CN113922614B - 一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机，采用双定子/单转子结构，由两个定子和一个转子组成。第一定子包括三十个U形定子铁心，三十个钕铁硼永磁体和三十个电枢线圈。第二定子包括定子铁心，三十组反极性排列的铝镍钴永磁体和三十个电枢线圈。转子包括铁心，结构简单、坚固，适合高速运行。本发明电机为十五相结构，容错性能好、可靠性高、转矩脉动小；定子分区混合永磁型轴向拓扑，结构紧凑、功率/转矩密度高、效率高、散热性能好、反电势正弦度高；铝镍钴永磁体容易实现充去磁，有效调节气隙磁场，提高带负载能力与拓宽调速范围；反极性排列梯形铝镍钴永磁体，提高铜和铁心利用率，提升功率/转矩密度和效率，减小转矩脉动。

Description

一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机
技术领域
本发明属于轴向磁通永磁电机技术领域，具体涉及一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机。
背景技术
随着科学技术的不断发展，舰船推进、航空航天、轨道交通、电动汽车、风力发电等领域对电机的效率、功率/转矩密度等性能提出了更高的要求。1997年，法国学者E.Hoang提出了定子永磁型磁通切换永磁电机原始结构，之后，国内外诸多学者对该电机的拓扑结构进行了研究。该类电机采用双凸极结构，永磁体与绕组均放置在定子上，转子既无永磁体也无绕组。具有效率高、功率/转矩密度高、转子结构坚固、反电势正弦度高、散热方便等特点，在上述领域具有广阔的应用前景。
定子永磁型轴向磁通切换永磁电机结合了定子永磁型磁通切换永磁电机和轴向磁通永磁电机的特点，具有轴向长度短、结构紧凑、体积小、转子结构简单坚固、鲁棒性好、效率高、功率/转矩密度高、反电势正弦度高、散热方便等优势，非常适合上述领域，但可靠性不够高，不能实现容错运行，冗余能力差，且该类电机的混合励磁拓扑的调磁效率不够高，降低了电机的效率和功率密度。
发明内容
本发明的目的是提供一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机，实现电机容错的运行，电机冗余能力强，可靠性高，且能够有效减小电机的转矩脉动。
本发明所采用的技术方案是，一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机，采用定子分区轴向拓扑结构，包括同轴依次安转的第一定子、转子、第二定子，第一定子、第二定子与转子之间均留有间隙；
第一定子包括三十个U形定子铁心、三十个钕铁硼永磁体、三十个集中式电枢线圈，U形定子铁心和钕铁硼永磁体交替放置形成定子圆盘，电枢线圈绕在两个相邻的U形定子铁心的半侧与钕铁硼永磁体组成的“三明治”单元上，任意两个电枢线圈串联，构成第一定子的一相电枢绕组；
第二定子包括定子铁芯、六十个铝镍钴永磁体、三十个集中式电枢线圈，定子铁芯上等间距且呈圆形设置三十个定子齿，每个定子齿上表贴两个铝镍钴永磁体，每个集中式电枢线圈绕制在定子齿上，任意两个集中式电枢线圈串联形成第二定子的一相电枢绕组，第二定子的电枢绕组连接第一定子的电枢绕组；
转子包括铁心，铁心上等间距连接二十八个转子极。
本发明的特点还在于：
每个钕铁硼永磁体沿切向方向充磁，相邻两个钕铁硼永磁体极性相反。
每个定子齿上表贴两个铝镍钴永磁体的充磁方向相反，且相邻两个定子齿上的两个铝镍钴永磁体充磁方向相反。
第二定子的任意一相电枢绕组串联第一定子的任意一相电枢绕组。
第二定子的任意一相电枢绕组并第一定子的任意一相电枢绕组。
每个铝镍钴永磁体均为梯形结构。
本发明的有益效果是：
(1)采用定子分区混合永磁轴向拓扑，轴向长度短，结构紧凑，体积小，功率/转矩密度高，散热方便；转子结构简单坚固，非常适合高速运行；
(2)十五相结构可以实现电机容错的运行，电机冗余能力强，可靠性高，且能够有效减小电机的转矩脉动；
(3)通过控制第二定子上电枢电流，使其全部解耦到d轴正半轴或负半轴，容易实现第二定子上铝镍钴永磁体的充去磁，从而可灵活调节气隙磁场，满足低速大转矩能力或宽调速范围的要求；
(4)第二定子上每定子齿上两个铝镍钴永磁体充磁方向相反，且相邻定子齿上的铝镍钴永磁体充磁方向相反，有助于提高铜和铁心的利用率，进而提升电机功率密度和效率；
(5)第二定子上的铝镍钴永磁体采用梯形结构，能够有效抑制电机的谐波，提高效率的同时有效降低转矩脉动；
