CN211830528U - 一种多相盘式混合励磁磁通切换电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种盘式混合励磁磁通切换电机，由定子铁心、转子铁心、电枢绕组、励磁绕组和永磁体组成。定子与转子同轴安装。单个定子铁心上有4*m*k*n个定子导磁齿，定子上总共设有m*q块永磁体，均匀地镶嵌在励磁槽外侧。转子铁心有(2*m*k±1)*n个沿圆周均匀分布的导磁齿；m为电机的相数，n为电机单元数，k为每个电机单元中任意一相电枢绕组串联的集中电枢绕组对数，q为正整数(保证4*k*n/q为正整数，并且小于2*k*n)。本电机通过永磁体和励磁绕组共同提供激励磁通，不仅具有很强的磁场调节能力，而且电机的轴向尺寸较小，适合应用在严格要求薄型安装，如电动汽车等需要宽调速范围的场合。

Description

一种多相盘式混合励磁磁通切换电机

技术领域

本实用新型涉及的是一种盘式混合励磁磁通切换电机，属于电机制造技术领域。

背景技术

随着新能源技术的发展，电机作为轨道交通、新能源汽车等领域的核心部件，得到了广泛的研究和应用。直流电机由于电枢电流和励磁电流均可独立调节，因此无论用于电动机时的调速特性，还是作为发电机运行时的输出电压稳定性都是众多电机中最理想的。然而，由于直流电机结构上存在机械电刷和换向器，具有维护频繁，可靠性差等缺点，限制了其使用范围。交流感应电机结构简单，无需电刷，维护方便，可靠性高，在普通传动领域得到了广泛应用，但是该电机的调速性能不佳、功率因数和效率较低。传统的永磁无刷交流电机由于功率密度大，功率因数高等优势近年来得到了较快的发展。电机轴向较长，限制了在空间较小的应用场合。

因此，一种新型的盘式永磁磁通切换电机进入了人们的视野。这种电机的轴向较短，电机的永磁体均位于定子侧，而转子仅由铁芯组成，这不仅极大地降低了电机的复杂度，还有效地增强了永磁体的散热性，降低了永磁体发生不可逆退磁风险。电机的磁场不可调节，高速运行时需要采用弱磁控制技术来实现高速运行，这无疑增加了***的复杂性和成本。

近年来，盘式混合励磁磁通切换电机研究较多永磁体和励磁都位于定子侧，具有一定的调磁能力，适合于高速运行。经过研究表明，传统盘式混合励磁磁通切换电机相邻永磁体对向充磁，与永磁体相同槽内的集中励磁绕组的磁场方向与永磁磁场方向相同或相反，在一定程度上影响了集中励磁绕组的励磁效率。而且永磁体越多，调磁能力越差，当励磁电流为零时，电机存在定位转矩。

发明内容

实用新型目的：

针对现有技术上存在的不足，本实用新型目的是在于提供一种调磁能力强、调速性能好、运行可靠、无电刷、集中电枢绕组、集中励磁绕组和永磁体均置于定子且可以单独控制、结构简单和成本低、高效率的盘式混合励磁磁通切换电机。通过控制直流集中励磁绕组的电流大小可以控制电机的励磁磁场，从而保证该电机作为电动机运行时在较宽的转速范围内具有较高的效率，作为发电机可以有更宽的调压范围；另外，由于永磁体充磁方向沿圆周切线方向，当励磁电流为零时，永磁磁场仅在定子侧形成闭合回路，此时每相绕组的总磁通为零，齿槽转矩为零。

技术方案：

为了实现以上功能，本实用新型提供了一种改进型盘式混合励磁磁通切换电机，它由定子、转子、集中电枢绕组、集中励磁绕组和永磁体组成；所述定子、转子均由导磁材料构成且二者之间具有气隙，所述定子上设有定子导磁齿，定子导磁齿之间有槽，部分槽中设有永磁体，定子导磁齿上设有集中电枢绕组和集中励磁绕组。

上述定子的导磁齿的个数为Ns＝4*m*k*n；其中，定子导磁齿上依次绕有2*m*k*n个集中电枢绕组，每个集中电枢绕组套着相邻的两个定子导磁齿，相邻的集中电枢绕组共用一个槽，设置集中电枢绕组的槽称为电枢槽；其余2*m*k*n个槽中依次设置集中励磁绕组，每个集中励磁绕组套着相邻的两个定子导磁齿，相邻两个集中励磁绕组共用或间隔一个槽，设置集中励磁绕组的槽称为励磁槽；所述定子上设有总共m*q块永磁体，均匀地镶嵌在励磁槽底部；槽中的集中励磁绕组分布在永磁体的轴向外侧；永磁体均匀分布，每两块永磁体之间间隔4*k*n/q个定子导磁齿；

所述转子为齿槽型结构，由导磁材料组成，转子导磁齿的个数为Nr＝(2*m*k±1)n；

其中，m为电机的相数，n为电机单元数，k为每个电机单元中任意一相集中电枢绕组串联的集中电枢绕组对数，q为小于2*k*n的正整数。

进一步的，上述每个电机单元中任意一相集中电枢绕组由k对集中电枢绕组串联组成，从任意一相的第一个集中电枢绕组起，将k个连续放置的集中电枢绕组设置为同一相，其后依次设置属于相邻相的k个集中电枢绕组，按上述排列方式依次排列，直至电机单元全部排列完成；属于同相的2k个集中电枢绕组形成k对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两个集中电枢绕组与转子的相对位置相差半个转子极距τ_s，对应为180度电角度，n 个电机单元依次设置，不同电机单元中属于同相的集中电枢绕组串联或并联联接。

