CN110460175A - 一种轴向磁通集中绕组型混合励磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轴向磁通集中绕组型混合励磁电机。该电机包括一个定子盘和两个转子盘，其中定子盘包括定子铁心、电枢绕组、励磁绕组和导磁环，转子盘包括转子背轭、导磁极块和永磁体；定子盘的定子铁心左右两侧开有定子槽，电枢绕组安装在定子铁心的导磁轭上；两个转子盘分别设置在定子盘两侧，转子极数与定子槽数匹配形成集中绕组电机结构；永磁体和导磁极块交替安装在转子盘上，两个转子盘错开一个极安装在定子盘两侧，其中导磁极块在径向方向向外圈延伸，并与定子铁心上导磁环在轴向方向上形成励磁磁场的附加气隙。本发明功率密度高、磁场调节范围宽，在电动汽车驱动系统、混合动力发电系统、航空电推进系统中具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及轴向磁通永磁电机技术领域，特别是一种轴向磁通集中绕组型混合励磁电机。
背景技术
混合励磁电机综合永磁电机高效率、高功率密度和电磁式同步电机磁场调节方便的优点，最大限度发挥两者优势。通过励磁电流的调节，弱磁扩速能力大幅提高，低速大转矩和高速弱磁运行的效率显著提升；同时通过励磁电流的调节可以保证低转矩负载下的转矩精度控制，并且进一步提高短时强过载能力，从而可以很好的兼顾轮毂电机在以下四个方面的要求：①宽转速范围运行电机本体的高效运行区范围需要进一步扩大；②强过载与宽转速弱磁能力同时兼具；③在宽的负载转矩变化范围下应能够有效保证转矩精度；④高速运行下电枢电流弱磁控制失效后反电势冲击下保证整车电气系统的安全性。而轴向磁场永磁电机具有转矩密度高，定子结构形式多样，过载能力强，轴向结构紧凑等显著优势，适合在车辆轮毂内集成，因此混合励磁轴向电机作为轮毂电机，在分布式驱动电动汽车领域具有较大的应用价值和前景。
目前混合励磁轴向磁场电机已经引起了国内外学者的广泛关注。现有的混合励磁轴向磁场永磁电机都是在传统轴向磁场混合励磁电机的基础上引入励磁绕组，或采用转子磁分路的结构实现电励磁的无刷化，或采用转子磁极分割型结构在定子上加入励磁绕组。例如，文献1(Comparative study of new axial field permanent magnet hybridexcitation machines，EGIET Electric Power Applications,2017)中描述的轴线磁场混合励磁电机具有较高的转矩密度和较好磁场调节特性，然而该类型电机转子需要在轴向延长，失去了轴向电机轻薄结构的特殊优势，难以作为轮毂电机实现一体化集成。IEEE Trans.Ind.Electron.发表的期刊论文(Design,Analysis,and Control ofa Hybrid Field-Controlled Axial-Flux Permanent-Magnet Motor，Metin Aydin,Surong Huang,Thomas A.Lipo，IEEE Transactions on Industrial Electronics，Volume:57,Issue:1,Jan.2010)中描述的轴向磁场混合励磁电机采用的是磁极分割型结构，该结构在定子上引入了励磁绕组，调磁能力相比于永磁电机得到了大幅度改进，然而该结构励磁绕组至于定子中间的漏磁较大，且功率密度有待进一步提高，同时励磁绕组的安装空件受到了一定的限制；专利CN200510112091公开的双馈电混合励磁轴向磁场永磁电机也属于该类型混合励磁电机结构拓扑。另外，近年来磁阻电机的长足发展也衍生出一系列的混合励磁磁通切换型轴向磁场电机，例如专利CN201710086123公开的一种双H形定子铁心双转子混合励磁型轴向磁通切换永磁电机、CN201610944356公开的一种盘式双定子混合励磁电动机都属于混合励磁磁通切换型轴向磁场电机，该类型电机具有磁场调节方便、结构简单等优势；然而该类型电机的基本原理给电机本体的功率密度和结构强度的提升带来了较大的挑战，其采用磁通单极性切换，铁心利用率低，难以达到同步励磁电机的转矩面密度水平。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率密度高、磁场调节范围宽的轴向磁通集中绕组型混合励磁电机。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种轴向磁通集中绕组型混合励磁电机，包括一个定子盘和两个转子盘，其中定子盘包括定子铁心、电枢绕组、励磁绕组和导磁环，转子盘包括转子背轭、导磁极块和永磁体；
