CN113178963B - 一种径向与轴向双模块化磁通切换电机 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种径向与轴向双模块化磁通切换电机，包括定子和转子；定子包括电枢绕组和至少一个沿轴向排布的定子模块，每个定子模块包括两个定子单元，每个定子模块的两个定子单元之间以及相邻两个定子模块相邻的两个定子单元之间均嵌有隔磁环；每个定子单元包括永磁体和多个呈圆周排布的定子铁心，相邻两个定子铁心之间嵌入永磁体；电枢绕组的同一个电枢线圈沿电机轴向绕置在所有定子单元相同位置的定子铁心的导磁桥臂上；转子包括数量与定子模块相同的转子模块，每个转子模块包含两个转子单元，每个转子模块的两个转子单元安装位置的圆心角相差180°。该电机永磁磁链的谐波波形更接近于正弦波，减少了电机输出转矩的脉动，减少了振动和噪声。

Description

一种径向与轴向双模块化磁通切换电机
技术领域
本发明是基于磁通切换原理的模块化无刷电机，特别是涉及一种径向与轴向双模块化磁通切换电机，属于电机制造技术领域。
背景技术
在风力发电、新能源电动汽车、工业技术、飞机、舰艇制造等领域，不但要求电机具有良好的转矩和转速特性，以满足设备运行工况多变的条件，而且对电机系统的运行效率与可靠性有极高需求。定子永磁型磁通切换电机具有转矩(功率)密度高、转矩输出能力强、效率高等优点，被广泛应用于各种工况。磁通切换电机的永磁体和电枢绕组均置于定子侧，易于冷却和散热，转子侧既无永磁体也无电枢绕组，结构简单、机械强度高、适合高速运行，且能够在环境较为恶劣的条件下运行。
目前，传统的6槽/5极磁通切换永磁电机的电枢绕组的绕组因数较低，永磁磁链中谐波含量较多，谐波的正弦性较差，导致电机的输出性能较差，不能很好地满足电机运行环境多变的需求。
公布号为CN111211659A的中国专利提出了一种定子模块化环形绕组双定子永磁电机，定子位于内转子和外转子之间，内转子与外转子分别与定子形成独立的气隙，使用环形绕组，克服了传统定子永磁型电机端部绕组长，铜耗大，端部空间利用率低的问题，有效提高了电机的效率；该电机在径向上采用双转子结构，两个转子与定子间的气隙磁通密度无法相互抵消，进而无法消除奇数次谐波，导致永磁磁链谐波的正弦性较差。
综上所述，本发明提出了一种磁通切换电机，每个转子模块的两个转子单元的气隙磁通密度的奇数次谐波可以相互抵消，产生更加正弦的磁链，达到电机高转矩密度和高效率的设计要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种径向与轴向双模块化磁通切换电机。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种径向与轴向双模块化磁通切换电机，包括定子和转子；其特征在于，所述定子包括电枢绕组和至少一个沿轴向排布的定子模块，每个定子模块包括两个定子单元，每个定子模块的两个定子单元之间以及相邻两个定子模块相邻的两个定子单元之间均嵌有隔磁环；每个定子单元包括永磁体和多个呈圆周排布的定子铁心，相邻两个定子铁心之间嵌入永磁体，同一个定子单元中相邻两个永磁体的充磁方向相反，相邻两个定子单元相同位置的永磁体的充磁方向相反；所有定子单元相同位置的定子铁心沿轴向完全重合，电枢绕组的同一个电枢线圈沿电机轴向绕置在所有定子单元相同位置的定子铁心的导磁桥臂上；
所述转子包括数量与定子模块相同的转子模块，每个转子模块包含两个转子单元，每个转子模块的两个转子单元安装位置的圆心角相差180°，转子单元与定子单元一一对应，转子单元与定子铁心之间存在气隙。