(6)定子分区混合永磁结构，反电势正弦度高，适合无刷交流运行；
(7)第一定子与第二定子采用定子不对称结构，可以独立控制。
附图说明
图1是本发明一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机结构示意图；
图2是本发明中第一定子“三明治”单元结构示意图；
图3是本发明中第二定子模块化单元结构示意图；
图4是本发明一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机的常规运行原理图；
图5是本发明一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机的增磁运行原理图；
图6是本发明一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机去磁运行原理图。
图中，1.第一定子，2.转子，3.第二定子，4.U形定子铁心，5.钕铁硼永磁体，6.集中式电枢线圈，7.转子极，8.定子铁心，9.铝镍钴永磁体，10.定子齿，11.集中式电枢线圈，12.第一气隙，13.第二气隙。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机，如图1所示，采用双定子/单转子定子分区混合永磁轴向拓扑结构，包括同轴依次安转的第一定子1、转子2、第二定子3，第一定子1、第二定子3与转子2之间均留有间隙；第一定子1包括三十个U形定子铁心4、三十个钕铁硼永磁体5、三十个集中式电枢线圈6，U形定子铁心4和钕铁硼永磁体5交替放置形成定子圆盘，电枢线圈6绕在两个相邻的U形定子铁心4的半侧与钕铁硼永磁体5组成的“三明治”单元上，任意两个电枢线圈6串联，构成第一定子1的一相电枢绕组，最终得到第一定子1的十五相电枢绕组；第二定子3包括定子铁芯8、六十个铝镍钴永磁体9、三十个集中式电枢线圈11，定子铁芯8上等间距且呈圆形设置三十个定子齿10，每个定子齿10上表贴两个铝镍钴永磁体9，每个集中式电枢线圈11绕制在定子齿10上，两个铝镍钴永磁体9、一个定子齿10与一个集中式电枢线圈11构成一个模块化单元，总计三十个模块化单元，任意两个集中式电枢线圈11串联形成第二定子3的一相电枢绕组，最终得到第二定子3的十五相电枢绕组，第二定子3的一相电枢绕组并联或串联第一定子1的一相电枢绕组；转子2包括铁心，铁心上等间距连接二十八个转子极7，结构简单坚固。十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机在发生单相或多相故障时，重构气隙磁场，实现容错运行，具有较强的容错能力，且转矩脉动较小。第一定子1和第二定子3的铁心沿着定子圆盘中心卷绕成盘式结构，提高电机效率与功率密度。转子上既无永磁体也无绕组，结构简单，工作可靠，冷却方式灵活，适合高速运行。中间转子的结构，使得电机拥有良好的散热条件。
如图2所示为第一定子1“三明治”单元结构图，包括两个U形定子铁心4、一个钕铁硼永磁体5和一个电枢线圈6，电枢线圈6绕在两个相邻的U形定子铁心一侧与钕铁硼永磁体5组成的“三明治”单元上，相邻模块化单元中的钕铁硼永磁体5的充磁方向相反。采用定子永磁磁通切换结构，提高了电机功率密度和效率。
如图3所示为第二定子3模块化单元结构图，由一个定子齿10、两个铝镍钴永磁体9、一个电枢线圈11组成。第二定子3圆盘上等距有三十个相同的模块化单元。一个定子齿10上一个铝镍钴永磁体9沿轴向方向充磁，另一个铝镍钴永磁体9的充磁方向相反。相邻的模块化单元上两个铝镍钴永磁体的充磁方向相反，该结构能够提高铜和铁心利用率，提升电机功率密度和效率。每个铝镍钴永磁体9的形状为梯形，有效抑制电机的谐波，提高电机效率的同时降低转矩脉动。电枢线圈11能够对铝镍钴永磁体9进行充去磁，实现气隙磁场的有效调节，提高电机带负载能力与拓宽调速范围，满足舰船推进、航空航天、电动汽车、轨道交通等领域的大转矩输出能力与宽调速范围的要求。
如图4所示为十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机常规运行原理图，带箭头实线表示第一定子1上钕铁硼永磁体5产生的磁通的路径，带箭头虚线表示第二定子3上铝镍钴永磁体9所产生的磁通的路径。气隙磁场由第一定子1上的钕铁硼永磁体5和第二定子3上的铝镍钴永磁体9提供。在一般工况下，无需充磁和去磁，电机运行在常规模式。永磁磁通从第一定子1上钕铁硼永磁体5穿出，进入第一气隙12，穿过转子极7进入第二气隙13，穿入第二定子3上的铝镍钴永磁体9，进入定子齿10，从相邻定子齿10上反极性充磁的永磁体穿出，依次穿过第二气隙13、转子极7、第一气隙12、第一定子1，回到钕铁硼永磁体5。
