转子支架4；

结合图8，所述转子盘通过转子支架4与转轴5固定连接，转子盘两侧分别安装两个定子盘1，两个定子盘1均通过轴承6安装在转轴5上；两个定子盘1外侧分别安装前端盖机壳7和后端盖机壳8；后端盖机壳8上安装有旋转变压器9定子，对应的转轴5位置上安装有旋转变压器9转子，用于识别永磁同步电机的绝对转子位置信息；

结合图2，所述定子盘1的定子铁心1-1单侧开有电枢绕组槽并保留一部分定子轭，电枢绕组槽内嵌绕电枢绕组1-2，定子轭外圈安装环形励磁绕组1-3，环形励磁绕组1-3外圈安装L形导磁圆盘1-4，两个定子铁心1-1开槽侧相对安装，两个L形导磁圆盘1-4相对安装，构成U形导磁环；

进一步地，结合图6，所述转子盘的转子支架4内外环之间设有辐条，形成倒梯形槽，倒梯形槽内交替安装倒梯形永磁体3和倒梯形导磁块2。

进一步地，结合图3，所述两个L形导磁盘1-4形状和大小相同，所述L形导磁圆盘1-4由导磁圆盘与导磁圆环组合而成，构成中空的L形导磁圆盘1-4，两个L形导磁圆盘1-4相对安装，构成U形导磁环，所述U形导磁环内侧同轴安装两个定子盘1和一个转子盘，外侧同轴安装前端盖机壳7和后端盖机壳8；所述前端盖机壳7 和后端盖机壳8用于支撑两个定子盘1和U形导磁环；所述两个轴承6安装于两个定子盘1内圈，用于支撑转轴5使其随转子盘转动。

进一步地，结合图6，所述倒梯形导磁块2与倒梯形永磁体3形状和尺寸均相同；所述转子盘极数与定子槽数量相同，位置相对应设置。

进一步地，结合图4，所述L形导磁圆盘1-4的内径与定子盘1的内径相同，L 形导磁圆盘1-4中侧导磁圆环的内侧半径大于定子铁心1-1的半径，从而拼接成导磁环后不与电枢绕组1-2安装干涉。

进一步地，结合图7，所述定子铁心1-1安装在L形导磁圆盘1-4内，定子铁心 1-1的背轭侧与L形导磁圆盘1-4的内侧圆盘壁紧密接触连接；所述环形励磁绕组1-3 为圆环形，安装在定子轭上，位于L形导磁圆盘1-4与定子铁心1之间。

进一步地结合图4，所述两个定子盘1在轴向上匹配安装，所述两个L形导磁圆盘1-4中侧导磁圆环在轴向方向紧密无缝接触；所述L形导磁圆盘1-4中侧导磁圆环的轴向长度大于定子铁心1-1的轴向长度，从而在两个定子铁心1-1之间形成了一个轴向间隙。

进一步地，结合图7，所述转子盘安装在两个定子铁心1-1之间，并分别与两个定子铁心1-1形成轴向气隙。

进一步地，所述转子支架4由不锈钢或环氧树脂构造而成。

进一步地，所述倒梯形永磁体3的充磁方向均相同，均为沿着轴向方向的相同方向充磁。

实施例1

结合图1，本实施例所示的双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机，为45槽5 对极结构，包括两侧的两个定子盘1、中间的转子盘、转轴5、两个轴承6、前端盖机壳7、后端盖机壳8和旋转变压器9。

结合图2，所述定子盘1包括定子铁心1-1、电枢绕组1-2、环形励磁绕组1-3和L形导磁圆盘1-4。本实施的中的定子铁心由硅钢片卷绕而成或用导磁复合材料压制成形，定子铁心1-1在一侧的轴向端面开有45个槽以便于电枢绕组1-2嵌绕，并保留足够的定子轭厚。所述L形导磁圆盘1-4由导磁圆盘与导磁圆环组合而成，构成中空的L形导磁圆盘1-4。L形导磁圆盘1-4的内径与定子内径相同，L形导磁圆盘1-4上侧导磁圆环内侧半径大于定子铁心1-1的半径，从而拼接成导磁环后不与电枢绕组1-2 安装干涉；并且L形导磁圆盘1-4上侧导磁圆环1-4的轴向长度要大于定子铁心1-1 的轴向长度。