所述定子盘的定子铁心左右两侧开有12N个定子槽，N为自然数，电枢绕组安装在定子铁心的导磁轭上，电枢绕组为环形结构；所述励磁绕组安装在定子铁心外圈或定子铁心内圈，或者定子铁心内外圈同时安装；
所述两个转子盘分别设置在定子盘两侧，转子极数与定子槽数匹配形成集中绕组电机结构；所述永磁体和导磁极块交替安装在转子盘上，形成10N极转子磁场，两个转子盘错开一个极安装在定子盘两侧，其中导磁极块在径向方向向外圈延伸，并与定子铁心上导磁环在轴向方向上形成励磁磁场的附加气隙。
作为一种具体示例，所述定子铁心的定子槽槽型和数量一致，定子铁心采用硅钢片钢带卷绕而成，或者采用软磁复合材料压铸成型。
作为一种具体示例，所述定子铁心采用模块化结构，且定子铁心上开槽预留的定子额的厚度与定子齿的厚度相同。
作为一种具体示例，所述励磁绕组安装在电枢绕组外圈时，导磁环安装在励磁绕组外圈，励磁绕组安装在电枢绕组内圈时，导磁环安装在励磁线圈内圈；定子铁心内外圈同时安装励磁绕组时，导磁环安装在定子机壳上，定子机壳在导磁环外圈。
作为一种具体示例，所述导磁环采用硅钢片卷绕而成或采用软磁复合材料压铸而成。
作为一种具体示例，所述导磁极块的材料与定子铁心或导磁环相同。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)采用分槽环形集中绕组的形式，减小乐轴向端部绕组电损耗，提高了电机的效率；(2)采用模块化定子的结构，绕组采用扁线直接成型技术，提高了绕组槽满率和绕线工艺性能，提升了转矩密度；(3)利用SMC材料的轴向导磁作用，实现了并联磁路，永磁磁路和电励磁磁路耦合小，调磁效果好，减小了永磁体退磁风险；(4)采用轴向磁场结构，励磁绕组圆环结构易于提高槽满率，且轴向长度短，更易于轮毂集成。
附图说明
图1是本发明的轴向磁通集中绕组型混合励磁电机的结构示意图，其中(a)为励磁绕组安装在定子铁心外圈时的混合励磁电机爆炸图，(b)为励磁绕组安装在定子铁心外圈时的混合励磁电机立体图，(c)为励磁绕组安装在定子铁心内圈时的混合励磁电机爆炸图。
图2是本发明实施例中12槽10对极轴向磁通集中绕组型混合励磁电机的定子铁心的结构示意图。
图3是本发明实施例中转子导磁体的结构示意图。
图4是本发明实施例中转子永磁体的结构示意图。
图5是本发明实施例中12槽10对极轴向磁通集中绕组型混合励磁电机的模块化定子的结构示意图。
图6是本发明实施例中12槽10对极轴向磁通集中绕组型混合励磁电机的模块化定子单个模块的结构示意图。
图中：1、定子铁心；2、电枢绕组；3、永磁体；4、励磁绕组；5、导磁环；6、导磁极块；7、转子背轭。
具体实施方式
本发明轴向磁通集中绕组型混合励磁电机，包括一个定子盘和两个转子盘，其中定子盘包括定子铁心1、电枢绕组2、励磁绕组4和导磁环5，转子盘包括转子背轭7、导磁极块6和永磁体3；
所述定子盘的定子铁心1左右两侧开有12N个定子槽，N为自然数，电枢绕组2安装在定子铁心1的导磁轭上，电枢绕组2为环形结构；所述励磁绕组4安装在定子铁心1外圈或定子铁心1内圈，或者定子铁心1内外圈同时安装；
所述两个转子盘分别设置在定子盘两侧，转子极数与定子槽数匹配形成集中绕组电机结构；所述永磁体3和导磁极块6交替安装在转子盘上，形成10N极转子磁场，两个转子盘错开一个极安装在定子盘两侧，其中导磁极块6在径向方向向外圈延伸，并与定子铁心1上导磁环5在轴向方向上形成励磁磁场的附加气隙。
进一步地，所述定子铁心1的定子槽槽型和数量一致，定子铁心1采用硅钢片钢带卷绕而成，或者采用软磁复合材料压铸成型。
进一步地，所述定子铁心1采用模块化结构，且定子铁心1上开槽预留的定子额的厚度与定子齿的厚度相同。
进一步地，所述励磁绕组4安装在电枢绕组2外圈时，导磁环5安装在励磁绕组4外圈，励磁绕组4安装在电枢绕组2内圈时，导磁环5安装在励磁线圈4内圈；定子铁心1内外圈同时安装励磁绕组4时，导磁环5安装在定子机壳上，定子机壳在导磁环外圈。
进一步地，所述导磁环5采用硅钢片卷绕而成或采用软磁复合材料压铸而成。
