CN117639418A - 一种混合励磁轴向无刷电机及其发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种混合励磁轴向无刷电机及其发电方法，包括机壳以及转动固定在机壳内的转轴，机壳内沿轴向依次安装有第一励磁定子、第一调磁环转子、第一永磁转子、电枢定子、第二永磁转子、第二调磁环转子以及第二励磁定子七个部件，相邻两部件之间均设有空气隙，所述第一永磁转子和第二永磁转子对称设置且两者均转动固定在转轴上，所述第一调磁环转子和第二调磁环转子对称设置且两者均与转轴固定连接，所述第一励磁定子和第二励磁定子对称设置且两者均与机壳固定连接，电枢定子通过电枢定子支架与机壳固定连接。本发明通过采用混合励磁实现了无刷化的同时，提高了电机功率密度和发电量。

Description

一种混合励磁轴向无刷电机及其发电方法

技术领域

本发明涉及轴向电机技术领域，尤其涉及一种混合励磁轴向无刷电机及其发电方法。

背景技术

随着能源危机和环保意识的不断增强，混合动力汽车、混合动力无人机以及风力发电的规模逐步增大，混合励磁轴向磁通电机由于自身的优点，在混合动力驱动以及风力发电领域应用越来越广泛，但其功率因数和效率不高问题也随之凸显出来。

首先，目前混合励磁轴向磁通电机中的转子通常采用单一转子结构，例如绕线式转子、鼠笼转子或者永磁转子其中的一种。采用单一绕线式转子或者鼠笼转子形成的轴向感应电机，电机的效率和功率因数不高，而且绕线转子还需要电刷和滑环结构，降低了运行的可靠性。采用单一永磁转子形成的永磁同步电机，则磁场不可调节，不能适应变化转速工况下磁场灵活调节的需求。

其次，现有技术中的混合励磁轴向磁通电机结构，大多数为磁通切换电机和有刷感应电机。由于磁通切换电机一般采用凸极结构，且电机中的永磁体和电枢绕组都位于定子侧，永磁体和电枢绕组在空间上存在竞争关系，限制了混合励磁轴向磁通切换电机的空间利用率和转矩密度。而混合励磁轴向有刷感应电机，无论是采用永磁励磁还是直流电进行混合励磁，虽然电机的效率有所提高，但是电机的结构过于复杂。

另外，现有的混合励磁轴向磁通电机通常存在轴向不平衡磁拉力，导致电机运行过程中产生较大的振动。

综上所述，混合励磁轴向磁通电机的功率密度以及转矩密度还有待继续提高；如何实现交流励磁无刷化的问题还有待解决；另外现有的永磁无刷结构磁场调节性能和发电效率等方面也存在着问题。这些问题都影响着电机的功率因数和效率。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种混合励磁轴向无刷电机，包括机壳以及转动固定在机壳内的转轴，所述机壳内沿轴向依次安装有第一励磁定子、第一调磁环转子、第一永磁转子、电枢定子、第二永磁转子、第二调磁环转子以及第二励磁定子七个部件，相邻两部件之间均设有空气隙，所述第一永磁转子和第二永磁转子对称设置且两者均转动固定在转轴上，所述第一调磁环转子和第二调磁环转子对称设置且两者均与转轴固定连接，所述第一励磁定子和第二励磁定子对称设置且两者均与机壳固定连接，所述电枢定子通过电枢定子支架与机壳固定连接；

所述第一励磁定子和第二励磁定子的磁极数均为p，所述电枢定子的磁极数为q；所述第一调磁环转子和第二调磁环转子均包括磁阻单元，所述磁阻单元数量均为p+q；所述p和q均为整数，且p和q不相等。

优选的，所述第一励磁定子和第二励磁定子均为圆环形且开有槽，所述第一励磁定子和第二励磁定子分别在槽中嵌放有第一励磁定子绕组和第二励磁定子绕组，第一励磁定子绕组和第二励磁定子绕组通电后形成极数为p的磁场。

