CN114552925B - 一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机 - Google Patents

一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机，涉及磁通切换电机领域，包括同轴安装的轴向磁场第一转子，轴向磁场第二转子，位于两个轴向磁场转子之间且与轴向磁场转子之间留有气隙的轴向磁场定子，轴向磁场定子中间设置有固定环，固定环远离轴向磁场定子的一端设置有径向磁场定子；同时，本发明在使用时，通过采用轴向磁场与径向磁场两种磁路相结合的复合结构，缩短了传统径向磁场电机的轴向长度，增加传统轴向磁场电机的转矩密度，设有两套电枢绕组，通过对轴向磁场电机与径向磁场电机的分别控制，可以扩大电机的运行范围，提高电机效率。

Description

一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机
技术领域
本发明涉及磁通切换电机领域，具体的是一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机。
背景技术
永磁磁通切换电机按照磁通路径可分径向磁场和轴向磁场，其中径向磁场电机的制造工艺日趋成熟，轴向磁场电机具有高功率/转矩密度、高效率、低转矩脉动、运行平稳等一系列优势。根据电机定转子的相对位置，径向磁场电机的结构可以分为内转子电机和外转子电机，轴向磁场电机的结构可以分为双转子单定子电机与双定子单转子电机。
定子永磁型永磁磁通切换电机通常采用双凸极结构，电枢绕组与永磁体均位于定子上，转子上既无绕组也无永磁体，结构简单，使得电机具有高功率密度，高转矩密度，高效率等优点。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机，本发明旨在解决混合励磁电机电励磁损耗高，过载能力差，散热效率低等问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机，包括同轴安装的轴向磁场第一转子，轴向磁场第二转子，位于两个轴向磁场转子之间且与轴向磁场转子之间留有气隙的轴向磁场定子，轴向磁场定子中间设置有固定环，固定环远离轴向磁场定子的一端设置有径向磁场定子，与径向磁场定子的内侧设置有气隙的径向磁场转子；
所述轴向磁场定子上设置有轴向磁场永磁体，径向磁场定子上设置有径向磁场永磁体；轴向磁场第一转子、轴向磁场第二转子、轴向磁场定子、径向磁场定子和径向磁场转子均为凸极拓扑结构，轴向磁场第一转子与轴向磁场第二转子相对于轴向磁场定子对称设置；
所述轴向磁场第一转子、轴向磁场第二转子都包括轴向磁场转子齿与轴向磁场转子轭部；
所述轴向磁场定子包括轴向磁场第一定子极与轴向磁场第二定子极；轴向磁场第一定子极与轴向磁场第二定子极上都设置有轴向磁场定子齿、轴向磁场定子轭部、轴向磁场永磁体、轴向磁场电枢绕组；
所述径向磁场定子包括径向磁场定子齿，径向磁场定子轭部，径向磁场永磁体与径向磁场电枢绕组；
所述径向磁场转子包括径向磁场转子齿，径向磁场转子轭部；
所述轴向磁场永磁体设置于轴向磁场第一定子极与轴向磁场第二定子极的轴向磁场定子齿表面，所述轴向磁场永磁体沿轴向充磁，轴向磁场第一定子极与轴向磁场第二定子极上相邻定子齿的的轴向磁场永磁体充磁方向相反，轴向磁场第一定子极与轴向磁场第二定子极对应位置上的永磁体充磁方向一致；
所述径向磁场永磁体设置于所述径向磁场定子齿表面，所述径向磁场永磁体沿径向充磁，相邻径向磁场永磁体充磁方向相反。
