CN114389422A - 一种凸极式混合励磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种凸极式混合励磁电机，属于电机领域。其中，所示电机包括转子组件，转子组件包括：带有径向凸起的凸极电磁转子，构造成环状且套设在所述导磁轭上，带有轴向轴向凸极块的至少一组永磁转子，安装在电磁转子的凸极的一侧，每个轴向轴向凸极块与电磁转子的多个径向凸极间隔布置，多个轴向轴向凸极块与电磁转子上的多个径向凸极配合，且轴向轴向凸极块和电磁转子的径向凸极对应的永磁磁钢的极性相反。本发明通过电励磁和永磁励磁共同作用，在通电的情况下，改变电励磁磁场的方向和大小，从而调节电机的气隙磁场。

Description

一种凸极式混合励磁电机
技术领域
本发明涉及电机领域，特别是涉及一种凸极式混合励磁电机。
背景技术
永磁电机以高转矩密度、高效率、轻量小型化等特点越来越受到重视，在各个领域都得到了广泛的应用。然而永磁电机的气隙磁场由永磁磁钢和磁路的磁导决定，几乎保持恒定，调节困难，限制了永磁电机的进一步发展和应用。
电励磁电机与永磁电机相比励磁电机控制简单、不怕振动、装配容易，控制励磁电流就可控制磁场强度，达到调速的目的，这也是(直流)励磁电机的独特优势；励磁电机是高技术控制，可靠性高，通常用于大功率场合，但是，励磁电机构造复杂，生产工艺严密，不能够小巧节能易操作，在节能效果及生产成本上还是有不足之处。
混合励磁电机不仅继承了永磁电机的高效率、高功率密度等诸多特点，而且还兼有电励磁电机的优势：电机气隙磁场平滑可调。在电动运行时，具有启动转矩大、调速范围广的优点；发电运行时，具有较宽的电压调节能力或宽范围变速恒压输出能力。混合励磁电机由于磁场可调、转矩密度高、效率高等优点，特别适合于恒功率、宽调速驱动及恒压发电等场合，在航空航天、风力发电、电动车辆等领域具有广阔的应用前景。但目前的混合励磁电机种类较少，应用范围有限，因此，需要提供一种混合励磁电机，扩增混合励磁电机的使用范围。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种凸极式混合励磁电机，扩增混合励磁电机的使用范围，要使得电机的气隙磁场可调。
本发明提供了一种凸极式混合励磁电机，包括转子组件，所述转子组件包括：
导磁轭；
电磁转子，构造成环状且套设在所述导磁轭上，所述电磁转子的环形外周面上间隔开设有向径向凸伸的多个径向凸极；
至少一组永磁转子，套设在所述导磁轭上且设置在所述电磁转子一侧，每组所述永磁转子包括：
永磁转子铁芯，构造成环状且套设在所述导磁轭上，其上安装有多个永磁磁钢，所述永磁转子铁芯上设置有多个间隔开的定位槽；
与所述电磁转子的多个径向凸极对应的多个轴向凸极块，所述多个轴向凸极块安装在永磁转子铁芯的外侧，且每个所述轴向凸极块与所述电磁转子的多个径向凸极间隔布置，所述多个轴向凸极块与所述电磁转子上的多个径向凸极配合，且所述轴向凸极块和所述电磁转子的径向凸极对应的永磁磁钢的极性相反。
进一步地，所述凸极式混合励磁电机包括两组所述永磁转子和两组所述轴向凸极块，两组所述永磁转子套设在所述导磁轭上且分别设置在所述电磁转子的两侧，两组所述轴向凸极块分别设置于所述两组永磁转子的另一端部。
进一步地，所述永磁转子铁芯的靠近轴向凸极块的一端设置有多个间隔开的定位槽，单侧所述轴向凸极块的数量与所述定位槽的数量相同，所述轴向凸极块对应所述定位槽安装，至少部分所述轴向凸极位于所述定位槽内；所述永磁转子铁芯设有贯通孔，用以安装所述永磁磁钢，所述定位槽位于所述转子永磁铁芯的外周面和所述贯通孔之间。