所述定子单元包含六个定子铁心，转子单元包含五个转子极，形成6槽/5极磁通切换电机。
所述定子铁心为H型或C型或U型。
所述定子铁心和转子单元均采用硅钢片制成。
所述永磁体采用钕铁硼或钐钴或铁氧体永磁材料制成。
所述电枢绕组为三相电枢绕组，每相电枢绕组包含两个电枢线圈，每相电枢绕组的两个电枢线圈在电机径向上的位置相对，即两个电枢线圈之间的圆心角为180°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)每个转子模块的两个转子单元安装位置的圆心角相差180°，相邻两个定子单元相同位置的永磁体充磁方向相反，使得两个转子单元与定子铁心之间的气隙磁场的磁通密度的奇次谐波能够抵消，永磁磁链中奇次谐波含量更少，永磁磁链的谐波波形更接近于正弦波，同时有效抑制奇数极转子单元的单边磁拉力，适合高速运行。本发明的电机属于磁通切换类电机，具有高转矩密度和高效率的优势。
2)电枢绕组绕置于定子铁心的导磁桥臂上，与永磁体分离，有效防止电机在工作过程中电枢线圈发热而引起的永磁体高温退磁；由于永磁体与电枢线圈距离较远，增加了永磁体的散热面积，提高了永磁体的表面散热系数以及永磁体与冷却系统中空气或冷却液间的导热系数，减小了永磁体的温升；此外，电枢线圈产生的热量通过定子铁心的导磁桥臂传递给永磁体，在设置有冷却系统的条件下，仅有一部分热量传递给永磁体，能够有效抑制永磁体温度的上升。
3)电枢绕组为集中式环形拓扑，每相电枢绕组的两个电枢线圈的圆心角相隔180°，每相电枢绕组匝链的永磁磁链相位相差180°，且幅值相反，磁链变化具有互补性，能够有效抵消永磁磁链与空载感应电动势中的偶次谐波，提高永磁磁链与空载感应电动势波形的正弦性。电枢线圈绕置时仅跨越一个导磁桥臂，减小了端部绕组的长度；沿电机轴向所有定子单元相同位置的定子铁心共用一个电枢线圈，不仅提高了绕组因素，而且端部绕组跨度较小，降低了铜耗，提高了电机的运行效率。
4)转子单元采用硅钢片构成，结构简单，机械强度高；转子极数少，在电机高速运行过程中，能够有效降低铁耗与永磁体涡流损耗。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明沿定子模块中一个定子单元的径向剖视图；
图3为本发明沿定子模块中另一个定子单元的径向剖视图；
图4为本发明电机与单个转子单元和定子单元构成的电机气隙中的磁通密度对比图；
图5为本发明的转子模块中两个转子单元的不平衡磁拉力分解图；
图中：1、定子单元；2、定子铁心；3、导磁桥臂；4、永磁体；5、电枢绕组；6、隔磁环；7、转子单元；8、轴；
41、一号永磁体；42、二号永磁体；51、A相电枢绕组；52、B相电枢绕组；53、C相电枢绕组；511、A相正极电枢线圈；512、A相负极电枢线圈；521、B相正极电枢线圈；522、B相负极电枢线圈；531、C相正极电枢线圈；532、C相负极电枢线圈；71、一号转子极。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案进行详细说明，并不用于限定本申请的保护范围。