优选的，所述第一永磁转子和第二永磁转子均包括永磁转子盘和多个永磁体，所述永磁体均布在永磁转子盘一侧的圆周上，所述永磁体均为轴向充磁的钕铁硼且按充磁极性N、S极间隔放置，所述永磁体极数为q。

优选的，所述第一调磁环转子和第二调磁环转子还均包括调磁环转子盘，所述磁阻单元包括多个导磁块和多个非导磁块，导磁块和非导磁块安装在调磁环转子盘上，且导磁块和非导磁块沿调磁环转子盘交替布置。

优选的，所述电枢定子包括定子铁芯、隔磁盘、第一电枢定子绕组和第二电枢定子绕组，所述定子铁芯两侧开槽，第一电枢定子绕组和第二电枢定子绕组分别安装在定子铁芯两侧的槽中，所述第一电枢定子绕组和第二电枢定子绕组通电后会形成极数为p的磁场，所述隔磁盘设置在第一电枢定子绕组和第二电枢定子绕组之间的定子铁芯上。

优选的，所述位于定子铁芯槽中的第一电枢定子绕组和第二电枢定子绕组均为交流绕组，且第一电枢定子绕组和第二电枢定子绕组产生的磁场不耦合，所述隔磁盘为非导磁材料制成。

优选的，所述第一永磁转子和第二永磁转子分别通过永磁转子轴承转动固定在转轴上。

一种混合励磁轴向无刷电机的发电方法：

所述第一励磁定子、第一调磁环转子、第一永磁转子和第一电枢定子绕组形成第一工作单元，第二励磁定子、第二调磁环转子、第二永磁转子和第二电枢定子绕组形成第二工作单元，第一工作单元和第二工作单元同时工作且运行原理相同；

以第一工作单元为例，外部动力部件驱动转轴旋转，由转轴带动第一调磁环转子旋转，此时在所述第一励磁定子绕组中通入交流励磁电流产生的交流磁场极对数为p，通过第一调磁环转子进行磁场调制，调制出p极和q极磁场，调制出的q极磁场与第一电枢定子绕组相互作用，在所述第一电枢定子绕组中感应出q极交流电动势；同时第一永磁转子在变化的磁场中受力旋转，转动的第一永磁转子切割调制后的交流磁场，也会在所述第一电枢定子绕组中感应出q极交流电动势。

本发明具有的有益效果为：

1、 本发明采用的第一励磁定子、第二励磁定子、第一调磁环转子和第二调磁环转子结构，实现了本发明一种混合励磁轴向电机的无刷化，解决了交流有刷电机电刷和滑环会产生电火花、电火花造成电机可靠性差和故障率高的技术问题，提高了电机稳定运行能力。

2、 本发明在整体结构上关于电枢定子对称，平衡了定子和转子轴向磁拉力，从而起到了削弱振动和噪声的目的。

3、本发明采用同一轴向交流和永磁励磁的混合励磁结构，第一励磁定子和第二励磁定子进行交流励磁，第一永磁转子和第二永磁转子进行永磁励磁，电枢定子包括两个独立的电枢定子绕组，相当于两个无刷轴向电机合成的性能，显著提高了电机功率密度和发电量。

4、本发明交流和永磁混合励磁提高了电机的运行效率，同时也提高了磁场调节的灵活性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明电枢定子结构示意图；

图3为本发明励磁定子结构示意图；

图4为本发明永磁转子结构示意图；

图5为本发明调磁环转子结构示意图；

图6为本发明实施例2的整体结构示意图；

图7为本发明实施例3的整体结构示意图。

图中标号：1、机壳；2、第一端盖；3、第一励磁定子；4、第一励磁定子绕组；5、第一调磁环转子；6、第一永磁转子；7、第二端盖；8、第二励磁定子；9、第二励磁定子绕组；10、永磁转子轴承；11、第二调磁环转子；12、第二永磁转子；13、永磁体；14、电枢定子；15、隔磁盘；16、电枢定子支架；17、转轴轴承；18、转轴；19、第一电枢定子绕组；20、第二电枢定子绕组；21、永磁转子盘；22、调磁环转子盘；23、磁阻单元；24、导磁块；25、非导磁块；26、电枢定子整流逆变装置；27、励磁定子整流逆变装置；28、蓄电池；29、双PWM变换器；30、电网。

