CN113437850B - 一种双定子单转子轴向磁通混合励磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双定子单转子轴向磁通混合励磁电机，包括两个定子、一个转子，转子固定在轴上，轴上安装有轴承，定子与转子转动配合。定子中的机座内嵌有导磁罩，机座、轴承和轴三者中至少有一个为不导磁材料。直流励磁单元置于定子铁心外圆侧，固连在机座内，直流励磁单元产生的直流励磁磁通路径经由软磁极、第一气隙、第一定子铁心、第一导磁罩、第二导磁罩、第二定子铁心、第二气隙的闭合回路，直流励磁磁通只通过两个气隙。本发明的电机制造容易，适合批量生产，在运行性能上具有宽转速运行区间及恒压发电调整能力，还具有功率密度大、永磁体退磁风险低、运行可靠性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是涉及双定子单转子轴向磁通混合励磁电机。
背景技术
相对其他类型结构电机，轴向磁通永磁同步电机不仅具有功率密度高、绕组端部短、散热好等优点，而且其扁平的结构有着良好地空间适应性。轴向磁通永磁同步电机在交通、风力发电、电动汽车以及航天等领域获得了一定的应用。由于永磁体产生的磁场不可调，使得轴向磁通永磁电机作电动机使用时调速范围较窄，限制了其应用场合；而轴向磁通永磁电机作发电机使用时，负载变化会导致输出电压不稳定，所以发电机不适合电压稳定性要求较高的场合。
为了调节永磁体在气隙当中产生的磁场强弱，专利(申请号CN200920189390.6)提出了一种轴向磁通切换型混合励磁同步发电机，励磁绕组缠绕在磁钢表面，对励磁绕组通入直流电产生周向磁场，该结构对磁钢产生的磁场起到增强或削弱作用，由于励磁绕组直接缠绕于磁钢表面，磁钢散热面减少的同时，又在磁钢表面增加了励磁绕组热源，不仅会使得磁钢温度上升可能带来不可逆退磁的问题，而且励磁绕组、磁钢、定子铁心拼接成圆周，对制造精度要求较高且安装过程比较复杂。专利(申请号CN201811226332.6)提出了一种双定子复合励磁非晶合金轴向磁通电机，每个定子铁心分成两部分，靠近内圆侧铁心齿上绕制直流线圈，靠近外圆侧铁心齿上绕制三相交流线圈，该方案虽能通过直流线圈增去磁，但两套线圈的绕组端部占用了太多空间，电机功率密度较低。专利(申请号US 2007/0046124A1)提出了一种双定子复合励磁轴向磁通电机，每个定子铁心又由两个子定子铁心组成，两个子定子铁心间有空隙，直流励磁线圈嵌入到两个子定子铁心间的空隙中，该电机不仅体积大，而且电机的漏抗也很大。
因此，需要设计新型拓扑结构来解决上述技术缺陷和传统轴向磁通永磁同步电机磁场难以调节的问题，增强其弱磁扩速能力，或提高其输出电压稳定性。
发明内容
发明目的：
本发明的目的是解决传统轴向磁通永磁电机磁场不可调节、永磁体易发生不可逆退磁的问题，通过在传统轴向磁通永磁电机上复合电励磁实现轴向磁通永磁同步电机气隙磁场的调节，从而改善电机电动运行时的调速范围，或提高电机发电运行时端电压输出的稳定性。
技术方案：
一种双定子单转子轴向磁通混合励磁永磁电机，包括定子1和转子2，定子1为两个，分别为第一定子1A和第二定子1B；第一定子1A与第二定子1B设置在转子2两边，第一定子1A与第二定子1B由螺栓紧固在一起，两个定子1与转子2间均有气隙5，气隙5分别为第一气隙5A和第二气隙5B，转子2固定在轴7上，轴7两端安装有轴承6，定子1通过轴承6与轴7转动配合；
所述定子1包括定子铁心101、多相交流线圈102、机座103，定子铁心101固定在机座103上，多相交流线圈102安装在定子铁心101上；
所述转子2包括转子支架201、永磁体202与软磁极203，永磁体202和软磁极203嵌入转子支架201中。
