CN114629319A - 一种双定子混合磁极磁轴偏移电机 - Google Patents

一种双定子混合磁极磁轴偏移电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双定子混合磁极磁轴偏移电机，包括：外定子、电枢绕组、混合磁极式转子、内定子和转轴。本发明通过弧形钕铁硼永磁体和多层磁障空气槽结构单元对应的永磁直轴与磁阻直轴之间的偏移角以及双定子结构设计，实现了永磁转矩与磁阻转矩分量的分离设计，解决了传统内置式永磁电机永磁体和磁阻设计难以权衡的问题，提升了设计的空间自由度和永磁利用率，进一步提升了电机的转矩密度；利用永磁表面嵌入式结构，解决了传统内置式电机中永磁漏磁严重的问题，提升了电机永磁转矩峰值，提高了永磁利用率。解决了传统内置式永磁电机取得永磁转矩峰值和磁阻转矩峰值时存在的电流角偏差，转矩利用率不高，转矩密度受限以及无法独立设计的问题。

Description

一种双定子混合磁极磁轴偏移电机
技术领域
本发明属于永磁电机领域，具体涉及一种双定子混合磁极磁轴偏移电机。
背景技术
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM)采用了磁能积较高的传统稀土永磁材料(如钕铁硼)，因此具有高功率密度、高效率、运行可靠和强过载能力等优势，对电机领域而言具有重大的研究价值。得益于稀土永磁材料与电力电子技术的高速发展，PMSM在工农业生产、航空航天、国防等各个领域得到了广泛应用。
内置式PMSM将永磁置于转子内部，利用凸极性产生磁阻转矩，可实现电机转矩密度的提升以及恒功率区运行范围的有效拓宽，因此被广泛应用于电动汽车场合。但传统内置式PMSM取得磁阻转矩峰值与永磁转矩峰值时对应的电流角理论上为45电角度，使得两转矩分量的利用率较低，限制了电机转矩密度的提升。
为了增强电机的转矩密度，美国威斯康辛大学麦迪逊分校的电机学者托马斯.李泊(T.A.Lipo)教授提出了一种磁阻偏移式电机的概念。这种拓扑结构利用在内置式PMSM转子内部设置不对称磁障，令磁阻中心轴偏移，与永磁中心轴同相位，即永磁转矩和磁阻转矩分量在相同电流角下达到最大值，这使得电机的转矩密度得到了进一步提高。然而，内置式电机结构会增加永磁漏磁，牺牲部分的永磁转矩。同时实际设计中，由于永磁磁场与电枢反应磁场的交叉耦合影响，此类磁阻偏移式电机难以实现真正意义上的各转矩分量利用率100％，转矩密度仍有提升空间。
针对上述提出的问题，现设计一种双定子混合磁极磁轴偏移电机。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双定子混合磁极磁轴偏移电机，解决了传统内置式永磁电机取得永磁转矩峰值和磁阻转矩峰值时存在的电流角偏差，转矩利用率不高，转矩密度受限以及无法独立设计的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种双定子混合磁极磁轴偏移电机，包括外定子、电枢绕组、混合磁极式转子、内定子和转轴，所述转轴设置在最内侧，所述外定子设置在最外侧，所述外定子和转轴之间设置有混合磁极式转子和内定子，所述混合磁极式转子与外定子贴合，所述内定子与转轴贴合，所述电枢绕组设置在外定子和内定子内。
所述混合磁极式转子包括转子铁心、钕铁硼永磁体和多层磁障磁阻结构单元，所述钕铁硼永磁体和转子铁心设置在多层磁障磁阻结构单元内。
进一步的，所述外定子包括第一定子铁心齿、第一定子轭和第一定子槽，所述第一定子槽位于相邻所述第一定子铁心齿之间。
进一步的，所述电枢绕组包括第一电枢绕组和第二电枢绕组，所述第一电枢绕组各相轴线与第二电枢绕组对应各相轴线分别重合，且内外对应各相绕组采用串联方式。
进一步的，P块钕铁硼永磁体嵌在转子铁心的内表面中，采用径向充磁方式，且相邻两块钕铁硼永磁体充磁方向相反，p为转子极数且为偶数；多层磁障磁阻结构单元与转子铁心共同组成转子外侧；钕铁硼永磁体和多层磁障磁阻结构单元数量相同且对应的永磁直轴与磁阻直轴之间存在偏差角αs，
αs＝90°÷p。