当上述电机每两个集中励磁绕组间隔一个槽时，集中励磁绕组产生的磁场方向相同；当每两个集中励磁绕组共用一个槽时，相邻两集中励磁绕组产生的磁场方向相反；每个电机单元中的集中励磁绕组串联成集中励磁绕组单元，n个电机单元中的集中励磁绕组单元串联或并联联接。

进一步的，上述电机所有永磁体的充磁方向沿同一圆周切线方向；每块永磁体的充磁方向和位于它轴向外侧的集中励磁绕组的磁场方向相反。当集中励磁绕组中通入的励磁电流为零时，电机中只存在永磁磁场，且永磁磁场只在定子部分形成环形闭合磁路，不会穿过气隙和转子，集中电枢绕组中的总磁通为零。

作为一种优选，所述集中电枢绕组和集中励磁绕组为铜或超导材料，永磁体为铁氧体或铝铁硼等稀土材料。

作为一种优选，上述盘式混合励磁磁通切换电机可作电动机或发电机运行。

技术效果：

本实用新型提供的一种盘式混合励磁磁通切换电机，其集中电枢绕组、集中励磁绕组和永磁体均位于定子侧，转子为由导磁材料构成的齿槽型结构，结构简单，可靠性高。集中电枢绕组和集中励磁绕组可以单独控制，并且通过控制直流集中励磁绕组的电流大小可以控制电机的励磁磁场，可以在宽转速范围内适应电机的特性，用作电动汽车领域可提高电机的最大转速，电机从而实现宽范围内的高效率；永磁体能够削弱电机定子轭部的磁场，降低电机的磁场饱和程度，并增加通过三相集中电枢绕组的磁通量，有效地提高了集中励磁绕组的利用率和电机效率；电机中所有永磁体的充磁方向沿同一圆周切线方向，当励磁电流为零时，永磁磁场仅在定子侧形成闭合回路，通过三相集中电枢绕组的总磁通为零，齿槽转矩为零，因此当电机空载时，切断励磁电流，能够有效减小转矩脉动。用作电动机，电机的调节磁场范围宽，适合于宽调速范围的应用场合，如电动汽车。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：

图1本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例1电机三维结构示意图；

图2本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例1电机定子轴向结构示意图；

图3本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例1电机平面展开图；

图4本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例2电机三维结构示意图；

图5本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例2电机定子轴向结构示意图；

图6本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例2电机平面展开图；

图7本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例3电机三维结构示意图；

图8本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例3电机定子轴向结构示意图；

图9本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例3电机平面展开图；

图10本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例4电机三维结构示意图；

图11本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例4电机定子轴向结构示意图；

图12本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例4电机平面展开图；

图13本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例5电机三维结构示意图；

图14本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例5电机定子轴向结构示意图；

图15本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例5电机平面展开图；

图16本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例6电机三维结构示意图；

图17本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例6电机平面展开图；

图18本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例7电机三维结构示意图；

图19本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例7电机平面展开图；

图20本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例8电机三维结构示意图；

图21本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例8电机平面展开图；

图22本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例9电机三维结构示意图；

图23本实用新型一种盘式混合励磁磁通切换电机实施例9电机平面展开图；

其中，10-转子，11-定子，110-导磁齿，111-集中电枢绕组，112-集中励磁绕组，113-永磁体。

具体实施方式

本实用新型提供一种盘式混合励磁磁通切换电机，为使本实用新型的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

参见图1，本实用新型的一种盘式混合励磁磁通切换电机，由定子11、转子10、集中电枢绕组111、集中励磁绕组112和永磁体113组成；所述定子11、转子10均由导磁材料构成且具有气隙；所述定子11上设有定子导磁齿110，定子导磁齿110之间有槽，部分槽中设有永磁体113，定子导磁齿110上交替设置集中电枢绕组111和集中励磁绕组112。本实施例电机中，m＝3，n＝1，k＝1，q＝1，其中，m为电机的相数，n为电机单元数，k为每个定子电机单元中一相集中电枢绕组串联的集中电枢绕组111对数，q为决定永磁体数量的系数，q的取值需使4*k*n/q为正整数。即，该电机为三相电机，具有A、B、C三相，包含1个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组，定子11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*n*k＝12；导磁齿依次设有集中电枢绕组111的个数为2*m*n*k＝6，每个集中电枢绕组111跨两个导磁齿 110，相邻的集中电枢绕组111共用一个槽；其余2*m*k*n＝6个槽中依次设置2*m*k*n＝6个集中励磁绕组112，每个集中励磁绕组112跨相邻的两个导磁齿110，每两个集中励磁绕组112 共用一个槽，相邻两集中励磁绕组112产生的磁场方向相反；所述定子11上永磁体113的块数为m*q＝3，均匀镶嵌在励磁槽轴向内侧，每两块永磁体之间间隔4*k*n/q＝4个定子导磁齿 110，所有永磁体113的充磁方向均沿同一圆周切线方向，并和所在的励磁槽中的集中励磁绕组产生的磁场方向相反。转子10为齿槽型，转子导磁齿的个数为Nr＝(2*m*k±1)n，当k＝1， m＝3，n＝1时，Nr可为5，7，本实施例取Nr＝5；由于本实施例中k＝1，n＝1，电机单元中任意一相绕组所串联的集中电枢绕组111的对数为k＝1(如图2所示定子轴向结构示意图，电机中的A1和A2)，从任意一相的第一个集中电枢绕组起(如从A1起)，有k＝1个相邻放置的集中电枢绕组属于同一相，其后依次设置属于相邻相的k＝1个集中电枢绕组111(即图3 中的B1和C1)，按照上述排列方式，电机中的三相集中电枢绕组的排列方式为： A1-B1-C1-A2-B2-C2。属于同相的k＝1个集中电枢绕组111与次级的相对位置相差半个转子极距，对应为180度电气角度，如图3中A相两集中电枢绕组A1和A2。此时，集中电枢绕组A1跨过两个导磁齿，其中心线正对着转子10齿的中心线，而集中电枢绕组A2的中心线正对着转子10槽的中心线，二者与转子10的相对位置相差半个转子极距，在空间上相差180度电气角度。

