CN115603537A - 一种双定子可变磁通双永磁磁场调制电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双定子可变磁通双永磁磁场调制电机，包括外定子、内定子、转子、电枢绕组和直流励磁绕组。外定子包括外定子轭部和外定子齿；电枢绕组绕在外定子齿上；内定子包括内定子轭部、内定子齿和内定子永磁体；每个内定子齿放置两块具有相同充磁方向的永磁体，且相邻齿上的永磁体充磁方向相反；直流励磁绕组绕在内定子齿上；转子由调磁极和采用Halbach阵列的转子永磁体构成。本发明电机通过同时利用转子调磁极对内定子永磁体磁场的调制作用和外定子齿对转子永磁体磁场的调制作用，获得丰富的气隙磁场工作谐波，从而大幅度提高电机转矩密度。此外，电机通过利用直流励磁绕组可有效调节气隙磁密，实现弱磁功能。

Description

一种双定子可变磁通双永磁磁场调制电机
技术领域
本发明涉及一种双定子可变磁通双永磁磁场调制电机，属于可变磁通直驱永磁电机技术领域。
背景技术
直驱永磁电机凭借高效率、高可靠性、低噪声和低振动等优点，有着广阔的工业应用前景。然而传统直驱永磁电机通常具有较大的体积，导致电机的转矩密度相对较低。因此研究具有高转矩密度的新型直驱永磁电机具有重要意义，其中磁场调制永磁电机作为热点之一受到了广泛关注。磁场调制永磁电机通过利用“磁场调制效应”所产生的气隙磁场谐波，可以打破传统永磁电机电枢绕组与永磁体之间的极对数配合规则，在体积较小的情况下实现高转矩输出。基于高转矩密度的特点，磁场调制永磁电机被视为一种理想的直驱电机方案。
对于具有宽调速范围的直驱应用场合，例如电动汽车、电力船舶驱动等，对电机的主要需求包括在低速恒转矩区具有较高的转矩输出，以及在恒功率区有着较宽的速度范围。然而由于永磁体磁通不可调节，磁场调制永磁电机在恒功区的运行速度范围通常受到一定限制。为提高磁场调节能力，国内外学者将直流励磁绕组引入到磁场调制永磁电机的设计中，提出了可变磁通型磁场调制永磁电机。在直流励磁的参与下，磁场调制永磁电机的气隙磁场可以被有效调节。然而，由于电枢绕组和励磁绕组放置于同一定子，两种绕组之间会存在明显的空间冲突，导致电机转矩能力和磁场调节能力均有不同程度的下降。此外，如何进一步提高磁场调制永磁电机在低速恒转矩区的转矩能力也是有待解决的技术问题。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提出一种具有高转矩密度和良好弱磁能力的双定子可变磁通双永磁磁场调制电机。
技术方案：本发明的一种双定子可变磁通双永磁磁场调制电机包括外定子、内定子、转子、电枢绕组和直流励磁绕组；所述外定子设置在转子外部，外定子包括外定子轭部和外定子齿；电枢绕组绕在外定子齿上；内定子设置在转子内部，内定子包括内定子轭部、内定子齿、和内定子永磁体；直流励磁绕组绕在内定子齿上；转子包括调磁极和转子永磁体。
所述外定子的外定子轭部位于电机的最外圈，外定子齿呈Y形状，其外端连接在外定子轭部的内侧；其内端向电机的圆心延伸至转子的外侧。
所述内定子的内定子轭部位于电机的最内圈，内定子齿呈十字形状，其内端连接在内定子轭部的外侧，其外端沿电机的直径向外延伸至转子的内侧，每一个内定子齿的外端设有两块内定子永磁体，分别位于内定子齿外端的两边；内定子永磁体的外端与内定子齿的外端平齐位于转子的内侧。
每个内定子齿的外端两边放置的内定子永磁体具有相同径向充磁方向；相邻两内定子齿上的内定子永磁体充磁方向相反。
所述内定子齿数量是外定子齿数量的两倍。
所述转子中的调磁极为圆弧形，转子永磁体为圆弧形，调磁极与转子永磁体交替排布，形成一个圆环形的转子。
所述转子上的转子永磁体采用Halbach阵列排布，转子永磁体中间部分的磁场方向沿电机的直径方向向外，转子永磁体两边部分的磁场方向分别指向转子永磁体的中间部分。
所述调磁极数量与转子永磁体数量相等。
