CN114123586B - 一种可变磁通轴向磁通电机 - Google Patents

一种可变磁通轴向磁通电机 Download PDF

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Abstract

本发明属于轴向磁通电机技术领域，公开了一种可变磁通轴向磁通电机，包括定子总成，与转子轴之间通过轴承连接；转子，设有两个，定子总成位于两个转子之间形成双侧气隙；转子包括转子架、转子背板和永磁体，永磁体包括多个高矫顽力永磁体和多个低矫顽力永磁体，高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体按照Halbach阵列排布设于转子背板上，每个所述高矫顽力永磁体包括多个高矫顽力永磁体单元。本发明通过在定子两侧的两个转子背板上设置按照Halbach阵列排布的高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体，能够提高磁通电机的恒功率运行效率，且具有宽的调速比，适用于电动汽车对动力系统的宽转速范围驱动需求。

Description

一种可变磁通轴向磁通电机
技术领域
本发明涉及轴向磁通电机技术领域，尤其涉及一种可变磁通轴向磁通电机。
背景技术
永磁电机具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点，已在家用电器、电动汽车等许多场合得到应用。
随着生活品质的上升，人们对电动汽车的性能要求也日益增高，而电机作为电动汽车中动力系统，其越来越向着高转矩密度、高效率、宽调速比的方向发展。轴向磁通电机由于具有轴向尺寸短、结构紧凑、结构多样、高功率密度和高效等优点，且可沿袭径向磁通电机控制方式，更适合于电动汽车的动力系统。然而，在宽转速范围驱动场合，轴向磁通电机是通过控制电枢绕组中的直轴电流分量(-id)来实现弱磁扩速，增大了永磁体不可逆退磁的风险，同时永磁体的高磁阻特征限制了弱磁能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可变磁通轴向磁通电机，以解决电动汽车的磁通电机对宽转速范围驱动和恒功率运行效率的需求问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种可变磁通轴向磁通电机，包括：
定子总成，与转子轴之间通过轴承连接；
转子总成，所述转子总成设有两个，所述定子总成位于两个所述转子总成之间形成双侧气隙；所述转子总成包括：
转子架，所述转子架固定连接于所述转子轴并与所述转子轴同步转动；
转子背板，所述转子背板为环形板件，设置在所述转子架的朝向所述定子总成的一侧；
永磁体，包括多个高矫顽力永磁体和多个低矫顽力永磁体，所述高矫顽力永磁体和所述低矫顽力永磁体按照Halbach阵列排布设于所述转子背板上，每个所述高矫顽力永磁体包括多个高矫顽力永磁体单元。
可选地，所述高矫顽力永磁体为钕铁硼永磁体，所述低矫顽力永磁体为铝镍钴永磁体或钐钴永磁体。
可选地，多个所述高矫顽力永磁体和多个所述低矫顽力永磁体在所述转子背板上沿周向交替分布，所述高矫顽力永磁体呈扇环形状，所述低矫顽力永磁体呈条状，所述低矫顽力永磁体的长度等于所述高矫顽力永磁体的环宽。
可选地，每个所述高矫顽力永磁体的多个所述高矫顽力永磁体单元沿径向间隔设置且间距相等。
可选地，每个所述高矫顽力永磁体单元均为扇环形状，每个所述高矫顽力永磁体单元的环宽相等。
可选地，所述高矫顽力永磁体和所述低矫顽力永磁体均粘接在所述转子背板上。
可选地，当加载增磁电流脉冲后，所述高矫顽力永磁体和所述低矫顽力永磁体形成正向的Halbach结构，磁场聚集在气隙侧且形成强磁场；当加载去磁电流脉冲后，所述低矫顽力永磁体转换磁化状态，形成反向的Halbach结构，磁场聚集在远离气隙侧且形成弱磁场。
可选地，所述定子总成包括，定子及绕组总成、机壳内圈、机壳外圈和定子夹板，所述机壳内圈和所述机壳外圈之间形成环形空间，所述定子及绕组总成装配在所述环形空间内，所述定子夹板设有两个，分别设于所述环形空间的两侧并连接所述机壳内圈和所述机壳外圈，以密封所述定子及绕组总成。