若不考虑永磁体113的影响，由于相邻的集中励磁绕组112产生的磁场方向相反，合理设置定子11上集中电枢绕组A1、A2的绕线方式可使绕组中产生反电动势相互叠加，并呈现出互补性；在转子10旋转一个电周期(即，旋转一个定子10极距)过程中，集中电枢绕组A1和A2存在磁路上的差异；如图3所示位置时，若假定此时集中电枢绕组A1中磁链近似为零，称为第一平衡位置，而集中电枢绕组A2、与A1相对转子的位置不同，相差半个转子 10极距，此时集中电枢绕组A2中的磁链也近似为零，因此该位置称为第二平衡位置。转子 10在逆时针旋转(在图3中，转子10从左向右)一个电周期的过程中，集中电枢绕组A1中磁链幅值变化过程为：第一平衡位置——正最大幅值——第二平衡位置——负最大幅值——第一平衡位置；而集中电枢绕组A2中磁链幅值变化过程为：第二平衡位置——正最大幅值——第一平衡位置——负最大幅值——第二平衡位置。A1和A2集中电枢绕组111中的磁链变化趋势对称互补。集中电枢绕组A1和A2串联成A相绕组后，它们产生的反电势的谐波分量相互抵消，得到的相反电势具有较好的正弦性。具有较好的正弦性，从而减小了转矩波动，非常适用于无刷交流(BLAC)控制；B，C两相同样具有A相的特点，三相之间相位互差120°电角度。

若集中励磁绕组112中通入的电流为零，仅考虑永磁体113的作用时，由于所有永磁体 113的充磁方向均沿同一圆周切线方向，永磁磁场仅在定子11、形成闭合磁路，不会穿过气隙和转子10，因此不会产生电磁转矩。如图3所示，由于轭部的存在，电机大部分的磁路是经过永磁体113所在槽的轭部，以PM1为例，永磁磁场的磁路可以描述为：PM1——PM1 相邻的定子导磁齿——轭部——PM1相邻的另外一个定子齿——回到PM1。由于永磁体113 的充磁方向沿圆周方向充磁，以永磁体PM1为参考，所以少部分永磁磁路可以描述为：PM1——与PM1相邻的定子导磁齿——轭部——与PM2相邻的定子导磁齿——PM2——与PM2 相邻的定子导磁齿——轭部——与PM3相邻的定子导磁齿——PM3——与PM3相邻的定子导磁齿——轭部——回到PM1，最终形成闭合磁路。永磁磁场在穿过永磁体113时，必然会穿过永磁体113***的集中电枢绕组111，比如当永磁磁场穿过PM2的同时必然会穿过集中电枢绕组A2，但是由于气隙磁阻较大，永磁磁场不会通过气隙进入转子10，因此穿入和穿出集中电枢绕组A2的永磁磁场相同，最终集中电枢绕组A2中的永磁磁链为零；而对于A 相的其他集中电枢绕组A1来说，由于永磁磁链仅穿过绕组外侧的定子轭部，不会穿入或穿出集中电枢绕组A1，它的永磁磁链也为零。这一现象不随转子10的转动而改变，因此在转子10旋转的过程中A相的磁链始终为零，无相反电势产生。由于永磁体113均匀分布且三相对称，B、C两相同样具有A相的特点，这一特性有效地消除了传统混合励磁磁通切换电机在发生短路故障时无法完全灭磁导致短路电流过大的缺点。

当同时考虑永磁体113和集中励磁绕组112产生的磁场时，由于永磁体113的充磁方向和位于其径向外侧的集中励磁绕组112产生的磁场方向相反，具体表现为：一方面，在定子轭部，永磁磁场和电励磁磁场方向相反，当定子11的磁场饱和程度过高，永磁磁场能有效地减少定子轭部磁场的饱和程度，并有效降低电机铁耗；另一方面，永磁磁场可以降低定子导磁齿110的磁场饱和程度，从而间接提高三相绕组中的励磁磁链，因此，可以有效提高三相绕组的反电势。