进一步地，所述轴向磁场第一转子与轴向磁场第二转子中的轴向磁场转子齿在轴向磁场转子轭部上均匀布置形成圆环形，相邻轴向磁场转子齿之间存在间隙；所述轴向磁场第一定子极与轴向磁场第二定子极中的轴向磁场定子齿在轴向磁场定子轭部上均匀布置形成圆环形，相邻轴向磁场定子齿之间存在间隙；所述径向磁场定子中的径向磁场定子齿在径向磁场定子轭部内侧均匀分布形成圆环形，相邻径向磁场定子齿之间存在间隙，所述径向磁场转子中的径向磁场转子齿在径向磁场转子轭部外侧均匀布置形成圆环形，相邻径向磁场转子齿之间存在间隙。
进一步地，所述轴向磁场转子齿为平行齿结构；所述轴向磁场定子齿的结构为平行齿结构；所述径向磁场定子齿结构为平行齿结构；所述径向磁场转子齿结构为平行齿结构；所述轴向磁场永磁体的结构为平行永磁结构；所述径向磁场永磁体的结构为平行永磁结构。
进一步地，所述轴向磁场转子齿与轴向磁场转子轭部由硅钢片沿轴向叠压制成；所述轴向磁场第一定子极与轴向磁场第二定子极中的轴向定子齿与轴向磁场定子轭部由硅钢片沿轴向叠压制成；所述径向磁场定子齿与径向磁场定子轭部由硅钢片沿径向叠压制成；所述径向磁场转子齿与径向磁场转子轭部由硅钢片沿径向叠压制成；所述轴向磁场永磁体与径向磁场永磁体采用钕铁硼永磁体。
进一步地，所述轴向磁场电枢绕组在水平方向分别绕制于每个所述轴向磁场定子齿与轴向磁场定子轭部靠近的部分；所述径向磁场电枢绕组在垂直方向分别绕制于每个所述径向磁场定子齿与径向磁场定子轭部靠近的部分。
进一步地，所述位于所述轴向磁场定子与所述径向磁场定子之间的固定环由环氧树脂制成。
进一步地，所述轴向磁场第一定子极(2-1)与轴向磁场第二定子极(2-2)中的轴向磁场定子齿(2-3)数量为6n个；所述轴向磁场第一转子(1)与轴向磁场第二转子(6)上的轴向磁场转子齿(1-1)数量为6n±k个，其中，n与k均为正整数；所述径向磁场定子(4)中的径向磁场定子齿(4-1)数量为6n个，所述径向磁场转子(5)上的径向磁场转子齿(5-1)的数量为6n±k个，其中，n为正偶数，k为正整数。
本发明的有益效果：
1、本发明电机采用轴向磁场与径向磁场两种磁路相结合的复合结构，缩短了传统径向磁场电机的轴向长度，增加传统轴向磁场电机的转矩密度；
2、本发明设有两套电枢绕组，通过对轴向磁场电机与径向磁场电机的分别控制，可以扩大电机的运行范围，提高电机效率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明整体结构示意图；
图2是轴向磁场转子结构示意图；
图3是轴向磁场定子结构示意图；
图4是轴向磁场定子极示意图；
图5是径向磁场定子结构示意图；
图6是径向磁场转子结构示意图；
图7是转子角度为α1时，轴向磁场永磁磁通路径图；
图8是转子角度为α2时，轴向磁场永磁磁通路径图；
图9是转子角度为α1时，径向磁场永磁磁通路径图；
图10是转子角度为α2时，径向磁场永磁磁通路径图。
图中：1、轴向磁场第一转子，1-1、轴向磁场转子齿，1-2、轴向磁场转子轭部，2、轴向磁场定子，2-1、轴向磁场第一定子极，2-2、轴向磁场第二定子极，2-3、轴向磁场定子齿，2-4、轴向磁场定子轭部，2-5、轴向磁场永磁体，2-6、轴向磁场电枢绕组.3、固定环，4、径向磁场定子，4-1、径向磁场定子齿，4-2、径向磁场定子轭部，4-3、径向磁场永磁体，4-4、径向磁场电枢绕组，5、径向磁场转子，5-1、径向磁场转子齿，5-2、径向磁场转子轭部，6、轴向磁场第二转子，7、轴向磁场转子角度为α1时轴向磁场永磁磁通路径，8、永磁磁通路径。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件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。