可选地，所述定子及绕组总成包括定子齿和定子绕组，所述定子齿设有多个，多个所述定子齿在所述环形空间内沿圆周方向均匀分布，所述定子绕组设有多个，多个所述定子绕组与多个所述定子齿一一对应设置，所述定子绕组环绕安装于所述定子齿上。
可选地，所述定子夹板的朝向所述定子及绕组总成的一侧设有多个定位槽，多个所述定位槽与多个所述定子齿一一对应设置。
本发明的有益效果：
本发明的一种可变磁通轴向磁通电机，通过在定子两侧的两个转子背板上设置按照Halbach阵列排布的高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体，能够提高磁通电机的恒功率运行效率，且具有宽的调速比，适用于电动汽车对动力系统的宽转速范围驱动需求；设置多个高矫顽力永磁体单元的结构，可以进一步的提高高矫顽力永磁体的磁场强度，以及利于高效调节低矫顽力永磁体的磁化状态，尤其是提高弱磁扩速时的效率，提高轴向磁通电机的弱磁能力。
附图说明
图1是本发明的一种可变磁通轴向磁通电机的剖面结构示意图；
图2是本发明的一种可变磁通轴向磁通电机的转子的结构示意图；
图3是本发明的一种可变磁通轴向磁通电机的定子总成的剖面结构示意图；
图4是本发明的一种可变磁通轴向磁通电机的定子及绕组总成的整体结构示意图；；
图5是本发明的一种可变磁通轴向磁通电机的转子背板上永磁体分布示意图；
图6是本发明的一种可变磁通轴向磁通电机中加载增磁电流脉冲后的永磁体磁化状态示意图；
图7是本发明的一种可变磁通轴向磁通电机中加载去磁电流脉冲后的永磁体磁化状态示意图。
图中：
1.定子总成；2.转子总成；3.转子轴；4.轴承；5.端盖；
11.定子及绕组总成；111.定子齿；112.定子绕组；12.机壳内圈；13.机壳外圈；14.定子夹板；141.定子槽；15.环形压板；21.转子架；22.转子背板；23.永磁体；231.高矫顽力永磁体；2311.高矫顽力永磁体单元；232.低矫顽力永磁体；24.压圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。术语“多个”应该理解为两个以上。
本发明提供一种可变磁通轴向磁通电机，如图1所示，包括定子总成1和转子总成2，其中，定子总成1与转子轴3之间通过轴承4连接；转子总成2设有两个，定子总成1位于两个转子总成2之间形成双侧气隙；如图2所示，转子总成2包括转子架21、转子背板22和永磁体23，转子架21固定连接于转子轴3并与转子轴3同步转动；转子背板22为环形板件，设置在转子架21的背离定子总成1的一侧；永磁体23包括多个高矫顽力永磁体231和多个低矫顽力永磁体232，高矫顽力永磁体231和低矫顽力永磁体232按照Halbach阵列排布设于转子背板22上。
如图2所示，转子架21为具有中心通孔的圆环状，转子背板22为圆环状，转子背板22的环宽小于转子架21的环宽，转子背板22朝向转子架21的外边缘处设置，转子架21的外边缘处设有凸缘，凸缘垂直于转子架21平面，转子背板22和永磁体23能够设于凸缘内侧，转子背板22的厚度和永磁体23的厚度之和与凸缘厚度相等，永磁体23的内侧通过压圈24压紧在转子架21上，压圈24可拆卸式连接(如螺钉连接)于转子架21。转子架21上中心通孔的外边缘设置多个均布的径向轮辐式加强筋。
本发明一种可变磁通轴向磁通电机，通过在定子总成1两侧的两个转子总成2的转子背板22上设置按照Halbach阵列排布的高矫顽力永磁体231和低矫顽力永磁体232，高矫顽力永磁体231和低矫顽力永磁体232混合励磁，使得轴向磁通电机能够保持较高的功率密度。由于低矫顽力永磁体232的存在使得气隙磁场可调，进而使得轴向磁通电机有较大的调速比和较高的恒功率运行效率，适用于电动汽车对动力系统的宽转速范围驱动和恒功率效率的需求。
可选地，高矫顽力永磁体231为钕铁硼永磁体，低矫顽力永磁体232为铝镍钴永磁体或钐钴永磁体。
需要说明的是，高矫顽力和低矫顽力是两个相对量，本发明中的高矫顽力永磁体231相对于低矫顽力永磁体232具有更高的矫顽力，在常用的永磁体中，低矫顽力永磁体232是相对矫顽力小的软磁体，如铝镍钴永磁体或钐钴永磁体；而高矫顽力永磁体231一般为硬磁体或半硬磁体，如钕铁硼永磁体，在本发明中，通过施加磁化脉冲，可以改变低矫顽力永磁体232的磁化状态，脉冲结束后低矫顽力永磁体232可维持此磁化状态，即记忆此磁化状态，因此不需要施加持续的去磁电流，弱磁损耗小。