当电机需要运行在大扭矩时，增加直流励磁电流的大小，从而增强电机的励磁磁场强度，可以提高电机励磁效率；小扭矩时，可以增加直流励磁电流，提高减小转矩，提高电机的效率。

实施例2

图4为一台盘式混合励磁磁通切换电机。本实施例中，m＝3，n＝2，k＝1，q＝1。与实施例 1电机的不同之处在于，本实施例定子11上电机单元数n＝2。即，该电机为三相电机，具有 A、B、C三相，包含2个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组，定子11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*n*k＝24；导磁齿依次设有集中电枢绕组111的个数为2*m*n*k＝12，每个集中电枢绕组111跨两个导磁齿110，相邻的集中电枢绕组111共用一个槽；其余 2*m*k*n＝12个槽中依次设置2*m*k*n＝12个集中励磁绕组112，每个集中励磁绕组112跨相邻的两个导磁齿110，每两个集中励磁绕组112共用一个槽，相邻两集中励磁绕组112产生的磁场方向相反；定子11中第一电机单元中的集中励磁绕组串联联接组成第一集中励磁绕组单元，第一集中励磁绕组单元和第二集中励磁绕组单元可串联或并联组成集中励磁绕组；所述定子11上永磁体113的块数为m*q＝3，均匀镶嵌在励磁槽轴向内侧，每两块永磁体之间间隔 4*k*n/q＝8个定子导磁齿110，所有永磁体113的充磁方向均沿同一圆周切线方向，并和所在的励磁槽中的集中励磁绕组产生的磁场方向相反。转子10为齿槽型，转子导磁齿的个数为 Nr＝(2*m*k±1)n，当k＝1，m＝3，n＝2时，Nr可为10，14，本实施例取Nr＝14；

由于本实施例中k＝1，n＝2，电机单元中任意一相绕组所串联的集中电枢绕组111的对数为k＝1(如图5所示定子轴向结构示意图，第一电机单元中的A1和A2或第二电机单元中的 A3和A4)，从任意一相的第一个集中电枢绕组起(如从A1起)，有k＝1个相邻放置的集中电枢绕组属于同一相，其后依次设置属于相邻相的k＝1个集中电枢绕组111(即图6中的B1 和C1)，按照上述排列方式，第一电机单元中的三相集中电枢绕组的排列方式为： A1-B1-C1-A2-B2-C2。属于同相的2k＝2个集中电枢绕组111与次级的相对位置相差半个转子极距，对应为180度电气角度，图6中A相两集中电枢绕组A1和A2。此时，集中电枢绕组A1跨过两个导磁齿，其中心线正对着转子10齿的中心线，而集中电枢绕组A2的中心线正对着转子10槽的中心线，二者与转子10的相对位置相差半个转子极距，在空间上相差180度电气角度。

若不考虑永磁体113的影响，由于相邻的集中励磁绕组112产生的磁场方向相反，合理设置定子11上集中电枢绕组A1、A2的绕线方式可使绕组中产生反电动势相互叠加，并呈现出互补性；在转子10旋转一个电周期(即，旋转一个定子10极距)过程中，集中电枢绕组A1和A2存在磁路上的差异；如图3所示位置时，若假定此时集中电枢绕组A1中磁链近似为零，称为第一平衡位置，而集中电枢绕组A2与A1相对转子的位置不同，相差半个转子 10极距，此时集中电枢绕组A2中的磁链也近似为零，因此该位置称为第二平衡位置。转子 10在逆时针旋转(在图6中，转子10从左向右)一个电周期的过程中，集中电枢绕组A1中磁链幅值变化过程为：第一平衡位置——正最大幅值——第二平衡位置——负最大幅值——第一平衡位置；而集中电枢绕组A2中磁链幅值变化过程为：第二平衡位置——正最大幅值——第一平衡位置——负最大幅值——第二平衡位置。A1和A2两部分集中电枢绕组中的磁链变化趋势对称互补。集中电枢绕组A1和A2串联成A相绕组后，它们产生的反电势的谐波分量相互抵消，得到的相反电势具有较好的正弦性。同样，第二电机单元中的集中电枢绕组A3、A4也具有第一电机单元的特性，因此，集中电枢绕组A3、A4之间也具有互补特性。当两个电机单元中的集中电枢绕组A1、A2、A3和A4串联组成定子11的A相绕组时，集中绕组中产生的反电势高次谐波相互抵消，具有较好的正弦性，从而减小了转矩波动，非常适用于无刷交流(BLAC)控制；B，C两相同样具有A相的特点，三相之间相位互差120°电角度。