如图1所示，本发明为一种径向与轴向双模块化磁通切换电机(简称电机)，包括定子和转子；定子包括电枢绕组5和至少一个沿轴向排布的定子模块，每个定子模块包括两个定子单元1，每个定子模块的两个定子单元1之间以及相邻两个定子模块相邻的两个定子单元1之间均嵌有隔磁环6；每个定子单元1包括永磁体4和多个呈圆周排布的定子铁心2，相邻两个定子铁心2之间嵌入永磁体4，永磁体4的充磁方向为切向，同一个定子单元1中相邻两个永磁体4的充磁方向相反(参见图2)，相邻两个定子单元1相同位置的永磁体4的充磁方向相反(参见图3)；所有定子单元1相同位置的定子铁心2沿轴向完全重合，所有定子单元1相同位置的定子铁心2共用电枢绕组5的同一个电枢线圈，即电枢线圈沿电机轴向呈环形绕置在所有定子单元1相同位置的定子铁心2的导磁桥臂3上；
所述转子包括数量与定子模块相同的转子模块，每个转子模块包含两个安装在轴8上的转子单元，每个转子模块的两个转子单元7安装位置的圆心角相差180°，转子单元7与定子单元1一一对应，转子单元7与定子铁心2之间存在气隙。
所述电枢绕组5包含三相，每相电枢绕组包含两个电枢线圈，每相电枢绕组的两个电枢线圈在电机径向上的位置相对，即两个电枢线圈之间的圆心角为180°；电枢绕组匝链的磁链为双极性变化；电枢线圈采用集中式环形拓扑，即绕置在所有定子模块1相同位置的定子铁心2的导磁桥臂3上，提高定子铁心2的槽满率，进而提高了磁通切换电机拓扑的转矩密度；如图2、3所示，A相正极电枢线圈511与A相负极电枢线圈512径向相对，A相正极电枢线圈511和A相负极电枢线圈512串联形成A相电枢绕组51，A相正极电枢线圈511和A相负极电枢线圈512的永磁磁链相位相差180°；同理，B相正极电枢线圈521和B相负极电枢线圈522串联形成B相电枢绕组52，C相正极电枢线圈531和C相负极电枢线圈532串联形成C相电枢绕组53；每相电枢绕组的两个电枢线圈所在磁路中磁链偶次谐波大小相等，幅值相反，因此磁链变化具有互补性，每个电枢线圈内匝链的永磁磁链仅由磁通密度中的偶次谐波贡献，优化了永磁磁链的正弦性，减少了空载感应电动势的谐波含量，进而抑制了电机的输出转矩脉动。
所述定子单元1包含六个定子铁心2，转子单元7包含五个转子极，形成6槽/5极磁通切换电机。
定子铁心2可以为H型、C型、U型等；定子铁心2和转子单元7均采用导磁材料制成，例如硅钢片。
永磁体4采用钕铁硼、钐钴或铁氧体永磁材料制成。
相邻两个定子单元1相同位置的永磁体4的充磁方向相反，每个转子模块的两个转子单元7安装位置的圆心角相差180°，通过两个转子单元7配合使用，使得气隙磁场的永磁磁通密度谐波分布与电枢反应磁通密度谐波分布均不同于传统定子永磁电机，能够将气隙磁场中磁通密度的奇次谐波抵消；如图4所示，本发明电机与单个转子单元和定子单元构成的电机气隙中的磁通密度对比图，从图中可知，单个转子单元和定子单元构成的电机在谐波次数为奇数时均气隙磁场中存在磁通，而本发明电机在谐波次数为奇数时，气隙磁场中无磁通，使得永磁磁链中奇次谐波含量更少，永磁磁链的谐波波形更接近于正弦波，抑制了电机的输出转矩脉动，减少了电机的振动和噪声。
图5为转子模块的两个转子单元的不平衡磁拉力分解图，转子单元一x方向的不平衡磁拉力与转子单元二x方向的不平衡磁拉力幅值相同，相位相差180°，能够相互抵消；同理，转子单元一y方向的不平衡磁拉力与转子单元二y方向的不平衡磁拉力相互抵消，有效抑制了奇数极转子单元的单边磁拉力，减少了电机产生振动和噪声，使得电机更加适合高速运行。
本发明的工作原理和工作流程是：