可选地，多个高矫顽力永磁体231和多个低矫顽力永磁体232在转子背板22上沿周向交替分布，高矫顽力永磁体231呈扇环形状，低矫顽力永磁体232呈条状，低矫顽力永磁体232的长度等于高矫顽力永磁体231的环宽。
如图3所示，在环形的转子背板22上，多个高矫顽力永磁体231和多个低矫顽力永磁体232沿周向交替分布形成环形并与转子背板22的形状一致，其中，高矫顽力永磁体231为扇环形状，多个高矫顽力永磁体231的尺寸和形状一致，均具有相同的圆心角和相同的环宽，任意相邻的两个高矫顽力永磁体231之间设置一个低矫顽力永磁体232，低矫顽力永磁体232的长度等于高矫顽力永磁体231的环宽，更进一步地，本实施例中，低矫顽力永磁体232的宽度远小于高矫顽力永磁体231的弧长。现有技术中常用的永磁体Halbach阵列排布中，均是采用相同大小的永磁体，包括宽度、高度相同，以及内弧长等于外弧长。当相邻两个永磁体的内弧长或外弧长不相等时，可以增加磁场强度，但是弧长差不能太大。本发明中，将相邻两个永磁体23即高矫顽力永磁体231和低矫顽力永磁体232在弧长方向的弧长差增加，即高矫顽力永磁体231的弧长为低矫顽力永磁体232的弧长的10倍以上，且二者的高度相同，低矫顽力永磁体232的径向长度等于高矫顽力永磁体231的环宽，实现了轴向磁通电机的宽调速比和恒功率运行时具有较高的效率。
可选地，每个高矫顽力永磁体231包括至少三个高矫顽力永磁体单元2311，每个高矫顽力永磁体单元2311间隔设置且间距相等。
如图3所示，本实施例中高矫顽力永磁体231包括六个高矫顽力永磁体单元2311，每个高矫顽力永磁体单元2311均为扇环形状，多个高矫顽力永磁体单元2311的环宽相等，在径向依次设置，相邻两个高矫顽力永磁体单元2311之间设有间隔，当高矫顽力永磁体231和低矫顽力永磁体232均粘接在转子背板22上时，间隔内填充粘接剂，确保不同的永磁体23之间相互绝缘。设置多个高矫顽力永磁体单元2311的结构，可以进一步的提高高矫顽力永磁体231的磁场强度，以及利于高效调节低矫顽力永磁体232的磁化状态，尤其是提高弱磁扩速时的效率，提高轴向磁通电机的弱磁能力。
本发明实施例提供的一种可变磁通轴向磁通电机，当加载增磁电流脉冲后，高矫顽力永磁体231和低矫顽力永磁体232形成正向的Halbach结构，如图4，磁场聚集在气隙侧且形成强磁场；当加载去磁电流脉冲后，低矫顽力永磁体232转换磁化状态，形成反向的Halbach结构，如图5，磁场聚集在远离气隙侧且形成弱磁场。
需要说明的是，以上低矫顽力永磁体232的磁化状态的改变以气隙磁场的变化，可以根据负载和转速通过直流磁化绕组直线调节，提高弱磁区效率。当低矫顽力永磁体232的磁化状态如图4所示时，形成halbach聚磁效应，磁场向两个转子中间聚集。当低矫顽力永磁体232的磁化状态如图5所示时，形成halbach聚磁效应，磁场向两个转子外侧聚集，而两个转子内侧的磁场被削弱，减小了弱磁对电流的需求，从而提高了弱磁区效率。
如图5，本发明提供的可变磁通轴向磁通电机中，定子总成1包括定子及绕组总成11、机壳内圈12、机壳外圈13和定子夹板14，机壳内圈12和机壳外圈13之间形成环形空间，定子及绕组总成11装配在环形空间内，定子夹板14设有两个，分别设于环形空间的两侧并连接机壳内圈12和机壳外圈13，以密封定子及绕组总成11，定子夹板14的内缘和外缘分别与机壳内圈12和机壳外圈13固定连接，且定子夹板14的内缘还设有环形压板15，用于固定机壳内圈12。同时也可以形成对定子及绕组总成11的夹紧安装，提高定子及绕组总成11在工作过程中的稳定性。
其中，定子及绕组总成11包括定子齿111和定子绕组112，定子齿111设有多个，多个定子齿111在环形空间内沿圆周方向均匀分布，定子绕组112设有多个，多个定子绕组112与多个定子齿111一一对应设置，定子绕组112环绕安装于定子齿111上。定子夹板14的朝向定子及绕组总成11的一侧设有多个定位槽141，多个定位槽141与多个定子齿111一一对应设置。其中定子夹板14由不导磁不导电的材料制成，如PEEK材料、PC材料、亚克力材料或电木板等。