若集中励磁绕组112中通入的电流为零，仅考虑永磁体113的作用时，由于所有永磁体 113的充磁方向均沿同一圆周切线方向，永磁磁场仅在定子11、形成闭合磁路，不会穿过气隙和转子10，因此不会产生电磁转矩。如图6所示，由于轭部的存在，电机大部分的磁路是经过永磁体113所在槽的轭部，以PM1为例，永磁磁场的磁路可以描述为：PM1——PM1 相邻的定子齿——定子轭部——PM1相邻的另外一个定子齿——回到PM1。由于永磁体沿同圆周切线方向充磁，所以一部分磁路是沿定子11轭部圆周形成回路，若以PM1为参考，永磁磁场的磁路可以描述为：PM1——与PM1相邻的定子导磁齿——定子轭部——与PM2相邻的定子导磁齿——PM2——PM2相邻的定子导磁齿——定子轭部——PM3相邻的定子导磁齿——PM3——PM3相邻定子导磁齿——定子轭部——PM1相邻的永磁体——回到PM1，并按照此路径依次穿过余下的永磁体113，最终形成闭合磁路。永磁磁场在穿过永磁体113时，必然会穿过永磁体113***的集中电枢绕组111，比如当永磁磁场穿过PM2的同时必然会穿过集中电枢绕组A12，但是由于气隙磁阻较大，永磁磁场不会通过气隙进入转子10，因此穿入和穿出集中电枢绕组A2的永磁磁场相同，最终集中电枢绕组A2中的永磁磁链几乎为零；而对于A相的其他集中电枢绕组A1、A3和A4来说，由于永磁磁链仅穿过绕组外侧的定子轭部，不会穿入或穿出集中电枢绕组A1、A3和A4，它们的永磁磁链也为零。这一现象不随转子10的转动而改变，因此在转子10旋转的过程中A相的磁链始终为零，无相反电势产生。由于永磁体113均匀分布且三相对称，B、C两相同样具有A相的特点。因此本实施例具有与实施例1相同的特性。

实施例3

图7为一台盘式混合励磁磁通切换电机。本实施例中，m＝3，n＝2，k＝1，q＝2。与实施例 2电机的不同之处在于，本实施例定子11上永磁体113的块数m*q＝6，均匀镶嵌在励磁槽轴向内部，每两块永磁体之间间隔4*k*n/q＝4个定子导磁齿110。所有永磁体113的充磁方向均沿同一圆周切线方向，并和所在的励磁槽中的集中励磁绕组产生的磁场方向相反。

在本实施例中，如图8所示，电机绕组的数量和排列方式同实施例2，三相绕组中的磁链变化和反电动势具有与实施例2相同的特性。永磁体块数相对于实施例2电机增加了一倍，定子11上m*q＝6块永磁体均匀分布且相互对称。由于本实施例电机中永磁体113的充磁方向与实施例1电机具有相同的特点，如图9所示，由于永磁体所在槽轭部的存在，大部分的用磁场经过轭部，以PM1为例可以描述为：PM1——PM1相邻定子导磁齿110——轭部——PM1相邻另一定子导磁齿110——PM1，其他永磁体113的磁路与PM1类似。永磁磁场的一部分磁路依然可以描述为：PM1——与PM1相邻的定子导磁齿110——定子轭部——与PM2 相邻的定子导磁齿110——永磁体PM2，并按照此路径依次穿过余下的永磁体113，最终形成闭合磁路。永磁磁场在穿过永磁体113时，必然会穿过永磁体113***的集中电枢绕组111，比如当永磁磁场穿过PM1或PM4的同时必然会穿过集中电枢绕组B1或B3，但是由于气隙磁阻较大，永磁磁场不会通过气隙进入转子10，因此穿入和穿出集中电枢绕组B1或B3的永磁磁场相同，最终集中电枢绕组B1或B3中的永磁磁链几乎为零；而对于B相的其他集中电枢绕组B2和B4来说，由于永磁磁链仅穿过绕组外侧的定子轭部，不会穿入或穿出集中电枢绕组B2和B4，它们的永磁磁链也为零。这一现象不随转子10的转动而改变，在转子10旋转的过程中A相的磁链始终为零，无相反电势产生。由于永磁体113均匀分布且三相对称， A、C两相同样具有B相的特性。因此本实施例具有与实施例2相同的特性。

实施例4

图10为一台盘式混合励磁磁通切换电机。本实施例中，m＝3，n＝1，k＝2，q＝1。与实施例1电机的不同之处在于，本实施例中每个电机单元中每一相集中电枢绕组串联的集中电枢绕组111对数k＝2。即，该电机为三相电机，具有A、B、C三相，包含1个电机单元，每个电机单元中有k＝2对集中电枢绕组，定子11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*n*k＝24；导磁齿依次设有集中电枢绕组111的个数为2*m*n*k＝12，每个集中电枢绕组111跨两个导磁齿110，相邻的集中电枢绕组111共用一个槽；其余2*m*k*n＝12个槽中依次设置2*m*k*n＝12个集中励磁绕组112，每个集中励磁绕组112跨相邻的两个导磁齿110，每两个集中励磁绕组112共用一个槽，相邻两集中励磁绕组112产生的磁场方向相反；定子11中第一电机单元中的集中励磁绕组串联联接组成第一集中励磁绕组单元，第一集中励磁绕组单元和第二集中励磁绕组单元可串联或并联组成集中励磁绕组；所述定子11上永磁体113的块数为m*q＝3，均匀镶嵌在励磁槽轴向内侧，每两块永磁体之间间隔4*k*n/q＝8个定子导磁齿110，所有永磁体113的充磁方向均沿同一圆周切线方向，并和所在的励磁槽中的集中励磁绕组112产生的磁场方向相反。转子10为齿槽型，转子导磁齿的个数为Nr＝(2*m*k±1)n，当k＝1，m＝3，n＝2时，Nr 可为11，13，本实施例取Nr＝13。

