CN113872406B - 一种双转子轴向混合励磁双凸极电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双转子轴向混合励磁双凸极电机，包括转轴、第一转子铁心、第二转子铁心、第一定子铁心、第二定子铁心、转子侧导磁体、定子侧导磁体、轴向充磁的永磁体、环形励磁线圈和电枢绕组；第一定子铁心与第一转子铁心同轴对齐，第二定子铁心与第二转子铁心同轴对齐；转子侧导磁***于第一转子铁心、第二转子铁心与转轴之间；定子侧导磁体设于第一定子铁心和第二定子铁心的外侧；轴向充磁的永磁体设于定子侧导磁体的中央，对称排列；环形励磁线圈环绕着转轴，置于第一转子铁心和第二转子铁心的中间；电枢绕组通过定子齿缠绕于第一定子铁心和第二定子铁心上。本发明能实现磁链双向变化，有正有负；为有源转子结构，能提高电机的功率密度。

Description

一种双转子轴向混合励磁双凸极电机

技术领域

本发明涉及混合励磁双凸极电机，尤其涉及一种双转子轴向混合励磁双凸极电机。

背景技术

混合励磁双凸极电机继承了双凸极电机结构简单、可靠性高等优点，同时，永磁体的存在相较于电励磁双凸极电机提高了功率密度和效率，而励磁绕组的存在又改善了双凸极永磁电机调压和弱磁困难的问题。因此，混合励磁双凸极电机具有广阔的应用前景。

英国谢菲尔德大学提出了定子分区混合励磁双凸极电机，它的外定子和内定子上分别缠绕有不重叠的电枢绕组和励磁绕组，而这两个定子之间布置了一个由10个分段铁片构成的转子。在内定子铁心之间嵌有切向磁化的12块永磁体，由于永磁***置的特殊性，电机的空间利用率得到显著提高。但是该电机内外双定子结构复杂，对装配工艺要求较高。

香港理工大学提出的新型双永磁混合励磁电机的转子和定子上都附有径向磁化的永磁体，同时使用集成的定子绕组来代替传统的混合励磁电机中的电枢绕组和励磁绕组，提高了电机的转矩密度和磁通调节能力，还简化了绕组结构。其不足之处在于集成定子绕组产生的磁通会穿过永磁体，永磁体较大的磁阻影响了整体性能和效率的进一步提升。

南京航空航天大学给出了一种轴向励磁的混合励磁双凸极电机，它的磁路通过定转子铁心和定子轴向导磁背铁闭合，该电机励磁效率高，可以根据不同应用场合选取相应的励磁组合方式，适用范围广。但是这种电机的励磁绕组靠近定子侧，属于无源转子结构，而且一条闭合主磁路需要穿过4次气隙，限制了电机出力和功率密度，同时，它的励磁绕组绕制在电机定子轴向导磁背铁上，占用了电机外壳空间，不利于电机体积的减小。

江苏大学提出的混合励磁双凸极同步电机将永磁体置于相邻的定子极之间，永磁体产生的磁通只通过定子闭合，而气隙磁通则通过调节励磁电流的大小来调节。该电机相对于未添加永磁体的电机可以有效提高电机的转矩输出能力，但这种混合励磁双凸极电机的边缘磁通效应使得永磁体存在高温下退磁的风险。

现有的轴向励磁的混合励磁双凸极电机的电枢绕组是分段缠绕后串联的，不能实现正弦输出。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种转矩脉动小、功率密度高的双转子轴向混合励磁双凸极电机。

技术方案：本发明的混合励磁双凸极电机，包括转轴、第一转子铁心、第二转子铁心、第一定子铁心、第二定子铁心、转子侧导磁体、定子侧导磁体、轴向充磁的永磁体、环形励磁线圈和电枢绕组；所述第一转子铁心和第二转子铁心沿轴向排列；所述第一定子铁心和第二定子铁心沿轴向排列，所述第一定子铁心与第一转子铁心同轴对齐，所述第二定子铁心与第二转子铁心同轴对齐；