本发明的电机即可作为发电机也可作为电动机，作发电机运行时，所有电枢绕组不需要通电；如图2所示，以A相电枢绕组51为例，安装A相正极电枢线圈511的定子铁心2的两侧分别嵌有一号永磁体41和二号永磁体42，转子单元7的一号转子极71正对一号永磁体41，此时A相电枢绕组51的磁通为零；当轴8带动转子单元7逆时针转动，A相电枢绕组51的磁通逐渐增大，当一号转子极71正对安装A相正极电枢线圈511的定子铁心2的一个定子齿时，A相电枢绕组51的磁通达到正向最大值；转子单元7继续逆时针转动，A相电枢绕组51的磁通逐渐减小；当一号转子极71正对安装A相正极电枢线圈511的定子铁心2轭部中心位置时，A相电枢绕组51的磁通减小为零；转子单元7继续逆时针转动，当一号转子极71正对安装A相正极电枢线圈511的定子铁心2的另一个定子齿时，A相电枢绕组51的磁通达到负向最大值；当一号转子极71正对二号永磁体42时，A相电枢绕组51的磁通为零，至此A相电枢绕组51完成一个周期的磁通变化，因此A相电枢绕组51内的磁通因转子单元7转动位置的改变而呈正弦变化，继而在A相电枢绕组51中产生交变电动势，每相电枢绕组都按照前述原理生成交变电动势，每个定子模块的两个定子单元1的工作原理相同，且共用同一个电枢绕组，A相正极电枢线圈511在两个定子单元1中匝链的磁链极性相反，相位相差180°，磁链具有互补性，使磁链的二次谐波抵消，因此三相电枢绕组中形成正弦性更好的三相正弦变化的感应电动势，将三相电枢绕组与整流装置结合，即可输出直流电压，实现电机的发电功能。
作电动机运行时，所有电枢绕组需要通电，每相电枢绕组的电枢电流与交变电动势同相位时产生作用在转子单元7上的电磁转矩，带动轴8旋转。通过控制各相电枢绕组电流的大小和方向，即可实现对电机转向和速度的控制。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种径向与轴向双模块化磁通切换电机，包括定子和转子；其特征在于，所述定子包括电枢绕组和至少一个沿轴向排布的定子模块，每个定子模块包括两个定子单元，每个定子模块的两个定子单元之间以及相邻两个定子模块相邻的两个定子单元之间均嵌有隔磁环；每个定子单元包括永磁体和多个呈圆周排布的定子铁心，相邻两个定子铁心之间嵌入永磁体，同一个定子单元中相邻两个永磁体的充磁方向相反，相邻两个定子单元相同位置的永磁体的充磁方向相反；所有定子单元相同位置的定子铁心沿轴向完全重合，电枢绕组的同一个电枢线圈沿电机轴向绕置在所有定子单元相同位置的定子铁心的导磁桥臂上；
所述转子包括数量与定子模块相同的转子模块，每个转子模块包含两个转子单元，每个转子模块的两个转子单元安装位置的圆心角相差180°，转子单元与定子单元一一对应，转子单元与定子铁心之间存在气隙；该电机的转子单元与对应定子铁心之间的气隙磁场的磁通密度的奇次谐波能够抵消，永磁磁链中的谐波波形更接近于正弦波，同时有效抑制奇数极转子单元的单边磁拉力，使得电机更加适用于高速运行。
2.根据权利要求1所述的径向与轴向双模块化磁通切换电机，其特征在于，所述定子单元包含六个定子铁心，转子单元包含五个转子极，形成6槽/5极磁通切换电机。
3.根据权利要求1或2所述的径向与轴向双模块化磁通切换电机，其特征在于，定子铁心为H型或C型或U型。
4.根据权利要求1所述的径向与轴向双模块化磁通切换电机，其特征在于，所述定子铁心和转子单元均采用硅钢片制成。
5.根据权利要求1所述的径向与轴向双模块化磁通切换电机，其特征在于，永磁体采用钕铁硼或钐钴或铁氧体永磁材料制成。
6.根据权利要求1所述的径向与轴向双模块化磁通切换电机，其特征在于，所述电枢绕组为三相电枢绕组，每相电枢绕组包含两个电枢线圈，每相电枢绕组的两个电枢线圈在电机径向上的位置相对，即两个电枢线圈之间的圆心角为180°。
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