可选地，可变磁通轴向磁通电机还包括端盖5，如图1，端盖5为壳体结构，转子轴3穿设端盖5的中心，定子总成1和转子总成2均设于端盖5内部，端盖5起到密封和保护定子总成1和转子总成2的作用。
本发明提供的上述可变磁通轴向磁通电机，具有较高的功率密度和较大的调速范围，通过施加磁化脉冲，改变永磁体23的磁化状态，脉冲结束后永磁体23可维持此磁化状态，即记忆此磁化状态，因此不需要施加持续的去磁电流，弱磁损耗小。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可变磁通轴向磁通电机，其特征在于，包括：
定子总成(1)，与转子轴(3)之间通过轴承(4)连接；
转子总成(2)，所述转子总成(2)设有两个，所述定子总成(1)位于两个所述转子总成(2)之间形成双侧气隙；所述转子总成(2)包括：
转子架(21)，所述转子架(21)固定连接于所述转子轴(3)并与所述转子轴(3)同步转动；
转子背板(22)，所述转子背板(22)为环形板件，设置在所述转子架(21)的朝向所述定子总成(1)的一侧；
永磁体(23)，包括多个高矫顽力永磁体(231)和多个低矫顽力永磁体(232)，所述高矫顽力永磁体(231)和所述低矫顽力永磁体(232)按照Halbach阵列排布设于所述转子背板(22)上，每个所述高矫顽力永磁体(231)包括多个高矫顽力永磁体单元(2311)；
多个所述高矫顽力永磁体(231)和多个所述低矫顽力永磁体(232)在所述转子背板(22)上沿周向交替分布，所述高矫顽力永磁体(231)呈扇环形状，所述低矫顽力永磁体(232)呈条状，所述低矫顽力永磁体(232)的长度等于所述高矫顽力永磁体(231)的环宽；
每个所述高矫顽力永磁体(231)的多个所述高矫顽力永磁体单元(2311)沿径向间隔设置且间距相等；每个所述高矫顽力永磁体单元(2311)均为扇环形状，每个所述高矫顽力永磁体单元(2311)的环宽相等；所述高矫顽力永磁体(231)的弧长为低矫顽力永磁体(232)的弧长的10倍以上，且二者的高度相同；
当加载增磁电流脉冲后，所述高矫顽力永磁体(231)和所述低矫顽力永磁体(232)形成正向的Halbach结构，磁场聚集在气隙侧且形成强磁场；当加载去磁电流脉冲后，所述低矫顽力永磁体(232)转换磁化状态，形成反向的Halbach结构，磁场聚集在远离气隙侧且形成弱磁场。
2.根据权利要求1所述的可变磁通轴向磁通电机，其特征在于，所述高矫顽力永磁体(231)为钕铁硼永磁体，所述低矫顽力永磁体(232)为铝镍钴永磁体或钐钴永磁体。
3.根据权利要求1所述的可变磁通轴向磁通电机，其特征在于，所述高矫顽力永磁体(231)和所述低矫顽力永磁体(232)均粘接在所述转子背板(22)上。
4.根据权利要求1所述的可变磁通轴向磁通电机，其特征在于，所述定子总成(1)包括定子及绕组总成(11)、机壳内圈(12)、机壳外圈(13)和定子夹板(14)，所述机壳内圈(12)和所述机壳外圈(13)之间形成环形空间，所述定子及绕组总成(11)装配在所述环形空间内，所述定子夹板(14)设有两个，分别设于所述环形空间的两侧并连接所述机壳内圈(12)和所述机壳外圈(13)，以密封所述定子及绕组总成(11)。
5.根据权利要求4所述的可变磁通轴向磁通电机，其特征在于，所述定子及绕组总成(11)包括定子齿(111)和定子绕组(112)，所述定子齿(111)设有多个，多个所述定子齿(111)在所述环形空间内沿圆周方向均匀分布，所述定子绕组(112)设有多个，多个所述定子绕组(112)与多个所述定子齿(111)一一对应设置，所述定子绕组(112)环绕安装于所述定子齿(111)上。
6.根据权利要求5所述的可变磁通轴向磁通电机，其特征在于，所述定子夹板(14)的朝向所述定子及绕组总成(11)的一侧设有多个定位槽(141)，多个所述定位槽(141)与多个所述定子齿(111)一一对应设置。
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