所述转子侧导磁体设于转轴上，位于第一转子铁心、第二转子铁心与转轴之间；

所述定子侧导磁体设于第一定子铁心和第二定子铁心的外侧；

所述轴向充磁的永磁体设于定子侧导磁体的中央，沿圆周分布、对称排列；

所述环形励磁线圈环绕着转轴，置于第一转子铁心和第二转子铁心的中间；

所述第一定子铁心和第二定子铁心上分别设有定子齿，所述电枢绕组通过定子齿缠绕于第一定子铁心和第二定子铁心上；

所述第一转子铁心与第二转子铁心之间错开180°电角度。

进一步，所述定子侧导磁体、第一定子铁心和第二定子铁心的分别分为2k等份，其中k为自然数；每等份中包含n*m个定子齿，n为自然数,m为相数。

进一步，所述转子侧导磁体采用不等厚结构，中间部分的外径大于两端的外径，中间部分安装所述环形励磁线圈，两端分别安装第一转子铁心和第二转子铁心；

所述定子侧导磁体采用不等厚结构，定子侧导磁体从最远离中央的位置开始，两侧的导磁体逐渐加厚；在靠近中央的位置，导磁体厚度保持不变，构成薄-厚-薄的不等厚结构。

进一步，所述第一转子铁心、第二转子铁心、第一定子铁心和第二定子铁心均采用硅钢片或软磁复合材料。

进一步，所述轴向充磁的永磁体采用钕铁硼或钐钴永磁合金。

进一步，所述转子侧导磁体和定子侧导磁体均采用十号钢或软磁复合材料。

本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、本发明的两段转子铁心相互错开180°电角度，在结构上是互补的，能有效弥补其转矩缺失，克服其转矩脉动较大的不足；同时，交错的转子铁心使得本发明电机的磁链和反电势整体呈正弦波形式，磁链双向变化，有正有负，可以作为交流发电机使用；

2、本发明的励磁绕组是置于两段转子铁心之间，相较于现有的双凸极电机可能减小电机体积，节省了空间，从而提高电机的功率密度；同时，本发明电机的环形励磁绕组靠近转子铁心，为有源转子结构，与无源转子结构电机相比，本发明的电机出力更大，输出功率更高，从而可以提高电机的功率密度；

3、本发明提出的电机环形励磁绕组通电后，沿轴激磁，磁通沿转子侧导磁体进入第一转子铁心，沿磁阻最小路径穿过气隙进入第一定子铁心，再进入定子侧导磁体中，最后经由第二定子铁心和第二转子铁心实现磁路的闭合，其中，轴向充磁的永磁体置于定子侧导磁体中间，其激发的磁通也是通过所述回路闭合，从而实现混合励磁，使其兼具电励磁和永磁双凸极电机的优点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的***视图；

图3(a)本发明的永磁体励磁磁路示意图，(b)为本发明的环形励磁绕组励磁磁路示意图；

图4为本发明的等效磁路示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

图1到图2所示双转子轴向混合励磁双凸极电机，包括转轴1、第一转子铁心2、第二转子铁心3、第一定子铁心4、第二定子铁心5、转子侧导磁体6、定子侧导磁体7、轴向充磁的永磁体8、环形励磁线圈9和电枢绕组10。第一转子铁心2和第二转子铁心3沿轴排列，两段转子铁心错开180°电角度。第一定子铁心4和第二定子铁心5同样沿轴排列，分别与两转子铁心(第一转子铁心2和第二转子铁心3)同轴对齐，但第一定子铁心4和第二定子铁心5之间不需错开。此外，第一定子铁心4和第二定子铁心5各自分为2k(k＝1,2,……)等份，每等份中包含n*m(n＝1,2,……,m为相数)个定子齿，实施例中，k＝2；n＝1；m＝3。所述电枢绕组10绕制于定子齿上。

