CN113691092B - 一种不对称气隙结构双定子轴向磁场混合励磁记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不对称气隙结构双定子轴向磁场混合励磁记忆电机，属于电机领域。该电机包括两个转子盘和两个定子盘：第一定子盘包括定子铁芯和调速三相电枢绕组，称为调速定子盘；第二定子盘包括定子铁芯、调矩三相电枢绕组、铝镍钴永磁体和励磁绕组，称为调矩定子盘；第一转子盘和第二转子盘大小一样，但转子齿数不一样；第一定子盘和第一转子盘、第二定子盘和第二转子盘之间均形成气隙结构并同轴安装于安装轴上，通过轴承将安装轴固定在电机的外壳上。本发明在保证电机体积小、永磁体不会因高温或者弱磁调速等原因导致不可逆转的退磁的前提下，仍然可以满足驱动电机低速大转矩和宽调速范围的要求。

Description

一种不对称气隙结构双定子轴向磁场混合励磁记忆电机

技术领域

本发明涉及一种不对称气隙结构双定子轴向磁场混合励磁记忆电机，属于电机领域。

背景技术

近年来，定子永磁型电机由于其高转矩密度和高效率而得到广泛研究，在该电机结构中，永磁体和绕组均放置在定子上，转子结构简单，提升了电机的可靠性和动态运行性能。但是，由于永磁体的固有特性，定子永磁电机运行时的气隙磁场基本保持恒定不变，电动运行时，电机励磁控制困难、调速范围有限。学者们多采用混合励磁方式来增加定子永磁电机的调速范围，在定子上除了永磁体，还设置了励磁绕组﹐实现双励磁源混合励磁方式，可提高磁场调节能力，拓宽转速运行范围。然而，这种电机调速过程中的高速弱磁调速会降低永磁体工作性能，严重时导致永磁体的不可逆退磁。这种电机采用铝镍钴永磁体，它具有高剩磁，低矫顽力等特点。可以通过对其施加脉冲电流瞬间改变它的磁化状态，同时它的磁化水平能够被记忆住，从而实现了气隙磁场的灵活调节。

为了获得一种具备更高功率密度、磁通可控、散热性能优异的轴向磁通电机，中国专利公开号为CN206237285U，名称为“一种Halbach聚磁型轴向磁场混合永磁电机”采用了一种双定子单转子的电机结构，虽然采用了双定子结构，但是电机的整体功能性不强，遇到转子出现问题时，无法继续运转。

发明内容

本发明提出了一种不对称气隙结构双定子轴向磁场混合励磁记忆电机，在保证电机体积小，永磁体不会因高温或者弱磁调速等原因导致不可逆转的退磁的前提下，仍然可以满足驱动电机低速大转矩和宽调速范围的要求。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种不对称气隙结构双定子轴向磁场混合励磁记忆电机，包括两个转子盘和两个定子盘：第一定子盘包括定子铁芯和调速三相电枢绕组，称为调速定子盘，所述定子铁芯包括调速定子轭和调速定子齿，相邻两个调速定子齿之间形成调速定子槽，所述调速三相电枢绕组缠绕在调速定子齿上；第二定子盘包括定子铁芯、调矩三相电枢绕组、铝镍钴永磁体和励磁绕组，称为调矩定子盘，所述定子铁芯包括调矩定子轭和调矩定子齿，相邻两个调矩定子齿之间形成调矩定子槽，所述调矩三相电枢绕组缠绕在调矩定子齿上，所述励磁绕组缠绕在所述铝镍钴永磁体上，两个相邻铝镍钴永磁体的充磁方向相反；第一转子盘和第二转子盘大小一样，但转子齿数不一样，所述第一转子盘和第二转子盘由隔磁环轴向固定连接，且二者的径向内缘通过第一轴承和第二轴承固定在转轴上；第一定子盘和第一转子盘、第二定子盘和第二转子盘之间均形成气隙结构并同轴安装于安装轴上，通过轴承将安装轴固定在电机的外壳上。