进一步的，所述内定子包括第二定子铁心齿、第二定子轭和第二定子槽，所述第二定子槽位于相邻所述第二定子铁心齿之间。
进一步的，所述第一定子槽用于放置缠绕在第一定子铁心齿上的第一电枢绕组，所述第二定子槽用于放置缠绕在第二定子铁心齿上的第二电枢绕组。
进一步的，所述转轴被内定子围绕并贯穿于电机中心。
本发明的有益效果：
1、本发明提出的双定子混合磁极磁轴偏移电机，通过弧形钕铁硼永磁体和多层磁障空气槽结构单元对应的永磁直轴与磁阻直轴之间的偏移角以及双定子结构设计，实现了永磁转矩与磁阻转矩分量真正意义上的分离设计，解决了传统内置式永磁电机永磁体和磁阻设计难以权衡的问题，提升了设计的空间自由度和永磁利用率，进一步提升了电机的转矩密度；
2、本发明提出的双定子混合磁极磁轴偏移电机，利用永磁表面嵌入式结构，解决了传统内置式电机中永磁漏磁严重的问题，提升了电机永磁转矩峰值，提高了永磁利用率；
3、本发明提出的双定子混合磁极磁轴偏移电机，可以灵活控制两套绕组电枢电流的大小和相位，实现调速范围的扩展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的横截面结构示意图；
图2是本发明实施例的电机空载运行时永磁磁场的磁力线分布图；
图3是本发明实施例的内外定子中A相中心线关系示意图；
图4是本发明实施例的永磁直轴与磁阻磁轴偏移角示意图。
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作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。
本实施例的一种双定子混合磁极磁轴偏移电机，结构上类似于传统双定子电机，两定子同轴安装，转子结构类似传统内置式PMSM，呈空心柱状结构，但不同的是：转子巧妙地解耦了表面式永磁体和多层磁障结构，利用两者对应直轴之间的偏差角以及内外双定子结构实现永磁转矩与磁阻转矩的分离设计，解决了传统内置式永磁电机永磁体和磁阻设计难以权衡的问题，提升了设计的空间自由度和永磁利用率，进一步提升了电机的转矩密度。
如图1所示，一种双定子混合磁极磁轴偏移电机，包括外定子1、电枢绕组2、混合磁极式转子3、内定子4和转轴5，所述转轴5设置在最内侧，所述外定子1设置在最外侧，所述外定子1和转轴5之间设置有混合磁极式转子3和内定子4，所述混合磁极式转子3与外定子1贴合，所述内定子4与转轴5贴合，所述电枢绕组2设置在外定子1和内定子4内，如图3所示。
所述外定子1包括第一定子铁心齿1.1、第一定子轭1.2和第一定子槽1.3，所述第一定子槽1.3位于相邻所述第一定子铁心齿1.1之间。
所述电枢绕组2包括第一电枢绕组2.1和第二电枢绕组2.2，所述第一电枢绕组2.1各相轴线与第二电枢绕组2.2对应各相轴线分别重合，且内外对应各相绕组采用串联方式。
所述混合磁极式转子3包括转子铁心3.1、钕铁硼永磁体3.2和多层磁障磁阻结构单元3.3，所述钕铁硼永磁体3.2和转子铁心3.1设置在多层磁障磁阻结构单元3.3内。
P块钕铁硼永磁体3.2嵌在转子铁心3.1的内表面中，采用径向充磁方式，且相邻两块钕铁硼永磁体3.2充磁方向相反，p为转子极数且为偶数；多层磁障磁阻结构单元3.3与转子铁心3.1共同组成了转子外侧；钕铁硼永磁体3.2和多层磁障磁阻结构单元3.3数量相同且对应的永磁直轴与磁阻直轴之间存在偏差角αs，如图4所示。
αs＝90°÷p
所述内定子4包括第二定子铁心齿4.1、第二定子轭4.2和第二定子槽4.3，所述第二定子槽4.3位于相邻所述第二定子铁心齿4.1之间。
所述第一定子槽1.3用于放置缠绕在第一定子铁心齿1.1上的第一电枢绕组2.1，所述第二定子槽4.3用于放置缠绕在第二定子铁心齿4.1上的第二电枢绕组2.2。
所述转轴5被内定子4围绕并贯穿于电机中心。
在本实施案例中，所述钕铁硼永磁体3.2数量为八块，多层磁障磁阻结构单元3.3的数量为八块，外定子1中的第一定子槽1.3的数量为二十四个，内定子中4的第二定子槽4.3的数量为十二个，第一电枢绕组2.1与第二电枢绕组2.2均为分布式设计。
本申请的运行原理如下：