嵌绕好电枢绕组的定子铁心1-1安装在L形导磁圆盘1-4内，定子铁心1-1的背轭侧与L形导磁圆盘1-4的内侧圆盘壁紧密接触连接。环形励磁绕组1-3为圆环形，安装在定子轭上，处于L形导磁圆盘1-4与定子铁心1-1之间。

结合图3，两个L形导磁圆盘1-4形状和大小相同，L形导磁圆盘1-4拼接而成后形成一个中空的U形导磁环，所述定子铁心1-1、电枢绕组1-2和励磁绕组1-3安装在U形导磁环的中空空间内。

结合图4，所述左右两侧的两个定子盘1在轴向上匹配安装，其匹配的原则是L 形导磁圆盘1-4中侧导磁圆环在轴向方向紧密无缝接触，形成U形导磁环。在两侧的定子铁心1-1上安装有环形励磁绕组1-3。由于L形导磁圆盘上1-4侧导磁圆环的轴向长度大于定子铁心1-1的轴向长度，从而在两个定子铁心1-1之间形成了一个轴向间隙。

结合图5，转子盘上的转子支架4的内外环之间设有辐条形成倒梯形槽，使倒梯形永磁体3和倒梯形导磁块2在圆周方向交替均匀布置安装在转子支架4上，转子支架4用以支撑固定倒梯形永磁体3和倒梯形导磁块2。所述转子支架4由不锈钢或环氧树脂材料构造而成。

结合图6，所述转子盘由倒梯形永磁体3、倒梯形导磁块2、转子支架4组成，形成的整个转子盘安装在两个定子铁心1-1之间形成的轴向间隙中间，并与定子铁心1-1 形成轴向气隙。转子盘上的倒梯形永磁体3和倒梯形导磁块2在圆周方向交替均匀布置安装在转子支架4上，即每对极中一个极对应为倒梯形永磁体3，下一个极对应为倒梯形导磁块3；并且，所述转子盘上所有倒梯形永磁体3的充磁方向均相同，均为沿着轴向方向。由于在转子每对极下存在高导磁材料的一极，电励磁磁通经过两侧定子盘1形成的轴向间隙大部分通过倒梯形导磁块2侧的一极，即每对极下的轴向气隙磁密倒梯形导磁块2对应的一极可以通过励磁电流的大小和方向来调节磁密和方向，与相邻极的倒梯形永磁体3产生的磁场相互配合实现电枢绕组1-2的磁通调节，实现混合励磁。

所述转子盘与转轴5连接，在左右两侧定子盘内圆安装有轴承6，转子盘安装在转轴5上，转轴5与轴承6连接，从而形成旋转体。

结合图7，所述左侧定子盘1通过L形导磁圆盘1-4安装在前端盖机壳7上，右侧定子盘1通过L形导磁圆盘1-4安装在后端盖机壳8上，所述前端盖机壳(7)和后端盖机壳(8)在轴向对扣形成电机机壳。所述的后端盖机壳8上安装有旋转变压器9的定子，转轴5上对应的位置安装有旋转变压器9的转子，用于识别永磁同步电机的绝对转子位置信息。

图8是本发明实施例中双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机总成外形图。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想实施的技术方案以及在本申请公开技术方案基础上所做的任何改动均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机，其特征在于，包括两个定子盘(1)、一个转子盘、转轴(5)、两个轴承(6)、前端盖机壳(7)、后端盖机壳(8)和旋转变压器(9)，其中定子盘(1)包括定子铁心(1-1)、电枢绕组(1-2)、环形励磁绕组(1-3)和L形导磁圆盘(1-4)，转子盘包括倒梯形导磁块(2)、倒梯形永磁体(3)和转子支架(4)；

