CN113489274A - 双边交替极型混合励磁无刷电机 - Google Patents

双边交替极型混合励磁无刷电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双边交替极型混合励磁无刷电机，包括定转子一、定转子二、电枢绕组和环形直流励磁绕组；定转子一和定转子二沿轴向平行并列设置；定转子一包括定子一和转子一；定转子二包括定子二和转子二；定子一和定子二共同构成定子，且均沿周向均匀交替布设有定子铁心极和定子永磁极；转子一和转子二共同构成转子，且均沿周向均匀交替布设有转子铁心极和转子永磁极；电枢绕组绕设在定子槽中；环形直流励磁绕组布设在定子一和定子二之间的轴向气隙中。本发明通过将环形直流励磁绕组设置在定子一和定子二之间，与定子槽中的电枢绕组不存在空间约束，解决了传统定子永磁型混合励磁电机的输出能力和调磁能力相互制约的问题，且调磁效率高。

Description

双边交替极型混合励磁无刷电机
技术领域
本发明涉及电机设计和制造领域，特别是一种双边交替极型混合励磁无刷电机。
背景技术
永磁电机具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点，已在家用电器、电动汽车和航空航天等许多场合得到广泛应用。根据永磁***置分类，永磁电机分为转子永磁型电机和定子永磁型电机，它们均为单边永磁电机。
目前，转子永磁型电机最为常用。而定子永磁型电机为近十多年的研究热点，它的永磁体和电枢绕组都位于定子上，而转子上既无绕组也无永磁体。由于其结构简单，运行可靠，易于散热，且还具有高转矩密度、高效率、容错能力强等优点，具有良好的应用前景。然而，由于永磁磁场是恒定磁场，转子永磁型电机和定子永磁型电机均面临着一个固有问题——调磁能力有限。
因此，具有两种磁势源(励磁绕组和永磁体)的混合励磁电机应运而生，该类电机不仅继承了永磁电机的高功率密度和高效率等优点，也继承了电励磁电机磁场调节方便的优点，仅需要较低的励磁功率(较小的励磁功率变换器)就可以实现气隙磁场的有效调节。因此，混合励磁电机在宽转速范围驱动场合(如电动汽车)和恒压发电场合(如航空电源)具有极大的应用潜力。
类似于永磁电机，混合励磁电机也可分为转子永磁型混合励磁电机和定子永磁型混合励磁电机。
对于转子永磁型混合励磁电机，无刷化励磁(注：电刷和滑环会引入诸多不利因素)是一个关键技术，主要有三种方案：(1)借助附加磁路和导磁部件来构建电励磁回路。(2)采用专门的辅助励磁绕组和旋转整流器来实现无刷励磁。(3)将定子电励磁电机与转子永磁型电机轴向并列组合。
而定子永磁型混合励磁电机的直流励磁绕组设置于定子槽中，无刷化励磁简单可靠；但其电枢绕组和励磁绕组存在空间约束，导致电机的输出能力和调磁能力相互制约。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种双边交替极型混合励磁无刷电机，该双边交替极型混合励磁无刷电机通过将环形直流励磁绕组设置在定子一和定子二之间，与定子槽中的电枢绕组不存在空间约束，解决了传统定子永磁型混合励磁电机的输出能力和调磁能力相互制约的问题。同时，单个环形直流励磁绕组(线圈)能同时整个圆周上的铁心极磁通，调磁效率高。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种双边交替极型混合励磁无刷电机，包括定转子一、定转子二、电枢绕组、环形直流励磁绕组和转轴。
定转子一和定转子二沿转轴轴向平行并列设置。
定转子一包括定子一、转子一以及设置在两者间的气隙。
定转子二包括定子二、转子二以及设置在两者间的气隙。
定子一和定子二共同构成定子，定子一和定子二朝向气隙的一侧均沿周向均匀交替布设有定子铁心极和定子永磁极。
转子一和转子二共同构成转子，转子一和转子二朝向气隙的一侧均沿周向均匀交替布设有转子铁心极和转子永磁极。
电枢绕组绕设在定子的定子槽中。
定子一和定子二之间具有轴向气隙，环形直流励磁绕组布设在轴向气隙中。
定子极对数ps、转子极对数pr以及电枢绕组极对数pa，满足如下公式：
pr＝|pa±ps|
且ps＝k×Ns
其中，k为正整数，Ns为定子槽数。