结合图2所示的空载永磁磁力线分布，对于永磁励磁部分，永磁磁通首先从在转子铁心3.1上沿圆周径向设置的钕铁硼永磁体3.2的北极出发，穿过混合磁极式转子3与内定子4之间的气隙后，依次经过内定子4的电枢齿、轭部和电枢齿，再由内定子4穿过气隙到达钕铁硼永磁体3.2南极，经过转子铁心3.1后回到磁通出发的钕铁硼永磁体3.2，形成闭合的旋转磁场；与此同时，电机的内定子4绕组中通入与转子旋转速度相同的三相交流电，定、转子永磁形成的旋转磁场相互作用，从而实现机电转换，混合磁极式转子3产生永磁转矩；
对于磁阻部分，通过多层磁障磁阻结构单元与转子铁心3.1的配合产生直轴与交轴磁阻的差异，从而得到转矩驱动，实际运行中通过改变外定子1电枢绕组的电流角，进行转矩寻优，进而获得使得电机稳态运行的最优电流角，同时，电机的磁阻转矩正比于电感，因而磁路饱和引起的磁阻增大对电机转矩密度影响严重。本发明由于将永磁磁路与磁阻磁路进行解耦设计，因此可以极大程度减小磁阻饱和，从而令转矩密度得到有效提升。
采用双定子的结构形式，永磁转矩与磁阻转矩峰值可以同时得到，解决了传统内置式电机中存在的永磁利用率低的问题，因此总转矩峰值得到有效提升。
所述钕铁硼永磁体3.2同样可以采用表贴等形式，多层磁障磁阻结构单元3.3的层数以及形状可以根据设计要求进行修改；同时，本发明的分析同样适用于电枢绕组采用集中绕组形式，仍具有转矩提升效果。
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)

1.一种双定子混合磁极磁轴偏移电机，其特征在于，包括外定子(1)、电枢绕组(2)、混合磁极式转子(3)、内定子(4)和转轴(5)，所述转轴(5)设置在最内侧，所述外定子(1)设置在最外侧，所述外定子(1)和转轴(5)之间设置有混合磁极式转子(3)和内定子(4)，所述混合磁极式转子(3)与外定子(1)贴合，所述内定子(4)与转轴(5)贴合，所述电枢绕组(2)设置在外定子(1)和内定子(4)内；
所述混合磁极式转子(3)包括转子铁心(3.1)、钕铁硼永磁体(3.2)和多层磁障磁阻结构单元(3.3)，所述钕铁硼永磁体(3.2)和转子铁心(3.1)设置在多层磁障磁阻结构单元(3.3)内。
2.根据权利要求1所述的一种双定子混合磁极磁轴偏移电机，其特征在于，所述外定子(1)包括第一定子铁心齿(1.1)、第一定子轭(1.2)和第一定子槽(1.3)，所述第一定子槽(1.3)位于相邻所述第一定子铁心齿(1.1)之间。
3.根据权利要求2所述的一种双定子混合磁极磁轴偏移电机，其特征在于，所述电枢绕组(2)包括第一电枢绕组(2.1)和第二电枢绕组(2.2)，所述第一电枢绕组(2.1)各相轴线与第二电枢绕组(2.2)对应各相轴线分别重合，且内外对应各相绕组采用串联方式。
4.根据权利要求1所述的一种双定子混合磁极磁轴偏移电机，其特征在于，P块钕铁硼永磁体(3.2)嵌在转子铁心(3.1)的内表面中，采用径向充磁方式，且相邻两块钕铁硼永磁体(3.2)充磁方向相反，p为转子极数且为偶数；多层磁障磁阻结构单元(3.3)与转子铁心(3.1)共同组成转子外侧；钕铁硼永磁体(3.2)和多层磁障磁阻结构单元(3.3)数量相同且对应的永磁直轴与磁阻直轴之间存在偏差角αs，
αs＝90°÷p。
5.根据权利要求3所述的一种双定子混合磁极磁轴偏移电机，其特征在于，所述内定子(4)包括第二定子铁心齿(4.1)、第二定子轭(4.2)和第二定子槽(4.3)，所述第二定子槽(4.3)位于相邻所述第二定子铁心齿(4.1)之间。
6.根据权利要求5所述的一种双定子混合磁极磁轴偏移电机，其特征在于，所述第一定子槽(1.3)用于放置缠绕在第一定子铁心齿(1.1)上的第一电枢绕组(2.1)，所述第二定子槽(4.3)用于放置缠绕在第二定子铁心齿(4.1)上的第二电枢绕组(2.2)。
7.根据权利要求1所述的一种双定子混合磁极磁轴偏移电机，其特征在于，所述转轴(5)被内定子(4)围绕并贯穿于电机中心。
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