一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机，如图1和2所示，包括同轴安装的轴向磁场第一转子1、轴向磁场第二转子6，位于两个轴向磁场转子之间且与转子之间留有气隙的轴向磁场定子2，轴向磁场定子2中间设置有固定环3，固定环3远离轴向磁场定子2的一端设置有径向磁场定子4，位于径向磁场定子内部且与径向磁场定子之间留有气隙的径向磁场转子5；轴向磁场第一转子1、轴向磁场第二转子6、轴向磁场定子2、径向磁场定子4与径向磁场转子5均为凸极拓扑结构中，轴向磁场第一转子1与轴向磁场第二转子6相对于轴向磁场定子2对称设置。
如图2所示，轴向磁场第一转子1与轴向磁场第二转子6都包括轴向磁场转子齿1-1，轴向磁场定子轭部1-2，其中轴向磁场转子齿1-1均匀分布在轴向磁场定子轭部1-2上，相邻轴向磁场转子齿1-1之间存在间隙。轴向磁场第一转子1与轴向磁场第二转子6的轴向磁场转子1-1的数量都为6n±k个，其中，n，k为正整数。轴向磁场转子齿1-1与轴向磁场转子轭部1-2由硅钢片沿轴向叠压制成。
如图3所示，轴向磁场定子2包括轴向磁场第一定子极2-1与轴向磁场第二定子极2-2。
如图4所示，轴向磁场第一定子极2-1与轴向磁场第二定子极2-2都包括轴向磁场定子齿2-3，轴向磁场定子轭部2-4，轴向磁场永磁体2-5和轴向磁场电枢绕组2-6，其中轴向磁场定子齿2-3均匀分布在轴向磁场定子轭部2-4上，相邻轴向磁场定子齿2-3之间存在间隙，轴向磁场永磁体2-5设置在轴向磁场定子齿2-3表面，轴向磁场电枢绕组2-6绕制于每个所述轴向磁场定子齿2-3靠近轴向磁场定子轭部2-4的位置。轴向磁场第一定子极2-1与轴向磁场第二定子极2-2中的轴向磁场定子齿2-3，轴向磁场永磁体2-5，轴向磁场电枢绕组2-6的数量都为6n个，n为正整数。轴向磁场定子齿2-3与轴向磁场定子轭部2-4由硅钢片沿轴向叠压制成，轴向磁场永磁体2-5由钕铁硼材料制成。
如图5所示，径向磁场定子4包括径向磁场定子齿4-1，径向磁场定子轭部4-2和径向磁场电枢绕组4-3。径向磁场定子齿4-1均匀分布在径向磁场定子轭部4-2上，相邻径向磁场定子齿4-1之间存在间隙，径向磁场永磁体4-3设置在径向磁场定子齿4-1表面，径向磁场电枢绕组4-4绕制于每个所述径向磁场定子齿4-1靠近径向磁场定子轭部4-2的位置，径向磁场定子4中的径向磁场定子齿4-1，径向磁场永磁体4-3与径向磁场电枢绕组的个数都为6n个，n为正整数。径向磁场定子齿4-1与径向磁场定子轭部4-2由硅钢片沿轴向叠压制成，径向磁场永磁体4-3由钕铁硼材料制成。
如图6所示，径向磁场转子5包括径向磁场转子齿5-1和径向磁场转子轭部5-2。径向磁场转子齿5-1均匀分布在径向磁场转子轭部5-2上，相邻径向磁场定子齿5-1之间存在间隙。径向磁场转子5中的径向磁场转子齿5-1的数量都为6n±k个，其中，n，k为正整数，径向磁场转子齿5-1与径向磁场转子轭部5-2由硅钢片沿径向叠压制成。