所述调磁极数量等于外定子齿数量与电枢绕组极对数之和。
所述电枢绕组和直流励磁绕组采用集中绕组形式，有利于减少端部长度，降低铜耗。
有益效果：
1、本发明涉及电机通过同时利用转子调磁极对内定子永磁体磁场的调制作用，和外定子齿对转子永磁体磁场的调制作用，即“双重磁场调制”，可获得丰富的气隙磁场工作谐波，从而大幅度提高电机转矩密度；
2、本发明涉及电机通过利用直流励磁绕组产生的励磁磁场有效调节气隙磁密，实现弱磁功能，从而利于扩宽电机恒功区运行速度范围。
3、本发明涉及电机电枢绕组和直流励磁绕组分别放置在外定子和内定子，解决了绕组空间竞争问题，从而改善电机转矩能力和调磁能力；
4、本发明涉及电机电枢绕组和直流励磁绕组均采用集中绕组形式，有效的减少了绕组端部长度，降低铜耗，从而提高电机运行效率。
附图说明
图1为本发明涉及电机横截面结构图，其中箭头方向表示永磁体充磁方向。
图2（a）为本发明涉及电机在直流励磁绕组未通入直流电流时,即零直流励磁状态下的空载外气隙磁密分布图。
图2（b）为本发明涉及电机在零直流励磁状态下的空载外气隙磁密傅里叶谐波分析图。
图3（a）为本发明涉及电机在零直流励磁状态下的空载磁力线分布图。
图3（b）为本发明涉及电机在直流励磁绕组通入直流电流实现弱磁状态下的空载磁力线分布图。
图4为本发明涉及电机在零直流励磁状态和弱磁状态下的空载相磁链波形对比图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明涉及双定子可变磁通双永磁磁场调制电机做进一步说明。
参见图1，本发明涉及电机的结构包括外定子1、内定子2、转子3、电枢绕组4和直流励磁绕组5。
外定子1设置在转子3外部，外定子1包括外定子轭部1.1和外定子齿1.2；电枢绕组4绕在外定子齿1.2上；内定子2设置在转子3内部，内定子2包括内定子轭部2.1、内定子齿2.2、和内定子永磁体2.3；直流励磁绕组5绕在内定子齿2.2上；转子3包括调磁极3.1和转子永磁体3.2。
外定子1的外定子轭部1.1位于电机的最外圈，外定子齿1.2呈Y形状，其外端连接在外定子轭部1.1的内侧；其内端向电机的圆心延伸至转子3的外侧。
内定子2的内定子轭部2.1位于电机的最内圈，内定子齿2.2呈十字形状，其内端连接在内定子轭部2.1的外侧，其外端沿电机的直径向外延伸至转子3的内侧，每一个内定子齿2.2的外端设有两块内定子永磁体2.3，分别位于内定子齿2.2外端的两边；内定子永磁体2.3的外端与内定子齿2.2的外端平齐位于转子3的内侧；内定子齿2.2数量是外定子齿1.2数量的两倍；
每个内定子齿2.2的外端两边放置的内定子永磁体2.3具有相同径向充磁方向；相邻两内定子齿2.2上的内定子永磁体2.3充磁方向相反。
所述转子3中的调磁极3.1为圆弧形，转子永磁体3.2为圆弧形，调磁极3.1与转子永磁体3.2交替排布，形成一个圆环形的转子3。转子3上的转子永磁体3.2采用Halbach阵列排布，转子永磁体3.2中间部分的磁场方向沿电机的直径方向向外，转子永磁体3.2两边部分的磁场方向分别指向转子永磁体3.2的中间部分。调磁极3.1数量与转子永磁体3.2数量相等。调磁极3.1数量也等于外定子齿1.2数量与电枢绕组4极对数之和。
电机外定子1和内定子2的铁心以及调磁极3.1均由硅钢片叠压而成，硅钢片厚度通常选取在0.35mm~0.5mm之间，叠压系数为0.95。外定子1和转子3之间，以及内定子2和转子3之间均留有气隙，气隙的厚度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及电机装配工艺有关。转子永磁体3.2和内定子永磁体2.3的材料可根据电机性能需求、工作温度和成本进行选择，例如使用钕铁硼或铁氧体等永磁材料。
电枢绕组4和直流励磁绕组5均采用集中绕组形式，可以有效减少绕组端部长度，降低铜耗，从而提高电机运行效率。
