CN210405045U - 轴向并列复合电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及电机设计领域，公开了一种轴向并列复合电机，在外壳内并列设置有同轴安装的径向磁场调速电机和径向磁场调矩电机，径向磁场调速电机包括转轴、环绕转轴的第一转子、环绕第一转子的第一定子；径向磁场调矩电机包括转轴、环绕转轴的第二转子、环绕第二转子的第二定子；第一定子与第一转子之间、第二定子与第二转子之间均设置有气隙；第一定子固定在外壳的端面内壁，并与转轴转动连接，第二定子和第一定子轴向转动连接，第一转子和第二转子通过隔磁环轴向固定连接，且二者的径向内缘固定在转轴上。本实用新型在提高永磁体运行可靠性的前提下，可满足驱动电机低速高转矩和宽调速范围运行的要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及电机设计领域，特别涉及一种轴向并列复合电机。
背景技术
高转矩密度、低速大转矩和宽调速范围是驱动电机尤其是直接驱动式电机的性能需求。得到广泛应用的开关磁阻电机具有较宽调速范围，且结构简单，定转子上均无永磁体，工作可靠性高，然而其转矩密度明显低于永磁电机。近年来，定子永磁型电机由于其高转矩密度和高效率而得到广泛研究，在该电机结构中，永磁体和绕组均放置在定子上，转子结构简单，提升了电机的可靠性和动态运行性能。但是，由于永磁体的固有特性，定子永磁电机运行时的气隙磁场基本保持恒定不变，电动运行时，电机励磁控制困难、调速范围有限。学者们多采用混合励磁方式来增加定子永磁电机的调速范围，在定子上除了永磁体，还设置了励磁绕组，实现双励磁源混合励磁方式，可提高磁场调节能力，拓宽转速运行范围。然而，这种电机调速过程中的高速弱磁调速会降低永磁体工作性能，严重时导致永磁体的不可逆退磁。此外，混合励磁定子永磁电机结构中定子同时存在永磁体和两套绕组（励磁绕组和电枢绕组），一方面磁路饱和程度高，另一方面约束了电枢绕组放置空间，在一定程度上限制了转矩输出能力，且由于热源均位于定子中，易导致定子绕组和永磁体温升过高，带来绕组绝缘损坏和永磁体不可逆退磁。
实用新型内容
实用新型目的：针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种轴向并列复合电机，在提高永磁体运行可靠性、避免永磁体因弱磁调速导致的不可逆退磁的前提下，满足驱动电机低速高转矩和宽调速范围运行的要求。
技术方案：本实用新型提供了一种轴向并列复合电机，在外壳内轴向并列设置有同轴安装的径向磁场调速电机和径向磁场调矩电机，所述径向磁场调速电机包括转轴、环绕所述转轴的第一转子以及环绕所述第一转子的第一定子；所述径向磁场调矩电机包括所述转轴、环绕所述转轴的第二转子以及环绕所述第二转子的第二定子；所述第一定子与所述第一转子之间以及所述第二定子与所述第二转子之间均设置有气隙；所述第一定子固定在所述外壳的端面内壁上，并与所述转轴转动连接；所述第二定子与所述第一定子轴向转动连接；所述第一转子和所述第二转子均固定在所述转轴上，且二者通过隔磁环轴向固定连接。
进一步地，所述第一定子与所述第一转子的相对侧以及所述第二定子与所述第二转子的相对侧均设置有凸极齿，且所述第一定子的凸极齿上设置有第一绕组，所述第二定子的凸极齿上设置有第二绕组和励磁装置。
优选地，所述励磁装置的充磁方向为沿所述第二定子圆周切向交替充磁。
优选地，所述励磁装置为永磁体或混合励磁装置。采用混合励磁装置时，电励磁源仅用于低速增磁时增加输出转矩能力，无高速弱磁工作模式。
优选地，所述第一定子的凸极齿的齿数为P s1，所述第一绕组由对称分布的P s1个套在所述第一定子的凸极齿上的线圈构成，所述第一绕组为m相集中绕组，满足P s1=2k 1 m，其中为k 1正整数；所述第一转子的凸极齿的齿数为P r1，满足P r1=P s1±2N1，其中N1为正整数。
优选地，所述第二定子的凸极齿的齿数为P s2，所述第二绕组由对称分布的P s2个套在所述第二定子的凸极齿上的线圈构成，所述第二绕组为n相集中绕组，满足P s2=2k 2 n，其中为k 2正整数；所述第二转子的凸极齿的齿数为P r2，满足P r2=P s2±2N2，其中N2为正整数。