所述机座103内嵌导磁罩104，机座103、轴承6和轴7三者中至少有一个为不导磁材料。
还包括直流励磁单元3，所述直流励磁单元3包括骨架301和励磁线圈302，励磁线圈302缠绕在骨架301上，直流励磁单元3固连在机座103内，直流励磁单元3置于定子铁心101的外圆。
直流励磁单元3的励磁线圈302通入直流电流产生直流励磁磁通4，所述电机直流励磁磁通4的路径为：软磁极203、第一气隙5A、第一定子1A的第一定子铁心101A、第一定子1A的第一导磁罩104A、第二定子1B的第二导磁罩104B、第二定子1B的第二定子铁心101B、第二气隙5B，再回到软磁极203，直流励磁磁通只通过两个气隙5。
所述导磁罩104与定子1中的定子铁心101的定子轭1011搭接，两者之间无气隙；第一导磁罩104A与第二导磁罩104B沿轴向M紧密贴合无间隙。
所述定子1中的多相交流线圈102嵌入定子铁心101的定子槽1012中，每个定子1中的多相交流线圈102按电机绕组理论排列为多相分布绕组或集中绕组；两个定子1中的同一相交流绕组同为并联或同为串联。
所述转子2中的永磁体202与软磁极203排列方式为：方式一：永磁体202与软磁极203圆周交替排列，永磁体202对着第一定子1A的极性均为N极(或S极)，永磁体202对着第二定子1B的极性均为S极(或N极)，沿软磁极203径向中线方向还放置辅助永磁体2021，辅助永磁体2021对着第一定子1A的极性均为S极(或N极)，辅助永磁体2021对着第二定子1B的极性均为N极(或S极)；软磁极203与辅助永磁体2021间放置隔磁体204。方式二：永磁体202与软磁极203圆周交替排列，永磁体202对着第一定子1A的极性均为N极(或S极)，永磁体202对着第二定子1B的极性均为S极(或N极)，永磁体202与软磁极203圆周交替排列。
所述永磁体202、软磁极203与隔磁体204上设置有固定凸台205，永磁体202、软磁极203与隔磁体204共同嵌入转子支架201中。
所述直流励磁线圈302的骨架301的断面为“U”型结构，骨架301采用不导磁材料制成；励磁绕组3用漆包线绕制而成，嵌放在骨架301的“U”型槽中。
所述导磁罩104为导磁材料。
所述软磁极203为导磁材料。
所述直流励磁单元3的励磁线圈302通入直流电流产生的直流励磁磁通4能够增强气隙5中的磁感应强度，通过改变励磁线圈302中电流方向也能削弱气隙5中的磁感应强度。
优点效果：
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明提出的混合励磁轴向磁通电机，定子结构与传统轴向磁通电机完全相同，制造容易，可很大程度上减少批量化生产难度。
(2)本发明提出混合励磁轴向磁通电机相对于其他拓扑结构的混合励磁轴向磁通电机而言，具有功率密度大的优点
(3)本发明提出的混合励磁轴向磁通电机，通过改变直流励磁磁动势的方向和大小，可以方便地实现对电机气隙磁场的调节，从而具有宽转速运行区间及恒压发电能力。
(4)本发明提出的直流励磁磁通路径与永磁体产生磁通的磁通路径相并联，直流励磁磁路不经过永磁体，避免了永磁体退磁问题，提高了电机运行可靠性。
(5)本发明提出混合励磁轴向磁通电机，通过适当调节软磁极和辅助永磁体的占比，可进一步调整调速范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明双定子单转子轴向磁通混合励磁电机截面示意图；
图2为本发明双定子单转子轴向磁通混合励磁电机结构***图；
图3为本发明双定子单转子轴向磁通混合励磁电机定子组件图；
图4为本发明双定子单转子轴向磁通混合励磁电机导磁罩装配图；
