CN110611381B - 一种鼓式分布绕组轴向混合励磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鼓式分布绕组轴向混合励磁电机。该电机包括一个定子盘和两个转子盘，其中定子盘包括定子铁心、电枢绕组、励磁绕组和导磁环；转子盘包括转子背轭、导磁极块和永磁体。定子铁心两轴向端面开有多个槽，两面的槽数和开槽位置对应；鼓式分布电枢绕组线圈两边分别嵌绕定子铁心两个端面槽内，其跨距根据极槽数匹配得到。励磁绕组安装在电枢绕组内圈或外圈，也可内外圈同时安装，导磁环对应安装在励磁绕组内圈或外圈；定子盘两侧为转子盘，转子极数与定子槽数匹配；永磁体和导磁极块交替安装在转子盘上，两个转子盘在转转轴上错开一个极安装。本发明功率密度高、磁场调节范围宽，具有广泛的应用前景。

Description

一种鼓式分布绕组轴向混合励磁电机

技术领域

本发明涉及轴向磁通永磁电机技术，特别是一种鼓式分布绕组轴向混合励磁电机。

背景技术

混合励磁同步电机(hybrid excitation synchronous machine,HESM)是上个世纪80年代由俄罗斯学者最先提出的一种新的电机结构，它存在两个磁势源，综合了电励磁和永磁同步电机的优点，具备气隙磁场易于调节、运行效率高、转矩密度大的优势，具有重要的研究价值。

混合励磁电机发展至今已有多种结构形式，根据励磁源之间的磁路关系，混合励磁同步电机分为串联磁路型、并联磁路型和并列式磁路型。串联磁路型混合励磁同步电机的磁势源由永磁体和励磁绕组的磁路串联组成，可分为转子永磁型和定子永磁型，结构简单，但是励磁电流产生的磁路经过永磁体，磁阻较大，调节气隙磁场所需的励磁磁势较大，损耗较大，电励磁效率低，同时永磁体有不可逆退磁风险；并联磁路型混合励磁同步电机中，气隙磁链由励磁电流和永磁体共同形成，两者磁路相互独立，励磁电流的磁路几乎不通过永磁体，励磁绕组只要消耗较小的功率就能良好调节气隙磁通，且避免了永磁体去磁的风险；并列式磁路型混合励磁电机是由一个永磁电机和电励磁电机空间上并列组成，可以根据两个磁势源产生磁路的耦合关系分为耦合型与非耦合型。并列式磁路型混合励磁电机最早由俄罗斯学者提出，其中电励磁部分采用爪极结构，使得电励磁磁路既具有轴向磁路，又具有径向磁路，导致电励磁磁路和永磁磁路存在较严重的耦合。针对以上不足，南京航空航天大学的严仰光教授提出了两种经典并列式混合励磁电机结构，分别为转子励磁型和定子励磁型，有效实现了两种磁势源磁路上的解耦。

永磁电机的拓扑结构主要分为径向磁通式、轴向磁通式和横向磁通式。作为轴向磁通式的盘式电机有诸多优于径向电机的特点，比如当拥有较小的长径比时，盘式电机具有更高的转矩密度、更好的散热以及紧凑的结构，在对轴向空间要求很高的应用场合中(比如电动汽车领域)，盘式电机具有很大的优势，而且可继续利用径向磁通电机中成熟的控制方式，实用性强，具有较大的应用价值和前景。