具体实施方式

为了使本发明更为清楚、明白，以下结合附图说明和实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，应当了解，所给出的实施例仅仅为实现方式的两种，并不代表所有实施例。

实施例1：

结合附图1-6，本发明提出了一种混合励磁轴向无刷电机，包括机壳1以及转动固定在机壳1内的转轴18，具体地，机壳1两端设置有第一端盖2和第二端盖7，转轴18一端通过转轴轴承17与第一端盖2转动连接，转轴18另一端通过另一个转轴轴承17与第二端盖7转动连接；所述机壳1内沿轴向依次安装有第一励磁定子3、第一调磁环转子5、第一永磁转子6、电枢定子14、第二永磁转子12、第二调磁环转子11以及第二励磁定子8七个部件，相邻两部件之间均设有空气隙，所述第一永磁转子6和第二永磁转子12对称设置且两者均转动固定在转轴18上，所述第一调磁环转子5和第二调磁环转子11对称设置且两者均与转轴18固定连接，所述第一励磁定子3和第二励磁定子8对称设置且两者均与机壳1固定连接，所述电枢定子14通过电枢定子支架16与机壳1固定连接；

所述第一励磁定子3和第二励磁定子8的磁极数均为p，所述电枢定子14的磁极数为q；所述第一调磁环转子5和第二调磁环转子11均包括磁阻单元23，所述磁阻单元23数量均为p+q；所述p和q均为整数，且p和q不相等。

所述转轴18、第一励磁定子3、第一调磁环转子5、第一永磁转子6、电枢定子14、第二永磁转子12、第二调磁环转子11以及第二励磁定子这八个部件的中心线在同一条直线上。

具体地，所述第一励磁定子3和第二励磁定子8均为圆环形且开有槽，所述第一励磁定子3和第二励磁定子8分别在槽中嵌放有第一励磁定子绕组4和第二励磁定子绕组9，第一励磁定子绕组4和第二励磁定子绕组9通电后形成极数为p的磁场。

具体地，所述第一永磁转子6和第二永磁转子12均包括永磁转子盘21和多个永磁体13，所述永磁体13均布在永磁转子盘21一侧的圆周上，所述永磁体13均为轴向充磁的钕铁硼且按充磁极性N、S极间隔放置，所述永磁体13极数为q。

具体地，所述第一调磁环转子5和第二调磁环转子11还均包括调磁环转子盘22，所述磁阻单元23包括多个导磁块24和多个非导磁块25，导磁块24和非导磁块25安装在调磁环转子盘22上，且导磁块24和非导磁块24沿调磁环转子盘22交替布置。

具体地，所述电枢定子14包括定子铁芯、隔磁盘15、第一电枢定子绕组19和第二电枢定子绕组20，所述定子铁芯两侧开槽，第一电枢定子绕组19和第二电枢定子绕组20分别安装在定子铁芯两侧的槽中，所述第一电枢定子绕组19和第二电枢定子绕组20通电后会形成极数为p的磁场，所述隔磁盘15设置在第一电枢定子绕组19和第二电枢定子绕组20之间的定子铁芯上。

具体地，所述位于定子铁芯槽中的第一电枢定子绕组19和第二电枢定子绕组20均为交流绕组，且第一电枢定子绕组19和第二电枢定子绕组20产生的磁场不耦合，所述隔磁盘15为非导磁材料制成。