优选地，所述第一定子、所述第一转子、所述第二定子以及所述第二转子上的凸极齿朝向均指在径向上。
优选地，所述第一绕组和所述第二绕组均为多相集中式电枢绕组。
优选地，所述第一定子通过第一轴承和第二轴承与所述转轴转动连接。
优选地，所述第二定子与所述第一定子轭部通过第三轴承轴向转动连接；所述第一转子和所述第二转子的轭部通过隔磁环轴向固定连接，且二者的径向内缘固定在所述转轴上。
有益效果：本实用新型的轴向并列复合电机，第一定子和第二转子构成调速电机，第二定子和第二转子构成调矩电机。两电机完全独立，无电磁耦合，因此可独立控制。两电机有多种电机结构选择，如调矩电机可采用双凸极永磁电机和磁通反向电机。调速电机和调矩电机定转子齿槽配合、相数及励磁方式等均可以依据系统性能要求灵活调整。
本实用新型中，第一定子与外壳固定连接，无旋转，第二定子通过第三轴承与第一定子转动连接，具体运行时可以一定转速旋转。此外，第一转子通过隔磁环与第二转子固定连接，第一转子、隔磁环、第二转子构成电机转子，电机转子径向内缘固定在转子输出轴上。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
1、本实用新型中，调速电机主要实现的是根据负载转速要求完成电机的调速，使得转子输出轴以目标转速旋转；调矩电机的作用是根据负载需要，提供驱动转矩或制动转矩，以弥补调速电机输出转矩的不足，电机运行中第二定子可与第二转子差速旋转，使得调矩电机始终工作在效率较高的额定点附近，因此具有较大的转矩输出能力。无论是低速还是高速运行时，调速电机输出转矩的不足均可由调矩电机提供，从而实现电机低速大转矩和宽调速范围运行的需求。
2、本实用新型调速电机上无永磁体，因此可避免电机不易散热导致的永磁体高温不可逆退磁；调矩电机设置有励磁装置以增加转矩输出能力，且励磁装置仅工作于增磁模式，不参与弱磁调速。高速工况时，调速电机实现调速，由于第二定子上第三轴承的作用，调矩电机的第二定子在转子高速旋转时通过差速旋转可始终工作于额定点附近，完成增加转矩输出的同时，避免了调矩电机弱磁调速带来的永磁体不可逆退磁风险；从上述两点来看，本实用新型提高了永磁体工作稳定性，提高了电机工作的可靠性。
3. 本实用新型中调速电机和调矩电机可运行于单独驱动或共同驱动等不同工作模式，当一台电机出现故障时，可使另一电机短时单独运行，因此本实用新型中电机具有一定的容错性。
附图说明
图1为本实用新型轴向并列复合电机的三维结构示意图；
图2为定子的三维结构示意图；
图3为转子的三维结构示意图；
图4为本实用新型中调速电机的二维截面图；
图5为本实用新型中调矩电机的二维截面图；
图6为本实用新型实施方式结构示意图；
图中：1调速电机，2调矩电机，3转轴， 6隔磁环，7第三轴承， 1-1第一定子， 1-3第一转子，2-1第二定子， 2-3励磁装置，2-4第二转子，1-2第一绕组，2-2第二绕组，4第一轴承，5第二轴承，8外壳。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细的介绍。
本实施方式提供了一种轴向并列复合电机，如图1至6，在外壳8内轴向并列设置有同轴（转轴3）安装的径向磁场调速电机1和径向磁场调矩电机2，径向磁场调速电机1包括转轴3、环绕转轴3的第一转子1-3、环绕第一转子1-3的第一定子1-1；径向磁场调矩电机2包括转轴3、环绕转轴3的第二转子2-4、环绕第二转子2-4的第二定子2-1。第一定子1-1和第一转子1-3之间设置有气隙，第二定子2-1和第二转子2-4之间设置有气隙。第一定子1-1固定在外壳8的端面内壁上，并通过第一轴承4和第二轴承5与转轴3转动连接，第二定子2-1和第一定子1-1轭部通过第三轴承7轴向转动连接，第一转子1-3和第二转子2-4轭部通过隔磁环6轴向固定连接，第一转子1-3和第二转子2-4的径向内缘固定在转轴3上。
第一转子1-3径向朝向第一定子1-1的一侧和第二转子2-4径向朝向第二定子2-1的一侧均设置有无绕组的凸极齿，第一定子1-1径向内侧设置有凸极齿及绕在凸极齿上的第一绕组1-2，第二定子2-1径向内侧设置有凸极齿及绕在凸极齿上的第二绕组2-2，第二定子2-1的凸极齿设置有励磁装置2-3，励磁装置2-3的充磁方向为沿第二定子2-1圆周方向交替充磁。本实施例中的励磁装置2-3采用永磁体，当然也可以采用混合励磁装置。需要指出的是，本实施例中定子和转子的凸极朝向均指在径向上。