进一步地，所述径向凸极的数量、单侧所述轴向凸极的数量与所述永磁转子的极对数相同。
进一步地，所述电机还包括端盖，所述端盖设置在所述转子组件的两端，所述端盖设有带凹槽的导磁环，所述凹槽内设有励磁组件。
进一步地，所述励磁组件包括励磁线圈和线圈支架，所述线圈支架设有支架槽，所述支架槽用以安装所述励磁线圈。
进一步地，所述定子组件包括定子绕组和定子铁芯，所述定子内腔包括第一内腔和第二内腔，所述定子铁芯围绕形成第一内腔，所述定子绕组围绕形成第二内腔，所述定子铁芯为所述定子绕组提供支撑，沿所述定子组件的轴向，所述电磁转子和至少部分所述永磁转子位于所述第一内腔，至少单侧的所述励磁组件的至少一部分位于所述第二内腔。
进一步地，所述每个励磁组件不超过所述定子绕组的轴向最外端，所述线圈支架的最外端不超过所述定子绕组的轴向最外端。
进一步地，所述导磁环的径向外侧端面与所述轴向凸极块的轴向端面相对设置，且两者之间存有第一轴向辅助气隙。
进一步地，所述导磁环的径向内侧端面与所述导磁轭的端面相对设置，且两者之间存有第二轴向辅助气隙。
进一步地，所述电磁转子的径向凸极为N极，轴向凸极块为S极，所述轴向凸极块与所述永磁体的N极相对设置。
本发明通过电励磁和永磁励磁共同作用，在通电的情况下，改变电励磁磁场的方向和大小，从而调节电机的气隙磁场；本发明采用轴向凸极块与电磁转子上的径向凸极形成转子组件的双凸极，不仅能够实现电机的永磁励磁，还能实现电机的电磁励磁，通过永磁励磁和电磁励磁相结合，不仅继承了永磁电机的一系列有点，还能实现电励磁电机磁场平滑可调，拓展了电机的适用范围和使用条件。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的双凸极式混合励磁电机的结构爆炸图；
图2是根据本发明一个实施例的双凸极式混合励磁电机的转子组件结构爆炸图；
图3是根据本发明一个实施例的双凸极式混合励磁电机的结构剖视图；
图4是根据本发明一个实施例的双凸极式混合励磁电机的励磁组件结构爆炸图；
图5是根据本发明一个实施例的双凸极式混合励磁电机的定子组件结构示意图；
图6是图3的局部放大图；
图7是根据本发明一个实施例的双凸极式混合励磁电机的磁通路的结构示意图；
图8是图7的侧视图；
图中：1-第一励磁组件，10-导磁环，11-励磁线圈，12-支架槽，13-支架，14-凹槽，2-转子组件，20-轴向凸极块，21-永磁转子，210-永磁转子铁芯，2101-定位槽，2102-贯通孔，211-永磁磁钢，22-电磁转子，220-径向凸极，23-导磁轭，3-定子组件，30-定子绕组，31-定子铁芯，4-第二励磁组件，5-第一轴向辅助气隙，6-第二轴向辅助气隙，8-主气隙。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的双凸极式混合励磁电机的结构爆炸图。图2是根据本发明一个实施例的凸极式混合励磁电机的转子组件结构爆炸图。在一个实施例中，如图1和图2所示，本发明提供了一种凸极式混合励磁电机，主要包括第一励磁组件1、转子组件2、定子组件3和第二励磁组件4，将转子组件2安装在定子组件3内，并将第一励磁组件1和第二励磁组件4套装在定子组件3的两端，给转子组件2提供电励磁。从而实现了混合励磁电机的电机气隙磁场平滑可调。当然在一些实施例中，可以只包括一组励磁组件，比如只包括第一励磁组件1和第二励磁组件4之一，这样第一励磁组件1和第二励磁组件4之一位于定子组件3的两端的之一，励磁组件的数量与转子组件的永磁转子的数量呈对应关系，比如励磁组件的数量与转子组件的永磁转子的数量相同。