具体地，所述第一永磁转子6和第二永磁转子12分别通过永磁转子轴承10转动固定在转轴18上，可通过永磁转子轴承10绕转轴18自由转动。

一种混合励磁轴向无刷电机的发电方法：所述第一励磁定子4、第一调磁环转子5、第一永磁转子6和第一电枢定子绕组19形成第一工作单元，第二励磁定子8、第二调磁环转子11、第二永磁转子12和第二电枢定子绕组20形成第二工作单元，第一工作单元和第二工作单元同时工作且运行原理相同；

以第一工作单元为例，外部动力部件驱动转轴18旋转，外部动力部件为内燃机或风力机等驱动设备，由转轴18带动第一调磁环转子5旋转，此时在所述第一励磁定子绕组4中通入交流励磁电流产生的交流磁场极对数为p，通过第一调磁环转子5进行磁场调制，调制出p极和q极磁场，调制出的q极磁场与第一电枢定子绕组19相互作用，在所述第一电枢定子绕组19中感应出q极交流电动势；同时第一永磁转子6在变化的磁场中受力旋转，转动的第一永磁转子6切割调制后的交流磁场，也会在所述第一电枢定子绕组19中感应出q极交流电动势。

实施例2:

结合图6，以第一工作单元为例，混合励磁轴向无刷电机作为混合驱动系统发电运行时，所述第一电枢定子绕组19通过电枢定子整流逆变装置26与蓄电池28相连，第一励磁定子绕组4通过励磁定子整流逆变装置27与蓄电池28相连，当电机转轴18受到原动机外部动力部件变化的驱动力矩作用时，就可以通过调整励磁定子整流逆变装置27中的电流，来保证第一电枢定子绕组19输出交流电能。

外部原动力驱动力矩和第一励磁定子3中电流相互配合，就可以保证第一电枢定子绕组19能够输出稳定的电动势。

实施例3：

结合图7，以第一工作单元为例，混合励磁轴向无刷电机作为变速恒频风力发电运行时，所述第一电枢定子绕组19与电网30直接相连，第一励磁定子绕组4通过双PWM变换器29与电网30相连，为了确保变速恒频运行，当风速发生变化、发电机转速变化时，可控制第一励磁定子绕组4电流的频率使第一电枢定子绕组19频率恒定。具体为，当发电机转速小于同步速时，即处于亚同步状态，第一励磁定子3产生的旋转磁场方向与转速方向相同，此时第一励磁定子3通过双PWM变频器29从电网30吸收转差功率;当发电机转速大于同步速时，即处于超同步状态，第一励磁定子3产生的旋转磁场方向与转速方向相反，此时第一励磁定子绕组4通过双PWM变频器29向电网30馈入转差功率;当发电机转速等于同步速时，即处于同步状态，此时双PWM变频器29向第一励磁定子3提供直流励磁，相当于同步发电机运行，以上三种运行状态第一励磁定子3的励磁方式都是通过第一调磁环转子5调磁后实现无刷化双馈励磁的。

可以看出，作为风力发电机并网运行时，本发明可以实现无刷化双馈变速恒频发电。

以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，但不受上述实施方式限制，应当明白，对于本领域的普通技术人员来说，可以在不脱离本发明精神和范围的前提下，对本发明进行各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种混合励磁轴向无刷电机，包括机壳（1）以及转动固定在机壳（1）内的转轴（18），其特征在于：所述机壳（1）内沿轴向依次安装有第一励磁定子（3）、第一调磁环转子（5）、第一永磁转子（6）、电枢定子（14）、第二永磁转子（12）、第二调磁环转子（11）以及第二励磁定子（8）七个部件，相邻两部件之间均设有空气隙，所述第一永磁转子（6）和第二永磁转子（12）对称设置且两者均转动固定在转轴（18）上，所述第一调磁环转子（5）和第二调磁环转子（11）对称设置且两者均与转轴（18）固定连接，所述第一励磁定子（3）和第二励磁定子（8）对称设置且两者均与机壳（1）固定连接，所述电枢定子（14）通过电枢定子支架（16）与机壳（1）固定连接；