所述励磁绕组的充磁方向为沿着定子圆周切向交替充磁。

所述励磁绕组采用串联形式，通入直流脉冲的方式进行调磁。

所述调矩三相电枢绕组和调速三相电枢绕组均有12个线圈，每4个线圈串联组成一相集中绕组，构成三相电枢绕组。

所述励磁绕组为集中绕组。

本发明的有益效果如下：

1、本发明电机结构简单、制造成本低、转动惯量小，电机包括两个定子盘和两个转子盘，右侧定子盘上装有铝镍钴永磁体上绕有励磁绕组，电枢绕组绕在定子齿上面。该电机仍保留着盘式永磁电机结构紧凑、漏磁较小的优点。同时采用双定子双转子的结构，无论是哪一侧的定子或者转子发生故障，另一侧仍可以通过相应侧的控制器进行控制运行从而保障电机的运行，大大提高了电机的运行效率。

2、本发明电机中，左侧调速定子和转子主要实现的是根据负载转速要求完成电机的调速，使得转子输出轴以目标转速运转：右侧调矩定子和转子的作用是根据负载需要，提供驱动转矩或制动转矩，以弥补调速电机输出转矩的不足，电机运行中右侧定子可与右侧转子差速旋转，使得电机始终工作在效率较高的额定电附近，因此具有较大的转矩输出能力，当同时需要高转速和大转矩时，两边也可以同时运行。

3、本发明电机的励磁方式为混合励磁方式，通过在定子盘上加上一个直流电源以及脉冲发生装置来进行调磁，提高了永磁电机的工作效率。

4、本发明电机的永磁体为铝镍钴永磁体，可以通过控制这永磁材料的用量关系来确定电机的调速范围，进而实现电机的气隙磁场的灵活调节，使电机有更宽广的调速范围以及具备低速大转矩的性能。

5、本发明电机中电机的左侧和右侧可运行于单独驱动或共同驱动等不同工作模式，当仅需满足转速要求时，可以仅给左侧电机通电，进入高转速模式，当需要大转矩时对右侧电机进行通电，大大增加了电机的实用性。当一台电机出现故障时，可使另一电机短时间单独运行，不会立即停止工作，因此具有一定的容错性。

6、本发明电机中电机左侧的调速定子和调速转子构成一个三相极开关磁阻电机，当通电频率较高时，电机则处于高速运转状态，可用于高转速低转矩的工作场景；电机右侧的调矩定子和调矩转子构成三相永磁同步力矩电机，加大电压时，电机的输出转矩会随着增大，可用于低转速高转矩的工作场景；当既要满足高转速和高转矩时，可以两侧同时通电来达到高转速高转矩的要求。

附图说明

图1是本发明的整体结构剖面图。

图2（a）是本发明的右侧电机转子；图2（b）是本发明的右侧电机定子。

图3（a）是本发明的左侧电机定子；图3（b）是本发明的左侧电机转子。

图4是本发明的充磁磁路示意图。

图5（a）是本发明的转子在高转速低转矩工作形式下的受力分析图；图5（b）是本发明的转子在低转速高转矩工作形式下的受力分析图；图5（c）是本发明的转子在高转速高转矩工作形式下的受力分析图。