图5为本发明双定子单转子轴向磁通混合励磁电机转子组件图；
图6为本发明双定子单转子轴向磁通混合励磁电机直流励磁单元示意图；
图7为本发明双定子单转子轴向磁通混合励磁电机直流励磁磁通示意图。
图8为本发明双定子单转子轴向磁通混合励磁电机在不同直流励磁电流下的反电动势图。
其中：1-两个定子、1A-第一定子、1B-第二定子、101-定子铁心、101A-第一定子铁心、101B-第二定子铁心、1011-定子轭、1012-定子槽、102-多相交流绕组、103-机座、104-导磁罩、104A-第一导磁罩、104B-第二导磁罩、2-转子、201-转子支架、202-永磁体、2021-辅助永磁体、203-软磁极、204-隔磁体、205-固定凸台、3-直流励磁单元、301-骨架、302-励磁线圈、4-直流励磁磁通、5-气隙、5A-第一气隙、5B-第二气隙、6、轴承、7、轴。
具体实施方式
一种双定子单转子轴向磁通混合励磁电机，包括定子1和转子2，定子1为两个，分别为第一定子1A和第二定子1B；第一定子1A与第二定子1B设置在转子2两边，第一定子1A与第二定子1B由螺栓紧固在一起，两个定子1与转子2间均有气隙5，气隙5分别为第一气隙5A和第二气隙5B(第一定子1A与转子2间为第一气隙5A，第二定子1B与转子2间为第二气隙5B)；转子2固定在轴7上，轴7两端安装有轴承6，定子1通过轴承6与轴7转动配合；
所述定子1包括定子铁心101、多相交流线圈102和机座103，定子铁心101固定在机座103上，多相交流线圈102安装在定子铁心101上；
所述转子2包括转子支架201、永磁体202与软磁极203，永磁体202和软磁极203嵌入转子支架201中。
所述机座103内嵌导磁罩104，机座103、轴承6和轴7三者中至少有一个为不导磁材料，如果三者全为导磁材料，则直流励磁单元3产生的部分磁通就不经过定子铁心101，而是经过金属轴承6和磁性轴7发生泄漏，泄漏部分的磁通是不能改变电机的气隙5中的磁场的；
还包括直流励磁单元3，所述直流励磁单元3包括骨架301和励磁线圈302，励磁线圈302缠绕在骨架301上(励磁线圈302为多匝环形)，直流励磁单元3固连在机座103内，直流励磁单元3置于定子铁心101的外圆。
直流励磁单元3的励磁线圈302通入直流电流产生直流励磁磁通4，所述电机直流励磁磁通4的路径为：软磁极203、第一气隙5A、第一定子1A的第一定子铁心101A(即第一定子1A的定子铁心为第一定子铁心101A)、第一定子1A的第一导磁罩104A(即第一定子1A的导磁罩为第一导磁罩104A)、第二定子1B的第二导磁罩104B(即第二定子1B的导磁罩为第二导磁罩104B)、第二定子1B的第二定子铁心101B(即第二定子1B的定子铁心为第二定子铁心101B)、第二气隙5B，再回到软磁极203，直流励磁磁通4只通过两个气隙5。
所述导磁罩104与定子1中的定子铁心101的定子轭1011搭接，两者之间无气隙，无气隙的目的是为了降低直流励磁磁通4的磁阻；第一导磁罩104A与第二导磁罩104B沿轴向M紧密贴合无间隙，无气隙的目的是为了降低直流励磁磁通4的磁阻。
所述定子1中的多相交流线圈102嵌入定子铁心101的定子槽1012中，每个定子1中的多相交流线圈102按电机绕组理论排列为多相分布绕组或集中绕组；两个定子1中的同一相交流绕组同为并联或同为串联(一般而言，电机包含A、B、C三相，即第一定子1A中的三相A1、B1、C1与第二定子1B中的三相A2、B2、C2中的相对应相并联或串联，也就是A1与A2并联或串联，B1与B2并联或串联，C1与C2并联或串联)。
所述转子2中的永磁体202与软磁极203排列方式为：
