CN108988598B - 一种定子内置磁通调制式永磁游标电机 - Google Patents

一种定子内置磁通调制式永磁游标电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定子内置磁通调制式永磁游标电机，它是在电机壳内部，由外向内依次布设有外转子（2）、内转子（3）和定子（4），外转子2内表面有十二个外转子凸极（2‑1），内转子（3）靠近外转子侧的外表面有八个内转子凸极（3‑1），靠近定子一侧的内表面为圆面结构，并嵌入十六对永磁体（3‑2），定子（4）由铁块（13）连接至机壳（1），定子铁芯圆周有六个定子齿（4‑1），且每个定子齿上放置三块磁通调制极（4‑2），定子槽内同时放置极对数为两对的三相集中式定子电枢绕组（6）和直流励磁绕组（7）。本发明的优点是：增大了转矩输出能力、转矩密度、调速范围和机械强度，且加工装配简单。

Description

一种定子内置磁通调制式永磁游标电机
技术领域
本发明属于混合动力车领域，具体涉及一种定子内置磁通调制式永磁游标电机。
背景技术
随着能源枯竭危机及环境污染问题日益严重，混合动力车作为传统内燃机汽车和纯电动汽车的过渡产物，成为了目前研究的热点。混合动力车中电机传动***作为机电能量转换装置，其性能的优劣将会直接影响整车的品质，为此，本领域技术人员提供了不同结构的电机传动***。
“新型外转子磁齿轮复合电机的设计与研究”，张东等，中国电机工程学报第28卷第30期，第67-72页，2008年10月25日记载了一种外转子磁齿轮复合电机，它将一台外转子高速无刷直流电机和一台磁齿轮整合在一起构成复合电机，以实现低速大转矩的直接驱动方式。其缺点是：该外转子磁齿轮复合电机具有3层气隙，导致结构复杂、磁场相互耦合，磁场分布也比较复杂，使得电机的分析具有一定的困难。同时，调制环由导磁块和非导磁块交替排布构成，并采用叠片形式，导致其机械强度较差，加工困难。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种定子内置磁通调制式永磁游标电机，它能够增大转矩输出能力、转矩密度、调速范围和机械强度，且加工装配简单。
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括电机壳，在电机壳内部，由外向内依次布设有外转子、内转子和定子，外转子内表面有十二个外转子凸极，外转子槽中放置三相集中式外转子电枢绕组；内转子靠近外转子侧的外表面有八个内转子凸极，靠近定子一侧的内表面为圆面结构，并嵌入十六对永磁体，永磁体沿径向充磁且相邻的永磁体充磁方向相反；定子由铁块连接至机壳，定子包括带有定子槽的定子铁芯，定子铁芯圆周有六个定子齿，且每个定子齿上放置三块磁通调制极，定子槽为缩口式孔洞槽，定子槽内同时放置三相集中式定子电枢绕组和直流励磁绕组，且三相集中式定子电枢绕组的极对数为两对，直流励磁绕组的极对数为两对。
外转子与内转子凸极构成双凸极外电机；内转子内表面永磁体与定子构成磁通调制式游标内电机。
与背景技术中的外转子磁齿轮复合电机相比，本发明的技术效果是：
本发明通过在定子齿上加入磁通调制极，等效于将调制环与定子铁芯做成一体，解决了调制环单独放置时造成的装置机械强度差的问题。磁场调制极可调制内电机气隙磁导，改变绕组电感，产生磁阻转矩以增大内电机的转矩输出能力，改善了本发明的总输出转矩，转矩密度也有所提高。同时也将电机部件由4个缩减为3个，电机气隙由3层缩减为2层，减小了电机装置的体积，并降低加工生产难度，提高了装置的实用性。外电机采用双凸极结构，具有结构及制造工艺简单、机体坚固、容错能力强、起动转矩大、调速范围广及运行转速高等优点。内电机同时放置三相集中式定子电枢绕组和直流励磁绕组，通过调节励磁绕组电流的大小与极性，增大内电机的调速范围。另外，本发明中三相集中式外转子电枢绕组和三相集中式定子电枢绕组均为集中绕组，可降低电机的用铜量及电机铜损，同时也便于生产及装配布线。