其中，转子组件2主要包括轴向凸极块20、电磁转子22、永磁转子21和导磁轭23，电磁转子22为环形构造且套装在导磁轭23上，电磁转子22的环形外周面上还间隔开设有向外凸起的多个径向凸极220，径向凸极220沿转子组件的径向延伸。永磁转子21套装在导磁轭23，本实施例中，永磁转子21为两个并且两个永磁转子21分别设置在电磁转子22的两侧，与电磁转子22贴合；永磁转子21包括永磁转子铁芯210和永磁磁钢211，永磁磁钢211插装在永磁转子铁芯210内的贯通孔2102内，与永磁转子铁芯210共同组成永磁转子21，此外，永磁转子铁芯210还开设有多个间隔开的定位槽2101，用以安装轴向凸极块20，凸起块20沿转子组件的轴向延伸，轴向凸极块20与电磁转子22上的径向凸极220配合，共同构造成电磁转子22的电磁磁极，且轴向凸极块20与径向凸极220之间形成的凹槽轴向对齐，用以构成完整的电磁通路。
本实施例中，轴向凸极块20与电磁转子22上的径向凸极220形成双转子组件2的双凸极，不仅能够实现电机的永磁励磁，还能实现电机的电磁励磁，通过永磁励磁和电磁励磁相结合，不仅继承了永磁电机的一系列有点，还能实现电励磁电机磁场平滑可调，拓展了电机的适用范围和使用条件，本实施例中，转子组件包括两个永磁转子，两个永磁转子共用一个电磁转子22，两个永磁转子的一端与永磁转子接触，两个永磁转子的另一端均设置有一组轴向凸极块，本实施例中，转子组件2为三凸极结构，三凸极中，电磁转子22上的径向凸极220沿转子组件的径向延伸，两组轴向凸极块沿转子组件的轴向延伸。
进一步地，通过第一励磁组件1和第二励磁组件4，将励磁组件设置在电机的两侧的端盖上，无需电刷和滑环装置，进一步的保证了电机运行的可靠性和使用寿命。
在一个实施例中，如图2所示，永磁转子21的永磁转子铁芯210上设有多个定位槽2101，定位槽2101的形状与轴向的轴向凸极块20的形状相对应，此外定位槽2101的外部设有贯通孔2102，永磁磁钢211通过贯通孔2102安装在永磁转子铁芯210上。其中，轴向凸极块20安装在永磁转子铁芯210远离电磁转子22的一侧，即永磁转子铁芯210的外侧。
需要指出的是，本实施例中，永磁磁钢211的形状不是特定的，根据实际情况进行选择即可，包括但不局限于一字型、V字型、双V子型、U型等多种结构，进而贯通孔2102的形状亦不固定，与永磁磁钢211契合即可。
在进一步的一个实施例中，如图2所示，电磁转子22的径向凸极220的数量与永磁转子21的极对数相关联，径向凸极220的数量小于或等于永磁转子21的极对数。由于径向凸极220和轴向凸极块20是相互匹配对应的，因此，径向凸极220的数量和单侧轴向凸极块20的数量是相同的。
在一个实施例中，如图4所示，电机的两端还分别设有端盖，每个端盖还装设有励磁组件，本实施例以第一励磁组件1为例来阐述，其中，第一励磁组件1主要包括导磁环10、励磁线圈11和支架13。支架13上开有支架槽12，用以安装励磁线圈11。而导磁环10上开设有凹槽14，将励磁线圈11安装在支架槽12内后，将整体的支架13和励磁线圈11放置到凹槽14内，最后再将第一励磁组件1安装在端盖内，并安装在转子组件2的一侧。
第二励磁组件4与第一励磁组件1构造相同，在此就不过多赘述，第二励磁组件4与第一励磁组件1分别装在定子组件3的两侧，用来给转子组件2提供电励磁。