方式一：永磁体202与软磁极203圆周交替排列，永磁体202对着第一定子1A的极性均为N极(或S极)，永磁体202对着第二定子1B的极性均为S极(或N极)，沿软磁极203径向中线方向R还放置辅助永磁体2021(见图5a，辅助永磁体2021是以该中线为中心对称的)，辅助永磁体2021对着第一定子1A的极性均为S极(或N极)，辅助永磁体2021对着第二定子1B的极性均为N极(或S极)；软磁极203与辅助永磁体2021间放置隔磁体204。方式二：永磁体202与软磁极203圆周交替排列，永磁体202对着第一定子1A的极性均为N极(或S极)，永磁体202对着第二定子1B的极性均为S极(或N极)，永磁体202与软磁极203圆周交替排列。
所述永磁体202、软磁极203与隔磁体204上设置有固定凸台205，永磁体202、软磁极203与隔磁体204共同嵌入转子支架201中。
所述直流励磁单元3的骨架301的断面为“U”型结构(如图6中的U所示)，骨架301采用不导磁材料制成；励磁线圈302用漆包线绕制而成，嵌放在骨架301的“U”型槽中。
所述导磁罩104为导磁材料，作为直流励磁磁通4的路径，其材质为电工纯铁、软磁复合材料，或其他导磁性能好的材料。
软磁极203为导磁材料，其材质为硅钢片、软磁复合材料，或其他铁耗小的导磁性能好的材料，在直流励磁磁通4的作用下，软磁极203的极性与永磁体202的极性相同或相异，如果永磁体202对着第一定子1A的极性为N，则软磁极203对着第一定子1A的极性可为N或S，当软磁极203对着第一定子1A的极性为N时，则直流励磁磁通4削弱气隙磁场，当软磁极203对着第一定子1A的极性为S时，则直流励磁磁通4增强气隙磁场。
所述直流励磁单元3的励磁线圈302通入直流电流产生的直流励磁磁通4能够增强气隙5中的磁感应强度，通过改变励磁线圈302中电流方向也能削弱气隙5中的磁感应强度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1至图8所示：本实例提供了一种双定子单转子轴向磁通混合励磁电机，所述电机包括两个定子1、转子2，第一定子1A与第二定子1B设置在转子2两边，第一定子1A与第二定子1B由螺栓紧固在一起，两个定子1与转子2间有气隙5，转子2固定在轴7上，轴7两端安装有轴承6，定子1与轴承7转动配合。
优选的，如图3所示，所述定子1包括定子铁心101、多相交流线圈102、机座103，定子铁心101固定在机座103上，多相交流线圈102安装在定子铁心101上；
优选的，如图2和图5所示，所述转子2包括转子支架201、永磁体202与软磁极203，永磁体202和软磁极203嵌入转子支架201中。
优选的，如图1和图3所示，所述机座103内嵌导磁罩104，机座103、轴承6和轴7三者中至少有一个为不导磁材料，如果三者全为导磁材料，则直流励磁单元3产生的部分磁通就不经过定子铁心101，而是经过金属轴承6和磁性轴7发生泄漏，泄漏部分的磁通是不能改变电机的气隙5中的磁场；
优选的，如图1和图6所示，所述直流励磁单元3包括骨架301和励磁线圈302，励磁线圈302缠绕在骨架301上，直流励磁单元3固连在机座103内，直流励磁单元3置于定子铁心101的外圆。
优选的，如图1和图7所示，所述电机直流励磁磁通4的路径为：软磁极203、第一气隙5A、第一定子铁心101A、第一导磁罩104A、第二导磁罩104B、第二定子铁心101B、第二气隙5B，再回到软磁极203，直流励磁磁通只通过两个气隙5。
优选的，如图4所示，所述导磁罩104与定子1中的定子铁心101的定子轭1011搭接，两者之间无气隙；第一导磁罩104A与第二导磁罩104B沿轴向M紧密贴合无间隙。