混合励磁电机技术与轴向磁场电机拓扑结构的结合可以有效提高电机的转矩密度，并且解决了宽转速范围的调速问题，在发电和驱动场合应有都具有突出的技术优势。目前轴向磁场混合励磁电机已经得到了国内外各国学者的广泛关注和深入研究，主要集中在结构拓扑方面的研究和工程实践。英国学者E.Spooner在1989年提出一种受到广泛关注的并联磁势式混合励磁同步电机，转子采用磁极分割型结构，称为磁极分割型永磁(Consequentpole permanent magnet,CPPM)电机。IEEE Trans.Ind.Electron.发表的期刊论文《Design,analysis,and control of a hybrid field-controlled axial-fluxpermanent-magnet motor》上描述的轴向磁场混合励磁电机就是采用这种结构，在定子上引入了励磁绕组，调磁能力相比于永磁电机得到了大幅度改进，然而该结构励磁绕组置于定子中间的漏磁较大，且功率密度有待进一步提高，同时励磁绕组的安装空件受到了一定的限制。专利CN200510112091公开的双馈电混合励磁轴向磁场永磁电机也属于该类型混合励磁电机结构拓扑。另外，近年来磁阻电机的长足发展也衍生出一系列的混合励磁磁通切换型轴向磁场电机，例如专利CN201710086123公开的一种双H形定子铁心双转子混合励磁型轴向磁通切换永磁电机、CN201610944356公开的一种盘式双定子混合励磁电动机都属于混合励磁磁通切换型轴向磁场电机，该类型电机具有磁场调节方便、结构简单等优势。然而，该类型电机的基本原理给电机本体的功率密度和结构强度的提升带来了较大的挑战，其采用磁通单极性切换，铁心利用率低，难以达到同步励磁电机的转矩密度水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率密度高、磁场调节范围宽的鼓式分布绕组轴向混合励磁电机，其具有结构简单，绕组端部尺寸小等优势。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种鼓式分布绕组轴向混合励磁电机，包括一个定子盘和两个转子盘，其中定子盘包括定子铁心、电枢绕组、励磁绕组和导磁环，转子盘包括转子背轭、导磁极块和永磁体；

所述定子铁心轴向两端面沿径向开有绕组嵌线安装槽，电枢绕组跨嵌安装在定子铁心的两端面定子槽中；电枢绕组为鼓式分布结构，励磁绕组安装在电枢绕组内圈或电枢绕组外圈，或者电枢绕组内外圈同时安装，安装在内圈时导磁环安装在励磁绕组内圈，安装在外圈时导磁环安装在励磁线圈外圈；

所述两个转子盘分别设置在定子盘两侧，在每个转子盘上，永磁体和导磁极块交替安装，两个转子盘错开一个极安装，其中导磁极块在径向方向向外圈延伸，并在轴向方向上与导磁环形成励磁磁场的附加气隙。

进一步地，所述定子铁心采用硅钢片钢带卷绕而成或采用软磁复合材料压铸而成，并在定子铁心两轴向端面沿周向开有多个槽，两个轴向端面的开槽数量、槽型及开槽位置相同。

进一步地，所述电枢绕组每个线圈的一边嵌入定子铁心一端的面槽中，另一边跨嵌入定子铁心另一端的面槽中，跨距根据槽数、极数匹配得到。

进一步地，所述导磁极块所用材料与定子铁心或导磁环相同，在径向、切向和轴向均具有导磁性。

进一步地，所述电枢绕组为三相分布式绕组，整体呈鼓型结构。

进一步地，电枢绕组为叠绕组形式，每个绕组线圈两条有效边跨嵌入定子铁心的两个轴向端面上对应的槽中，电枢绕组的每相绕组线圈，依据合成电动势最大的规律连接。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：