如图5所示为十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机增磁运行原理图，在大转矩输出能力要求场合，通过控制电枢电流，使其全部解耦到d轴正半轴，实现铝镍钴永磁体9的充磁。此时，磁场强度增大，增强气隙磁场，电机运行在增磁模式，输出大转矩。磁通运行路径与常规运行路径完全一致，仅磁场强度增大。
如图6所示为十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机去磁运行原理图，在宽调速范围要求场合，通过控制电枢电流，使其全部解耦到d轴负半轴，实现铝镍钴永磁体9的去磁。此时，磁场强度减小，削弱气隙磁场，电机运行在弱磁模式，拓宽调速范围。磁通运行路径与常规运行路径完全一致，仅磁场强度减小。电机的增去磁运行能够有效调节气隙磁场，使得电机在宽广的恒功率调速范围内运行，电机带负载能力较强，且调磁效率高。
通过上述方式，本发明一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机，解决了现有技术中存在的三相定子永磁型轴向磁通永磁电机可靠性不够高、转矩输出能力不够强、转矩脉动大、调速范围窄、调磁效率低的问题。该电机采用定子分区混合永磁型轴向拓扑，轴向长度短、结构紧凑、体积小、功率/转矩密度高，散热方便，反电势正弦度高；转子结构简单坚固，适合高速运行；十五相结构，在单相或多相发生故障时，其余各相重构气隙磁场，能够实现电机的容错运行，可靠性高，冗余能力强；第二定子3采用铝镍钴永磁体，通过控制电枢电流，使其全部解耦在d轴正半轴或负半轴，容易实现铝镍钴永磁体充去磁，进而达到电机的增磁和去磁运行，实现电机在宽广的恒功率调速范围内运行和增强电机转矩输出能力；每个定子齿10上的两个铝镍钴永磁体9充磁方向相反，且相邻模块化单元上的永磁体充磁方向相反，提高了铜和铁心的利用率，进而提高了电机的功率密度和效率；第二定子3上的铝镍钴永磁体9采用梯形结构，减小转矩波动，提高电机运行稳定性和效率；第一定子1与第二定子3上的电枢绕组可以串、并联连接，且两个定子可以独立控制。

Claims (3)

1.一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机，其特征在于，采用定子分区轴向拓扑结构，包括同轴依次安转的第一定子（1）、转子（2）、第二定子（3），所述第一定子（1）、第二定子（3）与转子（2）之间均留有间隙；
所述第一定子（1）包括三十个U形定子铁心（4）、三十个钕铁硼永磁体（5）、三十个第一集中式电枢线圈（6），所述U形定子铁心（4）和钕铁硼永磁体（5）交替放置形成定子圆盘，所述第一集中式电枢线圈（6）绕在两个相邻的U形定子铁心（4）的半侧与钕铁硼永磁体（5）组成的“三明治”单元上，任意两个第一集中式电枢线圈（6）串联，构成第一定子（1）的一相电枢绕组；
每个所述钕铁硼永磁体（5）沿切向方向充磁，相邻两个钕铁硼永磁体（5）极性相反；
所述第二定子（3）包括定子铁芯（8）、六十个铝镍钴永磁体（9）、三十个第二集中式电枢线圈（11），定子铁芯（8）上等间距且呈圆形设置三十个定子齿（10），每个定子齿（10）上表贴两个铝镍钴永磁体（9），每个第二集中式电枢线圈（11）绕制在定子齿（10）上，任意两个第二集中式电枢线圈（11）串联形成第二定子（3）的一相电枢绕组，所述第二定子（3）的电枢绕组连接第一定子（1）的电枢绕组；
每个定子齿（10）上表贴两个铝镍钴永磁体（9）的充磁方向相反，且相邻两个定子齿（10）上的两个铝镍钴永磁体（9）充磁方向相反；
每个所述铝镍钴永磁体（9）均为梯形结构；
所述转子（2）包括铁心，铁心上等间距连接二十八个转子极（7）。
2.根据权利要求1所述一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述第二定子（3）的任意一相电枢绕组串联第一定子（1）的任意一相电枢绕组。
3.根据权利要求1所述一种十五相定子混合永磁轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述第二定子（3）的任意一相电枢绕组并联第一定子（1）的任意一相电枢绕组。
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