所以本发明的优点是：增大了转矩输出能力、转矩密度、调速范围和机械强度，且加工装配简单。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明应用于混合动力车的驱动***结构图；
图2为本发明的剖面图。
图中：1.电机壳；2.外转子；2-1.外转子凸极；3.内转子；3-1.内转子凸极；3-2.永磁体；4.定子；4-1.定子齿；4-2.磁通调制极；5.三相集中式外转子电枢绕组；6.三相集中式定子电枢绕组；7.直流励磁绕组；8.双凸极外电机；9.磁通调制式游标内电机；10.内燃机；11.蓄电池；12.主减速器；13.铁块；14.电刷滑环；15.AC-DC整流器；16.DC-AC逆变器；17.外电机气隙；18.内电机气隙。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1和图2所示，本发明包括电机壳1，在电机壳内部，由外向内依次布设有外转子2、内转子3和定子4，外转子2内表面有十二个外转子凸极2-1，外转子槽中放置三相集中式外转子电枢绕组5；内转子3包括铁心和永磁体3-2，内转子3靠近外转子侧的外表面有八个内转子凸极3-1，靠近定子一侧的内表面为圆面结构，并嵌入十六对永磁体3-2，永磁体3-2沿径向充磁且相邻的永磁体充磁方向相反；定子4由铁块13连接至机壳1，起到固定作用，定子包括带有定子槽的定子铁芯，定子铁芯圆周有六个定子齿4-1，且每个定子齿上放置三块磁通调制极4-2，磁通调制极4-2为导磁材料，与空气（非导磁材料）沿圆周方向交替排列，等效于制成一体的调制环和定子铁芯；定子槽为缩口式孔洞槽，定子槽内同时放置三相集中式定子电枢绕组6和直流励磁绕组7，且三相集中式定子电枢绕组6的极对数为两对，直流励磁绕组的极对数为两对。
根据“变磁阻可控磁通永磁游标电机电磁性能分析”，仲叙等，电机控制与应用，2018，45(6)，62-67，记载了永磁游标电机各部分极对数的数量关系。因此，本发明三相集中式定子电枢绕组极对数、定子齿数、磁通调制极数、永磁体极对数均可以改变，它们应满足的条件是：定子齿数*磁通调制极数=三相集中式定子电枢绕组极对数+永磁体极对数（如6*3=2+16）。
如图1所示，本发明应用于混合动力车的驱动***中：内燃机9的输出轴驱动外转子2，内燃机10的一部分机械功率利用电磁能量转换经由外电机气隙17传递至内转子3，内转子3与混合动力车主减速器12相连，进而直接驱动混合动力车；剩余的输出功率由三相集中式外转子电枢绕组5转换为电功率，由电刷滑环结构14直接流入内电机的三相集中式定子电枢绕组6中，或流入AC-DC整流器15中，转换为直流电后为蓄电池11充电。
内转子3与混合动力车的主减速器12相连，内转子3的总输出转矩驱动车辆行驶。总输出转矩的构成为：a、上述的由外电机气隙17传递至内转子3的电磁能产生的电磁转矩；b、三相集中式定子电枢绕组6产生的电磁转矩经由内电机气隙18传递至内转子3，可调节定子电枢磁场大小以改变传递的转矩的大小；c、当a和b传递至内转子3的转矩叠加后仍不能满足车辆需求转矩时，蓄电池11开始工作，其储存的电能经DC-AC逆变器16转换后输入到三相集中式定子电枢绕组6中，同样产生电磁转矩传递至内转子3，补偿所需转矩。
本发明的工作原理是：
本发明的内转子内表面永磁体3-2与定子4构成磁通调制式游标内电机9，它是一种基于“磁场调制原理”的永磁游标电机。根据“磁力齿轮发展综述”，付兴贺等，电工技术学报，2016年第18期，第1-12页，在2.1.2节记载了调磁铁块可对气隙磁场进行调制，充分利用谐波磁场，可以产生恒定的有效转矩。安装于定子齿表面的磁场调制极，调制内电机气隙磁导，进而改变定子电枢绕组电感，使转子在较小的位置变化可以带来较大的磁通变化。磁通调制式游标内电机9的定子齿距与内转子凸极齿距不等，内转子3很小的位置移动能够带来较大的气隙磁导变化，定子齿4-1和内转子凸极3-1类似于游标卡尺的上下刻度。