由于本实施例中k＝2，n＝1，电机单元中任意一相绕组所串联的集中电枢绕组111的对数为k＝2(如图11所示定子轴向结构示意图，电机单元中的A11和A22)，从任意一相的第一个集中电枢绕组起(如从A11起)，有k＝2个相邻放置的集中电枢绕组属于同一相，其后依次设置属于相邻相的k＝2个集中电枢绕组111(即图12中的B11和C12)，按照上述排列方式，电机单元中的三相集中电枢绕组的排列方式为： A11-A12-B11-B12-C11-C12-A21-A22-B21-B22-C21-C22。属于同相的2k＝4 个集中电枢绕组111与次级的相对位置相差半个转子极距，对应为180度电气角度，如图3 中A相两集中电枢绕组A11和A21。此时，集中电枢绕组A11跨过两个导磁齿，其中心线正对着转子10齿的中心线，而集中电枢绕组A21的中心线正对着转子10槽的中心线，二者与转子10的相对位置相差半个转子极距，在空间上相差180度电气角度。由于A11与A12， A21与A22与转子10的相对位置较接近，集中绕组A11、A12、A21和A22串联成A相绕组时，A相绕组反电势幅值稍小于集中绕组A11、A12、A21和A22基波幅值的四倍。B相和C相绕组具有同样的特点。因此本实施例具有与实施例1相同的特性。

实施例5

图13也为一台盘式混合励磁磁通切换电机。本实施例中，m＝5，n＝1，k＝1，q＝1，即，该电机为五相电机，定子11包含1个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组，定子11上导磁齿110的个数为Ns＝4*m*n*k＝20；导磁齿依次设有集中电枢绕组111的个数为 2*m*n*k＝10，每个集中电枢绕组111跨两个导磁齿110，相邻的集中电枢绕组111共用一个槽；其余2*m*k*n＝10个槽中依次设置2*m*k*n＝10个集中励磁绕组112，每个集中励磁绕组 112跨相邻的两个导磁齿110，每两个集中励磁绕组112共用一个槽，相邻两集中励磁绕组112 产生的磁场方向相反；定子11中第一电机单元中的集中励磁绕组串联联接组成第一集中励磁绕组单元，第一集中励磁绕组单元和第二集中励磁绕组单元可串联或并联组成集中励磁绕组；所述定子11永磁体113的块数为m*q＝5，均匀镶嵌在励磁槽轴向内侧，每两块永磁体之间间隔4*k*n/q＝4个定子导磁齿110，所有永磁体113的充磁方向均沿同一圆周切线方向，并和所在的励磁槽中的集中励磁绕组产生的磁场方向相反。转子10为导磁材料组成的齿槽型结构，转子导磁齿的个数为Nr＝(2*m*k±1)n，当k＝1，m＝5，n＝1时，Nr可为9，11，本实施例取 Nr＝11。本实施例电机中任意一相绕组所串联的集中电枢绕组111的对数为k＝1。如图14所示，A相集中电枢绕组由两个集中电枢绕组A1、A2串联组成，集中电枢绕组A1跨过两个导磁齿110，其中心线正对着转子10齿的中心线，而集中电枢绕组A2的中心线正对着转子10 槽的中心线，二者与转子10的相对位置相差半个转子极距，在空间上相差180度电气角度。因此，该电机同样具有磁路互补特性，每相绕组中产生的反电势高次谐波相互抵消，最终得到的相反电势具有较好的正弦性。

本实施例电机中永磁体113的充磁方向与实施例1电机也具有相同的特点，永磁磁场仅在定子11形成闭合磁路。如图15所示，由于永磁体113所在槽的轭部的存在，大部分的永磁体113的磁路只经过相邻导磁齿110和永磁体113所在槽的轭部，以PM1为例，可以描述为：PM1——PM1相邻定子导磁齿110——轭部——PM1相邻另一导磁齿——PM1。永磁磁场的少部分磁路依然可以描述为：PM1——与PM1相邻的定子导磁齿——定子轭部——与 PM2相邻的定子导磁齿——PM2，并按照此路径依次穿过余下的永磁体，最终形成闭合磁路。永磁磁场穿过永磁体PM1的同时必然会穿过集中电枢绕组B1，但是由于气隙磁阻较大，永磁磁场不会通过气隙进入转子10，因此穿入和穿出集中电枢绕组B11的永磁磁场相同，最终集中电枢绕组B11中的永磁磁链几乎为零；而对于B相的其他集中电枢绕组B2来说，由于永磁磁链仅穿过绕组外侧的定子11轭部，不会穿入或穿出集中电枢绕组A2，它们的永磁磁链也为零。这一现象不随转子10的转动而改变，在转子10旋转的过程中A相的磁链始终为零，无相反电势产生。由于永磁体113均匀分布，B、C、D、E相同样具有A相的特性。因此本实施例电机同样具备本实用新型电机的特点。