定子永磁极在电枢绕组中产生的磁链与转子永磁极在电枢绕组中产生的磁链应正向叠加，同时，定转子一产生的电枢绕组磁链与定转子二产生的电枢绕组磁链也应正向叠加；因此，定转子一和定转子二需同时满足以下条件：
a、定子一和转子一的永磁极的极性相同，定子二和转子二的永磁极的极性相同。
b、定转子一中永磁极的极性和定转子二中永磁极的极性相反，且转子一和转子二沿周向偏移一个极距，转子一和转子二共轴旋转。
c、定子一的永磁极中心线与定子二的永磁极中心线轴向对齐。
通过控制环形直流励磁绕组的电流大小和方向，实现气隙磁场中增磁和弱磁的双向调节。
增磁时，环形直流励磁绕组的电励磁在铁心极上产生的磁通方向与相邻永磁极的极性相反；弱磁时，环形直流励磁绕组的电励磁在铁心极上产生的磁通方向与相邻永磁极的极性相同。
根据所需要的环形直流励磁绕组的安匝数，调整定子一和定子二之间的轴向气隙尺寸。
转轴采用导磁材料或非导磁材料；当转轴采用非导磁材料时，转轴与转子之间还设置有转子实心导磁轭部。
还包括套设在定转子一和定转子二外周的机壳，机壳采用导磁材料或非导磁材料；当机壳采用非导磁材料时，机壳与定转子一和定转子二之间还设置有实心导磁轭部。
定子一和定子二的定子槽轴向对齐，且定子一和定子二的定子槽槽口轴向对齐，以便于电枢绕组能统一绕制在定子一和定子二的定子槽中。
定子和转子中的永磁极采用表贴式永磁体或内置式永磁体。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明的环形直流励磁绕组位于两部分定子之间，与定子槽中的电枢绕组不存在空间约束，解决了传统定子永磁型混合励磁电机的输出能力和调磁能力相互制约的问题。
2、单个环形直流励磁绕组(线圈)能同时调节整个圆周上的铁心极磁通，调磁效率高。
3、本发明的双边交替极结构，可以增强磁场调制效应，实现转子永磁体和定子永磁体所产生的电枢绕组相磁链的正向叠加，从而有效提高电机的转矩密度和功率密度。
4、利用气隙两侧铁心极的高磁导特征，结合环形直流励磁绕组、导磁机壳(或实心导磁轭部)、转子实心导磁轭部(或导磁转轴)，构成并联磁路型混合励磁无刷电机，不仅实现了气隙磁场的灵活调节，还降低了永磁体发生不可逆退磁的风险。
附图说明
图1为本发明实施例1中一种双边交替极型混合励磁无刷电机的三维整体图。
图2为本发明实施例1中一种双边交替极型混合励磁无刷电机的三维***图。
图3为本发明实施例1中一种双边交替极型混合励磁无刷电机的三维局部图一。
图4为本发明实施例1中一种双边交替极型混合励磁无刷电机的三维局部图二。
图5为本发明实施例1中定转子一的截面图。
图6为本发明实施例1中定转子二的截面图。
图7为本发明实施例1中转子永磁极单独产生的磁通分布图。
图8为本发明实施例1中定子永磁极单独产生的磁通分布图。
图9为本发明实施例1中电枢绕组的相磁链与转子位置的变化曲线图。
图10为本发明实施例2中一种双边交替极型混合励磁无刷电机的三维整体图。
图11为本发明实施例2中一种双边交替极型混合励磁无刷电机的三维***图。
图12为本发明实施例2中一种双边交替极型混合励磁无刷电机的三维局部图一。
图13为本发明实施例2中一种双边交替极型混合励磁无刷电机的三维局部图二。
图14为本发明实施例2中定转子一的截面图。
图15为本发明实施例2中定转子二的截面图。
其中有：
10.定转子一；
11.定子一；111.定子铁心极一；112.定子永磁极一；113.定子铁心一；
12.转子一；121.转子铁心极一；122.转子永磁极一；123.转子铁心一；
13.气隙一；
20.定转子二；
21.定子二；211.定子铁心极二；212.定子永磁极二；213.定子铁心二；
22.转子二；221.转子铁心极二；222.转子永磁极二；223.转子铁心二；
23.气隙二；
30.电枢绕组；40.环形直流励磁绕组；
50.转轴；51.转子实心导磁轭部；
60.机壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
实施例1内转子，以三相m＝3，Ns＝6(k＝2)，pa＝2，ps＝12，pr＝10为例
如图1至图6所示，一种双边交替极型混合励磁无刷电机，包括定转子一10、定转子二20、电枢绕组30、环形直流励磁绕组40、转轴50和机壳60。