本实施方式以一台调速电机为3相定子12槽/转子8极、调矩电机为3相定子12槽/转子14极的轴向并列复合电机为例，具体说明本实用新型的技术方案。
第一定子1-1磁轭径向内侧凸出12块凸极齿，其上无永磁体，12个凸极齿上套有12个电枢绕组线圈，每4个线圈串联组成一相集中绕组，从而构成三相电枢绕组1-2，第一转子1-3凸极齿数量为8，第一定子1-1、第一转子1-3及其上的第一绕组1-2组成三相12/8极开关磁阻电机；第二定子2-1沿圆周分布有12块铁心凹槽单元和12块矩形永磁体2-3交替相邻放置，形成了12个定子磁极，每个定子磁极由一块永磁体和其圆周两侧铁心凹槽单元的相邻两个定子齿构成，铁心凹槽单元开口朝向第二转子2-4，第二转子2-4凸极齿数量为14个，第二定子2-1的12个定子磁极上绕有12个绕组线圈，其中每4个绕组线圈组成一相集中绕组，从而构成三相集中电枢绕组2-2。第二转子2-4、第二定子2-1及其上的永磁励磁装置2-3和第二绕组2-2组成三相12/14极永磁磁通切换电机结构。
第一转子1-3和第二转子2-4轴向通过非导磁隔磁环6固定连接并实现磁路分离，第一转子1-3和第二转子2-4径向均与输出转轴3固定连接，因此调速电机1和调矩电机2共用转轴3，且具有相同的转子转速。第一定子1-1通过外壳8与机座固定连接，无转速，而第二定子2-1由于与第一定子1-1间第三轴承7的作用，可根据工况需要以一定转速旋转。
本轴向并列复合电机从可实现的功能上分为两部分：一部分是调速电机1，采用三相12/8极开关磁阻结构，结构简单，适于高速运行，电机易于冷却，且由于无永磁体，可允许有较高的温升；另一部分是调矩电机2，采用三相12/14极永磁磁通切换电机，转子结构简单，且具有高转矩密度和高效率。调速电机1主要实现的是根据负载转速要求完成电机的调速，使得转轴3以目标转速旋转，同时输出一定的转矩；调矩电机2的作用是根据负载需要，提供驱动转矩或制动转矩，以弥补调速电机1输出转矩的不足，具体运行中第二定子2-1可与第二转子2-4差速旋转，使得调矩电机2始终工作在效率较高的额定点附近。调速电机1中无永磁体，因此在电机的调速运行中没有利用永磁体弱磁实现调速，有助于降低电机成本和提高调速电机1运行的可靠性。调矩电机2采用具有聚磁效应的永磁电机结构，以实现大转矩密度和高效率，具有较大的转矩调节能力，且由于第三轴承7的作用，在不同工况时调矩电机2无需调速，可始终工作在额定点附近，而且无论是低速还是高速运行时，调速电机1输出转矩的不足均可由调矩电机2提供，从而实现复合电机低速大转矩和宽调速范围运行的需求。
此复合型电机的两个电机系统之间无电磁耦合，可按照两个普通电机进行独立控制，可控参数大大多于普通磁通切换电机，十分灵活。两个电机根据不同的工况需求可运行于单机驱动、双机共同驱动、双机发电等不同工作模式，两电机都做发电运行时，可以输出两组不同功率、频率、幅值和电压等级的电能；两电机系统也可以一个做发电运行，另一个做电动运行，以满足不同的应用场合与性能需求。
本实用新型提出的复合电机在轴向空间内将永磁磁通切换调矩电机和开关磁阻调速电机并列集成在一起，提供两条功率流动路径。两台电机均可采用其他的电机结构，大大提高了系统的灵活性，拓展了应用范围。
上述实施方式只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种轴向并列复合电机，其特征在于，在外壳（8）内轴向并列设置有同轴安装的径向磁场调速电机（1）和径向磁场调矩电机（2），所述径向磁场调速电机（1）包括转轴（3）、环绕所述转轴（3）的第一转子（1-3）以及环绕所述第一转子（1-3）的第一定子（1-1）；所述径向磁场调矩电机（2）包括所述转轴（3）、环绕所述转轴（3）的第二转子（2-4）以及环绕所述第二转子（2-4）的第二定子（2-1）；
所述第一定子（1-1）与所述第一转子（1-3）之间以及所述第二定子（2-1）与所述第二转子（2-4）之间均设置有气隙；所述第一定子（1-1）固定在所述外壳（8）的端面内壁上，并与所述转轴（3）转动连接；所述第二定子（2-1）与所述第一定子（1-1）轴向转动连接；所述第一转子（1-3）和所述第二转子（2-4）均固定在所述转轴（3）上，且二者通过隔磁环（6）轴向固定连接。