所述第一励磁定子（3）和第二励磁定子（8）的磁极数均为p，所述电枢定子（14）的磁极数为q；所述第一调磁环转子（5）和第二调磁环转子（11）均包括磁阻单元（23），所述磁阻单元（23）数量均为p+q；所述p和q均为整数，且p和q不相等。

2.根据权利要求1所述的一种混合励磁轴向无刷电机，其特征在于：所述第一励磁定子（3）和第二励磁定子（8）均为圆环形且开有槽，所述第一励磁定子（3）和第二励磁定子（8）分别在槽中嵌放有第一励磁定子绕组（4）和第二励磁定子绕组（9），第一励磁定子绕组（4）和第二励磁定子绕组（9）通电后形成极数为p的磁场。

3.根据权利要求1所述的一种混合励磁轴向无刷电机，其特征在于：所述第一永磁转子（6）和第二永磁转子（12）均包括永磁转子盘（21）和多个永磁体（13），所述永磁体（13）均布在永磁转子盘（21）一侧的圆周上，所述永磁体（13）均为轴向充磁的钕铁硼且按充磁极性N、S极间隔放置，所述永磁体（13）极数为q。

4.根据权利要求1所述的一种混合励磁轴向无刷电机，其特征在于：所述第一调磁环转子（5）和第二调磁环转子（11）还均包括调磁环转子盘（22），所述磁阻单元（23）包括多个导磁块（24）和多个非导磁块（25），导磁块（24）和非导磁块（25）安装在调磁环转子盘（22）上，且导磁块（24）和非导磁块（25）沿调磁环转子盘（22）交替布置。

5.根据权利要求1所述的一种混合励磁轴向无刷电机，其特征在于：所述电枢定子（14）包括定子铁芯、隔磁盘（15）、第一电枢定子绕组（19）和第二电枢定子绕组（20），所述定子铁芯两侧开槽，第一电枢定子绕组（19）和第二电枢定子绕组（20）分别安装在定子铁芯两侧的槽中，所述第一电枢定子绕组（19）和第二电枢定子绕组（20）通电后会形成极数为p的磁场，所述隔磁盘（15）设置在第一电枢定子绕组（19）和第二电枢定子绕组（20）之间的定子铁芯上。

6.根据权利要求5所述的一种混合励磁轴向无刷电机，其特征在于：所述位于定子铁芯槽中的第一电枢定子绕组（19）和第二电枢定子绕组（20）均为交流绕组，且第一电枢定子绕组（19）和第二电枢定子绕组（20）产生的磁场不耦合，所述隔磁盘（15）为非导磁材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种混合励磁轴向无刷电机，其特征在于：所述第一永磁转子（6）和第二永磁转子（12）分别通过永磁转子轴承（10）转动固定在转轴（18）上。

8.一种混合励磁轴向无刷电机的发电方法，其特征在于：所述第一励磁定子绕组（4）、第一调磁环转子（5）、第一永磁转子（6）和第一电枢定子绕组（19）形成第一工作单元，第二励磁定子（8）、第二调磁环转子（11）、第二永磁转子（12）和第二电枢定子绕组（20）形成第二工作单元，第一工作单元和第二工作单元同时工作且运行原理相同；

以第一工作单元为例，外部动力部件驱动转轴旋转，由转轴（8）带动第一调磁环转子（5）旋转，此时在所述第一励磁定子绕组（4）中通入交流励磁电流产生的交流磁场极对数为p，通过第一调磁环转子（5）进行磁场调制，调制出p极和q极磁场，调制出的q极磁场与第一电枢定子绕组（19）相互作用，在所述第一电枢定子绕组（19）中感应出q极交流电动势；同时第一永磁转子（6）在变化的磁场中受力旋转，转动的第一永磁转子（6）切割调制后的交流磁场，也会在所述第一电枢定子绕组（19）中感应出q极交流电动势。