上述机壳套设在定转子一和定转子二外周，机壳采用导磁材料或非导磁材料；当机壳采用非导磁材料时，机壳与定转子一和定转子二之间还设置有实心导磁轭部。
定转子一和定转子二沿转轴轴向平行并列设置，其中，转轴采用导磁材料制成。
定转子一包括定子一11、转子一12以及设置在两者间的气隙。
定转子二包括定子二21、转子二22以及设置在两者间的气隙。
定子一和定子二结构参数相同，两者共同构成定子，定子一和定子二朝向气隙的一侧均沿周向均匀交替布设有定子铁心极和定子永磁极。具体为：
定子一朝向气隙的一侧均沿周向均匀交替布设有定子铁心极一111和定子永磁极一112。
定子二朝向气隙的一侧均沿周向均匀交替布设有定子铁心极二211和定子永磁极二212。
转子一和转子二结构参数相同，两者共同构成转子，转子一和转子二朝向气隙的一侧均沿周向均匀交替布设有转子铁心极和转子永磁极。具体为：
转子一朝向气隙的一侧均沿周向均匀交替布设有转子铁心极一121和转子永磁极一122。
转子二朝向气隙的一侧均沿周向均匀交替布设有转子铁心极二221和转子永磁极二222。
也即，在气隙两侧的定子和转子上均设有永磁极和铁心极，从而构成双边交替极结构。
在本实施例1中，定子永磁极一112、定子永磁极二212、转子永磁极一122和转子永磁极二222均优选采用表贴式永磁体。作为替换，也可以采用内置式永磁体。
电枢绕组绕设在定子的定子槽中，具体绕制方法为：定子一和定子二的定子槽轴向对齐，且定子一和定子二的定子槽槽口轴向对齐，以便于电枢绕组能统一绕制在定子一和定子二的定子槽中。
本实施例1中，定子槽数Ns＝6，电枢绕组为三相，即m＝3；电枢绕组包括A、B、C三相绕组，其中A相可由A1、A2线圈串联而成，也可由A1、A2并联而成；B相和C相以此类推。
定子一和定子二之间具有轴向气隙，环形直流励磁绕组布设在轴向气隙中，因而与定子槽中的电枢绕组不存在空间约束。
定子极对数ps、转子极对数pr以及电枢绕组极对数pa，满足如下公式：
pr＝|pa±ps|
且ps＝k×Ns
其中，k为正整数，Ns为定子槽数。
在本实施例1中，优选取值为：Ns＝6(k＝2)，pa＝2，ps＝12，pr＝10。
为实现电枢绕组磁链的有效提升(进而提高电机的转矩密度和功率密度)，定子永磁极在电枢绕组中产生的磁链与转子永磁极在电枢绕组中产生的磁链应正向叠加，同时定转子一产生的电枢绕组磁链与定转子二产生的电枢绕组磁链也应正向叠加。因此，两套定转子需同时满足以下条件：
a、定子一和转子一的永磁极的充磁方向(极性)相同，定子二和转子二的永磁极的充磁方向(极性)相同。
b、定转子一和定转子二的永磁极的充磁方向(极性)相反，且转子一和转子二沿周向偏移一个极距(即转子一的永磁极中心线与转子二的铁心极中性线轴向对齐)。转子一和转子二共轴旋转。
c、定子一的永磁极中心线与定子二的永磁极中心线轴向对齐(也即定子一的铁心极中心线与定子二的铁心极中心线轴向对齐)
图7为转子永磁体单独产生的磁通分布图，图8为定子永磁体单独产生的磁通分布图。可见，双侧的永磁体均在定子铁心上产生4极磁通，且呈正向叠加。因而，电枢绕组相磁链得到有效提升，如图9所示。
本发明的混合励磁无刷电机的电励磁和永磁呈并联磁路关系。电励磁产生的主磁通经过“定子铁心一113→定子铁心极一111→气隙一(定子一和转子一之间的气隙)→转子铁心极一121→转子铁心一123→转子实心导磁轭部(或导磁转轴)→转子铁心二→转子铁心极二→气隙二(定子二和转子二之间的气隙)→定子铁心极二→定子铁心二→导磁机壳(或实心导磁轭部)→定子铁心一”回路进行闭合，不经过永磁极。导磁机壳(或实心导磁轭部)和转子实心导磁轭部(或导磁转轴)以及气隙两边的铁心极为电励磁磁场提供了低磁阻路径，不仅利于气隙磁场的灵活调节，还降低了永磁体发生不可逆退磁的风险。
进一步，本发明通过控制环形直流励磁绕组的电流大小和方向，实现气隙磁场中增磁和弱磁的双向调节。
增磁时，环形直流励磁绕组的电励磁在铁心极上产生的磁通方向与相邻永磁极的充磁方向(极性)相反；弱磁时，环形直流励磁绕组的电励磁在铁心极上产生的磁通方向与相邻永磁极的充磁方向(极性)相同。