2.根据权利要求1所述的轴向并列复合电机，其特征在于，所述第一定子（1-1）与所述第一转子（1-3）的相对侧以及所述第二定子（2-1）与所述第二转子（2-4）的相对侧均设置有凸极齿，且所述第一定子（1-1）的凸极齿上设置有第一绕组（1-2），所述第二定子（2-1）的凸极齿上设置有第二绕组（2-2）和励磁装置（2-3）。
3.根据权利要求2所述的轴向并列复合电机，其特征在于，所述励磁装置（2-3）的充磁方向为沿所述第二定子（2-1）圆周切向交替充磁。
4.根据权利要求2所述的轴向并列复合电机，其特征在于，所述励磁装置（2-3）为永磁体或混合励磁装置。
5.根据权利要求2所述的轴向并列复合电机，其特征在于，
所述第一定子（1-1）的凸极齿的齿数为P s1，所述第一绕组（1-2）由对称分布的P s1个套在所述第一定子（1-1）的凸极齿上的线圈构成，所述第一绕组（1-2）为m相集中绕组，满足P s1=2k 1 m，其中为k 1正整数；
所述第一转子（1-3）的凸极齿的齿数为P r1，满足P r1=P s1±2N1，其中N1为正整数。
6.根据权利要求5所述的轴向并列复合电机，其特征在于，所述第二定子（2-1）的凸极齿的齿数为P s2，所述第二绕组（2-2）由对称分布的P s2个套在所述第二定子（2-1）的凸极齿上的线圈构成，所述第二绕组（2-2）为n相集中绕组，满足P s2=2k 2 n，其中为k 2正整数；
所述第二转子（2-4）的凸极齿的齿数为P r2，满足P r2=P s2±2N2，其中N2为正整数。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的轴向并列复合电机，其特征在于，所述第一定子（1-1）、所述第一转子（1-3）、所述第二定子（2-1）以及所述第二转子（2-4）上的凸极齿朝向均指在径向上。
8.根据权利要求2至6中任一项所述的轴向并列复合电机，其特征在于，所述第一绕组（1-2）和所述第二绕组（2-2）均为多相集中式电枢绕组。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的轴向并列复合电机，其特征在于，所述第一定子（1-1）通过第一轴承（4）和第二轴承（5）与所述转轴（3）转动连接。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的轴向并列复合电机，其特征在于，所述第二定子（2-1）与所述第一定子（1-1）轭部通过第三轴承（7）轴向转动连接；所述第一转子（1-3）和所述第二转子（2-4）的轭部通过所述隔磁环（6）轴向固定连接，且二者的径向内缘固定在所述转轴（3）上。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110601476A (zh) * | 2019-09-17 | 2019-12-20 | 淮阴工学院 | 径向磁场轴向并列复合电机 |
| CN113178963A (zh) * | 2021-05-20 | 2021-07-27 | 河北工业大学 | 一种径向与轴向双模块化磁通切换电机 |
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2019
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| CN110601476A (zh) * | 2019-09-17 | 2019-12-20 | 淮阴工学院 | 径向磁场轴向并列复合电机 |
| CN113178963A (zh) * | 2021-05-20 | 2021-07-27 | 河北工业大学 | 一种径向与轴向双模块化磁通切换电机 |
| CN113178963B (zh) * | 2021-05-20 | 2022-10-14 | 河北工业大学 | 一种径向与轴向双模块化磁通切换电机 |
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