CN112467950A - 一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机 - Google Patents

一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机，包括的第一转子、第二转子、定子以及永磁体，所述第一转子、第二转子和定子为凸极拓扑结构，所述第一转子与第二转子分别位于定子两侧并且相对于定子对称设置；所述第一转子、第二转子都包括转子齿和固定盘，所述永磁体固定在转子齿上；所述定子包括隔磁盘、固定在隔磁盘两侧的定子铁芯、绕设在定子铁芯上的电枢绕组和绕设在定子铁芯上的励磁绕组；本发明电机轴向长度短，结构紧凑，提高了电机的转矩密度与功率密度；永磁体放置在转子上，缓解定子磁路饱和，增加定子绕组槽空间，降低电机谐波损耗与绕组铜耗，拓宽电机恒功率调速范围，提高电机效率。

Description

一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机
技术领域
本发明属于混合励磁电机技术，具体涉及一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机。
背景技术
永磁磁通切换电机通常采用双凸极结构，电枢绕组与永磁体均位于定子上，转子上既无绕组也无永磁体，结构简单，使得电机具有高功率密度，高转矩密度，高效率等优点。由于永磁体固有特性导致电机气隙磁场恒定难以调节，导致电机调速范围较窄，限制了其在恒压发电与宽范围调速驱动领域的应用，因此实现永磁磁通切换电机内部气隙磁场有效调节成为国内外学者的研究热点。
针对上述问题，法国学者E.Hoang首先提出一种定子永磁型混合励磁磁通切换电机结构，该电机在原有磁通切换电机结构基础上增加了一套直流电励磁绕组，通过改变通入励磁绕组的电流方向与大小实现气隙磁场的有效调节。相比于径向磁场电机，轴向磁场电机具有结构紧凑，体积小，功率密度高等优点。
在定子永磁型轴向磁场磁通切换电机中，永磁***于定子使得电枢绕组槽面积被严重挤压，定子齿部磁路饱和严重，电机绕组铜耗与定子铁耗急剧增加，削弱电机过载状态下转矩能力，电机整体发热严重，对电机工作寿命与可靠性产生不良影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机，解决现有技术中存在的定子永磁型混合励磁电机损耗高，过载能力差，散热效率低等问题。
实现本发明目的的技术方案为：一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机，包括同轴安装的第一转子、第二转子以及位与两个转子之间且与转子之间留有气隙的定子；第一转子和第二转子上都设置有永磁体，所述第一转子、第二转子和定子为凸极拓扑结构，所述第一转子与第二转子分别位于定子两侧并且相对于定子对称设置；
所述第一转子、第二转子都包括转子齿和固定盘，所述永磁体固定在转子齿上；
所述定子包括隔磁盘、固定在隔磁盘两侧的定子铁芯、绕设在定子铁芯上的电枢绕组和绕设在定子铁芯上的励磁绕组；
定子铁芯、电枢绕组和励磁绕组在隔磁盘的两侧都设置有多个。
进一步的，第一转子、第二转子上所述转子齿的数量都为n个，定子上所述定子铁芯的数量为12n个，其中k,n为正整数。
进一步的，所述转子齿包括第一转子极、第二转子极，第一转子极与第二转子极的横截面积相同。
进一步的，所述永磁体设置在第一转子极与第二转子极中间，所述永磁体径向长度和轴向长度与第一转子极和第二转子极相同；
所述永磁体采用平行永磁切向充磁，相邻永磁体充磁方向相反。
进一步的，所述位于隔磁盘同一侧的多个定子铁芯均匀布置形成圆环形；
隔磁盘两侧的定子铁心对称设置。
进一步的，所述定子铁芯采用硅钢材料叠压制成。
进一步的，所述第一转子极与第二转子极采用硅钢材料叠压制成，所述永磁体采用钕铁硼永磁体。
进一步的，所述定子铁芯包括两端部定子齿、中间定子齿和定子轭部，中间定子齿与两端部定子齿之间都设置有平行定子槽。
进一步的，所述电枢绕组绕制在两个相邻定子铁芯的两端部定子齿上。
进一步的，所述励磁绕组绕制在定子铁芯的中间定子齿的根部位置。
本发明一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机与现有技术相比，具有以下优点：
1、永磁体设置于转子上，提高了转矩密度与功率密度，增强电机过载状态下的转矩能力，减小电机齿槽转矩；
2、定子铁芯采用具有三个定子齿的E型铁心结构，电枢绕组跨绕在两端部定子齿上，励磁绕组绕制在中间定子齿上，使得励磁绕组与电枢绕组磁路并联，提高永磁体工作点稳定性，有效避免永磁体退磁与永磁磁通短路问题。