第一定子铁心4和第一转子铁心2对齐，第二定子铁心5和第二转子铁心3对齐，此外，第一转子铁心2与第二转子铁心3安装于同一根刚性轴上。

进一步的，环形励磁线圈9环绕着转轴1，放置于两段转子铁心之间的位置。

电机为轴向励磁方式，电机磁路沿轴向闭合，因此在两段转子铁心与转轴1之间、两段定子铁心外侧设有一定厚度的导磁性能良好的导磁材料提供磁路。而导磁材料不必为严格的圆环形，由于越靠近两段定转子铁心中间位置磁密越大，也越容易饱和，因此定子侧导磁体7和转子侧导磁体6可以采用不等厚结构，即两段定子铁心外侧导磁体比定子铁心中间间隔位置的导磁体稍细；同样的，两段转子铁心内侧导磁体比转子铁心中间间隔位置的导磁体稍细，导磁体的截面为梯形状或圆柱形。定子侧导磁体和转子侧导磁体的厚度会对电机性能产生影响，具体表现为若导磁体过薄，可能在导磁体局部出现饱和现象，使得磁路磁阻增大，影响电磁性能；若导磁体过厚，则意味着定子铁心和转子铁心体积较小，从而影响电机出力。

进一步的，两段转子铁心与转轴之间存在导磁体，用于为环形励磁绕组9和轴向充磁永磁体8激发的磁通提供通路。

进一步的，定子外侧也套有定子侧导磁体7，定子侧导磁体7亦分为2k(k＝1,2,……)等份，其中部分定子侧导磁体7的中央嵌有轴向充磁的永磁体8，且轴向充磁的永磁体8沿圆周分布、对称排列(由图1俯视，轴向充磁的永磁体8沿圆周分布，且每对轴向充磁的永磁体8相对圆心对称)，由于永磁体磁阻较大，无永磁体的定子侧导磁体主要为环形励磁绕组激发的磁通提供通路，如图3(b)所示；而嵌有轴向充磁的永磁体8的导磁体为永磁体激发的磁通提供通路，如图3(a)所示。

所述转子侧导磁体6位于两段转子铁心和转轴之间并且前后贯穿双转子铁心，由于本发明的电机为轴向励磁方式，电机磁路沿轴向闭合，因此在转子铁心与转轴之间、定子铁心外侧都需要一定厚度的软磁材料提供磁路。将定子侧导磁体7分为与定子铁心相同的2k(k＝1,2,……)等份，分别贴在2k等分的定子铁心外圆弧表面，为每段定子铁心提供轴向磁通通路；所述轴向充磁的永磁体8置于部分定子侧导磁体中央，沿轴向磁化；所述环形励磁绕组9置于双转子铁心之间，环绕着转子侧导磁体6。

当环形励磁线圈9通入直流电后，产生沿轴向磁通，经过转子侧导磁体6后进入第一转子铁心2，根据磁阻最小原理，磁路将经过磁阻最小的转子齿进入定转子之间的气隙再进入第一定子铁心4中，由于轴向充磁的永磁体8的存在，环形励磁绕组9激磁产生的磁通主要经过未嵌有永磁体的定子侧导磁体7进入第二定子铁心5，再经过磁阻最小的定子齿进入定转子之间的气隙再进入第二转子铁心3，最终回到转子侧导磁体6，磁路闭合。

而轴向充磁的永磁体8置于定子侧导磁体7中间，其激发的磁通也是通过所述回路闭合，仅仅在定子侧导磁体处略有不同。

由上述磁路可以画出它的等效磁路图，如图4所示。环形励磁绕组磁动势为F_DC，它激发的磁通经过不含永磁体的定子侧导磁体，磁阻为R_steel1；永磁体磁动势为F_pm，它激发的磁通经过对应的定子侧导磁体及永磁体自身，磁阻分别为R_steel2和R_pm。环形励磁绕组9和永磁体激发的磁通并联在一起后，共同经过转子铁心、定子铁心以及定转子铁心之间的气隙，磁阻分别为R_rotor、R_stator和R_airgap。