优选的，如图3所示，所述定子1中的多相交流线圈102嵌入定子铁心101的定子槽1012中，每个定子1中的多相交流线圈102按电机绕组理论排列为多相分布绕组或集中绕组；两个定子1中的同一相交流绕组同为并联或同为串联。
优选的，如图5所示，所述转子2中的永磁体202与软磁极203排列方式为：方式一(如图5a)所示)：永磁体202与软磁极203圆周交替排列，永磁体202对着第一定子1A的极性均为N极(或S极)，永磁体202对着第二定子1B的极性均为S极(或N极)，沿软磁极203径向中线方向还放置辅助永磁体2021，辅助永磁体2021对着第一定子1A的极性均为S极(或N极)，辅助永磁体2021对着第二定子1B的极性均为N极(或S极)；软磁极203与辅助永磁体2021间放置隔磁体204。方式二(如图5b)所示)：永磁体202与软磁极203圆周交替排列，永磁体202对着第一定子1A的极性均为N极(或S极)，永磁体202对着第二定子1B的极性均为S极(或N极)，永磁体202与软磁极203圆周交替排列。
优选的，如图5所示，所述永磁体202、软磁极203与隔磁体204圆周两侧有固定凸台205，永磁体202、软磁极203与隔磁体204共同嵌入转子支架201中。
优选的，如图6所示，所述直流励磁单元3的骨架301为“U”型结构，骨架301采用不导磁材料制成；励磁线圈302用漆包线绕制而成，嵌放在骨架301的“U”型槽中。
优选的，如图4和图7所示，所述导磁罩104为导磁材料，作为直流励磁磁通4的路径，其材质为电工纯铁、软磁复合材料，或其他导磁性能好的材料。
优选的，如图7所示，软磁极203为导磁材料，其材质为硅钢片、软磁复合材料，或其他铁耗小的导磁性能好的材料，当励磁线圈302通入直流电流I为图7所示方向，产生了直流励磁磁通4，在直流励磁磁通4的作用下，永磁体202对着第一定子1A的极性为N，软磁极203对着第一定子1A的极性也为N，与辅助永磁体2021的极性S相反，此时，直流励磁磁通4削弱了气隙5中的磁场；如果改变电流I的方向，软磁极203对着第一定子1A的极性为S，则直流励磁磁通4削弱气隙5中的磁场，当软磁极203对着第一定子1A的极性为S时，与辅助永磁体2021的极性S相同，此时，直流励磁磁通4增强了气隙5中的磁场。
气隙5中的磁场强弱反映了电机产生反电动势的能力，如图8所示，随着励磁线圈302中电流I大小和正负的变化，电机的相反电动势也发生了较大的变化。可见，直流励磁单元3与软磁极203、导磁罩104配合能改变电机的气隙5中的磁场，从而能很好地调节电机的端电压。
本发明提供一种混合励磁轴向磁通电机，结构与传统轴向磁通电机基本相同，制造容易，适合批量生产；同时，在运行性能上不仅具有宽转速运行区间及恒压发电调整能力，还具有功率密度大、永磁体退磁风险低、电机运行可靠性高的优点。
Claims (9)
1.一种双定子单转子轴向磁通混合励磁电机，包括定子（1）和转子（2），定子（1）为两个，分别为第一定子（1A）和第二定子（1B）；第一定子（1A）与第二定子（1B）设置在转子（2）两边，第一定子（1A）与第二定子（1B）由螺栓紧固在一起，两个定子（1）与转子（2）间均有气隙（5），气隙（5）分别为第一气隙（5A）和第二气隙（5B）；转子（2）固定在轴（7）上，轴（7）两端安装有轴承（6），定子（1）通过轴承（6）与轴（7）转动配合；
所述定子（1）包括定子铁心（101）、多相交流线圈（102）和机座（103），定子铁心（101）固定在机座（103）上，多相交流线圈（102）安装在定子铁心（101）上；
所述转子（2）包括转子支架（201）、永磁体（202）与软磁极（203），永磁体（202）和软磁极（203）嵌入转子支架（201）中；