其中：1、第一定子盘；1.1、调速定子齿；1.2、调速定子槽；1.3、调速定子轭；2、第一转子盘；2.1、调速转子齿；2.2、调速转子槽；3、第二定子盘；3.1、调矩定子齿；3.2、调矩定子槽；3.3、调矩定子轭；4、第二转子盘；4.1、调矩转子齿；4.2、调矩转子槽；5、非导磁圆环；6、铝镍钴永磁体；6.1、垂直纸面向里充磁的铝镍钴永磁体；6.2、垂直纸面向外充磁的铝镍钴永磁体；7、隔磁环；8.1、调速三相电枢绕组；8.2、调矩三相电枢绕组；9、励磁绕组；10.1第一轴承；10.2、第二轴承；11、转轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本实施方式以一台左边为3相定子12槽/转子8极，右边为3相定子12槽/转子22极的不对称气隙结构双定子轴向磁场混合励磁记忆电机为例，具体说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种不对称气隙结构双定子轴向磁场混合励磁记忆电机，包括两个定子盘和两个转子齿数不一样的第一转子盘2和第二转子盘4，以及两个转子盘之间的隔磁环7。第一定子盘1和第一转子盘2、第二定子盘3和第二转子盘4之间均形成气隙结构并同轴安装于安装轴上，通过轴承将安装轴固定在电机的外壳上。第一定子盘1由定子铁芯以及调速三相电枢绕组8.1组成，称为调速定子盘，同时定子铁芯包括定子轭1.3和调速定子齿1.1，相邻两个定子齿之间形成定子槽1.2，调速三相电枢绕组8.1缠绕在调速定子齿1.1上；第二定子盘3由定子铁芯、调矩三相电枢绕组8.2、铝镍钴永磁体6、励磁绕组9组成，称为调矩定子盘，调矩三相电枢绕组8.2缠绕在调矩定子齿3.1上，励磁绕组9缠绕在铝镍钴永磁体6上，两个相邻铝镍钴永磁体的充磁方向相反，两个转子盘由隔磁环7轴向固定连接，且二者的径向内缘通过第一轴承10.1和第二轴承10.2固定在转轴11上，为了分别达到调速和调节力矩以及实现高转速低转矩、低转速高转矩、高转速高转矩等不同的功能，电机两侧的齿数因此设计的有一定的差异。

第一定子盘和第二定子盘在结构上有一定的差异，为了保证第一定子盘和第一转子盘能够高速运行，第一定子盘上只有电枢绕组，无励磁绕组和永磁体，防止第一定子盘对第一转子盘产生反向的磁拉力。第二定子盘上的励磁绕组可以使得第二定子盘和第二转子盘2之间的气隙磁场可以灵活调节。

如图2（b）所示，第二定子盘沿圆周分布有12个定子齿，每个定子齿上均缠绕有调矩三相电枢绕组8.2，共有12个电枢绕组，同样每4个线圈串联组成一相集中绕组，构成三相电枢绕组。两两定子齿之间都有一个铝镍钴永磁体6表贴在定子盘上，相邻的铝镍钴永磁体6的充磁方向相反，每个铝镍钴永磁体6上都缠绕有励磁绕组，铝镍钴永磁体6和励磁绕组9共同构成励磁装置，励磁方式为混合励磁的方式。如图2（a）所示，右侧转子齿的数量为22个，第二转子盘、第二定子盘及上面的调矩三相电枢绕组8.2组成三相12/22极永磁同步力矩电机。

如图3（a）所示，第一定子盘有12块定子齿，其上无永磁体，12个定子齿2上缠绕有12个调速三相电枢绕组8.1，每4个线圈串联组成一相集中绕组，从而构三相电枢绕组，第一转子盘的转子齿的数量为8，第一转子盘、第一定子盘以及上面的电枢绕组组成三相12/8极开关磁阻电机；

电机左侧的调速定子和调速转子构成一个三相极开关磁阻电机，当通电频率较高时，电机则处于高速运转状态，可用于高转速低转矩的工作场景；电机右侧的调矩定子和调矩转子构成三相永磁同步力矩电机，加大电压时，电机的输出转矩会随着增大，可用于低转速高转矩的工作场景；当既要满足高转速和高转矩时，可以两侧同时通电来达到高转速高转矩的要求。

如图4所示，当电机运行时，通过给脉冲励磁绕组9施加正向额定直流脉冲磁化电流，第二定子盘上的铝镍钴永磁体6产生恒定的轴向磁场；此时磁力线从铝镍钴永磁体6出发，经过气隙、调矩转子齿4.1，磁力线传过第二定子盘上的调矩三相电枢绕组8.2，产生最大的气隙磁场。