参见图2（a）-图4，本发明涉及双定子可变磁通双永磁磁场调制电机运行原理具体如下：
当直流励磁绕组5未通入直流电流时，本发明涉及电机可基于“双重磁场调制效应”工作，即同时利用调磁极3.1对内定子永磁体2.3磁场的调制作用，以及外定子齿1.2对转子永磁体3.2磁场的调制作用。由于“双重磁场调制效应”，本发明涉及电机会产生丰富的气隙磁密工作谐波，包括：1次谐波、7次谐波和13次谐波，这些谐波将直接参与电机反电势和转矩的产生，从而有效提升转矩密度；
当向直流励磁绕组5通入直流电流时，气隙磁密工作谐波的幅值会随着通入直流电流值的变化会发生改变，从而进一步影响电机磁链和反电动势，实现弱磁调节。因此，本发明涉及电机通过利用直流励磁电流，可实现对气隙磁场的灵活调节，从而拓宽了恒功率运行范围。
以上仅为本发明较佳的实施方式，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种双定子可变磁通双永磁磁场调制电机，其特征在于包括外定子（1）、内定子（2）、转子（3）、电枢绕组（4）和直流励磁绕组（5）；所述外定子（1）设置在转子（3）外部，外定子（1）包括外定子轭部（1.1）和外定子齿（1.2）；电枢绕组（4）绕在外定子齿（1.2）上；内定子（2）设置在转子（3）内部，内定子（2）包括内定子轭部（2.1）、内定子齿（2.2）、和内定子永磁体（2.3）；直流励磁绕组（5）绕在内定子齿（2.2）上；转子（3）包括调磁极（3.1）和转子永磁体（3.2）。
2.根据权利要求1所述的双定子可变磁通双永磁磁场调制电机，其特征在于：所述外定子（1）的外定子轭部（1.1）位于电机的最外圈，外定子齿（1.2）呈Y形状，其外端连接在外定子轭部（1.1）的内侧；其内端向电机的圆心延伸至转子（3）的外侧。
3.根据权利要求1所述的双定子可变磁通双永磁磁场调制电机，其特征在于：所述内定子（2）的内定子轭部（2.1）位于电机的最内圈，内定子齿（2.2）呈十字形状，其内端连接在内定子轭部（2.1）的外侧，其外端沿电机的直径向外延伸至转子（3）的内侧，每一个内定子齿（2.2）的外端设有两块内定子永磁体（2.3），分别位于内定子齿（2.2）外端的两边；内定子永磁体（2.3）的外端与内定子齿（2.2）的外端平齐位于转子（3）的内侧。
4.根据权利要求3所述的双定子可变磁通双永磁磁场调制电机，其特征在于：每个内定子齿（2.2）的外端两边放置的内定子永磁体（2.3）具有相同径向充磁方向；相邻两内定子齿（2.2）上的内定子永磁体（2.3）充磁方向相反。
5.根据权利要求1所述的双定子可变磁通双永磁磁场调制电机，其特征在于：所述内定子齿（2.2）数量是外定子齿（1.2）数量的两倍。
6.根据权利要求1所述的双定子可变磁通双永磁磁场调制电机，其特征在于：所述转子（3）中的调磁极（3.1）为圆弧形，转子永磁体（3.2）为圆弧形，调磁极（3.1）与转子永磁体（3.2）交替排布，形成一个圆环形的转子（3）。
7.根据权利要求1所述的双定子可变磁通双永磁磁场调制电机，其特征在于：所述转子（3）上的转子永磁体（3.2）采用Halbach阵列排布，转子永磁体（3.2）中间部分的磁场方向沿电机的直径方向向外，转子永磁体（3.2）两边部分的磁场方向分别指向转子永磁体（3.2）的中间部分。
8.根据权利要求1所述的双定子可变磁通双永磁磁场调制电机，其特征在于：所述调磁极（3.1）数量与转子永磁体（3.2）数量相等。
9.根据权利要求1所述的双定子可变磁通双永磁磁场调制电机，其特征在于：所述调磁极（3.1）数量等于外定子齿（1.2）数量与电枢绕组（4）极对数之和。
10.根据权利要求1所述的双定子可变磁通双永磁磁场调制电机，其特征在于：所述电枢绕组（4）和直流励磁绕组（5）采用集中绕组形式，有利于减少端部长度，降低铜耗。
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