3、由双转子和单定子组成的双气隙对称结构，可以平衡两侧轴向磁拉力
4、采用隔磁盘将定子分为两部分，实现了两个定子磁路的解耦，降低了磁路的饱和程度，也提高了电机的容错运行能力。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1是本发明转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机结构示意图。
图2是本发明转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机转子结构示意图。
图3是本发明转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机定子铁芯结构示意图。
图4是本发明转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机转子角度为α1时永磁磁通路径图。
图5是本发明转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机转子角度为α2时永磁磁通路径图。
图6是本发明转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机增磁运行原理图。
图7是本发明转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机弱磁运行原理图。
图中，1.第一转子，2.第二转子，3.定子，4.永磁体，5.转子齿，5-1.第一转子极，5-2.第二转子极，6.固定盘，7.定子铁芯，7-1.端部定子齿，7-2.中间定子齿，7-3.定子轭部，7-4.定子槽，8.隔磁盘，9.电枢绕组，10.励磁绕组，11.转子角度为α1时永磁磁通路径，12.转子角度为α2时永磁磁通路径，13.电机增磁运行时永磁磁通路径，14.电机增磁运行时励磁磁通路径，15.电机弱磁运行时永磁磁通路径，16.电机弱磁运行时励磁磁通路径。
具体实施方式
结合图1，一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机，包括同轴安装的第一转子1、第二转子2、位于两个转子之间且与转子间留有气隙的定子3以及永磁体4，第一转子1、第二转子2与定子3均为凸极拓扑结构；第一转子1和第二转子2分别位于定子3两侧且相对于定子3对称设置，每个转子包括转子齿5与固定盘6；转子齿5固定在固定盘6上；定子3包括隔磁盘8、固定在隔磁盘8两侧的定子铁芯7、绕设在定子铁芯7上的电枢绕组9和绕设在定子铁芯7上的励磁绕组10；
定子铁芯7、电枢绕组9和励磁绕组10在隔磁盘8的两侧都设置有多个。
第一转子1、第二转子2上转子齿5数量都为(12±k)n个，定子3上的定子铁芯7的数量为12n个，其中n，k为正整数。定子铁芯7在隔磁盘8两侧对称安装，均匀布置成圆环形。转子齿5和定子铁芯7均采用硅钢叠压制成。
结合图2，转子齿5为对称结构，由第一转子极5-1与第二转子极5-2组成，第一转子极5-1与第二转子极5-2的横截面积相同。永磁体4固定在第一转子极5-1与第二转子极5-2之间，永磁体4的径向和轴向长度与第一转子极5-1与第二转子极5-2相同；永磁体4采用平行永磁切向充磁，并且相邻永磁体4充磁方向相反，从而使得最终产生的永磁磁场为轴向磁场。
具体的，转子齿5在固定盘6上围绕固定盘6的轴线均匀排布。
结合图3，定子铁芯7包括两端部定子齿7-1、中间定子齿7-2和定子轭部7-3，所述定子铁芯7为对称结构，中间定子齿7-2为与两端部定子齿7-1之间，两端部定子齿7-1和中间定子齿7-2都固定在定子轭部7-3上，中间定子齿7-2与两端部定子齿7-1之间设置平行定子槽7-4。
电枢绕组9绕制在两个相邻定子铁芯7的两端部定子齿7-1上，励磁绕组10绕制在定子铁芯7的中间定子齿7-2的根部位置，也就是绕制在定子铁芯7靠近定子轭部7-3的位置。
上述电机的工作运行原理：A1绕组为隔磁盘8一侧的电枢绕组9和励磁绕组10，A2绕组为隔磁盘8另一侧的电枢绕组9和励磁绕组10；当励磁绕组10中通入的励磁电流为零时，气隙磁场仅由永磁体4提供，当第一转子1与第二转子2运行至α1角度时，转子角度为α1时永磁磁通路径11在图4中进行表示，以A相为例，根据“磁阻最小原理”，永磁磁通沿箭头方向穿入A1、A2绕组；当第一转子1与第二转子2运行至α2角度时，转子角度为α2时永磁磁通路径在图5中表示，磁通沿箭头的方向穿出A1、A2绕组。在上述两种位置A1、A2绕组匝链的永磁磁通数值相同极性相反，当第一转子1与第二转子2连续转动时，A1、A2绕组匝链的永磁磁通在正负幅值之间发生周期性变化，对应产生幅值与相位交替变化的感应电动势。