所述转子盘通过转子支架(4)与转轴(5)固定连接，转子盘两侧分别安装两个定子盘(1)，两个定子盘(1)均通过轴承(6)安装在转轴(5)上；两个定子盘(1)外侧分别安装前端盖机壳(7)和后端盖机壳(8)；后端盖机壳(8)上安装有旋转变压器(9)定子，对应的转轴(5)位置上安装有旋转变压器(9)转子，用于识别永磁同步电机的绝对转子位置信息；

所述定子盘(1)的定子铁心(1-1)单侧开有电枢绕组槽并保留一部分定子轭，电枢绕组槽内嵌绕电枢绕组(1-2)，定子轭外圈安装环形励磁绕组(1-3)，环形励磁绕组(1-3)外圈安装L形导磁圆盘(1-4)，两个定子铁心(1-1)开槽侧相对安装，两个L形导磁圆盘(1-4)相对安装，构成U形导磁环；

所述转子盘的转子支架(4)内外环之间设有辐条，形成倒梯形槽，倒梯形槽内交替安装倒梯形永磁体(3)和倒梯形导磁块(2)；

两个L形导磁盘(1-4)形状和大小相同，所述L形导磁圆盘(1-4)由导磁圆盘与导磁圆环组合而成，构成中空的L形导磁圆盘(1-4)，两个L形导磁圆盘(1-4)相对安装，构成U形导磁环，所述U形导磁环内侧同轴安装两个定子盘(1)和一个转子盘，外侧同轴安装前端盖机壳(7)和后端盖机壳(8)；所述前端盖机壳(7)和后端盖机壳(8)用于支撑两个定子盘(1)和U形导磁环；所述两个轴承(6)安装于两个定子盘(1)内圈，用于支撑转轴(5)使其随转子盘转动；

所述两个定子盘(1)在轴向上匹配安装，所述两个L形导磁圆盘(1-4)中侧导磁圆环在轴向方向紧密无缝接触；所述L形导磁圆盘(1-4)中侧导磁圆环的轴向长度大于定子铁心(1-1)的轴向长度，从而在两个定子铁心(1-1)之间形成了一个轴向间隙。

2.根据权利要求1所述的双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机，其特征在于，所述倒梯形导磁块(2)与倒梯形永磁体(3)形状和尺寸均相同；所述转子盘极数与定子槽数量相同，位置相对应设置。

3.根据权利要求1所述的双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机，其特征在于，所述L形导磁圆盘(1-4)的内径与定子盘(1)的内径相同，L形导磁圆盘(1-4)中侧导磁圆环的内侧半径大于定子铁心(1-1)的半径，从而拼接成导磁环后不与电枢绕组(1-2)安装干涉。

4.根据权利要求1所述的双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机，其特征在于，所述定子铁心(1-1)安装在L形导磁圆盘(1-4)内，定子铁心(1-1)的背轭侧与L形导磁圆盘(1-4)的内侧圆盘壁紧密接触连接；所述环形励磁绕组(1-3)为圆环形，安装在定子轭上，位于L形导磁圆盘(1-4)与定子铁心(1)之间。

5.根据权利要求1所述的双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机，其特征在于，所述转子盘安装在两个定子铁心(1-1)之间，并分别与两个定子铁心(1-1)形成轴向气隙。

6.根据权利要求1所述的双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机，其特征在于，所述转子支架(4)由不锈钢或环氧树脂构造而成。

7.根据权利要求1所述的双定子单转子轴向磁场混合励磁同步电机，其特征在于，所述倒梯形永磁体(3)的充磁方向均相同，均为沿着轴向方向的相同方向充磁。

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