在使用时，反向永磁磁通切换原理，图7与图8表示了轴向磁场永磁体的初始充磁方向：当轴向磁场第一转子1与轴向磁场第二转子6运行至α1角度时，轴向磁场第一定子极2-1的永磁磁通路径7-1与轴向磁场第二定子极的永磁磁通路径7-2分别在图7中进行表示，以轴向磁场电枢绕组2-6的A相为例，根据“磁阻最小原理”，永磁体产生的磁通沿定子齿穿过气隙，进入转子凸极齿中，此时轴向电枢绕组2-6线圈A1、A2中匝链的永磁磁链为正向最大值；当轴向磁场第一转子1与轴向磁场第二转子6运行至α2角度时，轴向磁场第一转子1，轴向磁场第二转子6与轴向磁场定子2的相对位置在图8中进行表示，永磁磁通无法构成闭合回路，轴向电枢绕组2-6线圈A1、A2中匝链的磁链几乎为0。当轴向磁场定子2连续转动时，轴向电枢绕组1-4线圈A1、A2绕组匝链的永磁磁通始终在正向最大值与0之间不断切换，产生幅值与相位交替变化的感应电动势。
图9与图10表示了径向磁场永磁体的初始充磁方向：当径向磁场转子5运行至α1角度时，永磁磁通路径8在图9中进行表示，以径向磁场电枢绕组4-4的A相为例，根据“磁阻最小原理”，永磁体产生的磁通沿定子齿穿过气隙，进入转子凸极齿中，此时径向电枢绕组4-4线圈A1中匝链的永磁磁链为正向最大值；当径向磁场转子5运行至α2角度时，径向磁场定子4与径向磁场转子5的相对位置在图10中进行表示，永磁磁通无法构成闭合回路，径向电枢绕组4-4线圈A1中匝链的磁链几乎为0。当径向磁场转子5连续转动时，径向电枢绕组4-4线圈A1、A2绕组匝链的永磁磁通始终在正向最大值与0之间不断切换，产生幅值与相位交替变化的感应电动势。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机，其特征在于，包括同轴安装的轴向磁场第一转子(1)，轴向磁场第二转子(6)，位于两个轴向磁场转子之间且与轴向磁场转子之间留有气隙的轴向磁场定子(2)，轴向磁场定子(2)中间设置有固定环(3)，固定环(3)远离轴向磁场定子(2)的一端设置有径向磁场定子(4)，与径向磁场定子(4)的内侧设置有气隙的径向磁场转子(5)；
所述轴向磁场定子(2)上设置有轴向磁场永磁体(2-5)，径向磁场定子上设置有径向磁场永磁体(4-3)；轴向磁场第一转子(1)、轴向磁场第二转子(6)、轴向磁场定子(2)、径向磁场定子(4)和径向磁场转子(5)均为凸极拓扑结构，轴向磁场第一转子(1)与轴向磁场第二转子(6)相对于轴向磁场定子(2)对称设置；
所述轴向磁场第一转子(1)、轴向磁场第二转子(6)都包括轴向磁场转子齿(1-1)与轴向磁场转子轭部(1-2)；
所述轴向磁场定子(2)包括轴向磁场第一定子极(2-1)与轴向磁场第二定子极(2-2)；轴向磁场第一定子极(2-1)与轴向磁场第二定子极(2-2)上都设置有轴向磁场定子齿(2-3)、轴向磁场定子轭部(2-4)、轴向磁场永磁体(2-5)、轴向磁场电枢绕组(2-6)；
所述径向磁场定子(4)包括径向磁场定子齿(4-1)，径向磁场定子轭部(4-2)，径向磁场永磁体(4-3)与径向磁场电枢绕组(4-4)；
所述径向磁场转子(5)包括径向磁场转子齿(5-1)，径向磁场转子轭部(5-2)；
所述轴向磁场永磁体(2-5)设置于轴向磁场第一定子极(2-1)与轴向磁场第二定子极(2-2)的轴向磁场定子齿(2-3)表面，所述轴向磁场永磁体(2-5)沿轴向充磁，轴向磁场第一定子极(2-1)与轴向磁场第二定子极(2-2)上相邻定子齿的(2-3)的轴向磁场永磁体(2-5)充磁方向相反，轴向磁场第一定子极(2-1)与轴向磁场第二定子极(2-2)对应位置上的永磁体充磁方向一致；