进一步地，如图3所示，定子组件3包括定子铁芯31和定子绕组30。定子组件3还形成有定子内腔32，定子内腔32包括第一内腔321和第二内腔322，其中，第一内腔321由定子铁芯31围绕形成，第二内腔322由定子绕组30围绕形成，定子铁芯31为定子绕组30提供支撑。沿着定子组件3的轴向方向来看，电磁转子22和至少部分永磁转子21位于第一内腔321内，第一励磁组件1和第二励磁组件4其中的至少一个励磁组件的至少一部分设置在第二内腔322内部。
本实施例中，通过在转子组件2的两侧设置励磁组件，一方面为转子组件2提供电励磁；另一方面，取消了传统电机的电刷系统和滑环装置，提升了电机的可靠性和使用寿命，降低了电机的维护成本。此外，通过采用轴向凸极和径向凸极的复合凸极结构，并将励磁组件的两端设置在定子组件3的内部，充分利用了定子绕组30端部下方的空间，不仅减少了电机整体的体积，还有利于提高电机功率密度和转矩密度。
进一步的，电磁转子22可采用硅钢片叠压制成，也可采用软磁复合材料直接模压成型，制造简单、方便，成本低；导磁轭23、带凹槽14的导磁环10、轴向凸极块20均由软磁复合材料直接模压成型，制造同样简单、方便，成本较低，且软磁复合材料高频下的铁损耗低，有助于提高高速下的运行效率。
在进一步的一个实施例中，如图3所示，导磁环10的径向外侧与轴向凸极块20的高度对应，导磁环10的径向外侧端面与轴向凸极块20的轴向端面相对设置，且两者之间存有第一轴向辅助气隙5。
进一步地导磁环10的径向内侧端面与所述导磁轭23的端面相对设置，且两者之间存有第二轴向辅助气隙6。
本实施例中，通过第一轴向辅助气隙5和第二轴向辅助气隙6，进而能构成完整的磁通路。
在本发明中，为了便于阐述和理解，本发明选用径向凸极220所对应的为N极，轴向凸极块220所对应的为S极。
如图7和图8所示，当励磁绕组线圈11不通电时，永磁磁钢211产生的磁通，一部分由永磁磁钢的N极出发，经主气隙8、定子齿部、定子轭部、相邻定子齿部、主气隙8，到达相邻的S极，而后经转子轭部形成磁路闭环；一部分从永磁磁钢211的N极出发，经电磁转子22、导磁轭23、第二轴向辅助气隙、带凹槽14的导磁环10的内侧、带凹槽14的导磁环10的外侧、第一轴向辅助气隙、轴向凸极块20，到达相邻的S极，而后经转子轭部形成磁路闭环。可见，第一部分的磁路是通过主气隙的，对外产生输出转矩；第二部分的磁路经辅助气隙闭合，未经过主气隙，属于漏磁通部分，不对外做功。
如图6和图8所示，当励磁绕组线圈11通电，且使得电磁转子22的径向凸极220为N极时，此时，属于增磁作用，也即电励磁产生的磁通，经第二轴向辅助气隙、导磁轭23、电磁转子22的径向凸极200、主气隙8、定子齿部、定子轭部、定子齿部、主气隙8、相邻的S极、轴向凸极块20、第一轴向辅助气隙5、带凹槽14的导磁环10的外侧、带凹槽14的导磁环10的内侧，形成闭合回路，此时，电磁转子22的径向凸极220部分也为N极，和永磁磁钢的N极并联一起对主气隙输出能量。
如图6、图7和图8所示，当励磁绕组线圈11通反向电流时，且使得电磁转子22的径向凸极220为S极时，此时，属于减磁作用，永磁磁钢210的N极产生的磁通经电磁转子22的径向凸极220、导磁轭23、第二轴向辅助气隙、带凹槽14的导磁环10的内侧、带凹槽14的导磁环10的外侧、第一轴向辅助气隙、轴向凸极块20、永磁转子S极，经转子轭部形成闭合回路，使得永磁磁钢210的磁通大部分不经过主气隙。
通过上述励磁绕组线圈的通电，实现了主气隙磁场的调节。本发明的轴向、径向复合凸极的混合励磁电机，由于采用了永磁磁钢励磁和励磁电流励磁两种励磁源，实现了气隙磁场的调节与控制，低速时，励磁电流提供助磁，有助于提高低速下的输出转矩；高速时，励磁电流提供弱磁，有助于改善电机的运行范围，实现宽调速范围运行。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (11)