实施例6

图16为一台盘式双定子混合励磁磁通切换电机，本实施例由实施例2沿转子10外端面对称得到，为磁路并联型混合励磁磁通切换电机，电机两个定子11可以单独工作，也可以并联工作或串联工作。本实施例中，m＝3，n＝2，k＝1，q＝1，本实施例单个定子11上电机单元数n＝2。即，该电机为三相电机，具有A、B、C三相，包含2个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组，单个定子11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*n*k＝24；导磁齿依次设有集中电枢绕组111的个数为2*m*n*k＝12，每个集中电枢绕组111跨两个导磁齿110，相邻的集中电枢绕组111共用一个槽；其余2*m*k*n＝12个槽中依次设置2*m*k*n＝12个集中励磁绕组112，每个集中励磁绕组112跨相邻的两个导磁齿110，每两个集中励磁绕组112共用一个槽，相邻两集中励磁绕组112产生的磁场方向相反；单个定子11中第一电机单元中的集中励磁绕组串联联接组成第一集中励磁绕组单元，第一集中励磁绕组单元和第二集中励磁绕组单元可串联或并联组成集中励磁绕组；两个定子上的励磁单元可以并联或串联，也可以单独控制；所述单个定子11上永磁体113的块数为m*q＝3，均匀镶嵌在励磁槽轴向内侧，每两块永磁体之间间隔4*k*n/q＝8个定子导磁齿110，所有永磁体113的充磁方向均沿同一圆周切线方向，并和所在的励磁槽中的集中励磁绕组产生的磁场方向相反。转子10为齿槽型，转子导磁齿的个数为Nr＝(2*m*k±1)n，当k＝1，m＝3，n＝2时，Nr可为10，14，本实施例取Nr＝14；由于本实施例是有实施例2对称得到的，所以，电机的特性并没有改变，两个定子11单元可以单独控制，同相集中电枢绕组111也可以通过串联或并联组成一相绕组来控制。

在励磁电流为零时，电机中的磁场与实施例2中磁场的相同，只在定子11侧形成回路。不考虑永磁体113的影响，如果两个定子11中集中励磁绕组112均通入正电流时，可以得出两个定子11在转子10的磁路是相反。为了提高电机效率，使得对称得到的定子11中集中励磁绕组112中通入负的励磁电流，由于永磁体113与相同槽的集中励磁绕组的磁场方向相反，所以，对称得到的定子11上永磁体113上的充磁方向相同，如图17所示。由于两个定子可以单独工作也可以串联或并联工作，所以对称得到的定子11上的永磁体113的个数可以与原定子11相同，也可以不同，其核心在于保证永磁磁场方向与所在槽励磁磁场方向相反，且保证4*n*k/q为正整数。

实施例7

图18为一台双定子混合励磁磁通切换电机，本实施例由实施例2沿转子外部端面对称而来，为磁路串联型混合励磁磁通切换电机，与实施例6不同点在于，转子10无轭部，为了满足永磁体113与相同槽励磁磁场方向相反，永磁体113的充磁方向与原定子11的充磁方向相反，如图19所示。当励磁电流为为零时，永磁磁场具有与实施例2和实施例6相同的特性。当通入励磁电流时，励磁磁路不同于实施例6，励磁磁路经过两个定子11和转子10形成回路，不同于实施例6在单个定子11和转子10之间形成回路，因此称之为串联磁路型混合励磁磁通切换电机。磁路串联型电机，一般两边同时工作。两侧定子11上的永磁体113的数量可以相同，也可以不同，其核心在于保证永磁磁场方向与所在槽励磁磁场方向相反，且保证4*n*k/q为正整数。

实施例8

图20为一台双转子混合励磁磁通切换电机，由实施例2沿定子11外侧端面对称得到。如图21所示，为使得在定子11轭部产生的磁场方向相同，改变对称得到一侧的集中励磁绕组112的电流方向，这样在定子11的磁场方向相同，此时，为磁路并联型混合励磁磁通切换电机。集中电枢绕组111和永磁体113的方向保持不变。单侧电机具有实施例2相同的特性，两侧集中电枢绕组可以串联或并联运行，该电机具有与实施例2相同的特性。当电机中励磁电流为零时，由于定子轭部的存在，以PM1为例，电机中永磁磁路可以描述为：PM1——PM1 相邻的导磁齿110——轭部——PM1另一相邻导磁齿110——回到PM1。由于永磁体113的充磁方向沿同一圆周方向，所以有一部分永磁磁路可以描述为：PM1——PM1相邻导磁齿110 ——轭部——PM2相邻导磁齿——PM2——PM2另一相邻导磁齿110——轭部——PM3相邻导磁齿110——PM3——PM3另一导磁齿——轭部——PM1另一导磁齿——回到PM1。因此本实施例具有与实施例2相同的特性。