进一步，定子铁心和转子铁心采用导磁材料。为降低铁心损耗(提高效率)，定子铁心和转子铁心可由叠片沿轴向叠压而成。
另外，根据不同应用场合和要求，可灵活选取电枢绕组、定子侧交替极和转子的极对数，以及每个磁极的具体结构形式。可以根据设计需求调整定子一和定子二之间的间隙，从而调整环形直流励磁绕组的安匝数。
进一步，本发明的转子也可为外转子。
实施例2以三相m＝3，Ns＝12(k＝1)，pa＝2，ps＝12，pr＝10为例
与实施例1基本相同，不同点在于：如图10至图15所示，转轴采用不导磁材料，转轴内侧设有实心导磁轭部。
电枢绕组包括A、B、C三相绕组，其中A相可由A1、A2、A3、A4线圈串联而成，也可由A1-A2、A3-A4分别串联后再并联；B相和C相以此类推。
电励磁产生的主磁通经过“定子铁心一→定子铁心极一→气隙一→转子铁心极一→转子铁心一→转子实心导磁轭部→转子铁心二→转子铁心极二→气隙二→定子铁心极二→定子铁心二→导磁机壳(或实心导磁轭部)→定子铁心一”回路进行闭合，不经过永磁极。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双边交替极型混合励磁无刷电机，其特征在于：包括定转子一、定转子二、电枢绕组、环形直流励磁绕组和转轴；
定转子一和定转子二沿转轴轴向平行并列设置；
定转子一包括定子一、转子一以及设置在两者间的气隙；
定转子二包括定子二、转子二以及设置在两者间的气隙；
定子一和定子二共同构成定子，定子一和定子二朝向气隙的一侧均沿周向均匀交替布设有定子铁心极和定子永磁极；
转子一和转子二共同构成转子，转子一和转子二朝向气隙的一侧均沿周向均匀交替布设有转子铁心极和转子永磁极；
电枢绕组绕设在定子的定子槽中；
定子一和定子二之间具有轴向气隙，环形直流励磁绕组布设在轴向气隙中。
2.根据权利要求1所述的双边交替极型混合励磁无刷电机，其特征在于：定子极对数ps、转子极对数pr以及电枢绕组极对数pa，满足如下公式：
pr＝|pa±ps|
且ps＝k×Ns
其中，k为正整数，Ns为定子槽数。
3.根据权利要求1所述的双边交替极型混合励磁无刷电机，其特征在于：定子永磁极在电枢绕组中产生的磁链与转子永磁极在电枢绕组中产生的磁链应正向叠加，同时，定转子一产生的电枢绕组磁链与定转子二产生的电枢绕组磁链也应正向叠加；因此，定转子一和定转子二需同时满足以下条件：
a、定子一和转子一的永磁极的极性相同，定子二和转子二的永磁极的极性相同；
b、定转子一中永磁极的极性和定转子二中永磁极的极性相反，且转子一和转子二沿周向偏移一个极距，转子一和转子二共轴旋转；
c、定子一的永磁极中心线与定子二的永磁极中心线轴向对齐。
4.根据权利要求1所述的双边交替极型混合励磁无刷电机，其特征在于：通过控制环形直流励磁绕组的电流大小和方向，实现气隙磁场中增磁和弱磁的双向调节。
5.根据权利要求4所述的双边交替极型混合励磁无刷电机，其特征在于：增磁时，环形直流励磁绕组的电励磁在铁心极上产生的磁通方向与相邻永磁极的极性相反；弱磁时，环形直流励磁绕组的电励磁在铁心极上产生的磁通方向与相邻永磁极的极性相同。
6.根据权利要求1所述的双边交替极型混合励磁无刷电机，其特征在于：根据所需要的环形直流励磁绕组的安匝数，调整定子一和定子二之间的轴向气隙尺寸。
7.根据权利要求1所述的双边交替极型混合励磁无刷电机，其特征在于：转轴采用导磁材料或非导磁材料；当转轴采用非导磁材料时，转轴与转子之间还设置有转子实心导磁轭部。
8.根据权利要求1所述的双边交替极型混合励磁无刷电机，其特征在于：还包括套设在定转子一和定转子二外周的机壳，机壳采用导磁材料或非导磁材料；当机壳采用非导磁材料时，机壳与定转子一和定转子二之间还设置有实心导磁轭部。
9.根据权利要求1所述的双边交替极型混合励磁无刷电机，其特征在于：定子一和定子二的定子槽轴向对齐，且定子一和定子二的定子槽槽口轴向对齐，以便于电枢绕组能统一绕制在定子一和定子二的定子槽中。
10.根据权利要求1所述的双边交替极型混合励磁无刷电机，其特征在于：定子和转子中的永磁极采用表贴式永磁体或内置式永磁体。
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