所述径向磁场永磁体(4-3)设置于所述径向磁场定子齿(4-1)表面，所述径向磁场永磁体(4-3)沿径向充磁，相邻径向磁场永磁体(4-3)充磁方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机，其特征在于，所述轴向磁场第一转子(1)与轴向磁场第二转子(6)中的轴向磁场转子齿(1-1)在轴向磁场转子轭部(1-2)上均匀布置形成圆环形，相邻轴向磁场转子齿(1-1)之间存在间隙；所述轴向磁场第一定子极(2-1)与轴向磁场第二定子极(2-2)中的轴向磁场定子齿(2-3)在轴向磁场定子轭部(2-4)上均匀布置形成圆环形，相邻轴向磁场定子齿(2-3)之间存在间隙；所述径向磁场定子(4)中的径向磁场定子齿(4-1)在径向磁场定子轭部(4-2)内侧均匀分布形成圆环形，相邻径向磁场定子齿(4-1)之间存在间隙，所述径向磁场转子(5)中的径向磁场转子齿(5-1)在径向磁场转子轭部(5-2)外侧均匀布置形成圆环形，相邻径向磁场转子齿(5-1)之间存在间隙。
3.根据权利要求1所述的一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机，其特征在于，所述轴向磁场转子齿(1-1)为平行齿结构；所述轴向磁场定子齿(2-3)的结构为平行齿结构；所述径向磁场定子齿(4-1)结构为平行齿结构；所述径向磁场转子齿(5-1)结构为平行齿结构；所述轴向磁场永磁体(2-5)的结构为平行永磁结构；所述径向磁场永磁体(4-3)的结构为平行永磁结构。
4.根据权利要求1所述的一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机，其特征在于，所述轴向磁场转子齿(1-1)与轴向磁场转子轭部(1-2)由硅钢片沿轴向叠压制成；所述轴向磁场第一定子极(2-1)与轴向磁场第二定子极(2-2)中的轴向磁场定子齿(2-3)与轴向磁场定子轭部(2-4)由硅钢片沿轴向叠压制成；所述径向磁场定子齿(4-1)与径向磁场定子轭部(4-2)由硅钢片沿径向叠压制成；所述径向磁场转子齿(5-1)与径向磁场转子轭部(5-2)由硅钢片沿径向叠压制成；所述轴向磁场永磁体(2-5)与径向磁场永磁体(4-3)采用钕铁硼永磁体。
5.根据权利要求1所述的一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机，其特征在于，所述轴向磁场电枢绕组(2-6)在水平方向分别绕制于每个所述轴向磁场定子齿(2-3)与轴向磁场定子轭部(2-4)靠近的部分；所述径向磁场电枢绕组(4-4)在垂直方向分别绕制于每个所述径向磁场定子齿(4-1)与径向磁场定子轭部(4-2)靠近的部分。
6.根据权利要求1所述的一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机，其特征在于，所述位于所述轴向磁场定子(2)与所述径向磁场定子(4)之间的固定环(3)由环氧树脂制成。
7.根据权利要求1所述的一种定子永磁型轴径向混合磁场永磁磁通切换电机，其特征在于，所述轴向磁场第一定子极(2-1)与轴向磁场第二定子极(2-2)中的轴向磁场定子齿(2-3)数量为6n个；所述轴向磁场第一转子(1)与轴向磁场第二转子(6)上的轴向磁场转子齿(1-1)数量为6n±k个，其中，n与k均为正整数；所述径向磁场定子(4)中的径向磁场定子齿(4-1)数量为6n个，所述径向磁场转子(5)上的径向磁场转子齿(5-1)的数量为6n±k个，其中，n为正偶数，k为正整数。
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