其特征在于：
所述机座（103）内嵌导磁罩（104），机座（103）、轴承（6）和轴（7）三者中至少有一个为不导磁材料；
还包括直流励磁单元（3），所述直流励磁单元（3）包括骨架（301）和励磁线圈（302），励磁线圈（302）缠绕在骨架（301）上，直流励磁单元（3）固连在机座（103）内，直流励磁单元（3）置于定子铁心（101）的外圆；
直流励磁单元（3）的励磁线圈（302）通入直流电流产生直流励磁磁通（4），所述电机直流励磁磁通（4）的路径为：软磁极（203）、第一气隙（5A）、第一定子（1A）的第一定子铁心（101A）、第一定子（1A）的第一导磁罩（104A）、第二定子（1B）的第二导磁罩（104B）、第二定子（1B）的第二定子铁心（101B）、第二气隙（5B），再回到软磁极（203），直流励磁磁通只通过两个气隙（5）。
2.根据权利要求1所述的双定子单转子轴向磁通混合励磁电机，其特征在于：所述的导磁罩（104）与定子（1）中的定子铁心（101）的定子轭（1011）搭接，两者之间无气隙；第一导磁罩（104A）与第二导磁罩（104B）沿轴向M紧密贴合无间隙。
3.根据权利要求1所述的双定子单转子轴向磁通混合励磁电机，其特征在于：所述定子（1）中的多相交流线圈（102）嵌入定子铁心（101）的定子槽（1012）中，每个定子（1）中的多相交流线圈（102）按电机绕组理论排列为多相分布绕组或集中绕组；两个定子（1）中的同一相交流绕组同为并联或同为串联。
4.根据权利要求1所述的双定子单转子轴向磁通混合励磁电机，其特征在于：所述转子（2）中的永磁体（202）与软磁极（203）排列方式为如下方式之一：
方式一：永磁体（202）与软磁极（203）圆周交替排列，永磁体（202）对着第一定子（1A）的极性均为N极或S极，永磁体（202）对着第二定子（1B）的极性均为S极或N极，沿软磁极（203）径向中线方向R还放置辅助永磁体（2021），辅助永磁体（2021）对着第一定子（1A）的极性均为S极或N极，辅助永磁体（2021）对着第二定子（1B）的极性均为N极或S极；软磁极（203）与辅助永磁体（2021）间放置隔磁体（204）；
方式二：永磁体（202）与软磁极（203）圆周交替排列，永磁体（202）对着第一定子（1A）的极性均为N极或S极，永磁体（202）对着第二定子（1B）的极性均为S极或N极，永磁体（202）与软磁极（203）圆周交替排列。
5.根据权利要求4所述的双定子单转子轴向磁通混合励磁电机，其特征在于：所述永磁体（202）、软磁极（203）与隔磁体（204）上设置有固定凸台（205），永磁体（202）、软磁极（203）与隔磁体（204）共同嵌入转子支架（201）中。
6.根据权利要求1所述的双定子单转子轴向磁通混合励磁电机，其特征在于：所述直流励磁单元（3）的骨架（301）的断面为“U”型结构，骨架（301）采用不导磁材料制成；励磁绕组（3）用漆包线绕制而成，嵌放在骨架（301）的“U”型槽中。
7.根据权利要求1或2所述的双定子单转子轴向磁通混合励磁电机，其特征在于：所述导磁罩（104）为导磁材料。
8.根据权利要求1或4所述的双定子单转子轴向磁通混合励磁电机，其特征在于：软磁极（203）为导磁材料。
9.根据权利要求1所述的双定子单转子轴向磁通混合励磁电机，其特征在于：直流励磁单元（3）的励磁线圈（302）通入直流电流产生的直流励磁磁通（4）能够增强气隙（5）中的磁感应强度，通过改变励磁线圈（302）中电流方向也能削弱气隙（5）中的磁感应强度。
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