如图5（a）所示，当电机工作在高转速低转矩工作状态时，电机只有左侧的第一定子盘和第一转子盘，两者之间相互作用，产生如图5（a）所示的力，此时电机等同于高速同步电机。如图5（b）所示当电机工作在低转速高转矩工作状态时，电机只有右侧的第二定子盘和第二转子盘转动，两者之间相互作用，产生如图5（b）所示的力，此时电机等同于力矩电机。如图5（c）所示,当电机工作在高转速高转矩工作状态时，两侧同时运转，对转子盘产生同一方向上的力，使得电机具备高转速和高转矩的性能。

本发明电机具备功能多样、制造成本低、转动惯量小以及记忆电机的特点，可用于运转空间小同时需要大转矩的场合，本电机包含两个定子盘和两个连接在一起的转子盘，第一定子盘的定子齿上绕有三相电枢绕组，第二定子盘上则由铝镍钴永磁体6，以及缠绕在铝镍钴永磁体上的励磁绕组9构成，可以通过控制脉冲电流的大小及方向进而控制铝镍钴永磁体6的磁化状态，从而调节气隙磁场的大小；同时定子和软磁体均采用冷轧无取向硅钢片材材料，减小了涡流效应以及漏磁，而且降低了电机的制造成本；本发明电机的励磁方式为混合励磁方式，通过在转子盘上加上一个直流电源以及脉冲发生装置来进行调磁，提高了永磁电机的工作效率；本发明电机的永磁体为铝镍钴永磁体6，可以通过控制永磁材料的用量关系来确定电机的调速范围，通过控制脉冲电流的大小来控制铝镍钴永磁体的磁化强度以及工作点，进而实现电机的气隙磁场的灵活调节，使电机有更宽广的调速范围以及具备低速大转矩的性能。本发明电机的两个电机系统之间无电磁耦合,可按照两个普通电机进行独立控制,可控参数大大多于普通永磁同步电机，十分灵活。两个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,两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;两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于性能需求。本发明提出的复合电机在轴向空间内将永磁同步力矩电机和开关磁阻调速电机并列集成在一起,提供两条功率流动路径。两台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。

以上所述仅在说明本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，可以对本发明的技术方案进行改进或者等同替换，但这些改进和等同替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种不对称气隙结构双定子轴向磁场混合励磁记忆电机，其特征在于，包括两个转子盘和两个定子盘：第一定子盘包括定子铁芯和调速三相电枢绕组，称为调速定子盘，所述定子铁芯包括调速定子轭和调速定子齿，相邻两个调速定子齿之间形成调速定子槽，所述调速三相电枢绕组缠绕在调速定子齿上；第二定子盘包括定子铁芯、调矩三相电枢绕组、铝镍钴永磁体和励磁绕组，称为调矩定子盘，所述定子铁芯包括调矩定子轭和调矩定子齿，相邻两个调矩定子齿之间形成调矩定子槽，所述调矩三相电枢绕组缠绕在调矩定子齿上，所述励磁绕组缠绕在所述铝镍钴永磁体上，两个相邻铝镍钴永磁体的充磁方向相反；第一转子盘和第二转子盘大小一样，但转子齿数不一样，所述第一转子盘和第二转子盘由隔磁环轴向固定连接，且二者的径向内缘通过第一轴承和第二轴承固定在转轴上；第一定子盘和第一转子盘、第二定子盘和第二转子盘之间均形成气隙结构并同轴安装于安装轴上，通过轴承将安装轴固定在电机的外壳上；

所述励磁绕组采用串联形式，通入直流脉冲的方式进行调磁。

2.根据权利要求1所述的一种不对称气隙结构双定子轴向磁场混合励磁记忆电机，其特征在于：所述励磁绕组的充磁方向为沿着定子圆周切向交替充磁。

3.根据权利要求1所述的一种不对称气隙结构双定子轴向磁场混合励磁记忆电机，其特征在于：所述调矩三相电枢绕组和调速三相电枢绕组均有12个线圈，每4个线圈串联组成一相集中绕组，构成三相电枢绕组。

4.根据权利要求1所述的一种不对称气隙结构双定子轴向磁场混合励磁记忆电机，其特征在于：所述励磁绕组为集中绕组。

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