本发明的环形励磁绕组9可以占用两段转子铁心之间的空间，因此可以缠绕较多匝数的励磁绕组而不用扩大电机体积，使电机布局更加合理，提升了电机的功率密度。此外，本发明的电枢绕组10直接缠绕于两段定子铁心上，两段铁心上产生互补的磁链使得电机相磁链呈现正弦状，有正有负，可以对其采用交流电机丰富的控制策略进行控制。

进一步的，所述第一转子铁心2、第二转子铁心3、第一定子铁心4和第二定子铁心5均采用硅钢片或软磁复合材料等进行制作。

优选的，所述永磁体均采用钕铁硼或钐钴永磁合金制作。

优选的，所述转子侧导磁体6和定子侧导磁体7均采用十号钢或软磁复合材料等制作。

由于双转子之间错开180°电角度，交错的转子铁心使得该电机反电势整体呈正弦波形式，如果向电机绕组中通入同相位的正弦电流，就可以作为电动机产生转矩；而当原动机拖动电机转动时，也可作为发电机使用。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种双转子轴向混合励磁双凸极电机，其特征在于，包括转轴(1)、第一转子铁心(2)、第二转子铁心(3)、第一定子铁心(4)、第二定子铁心(5)、转子侧导磁体(6)、定子侧导磁体(7)、轴向充磁的永磁体(8)、环形励磁线圈(9)和电枢绕组(10)；所述第一转子铁心(2)和第二转子铁心(3)沿轴向排列；所述第一定子铁心(4)和第二定子铁心(5)沿轴向排列，所述第一定子铁心(4)与第一转子铁心(2)同轴对齐，所述第二定子铁心(5)与第二转子铁心(3)同轴对齐；

所述转子侧导磁体(6)设于转轴(1)上，位于第一转子铁心(2)、第二转子铁心(3)与转轴(1)之间；所述转子侧导磁体(6)采用不等厚结构，中间部分的外径大于两端的外径，中间部分安装所述环形励磁线圈(9)，两端分别安装第一转子铁心(2)和第二转子铁心(3)；

所述定子侧导磁体(7)设于第一定子铁心(4)和第二定子铁心(5)的外侧；所述定子侧导磁体(7)采用不等厚结构，定子侧导磁体(7)从最远离中央的位置开始，两侧的导磁体逐渐加厚；在靠近中央的位置，导磁体厚度保持不变，构成薄-厚-薄的不等厚结构；

所述轴向充磁的永磁体(8)设于定子侧导磁体(7)的中央，沿圆周分布、对称排列；

所述环形励磁线圈(9)环绕着转轴(1)，置于第一转子铁心(2)和第二转子铁心(3)的中间；

所述第一定子铁心(4)和第二定子铁心(5)上分别设有定子齿，所述电枢绕组(10)通过定子齿缠绕于第一定子铁心(4)和第二定子铁心(5)上；

所述第一转子铁心(2)与第二转子铁心(3)之间错开180°电角度。

2.根据权利要求1所述的双转子轴向混合励磁双凸极电机，其特征在于，所述定子侧导磁体(7)、第一定子铁心(4)和第二定子铁心(5)分别分为2k等份，其中k为自然数；每等份中包含n*m个定子齿，n为自然数,m为相数。

3.根据权利要求1所述的双转子轴向混合励磁双凸极电机，其特征在于，所述第一转子铁心(2)、第二转子铁心(3)、第一定子铁心(4)和第二定子铁心(5)均采用硅钢片或软磁复合材料。

4.根据权利要求1所述的双转子轴向混合励磁双凸极电机，其特征在于，所述轴向充磁的永磁体(8)采用钕铁硼或钐钴永磁合金。

5.根据权利要求1所述的双转子轴向混合励磁双凸极电机，其特征在于，所述转子侧导磁体(6)和定子侧导磁体(7)均采用十号钢或软磁复合材料。

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