进一步地，所述导磁极块6的材料与定子铁心1或导磁环5相同。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
结合图1，本发明一种轴向磁通集中绕组型混合励磁电机，包括一个定子盘和两个转子盘，其中定子盘包括定子铁心1、电枢绕组2、励磁绕组4和导磁环5，转子盘包括转子背轭7、导磁极块6和永磁体3；
图1(a)为励磁绕组安装在定子铁心外圈时的混合励磁电机爆炸图，图1(b)为励磁绕组安装在定子铁心外圈时的混合励磁电机立体图，图1(c)为励磁绕组安装在定子铁心内圈时的混合励磁电机爆炸图。
结合图2，所述定子盘的定子铁心1左右两侧开有12个定子槽，电枢绕组2安装在定子铁心1的导磁轭上，电枢绕组2为环形结构，励磁绕组4安装在电枢绕组2内圈或外圈，导磁环5安装在励磁绕组4外圈；
结合图3、图4，所述两个转子盘分别设置在定子盘两侧，转子极数与定子槽数匹配形成集中绕组电机结构；所述永磁体3和导磁极块6交替安装在转子盘上，两个转子盘错开一个极安装在定子盘两侧，其中导磁极块6在径向方向向外圈延伸与定子铁心1上导磁环5在轴向方向上形成励磁磁场的附加气隙。
进一步地，结合图5、图6，所述定子铁心1的定子槽槽型和数量一致，定子铁心1采用硅钢片钢带卷绕而成，或者采用软磁复合材料压铸成型；定子铁心1上开槽预留的定子额的厚度与定子齿的厚度相同；定子铁心1可采用模块化结构。
进一步地，所述励磁绕组4可以安装在定子铁心1外圈、定子铁心1内圈，或者定子铁心1内外圈同时安装；所述导磁环5安装在励磁绕组4外圈；所述导磁环5采用硅钢片卷绕而成或采用软磁复合材料压铸而成。
进一步地，所述导磁极块6的材料与定子铁心1或导磁环5相同。
本发明采用分槽环形集中绕组的形式，减小乐轴向端部绕组电损耗，提高了电机的效率；采用模块化定子的结构，绕组采用扁线直接成型技术，提高了绕组槽满率和绕线工艺性能，提升了转矩密度；利用SMC材料的轴向导磁作用，实现了并联磁路，永磁磁路和电励磁磁路耦合小，调磁效果好，减小了永磁体退磁风险；采用轴向磁场结构，励磁绕组圆环结构易于提高槽满率，且轴向长度短，更易于轮毂集成。
Claims (6)
1.一种轴向磁通集中绕组型混合励磁电机，其特征在于，包括一个定子盘和两个转子盘，其中定子盘包括定子铁心(1)、电枢绕组(2)、励磁绕组(4)和导磁环(5)，转子盘包括转子背轭(7)、导磁极块(6)和永磁体(3)；
所述定子盘的定子铁心(1)左右两侧开有12N个定子槽，N为自然数，电枢绕组(2)安装在定子铁心(1)的导磁轭上，电枢绕组(2)为环形结构；所述励磁绕组(4)安装在定子铁心(1)外圈或定子铁心(1)内圈，或者定子铁心(1)内外圈同时安装；
所述两个转子盘分别设置在定子盘两侧，转子极数与定子槽数匹配形成集中绕组电机结构；所述永磁体(3)和导磁极块(6)交替安装在转子盘上，形成10N极转子磁场，两个转子盘错开一个极安装在定子盘两侧，其中导磁极块(6)在径向方向向外圈延伸，并与定子铁心(1)上导磁环(5)在轴向方向上形成励磁磁场的附加气隙。
2.根据权利要求1所述的轴向磁通集中绕组型混合励磁电机，其特征在于，所述定子铁心(1)的定子槽槽型和数量一致，定子铁心(1)采用硅钢片钢带卷绕而成，或者采用软磁复合材料压铸成型。
3.根据权利要求1或2所述的轴向磁通集中绕组型混合励磁电机，其特征在于，所述定子铁心(1)采用模块化结构，且定子铁心(1)上开槽预留的定子额的厚度与定子齿的厚度相同。
4.根据权利要求1或2所述的轴向磁通集中绕组型混合励磁电机，其特征在于，所述励磁绕组(4)安装在电枢绕组(2)外圈时，导磁环(5)安装在励磁绕组(4)外圈，励磁绕组(4)安装在电枢绕组(2)内圈时，导磁环(5)安装在励磁线圈(4)内圈；定子铁心(1)内外圈同时安装励磁绕组(4)时，导磁环(5)安装在定子机壳上，定子机壳设置在导磁环外圈。
5.根据权利要求4所述的轴向磁通集中绕组型混合励磁电机，其特征在于，所述导磁环(5)采用硅钢片卷绕而成或采用软磁复合材料压铸而成。
6.根据权利要求5所述的轴向磁通集中绕组型混合励磁电机，其特征在于，所述导磁极块(6)的材料与定子铁心(1)或导磁环(5)相同。
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