实施例9

图22为一台双转子混合励磁磁通切换电机，由实施例2沿定子11外侧端面对称得到。如图23所示，为磁力串联型混合励磁磁通切换电机。对称得到的绕组结构与原定子11上相同，为了满足永磁体113的磁场方向与所在槽励磁磁场方向相反，对称得到的永磁体113的充磁方向反向。由于电机上下两部分的磁路是串联的，定子11中的磁场水平分量很小，因此可以将所有槽的轭部出去。当集中励磁绕组112通入的电流为零时，上下两侧的永磁磁路串联，以PM3和PM6为例，可以描述为：PM3——PM3相邻的导磁齿110——PM6——PM6 相邻的导磁齿110——回到PM。当集中励磁绕组112中通入正向电流时，不考虑永磁体113 的影响，励磁磁场的磁路经过上下两个转子和气隙进入定子，可以描述为：定子导磁齿110 ——上侧气隙——上侧转子——上侧气隙——另一定子导磁齿110——下侧气隙——下侧转子——下侧气隙——回到定子导磁齿。因此本实施例具有实施例2相同的特性。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种多相盘式混合励磁磁通切换电机，其特征在于，由定子(11)、转子(10)、集中电枢绕组(111)、集中励磁绕组(112)和永磁体(113)组成；所述定子(11)和转子(10)均由导磁材料构成且二者之间具有气隙，所述定子(11)上设有定子导磁齿(110)，定子导磁齿(110)之间有槽，部分槽中设有永磁体(113)，定子导磁齿(110)上设有集中电枢绕组(111)和集中励磁绕组(112)；所述定子(11)上导磁齿(110)的个数均为Ns＝4*m*k*n；其中，定子(11)的导磁齿(110)上依次绕有2*m*k*n个集中电枢绕组(111)，每个集中电枢绕组(111)套着相邻的两个导磁齿(110)，相邻的集中电枢绕组(111)共用一个槽，设置集中电枢绕组(111)的槽称为电枢槽；其余2*m*k*n个槽中依次设置集中励磁绕组(112)，每个集中励磁绕组(112)套着相邻的两个定子导磁齿(110)，相邻两个集中励磁绕组(112)共用或间隔一个槽，设置集中励磁绕组(112)的槽称为励磁槽；所述定子(11)上设有总共m*q块永磁体(113)，均匀地镶嵌在励磁槽外侧；槽中的集中励磁绕组(112)分布在永磁体(113)的轴向外侧；永磁体(113)均匀分布，每两块永磁体(113)之间间隔4*k*n/q个定子导磁齿(110)；所述转子(10)为导磁材料组成的齿槽型结构，转子导磁齿的个数为Nr＝(2*m*k±1)n；

其中，m为电机的相数，n为电机单元数，k为每个电机单元中任意一相集中电枢绕组串联的集中电枢绕组(111)对数，m、n、k、q均为正整数，其中q为小于2*n*k的正整数。

2.根据权利要求1所述的一种多相盘式混合励磁磁通切换电机，其特征在于，每个电机单元中任意一相集中电枢绕组由k对集中电枢绕组(111)串联组成，从任意一相的第一个集中电枢绕组(111)起，将k个连续放置的集中电枢绕组(111)设置为同一相，其后依次设置属于相邻相的k个集中电枢绕组(111)，按上述排列方式依次排列，直至电机单元全部排列完成；属于同相的2k个集中电枢绕组(111)形成k对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两个集中电枢绕组(111)与转子(10)的相对位置相差半个转子极距τ_s，对应为180度电角度，n个电机单元依次设置，不同电机单元中属于同相的集中电枢绕组(111)串联或并联联接。

3.根据权利要求1所述的一种多相盘式混合励磁磁通切换电机，其特征在于，当每两个集中励磁绕组(112)间隔一个槽时，集中励磁绕组(112)产生的磁场方向相同；当每两个集中励磁绕组(112)共用一个槽时，相邻两集中励磁绕组(112)产生的磁场方向相反；每个电机单元中的集中励磁绕组(112)串联成集中励磁绕组单元，n个电机单元中的集中励磁绕组(112)单元串联或并联联接。

4.根据权利要求1所述的一种多相盘式混合励磁磁通切换电机，其特征在于，所有永磁体(113)的充磁方向沿同一圆周切线方向；每块永磁体(113)的充磁方向和相同槽集中励磁绕组(112)的磁场方向相反；当集中励磁绕组(112)中通入的励磁电流为零时，电机中只存在永磁磁场，且永磁磁场只在定子(11)部分形成环形闭合磁路，不会穿过气隙和转子(10)，集中电枢绕组(111)匝链的总磁通为零。

5.根据权利要求1所述的一种多相盘式混合励磁磁通切换电机，其特征在于，所述集中励磁绕组(112)和集中电枢绕组(111)为铜或超导材料。

6.根据权利要求1所述的一种多相盘式混合励磁磁通切换电机，其特征在于，所述永磁体为铁氧体、铝铁硼等稀土材料。

7.根据权利要求1所述的一种多相盘式混合励磁磁通切换电机，其特征在于，以定子(11)外侧端面为镜像面，得到磁路并联型双转子盘式混合励磁磁通切换电机，去除定子槽的轭部，电机磁路通过两个转子(10)和定子(11)，电机为磁路串联型混合励磁磁通切换电机。

8.根据权利要求1所述的一种多相盘式混合励磁磁通切换电机，其特征在于，以转子(10)最外侧端面为镜像面，得到磁路并联型双定子盘式混合励磁磁通切换电机，去处转子(10)的轭部，电机磁路经过两个定子(11)和转子，得到磁路串联型双定子盘式混合励磁磁通切换电机。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的一种多相盘式混合励磁磁通切换电机，其特征在于，所述盘式混合励磁磁通切换电机是电动机或发电机。

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