(1)采用鼓式分布绕组的形式，有利于提高绕组槽满足和减少轴向端部空间，减小电机绕组损耗，提升电机效率和功率密度；

(2)实现了并联磁路，永磁磁路和电励磁磁路耦合小，调磁效果好，减小了永磁体退磁风险，同时提高了励磁效率；

(3)采用轴向磁场结构，励磁绕组圆环结构提高了槽满率，且轴向长度短，进一步提升了电机的转矩密度。

附图说明

图1是本发明双端励磁的鼓式分布绕组轴向混合励磁电机的结构示意图。

图2是本发明内励磁的鼓式分布绕组轴向混合励磁电机的结构示意图。

图3是本发明外励磁的鼓式分布绕组轴向混合励磁电机的结构示意图。

图4是本发明中定子铁心的结构示意图。

图5是本发明中电枢绕组的结构示意图。

图6是本发明中电枢绕组线圈的结构示意图。

图7是本发明中双端励磁的鼓式分布绕组轴向混合励磁电机转子盘的结构示意图。

图8是本发明中转子盘的导磁极块结构示意图。

图9是本发明中转子盘的永磁体结构示意图。

图中：1-永磁体；2-转子背轭；3-导磁极块；4-导磁环；5-励磁绕组；6-电枢绕组；7-定子铁心。

具体实施方式

本发明鼓式分布绕组轴向混合励磁电机，包括一个定子盘和两个转子盘，其中定子盘包括定子铁心7、电枢绕组6、励磁绕组5和导磁环4，转子盘包括转子背轭2、导磁极块3和永磁体1；

所述定子铁心7轴向两端面沿周向开有绕组嵌线安装槽，电枢绕组6跨嵌安装在定子铁心7的两端面定子槽中；电枢绕组6为鼓式分布结构，励磁绕组5安装在电枢绕组6内圈或电枢绕组6外圈，或者电枢绕组6内外圈同时安装，安装在内圈时导磁环4安装在励磁绕组5内圈，安装在外圈时导磁环4安装在励磁线圈5外圈；

所述两个转子盘分别设置在定子盘两侧，在每个转子盘上，永磁体1和导磁极块3交替安装，两个转子盘错开一个极安装，其中导磁极块3在径向方向向外圈延伸，并在轴向方向上与导磁环4形成励磁磁场的附加气隙。

作为一种具体示例，所述定子铁心7采用硅钢片钢带卷绕而成或采用软磁复合材料压铸而成，并在定子铁心7两个轴向端面沿周向开有多个槽，两个轴向端面开槽数量、槽型及开槽位置相同。

作为一种具体示例，所述电枢绕组6每个线圈的一边嵌入定子铁心7一端的面槽中，另一边跨嵌入定子铁心7另一端的面槽中，跨距根据槽数、极数匹配得到。

作为一种具体示例，所述导磁极块3所用材料与定子铁心7或导磁环4相同，在径向、切向和轴向均具有导磁性。

作为一种具体示例，所述电枢绕组6为三相分布式绕组，整体成呈鼓型，如图6所示。

作为一种具体示例，所述定子铁心7每个轴向端面上开设60个槽，每个槽中只有一根导体，形成60/10的槽极数匹配；电枢绕组6为叠绕组形式，每个绕组线圈两条有效边跨嵌入定子铁心7的两个轴向端面上对应的槽中，跨距为5个槽，电枢绕组6的每相绕组线圈，依据合成电动势最大的规律连接。

作为一种具体示例，所述转子盘中，转子极对数为5与定子极数匹配形成鼓式分布绕组电机结构。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

结合图1，本发明鼓式分布绕组轴向混合励磁电机，包括一个定子盘和两个转子盘，其中定子盘包括定子铁心7、电枢绕组6、励磁绕组5和导磁环4，转子盘包括转子背轭2、导磁极块3和永磁体1。

进一步地，结合图1，为双端励磁的鼓式分布绕组轴向混合励磁电机，所述电枢绕组6安装在定子铁心7的导磁轭上，两个励磁绕组5分别安装于电枢绕组6的内圈和外圈，两个导磁环4对应安装于励磁绕组5的内部和外部；

结合图2，为内励磁的鼓式分布绕组轴向混合励磁电机，所述电枢绕组6安装在定子铁心7的导磁轭上，励磁绕组5安装于电枢绕组6的内圈，导磁环4安装于励磁绕组5的内圈；

结合图3，为外励磁的鼓式分布绕组轴向混合励磁电机，所述电枢绕组6安装在定子铁心7的导磁轭上，励磁绕组5只装于电枢绕组6的外圈，导磁环4装在励磁绕组5的外圈。

结合图4，所述定子盘的定子铁心7轴向两端面上，沿周向均匀开有60个槽，左右端面上槽型、槽数量及开槽位置相同，定子铁心7采用硅钢片钢带卷绕而成或采用软磁复合材料压铸而成。