当励磁绕组10中通入励磁电流为正时，如图6所示，实线为电机增磁运行时永磁磁通路径13，虚线为电机增磁运行时励磁磁通路径14，两种磁通方向相同，两者合成磁通增强气隙磁场，电机运行于增磁模式；在相同转子位置，改变励磁电流方向，即励磁绕组10中通入励磁电流为负，如图7所示，实线为电机弱磁运行时永磁磁通路径15，虚线为电机弱磁运行时励磁磁通路径16；励磁磁通方向与永磁磁通方向相反，两者合成磁通削弱气隙磁场，电机运行于弱磁模式。励磁磁势和永磁磁势在磁路上呈现并联关系，励磁绕组10产生的磁通不穿过永磁体，所以不存在永磁体退磁问题。通过调节励磁电流的方向和大小，可改变电励磁磁通，实现电枢绕组9磁链大小的调节，使得电机在宽广的恒功率调速范围内运行。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机，其特征在于：包括同轴安装的第一转子(1)、第二转子(2)以及位与两个转子之间且与转子之间留有气隙的定子(3)；第一转子(1)和第二转子(2)上都设置有永磁体(4)，所述第一转子(1)、第二转子(2)和定子(3)为凸极拓扑结构，所述第一转子(1)与第二转子(2)分别位于定子(3)两侧并且相对于定子(3)对称设置；
所述第一转子(1)、第二转子(2)都包括转子齿(5)和固定盘(6)，所述永磁体(4)固定在转子齿(5)上；
所述定子(3)包括隔磁盘(8)、固定在隔磁盘(8)两侧的定子铁芯(7)、绕设在定子铁芯(7)上的电枢绕组(9)和绕设在定子铁芯(7)上的励磁绕组(10)；
定子铁芯(7)、电枢绕组(9)和励磁绕组(10)在隔磁盘(8)的两侧都设置有多个。
2.如权利要求1所述一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机，其特征在于：第一转子(1)、第二转子(2)上所述转子齿(5)的数量都为(12±k)n个，定子(3)上所述定子铁芯(7)的数量为12n个，其中k,n为正整数。
3.如权利要求1所述一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机，其特征在于：所述转子齿(5)包括第一转子极(5-1)、第二转子极(5-2)，第一转子极(5-1)与第二转子极(5-2)的横截面积相同。
4.如权利要求3所述一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机，其特征在于：所述永磁体(4)设置在第一转子极(5-1)与第二转子极(5-2)中间，所述永磁体(4)径向长度和轴向长度与第一转子极(5-1)和第二转子极(5-2)相同；
所述永磁体(4)采用平行永磁切向充磁，相邻永磁体(4)充磁方向相反。
5.如权利要求1所述一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机，其特征在于：所述位于隔磁盘(8)同一侧的多个定子铁芯(7)均匀布置形成圆环形；
隔磁盘(8)两侧的定子铁心(7)对称设置。
6.如权利要求1所述一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机，其特征在于：所述定子铁芯(7)采用硅钢材料叠压制成。
7.如权利要求4所述一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机，其特征在于：所述第一转子极(5-1)与第二转子极(5-2)采用硅钢材料叠压制成，所述永磁体(4)采用钕铁硼永磁体。
8.如权利要求1所述一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机，其特征在于：所述定子铁芯(7)包括两端部定子齿(7-1)、中间定子齿(7-2)和定子轭部(7-3)，中间定子齿(7-2)与两端部定子齿(7-1)之间都设置有平行定子槽(7-4)。
9.如权利要求8所述一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机，其特征在于：所述电枢绕组(9)绕制在两个相邻定子铁芯(7)的两端部定子齿(7-1)上。
10.如权利要求8所述一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机，其特征在于：所述励磁绕组(10)绕制在定子铁芯(7)的中间定子齿(7-2)的根部位置。
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