磁通调制式游标内电机9的电磁转矩由三部分构成：（1）由永磁体3-2与三相集中式定子电枢绕组6电流作用产生的永磁转矩分量；（2）三相集中式定子电枢绕组6电感变化产生的磁阻转矩分量；（3）直流励磁绕组7与三相集中式定子电枢绕组6作用产生的转矩分量。
当磁通调制式游标内电机9低速运行时，直流励磁绕组不施加励磁电流，利用磁场调制极的磁通调制作用，对低极对数的三相集中式定子电枢绕组6磁场进行调制，得到能与多极对数的永磁体磁场相匹配共同作用的谐波磁场分量，调节气隙磁导，并改变三相集中式定子电枢绕组电感，产生磁阻转矩从而增加了内电机的总输出转矩。
根据“电动汽车用内置式永磁同步电动机的弱磁控制”，于英超，青岛科技大学硕士论文，第29-34页，2017年6月记载了通过增大负向定子d轴电流幅值以减弱永磁体励磁磁场，达到弱磁扩速的目的。本发明利用直流励磁绕组产生的直流励磁磁场调节永磁体励磁磁场，实现弱磁扩速，具体如下：
当磁通调制式游标内电机9高速运行时，定子槽中放置直流励磁绕组7与永磁体3-2组成混合励磁源，二者共同作用产生直流励磁磁场，直流励磁磁场与永磁磁场方向相反时，内电机气隙内的永磁磁场减弱，方向相同时内电机气隙内的永磁磁场增强，通过调节直流励磁电流大小与极性，实现磁场调节功能，以达到高速弱磁控制运行。
本发明的外转子2与内转子凸极3-1构成双凸极外电机8，容错能力强、结构及制造工艺简单。在保证内燃机10始终运行于高效率区的前提下，通过改变三相集中式外转子电枢绕组5电流频率调节电枢反应磁场转速以调节内转子转速，满足车辆转速需求，同时也可降低燃油消耗与废气排放。
综上所述，本发明具有以下技术效果：
1.本发明在定子齿上加入磁通调制极，等效于将调制环与定子铁芯做成一体，解决了调制环单独放置时造成的装置机械强度差的问题，提高了整个电机装置的实用性。利用磁通调制实现对电机气隙磁导调制，实现“自减速”，最终使电机工作于低速、大转矩工况。
2.对比背景技术中的电机，本发明将调磁环与常规电机定子整合为一体，在保证实现磁通调制的作用下，将电机部件减少至3个，也减少了1层气隙，使电机的气隙变为2层，可减小装置体积，并降低加工生产难度。同时，永磁体嵌入内转子铁芯中，可进一步减小装置体积。
3.本发明在内电机的定子中同时放置三相集中式定子电枢绕组、直流励磁绕组，通过调节励磁绕组电流的大小与极性实现调磁功能，控制内电机产生的磁通，增大调速范围。
4.本发明的外电机为双凸极电机，具有结构及制造工艺简单、机体坚固、容错能力强、起动转矩大、调速范围广及运行转速高等优点，适用于不同的路况需求。
5.三相集中式外转子电枢绕组和三相集中式定子电枢绕组均采用集中绕组形式，可有效减小电枢绕组端部长度，从而大大降低了电机的用铜量及电机铜损；三相绕组线圈独立分开，端部间无接触，为绕组的模块化生产及装配布线提供方便。

Claims (1)

1.一种定子内置磁通调制式永磁游标电机，包括电机壳（1），在电机壳内部，由外向内依次布设有外转子（2）、内转子（3）和定子（4），外转子2内表面有十二个外转子凸极（2-1），外转子槽中放置三相集中式外转子电枢绕组（5）；其特征是：内转子（3）靠近外转子侧的外表面有八个内转子凸极（3-1），靠近定子一侧的内表面为圆面结构，并嵌入十六对永磁体（3-2），永磁体（3-2）沿径向充磁且相邻的永磁体充磁方向相反；定子（4）由铁块（13）连接至机壳（1），定子包括带有定子槽的定子铁芯，定子铁芯圆周有六个定子齿（4-1），且每个定子齿上放置三块磁通调制极（4-2），定子槽为缩口式孔洞槽，定子槽内同时放置三相集中式定子电枢绕组（6）和直流励磁绕组（7），且三相集中式定子电枢绕组（6）的极对数为两对，直流励磁绕组的极对数为两对。
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