结合图5、图6，所述电枢绕组6为三相分布式绕组，整体呈鼓型，定子铁心7每个轴向端面上有60个槽，每个槽中有一根导体，形成60/10的槽极数匹配；电枢绕组6为叠绕组形式，每个绕组线圈两条有效边跨嵌入定子铁心7的两个轴向端面上对应的槽中，跨距为5个槽，电枢绕组6的每相绕组线圈，依据合成电动势最大的规律进行连接。三相反电势可以做到正弦度很高，适用于交流发电场合。

结合图7～9，所述两个转子盘分别设置在定子盘两侧，转子极对数为5，与定子极数匹配形成鼓式分布绕组电机结构；所述永磁体1和导磁极块3交替安装在转子盘上，两个转子盘错开一个极安装在定子盘两侧，其中导磁极块3在径向方向向外圈延伸，与定子铁心7上导磁环4在轴向方向上形成励磁磁场的附加气隙。

进一步地，所述导磁极块3所用材料与定子铁心7或导磁环4相同，在径向、切向和轴向均具有较好的导磁性。

综上可知，本发明采用鼓式分布绕组的形式，减小了气隙磁场高次谐波，降低了损耗，提高了电机效率。此外，实现了并联磁路，永磁磁路和电励磁磁路耦合小，调磁效果好，减小了永磁体退磁风险，提高了励磁效率；采用轴向磁场结构，励磁绕组圆环结构提高了槽满率，且轴向长度短，提升了电机的转矩密度，在电动汽车驱动***、混合动力发电***、航空电推进***中具有广泛的应用前景。

Claims (6)

1.一种鼓式分布绕组轴向混合励磁电机，其特征在于，包括一个定子盘和两个转子盘，其中定子盘包括定子铁心（7）、电枢绕组（6）、励磁绕组（5）和导磁环（4），转子盘包括转子背轭（2）、导磁极块（3）和永磁体（1）；

所述定子铁心（7）轴向两端面沿径向开有绕组嵌线安装槽，电枢绕组（6）跨嵌安装在定子铁心（7）的两端面定子槽中；电枢绕组（6）为鼓式分布结构，励磁绕组（5）安装在电枢绕组（6）内圈或电枢绕组（6）外圈，或者电枢绕组（6）内外圈同时安装，安装在内圈时导磁环（4）安装在励磁绕组（5）内圈，安装在外圈时导磁环（4）安装在励磁绕组（5）外圈；

所述两个转子盘分别设置在定子盘两侧，在每个转子盘上，永磁体（1）和导磁极块（3）交替安装，两个转子盘错开一个极安装，其中导磁极块（3）在径向方向向外圈延伸，并在轴向方向上与导磁环（4）形成励磁磁场的附加气隙。

2.根据权利要求1所述的鼓式分布绕组轴向混合励磁电机，其特征在于，所述定子铁心（7）采用硅钢片钢带卷绕而成或采用软磁复合材料压铸而成，并在定子铁心（7）两轴向端面沿周向开有多个槽，两个轴向端面的开槽数量、槽型及开槽位置相同。

3.根据权利要求1或2所述的鼓式分布绕组轴向混合励磁电机，其特征在于，所述电枢绕组（6）每个线圈的一边嵌入定子铁心（7）一端的面槽中，另一边跨嵌入定子铁心（7）另一端的面槽中，跨距根据槽数、极数匹配得到。

4.根据权利要求1或2所述的鼓式分布绕组轴向混合励磁电机，其特征在于，所述导磁极块（3）所用材料与定子铁心（7）或导磁环（4）相同，在径向、切向和轴向均具有导磁性。

5.根据权利要求3所述的鼓式分布绕组轴向混合励磁电机，其特征在于，所述电枢绕组（6）为三相分布式绕组，整体呈鼓型结构。

6.根据权利要求5所述的鼓式分布绕组轴向混合励磁电机，其特征在于，电枢绕组（6）为叠绕组形式，每个绕组线圈两条有效边跨嵌入定子铁心（7）的两个轴向端面上对应的槽中，电枢绕组（6）的每相绕组线圈，依据合成电动势最大的规律连接。

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