1.一种凸极式混合励磁电机，其特征在于，包括定子组件和转子组件，所述定子组件具有定子内腔，所述转子组件位于所述定子内腔，所述转子组件包括：
导磁轭；
电磁转子，构造成环状且套设在所述导磁轭上，所述电磁转子的环形外周面上间隔开设有向径向凸伸的多个径向凸极；
至少一组永磁转子，套设在所述导磁轭上且设置在所述电磁转子一侧，每组所述永磁转子包括：
永磁转子铁芯，构造成环状且套设在所述导磁轭上，其上安装有多个永磁磁钢；
与所述电磁转子的多个径向凸极对应的多个轴向凸极块，所述多个轴向凸极块安装在永磁转子铁芯的外侧，且每个所述轴向凸极块与所述电磁转子的多个径向凸极间隔布置，所述多个轴向凸极块与所述电磁转子上的多个径向凸极配合，且所述轴向凸极块和所述电磁转子的径向凸极对应的永磁磁钢的极性相反。
2.根据权利要求1所述的凸极式混合励磁电机，其特征在于，所述凸极式混合励磁电机包括两组所述永磁转子和两组所述轴向凸极块，两组所述永磁转子套设在所述导磁轭上且分别设置在所述电磁转子的两侧，两组所述轴向凸极块分别设置于所述两组永磁转子的另一端部。
3.根据权利要求2所述的凸极式混合励磁电机，其特征在于，所述永磁转子铁芯的靠近轴向凸极块的一端设置有多个间隔开的定位槽，单侧所述轴向凸极块的数量与所述定位槽的数量相同，所述轴向凸极块对应所述定位槽安装，至少部分所述轴向凸极位于所述定位槽内；所述永磁转子铁芯设有贯通孔，用以安装所述永磁磁钢，所述定位槽位于所述转子永磁铁芯的外周面和所述贯通孔之间。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的凸极式混合励磁电机，其特征在于，所述径向凸极的数量、单侧所述轴向凸极的数量与所述永磁转子的极对数相同。
5.根据权利要求4所述的凸极式混合励磁电机，其特征在于，所述电机还包括端盖，所述端盖设置在所述转子组件的两端，所述端盖设有带凹槽的导磁环，所述凹槽内设有励磁组件。
6.根据权利要求5所述的凸极式混合励磁电机，其特征在于，所述励磁组件包括励磁线圈和线圈支架，所述线圈支架设有支架槽，所述支架槽用以安装所述励磁线圈。
7.根据权利要求5所述的凸极式混合励磁电机，其特征在于，所述定子组件包括定子绕组和定子铁芯，所述定子内腔包括第一内腔和第二内腔，所述定子铁芯围绕形成第一内腔，所述定子绕组围绕形成第二内腔，所述定子铁芯为所述定子绕组提供支撑，沿所述定子组件的轴向，所述电磁转子和至少部分所述永磁转子位于所述第一内腔，至少单侧的所述励磁组件的至少一部分位于所述第二内腔。
8.根据权利要求6所述的凸极式混合励磁电机，其特征在于，所述每个励磁组件不超过所述定子绕组的轴向最外端，所述线圈支架的最外端不超过所述定子绕组的轴向最外端。
9.根据权利要求6所述的凸极式混合励磁电机，其特征在于，所述导磁环的径向外侧端面与所述轴向凸极块的轴向端面相对设置，且两者之间存有第一轴向辅助气隙。
10.根据权利要求8所述的凸极式混合励磁电机，其特征在于，所述导磁环的径向内侧端面与所述导磁轭的端面相对设置，且两者之间存有第二轴向辅助气隙。
11.根据权利要求9或10所述的凸极式混合励磁电机，其特征在于：所述电磁转子的径向凸极为N极，轴向凸极块为S极，所述轴向凸极块与所述永磁体的N极相对设置。
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