CN113991957A - 一种单相双磁路永磁电机及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源汽车电机领域，具体涉及一种单相双磁路永磁电机及驱动方法，该永磁电机包括定子组件、转子组件和转轴组件；所述定子组件包括定子盘、安装于定子盘上的铁芯、以及缠绕铁芯的绕组，所述绕组连接单相交流电源；所述转子组件包括转子盘和第一永磁体；所述第一永磁体安装于转子盘上；所述转轴组件包括转轴和第二永磁体；所述转轴穿过所述转子盘和定子盘的轴心，与转子盘固定连接，与定子盘转动连接；所述第二永磁体安装于转轴内；所述第一永磁体与第二永磁体的极性方向相反，且磁场强度不同。本发明能够实现永磁电机的自启动，避免设置复杂的启动电路和辅助设备。

Description

一种单相双磁路永磁电机及驱动方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车电机领域，具体涉及一种单相双磁路永磁电机及驱动方法。

背景技术

随着新能源汽车的广泛普及，对于新能源汽车的性能要求越来越高。永磁电机由于高效率、高功率因素广泛应用至新能源汽车。在一般的永磁电机结构中，永磁电机的电磁转矩是由定子电流产生的旋转磁场与永磁体转子的磁场相互作用而产生的，当对永磁电机施加单相交流电时，其转矩的平均值为零，永磁电机无法进行自启动。在现有技术中，为了实现永磁电机的启动，一般包括以下三种方式，其一为利用同磁极对数的异步电机带动启动，其二为外加启动电容或驱动副绕组，进行异步启动，其三为利用变频器逐步提高定子两端的电源频率，进行变频启动。

上述启动方式都需要设计复杂电路、外加辅助结构才能够实现单相永磁电机的启动，这势必影响单相永磁电机的成本和体积。

发明内容

为了解决上述存在的单相永磁电机无法自启动的问题，本发明一方面提供了一种单相双磁路永磁电机，另一方面提供了一种驱动该单相双磁路永磁电机的驱动方法，其具体技术方案如下。

一方面，本发明所提供的一种单相双磁路永磁电机，包括定子组件和转子组件，还包括转轴组件；

所述定子组件包括定子盘、安装于定子盘上的铁芯、以及缠绕铁芯的绕组，所述绕组连接单相交流电源；

所述转子组件包括转子盘和第一永磁体；所述第一永磁体安装于转子盘上；

所述转轴组件包括转轴和第二永磁体；所述转轴穿过所述转子盘和定子盘的轴心，与转子盘固定连接，与定子盘转动连接；所述第二永磁体安装于转轴内；

所述第一永磁体与第二永磁体的极性方向相反，且磁场强度不同。

进一步的，包括两个转子组件，且两个转子组件沿定子盘对称布置；

所述定子盘两侧分别对称布置有铁芯，每个铁芯上分别缠绕有绕组。

进一步的，所述转子盘靠近定子盘的一侧安装有导磁组件；

所述导磁组件包括第一导磁组件和第二导磁组件；所述第一导磁组件包括沿转子盘圆周布置的第一导磁杆；所述第一永磁体安装于第一导磁杆内；所述第二导磁组件包括沿转子盘圆周布置的第二导磁杆、以及与第二导磁杆连接的导磁块；

所述第一导磁组件与第二导磁组件沿转子盘的圆周方向间隔布置。

进一步的，所述导磁组件包括四个第一导磁组件、四个第二导磁组件；所述定子盘每侧分别布置四个铁芯；

四个所述第一导磁组件间隔90°布置，四个所述第二导磁组件间隔90°布置，且相邻的第一导磁组件与第二导磁组件间隔45°布置；位于定子盘同一侧的四个铁芯间隔90°布置。

进一步的，永磁电机启动前，在圆周方向上，所述铁芯位于第一导磁组件与第二导磁组件之间。

进一步的，所述第二导磁杆与所述转轴接触。

进一步的，所述铁芯为三角状，所述导磁块的形状、大小与铁芯的形状、大小相同。

进一步的，所述定子盘包括定子盘本体、以及环绕定子盘本体的定子盘外圆层；所述定子盘外圆层的磁阻小于所述定子盘本体的磁阻；所述第一永磁体的磁场轴线穿过所述定子盘外圆层。

进一步的，所述第一导磁杆上设有朝向铁芯所在方向凸起的凸块；所述铁芯朝向第一导磁杆的一侧贴合有引磁片。

另一方面，本发明提供了一种驱动上述永磁电机的驱动方法，包括向该永磁电机施加单相交流电，使转子组件每转动90°对应一个电流周期。

有益效果：本发明所提供的一种单相双磁路永磁电机，通过在转子盘上设置第一永磁体，在转轴上设置第二永磁体，在电机启动时，当通入单相交流电时正负电流分别形成两条磁路，分别向转子组件施加方向相反的两种转矩，通过将第一永磁体与第二永磁体设计成不同的大小，使得两个磁路的磁场强度不同，从而使得两个转矩的大小不同，实现永磁电机的自启动，避免设计复杂的电路和额外的辅助结构，降低了单相永磁电机的成本和体积。

附图说明

图1为本发明实施例中单相永磁电机的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中转子组件的结构示意图；

图3为本发明实施例中定子组件的结构示意图；

图4为本发明实施例中单相永磁电机启动时的电磁回路示意图；

图5为本发明实施例中转子组件旋转45°之后单相永磁电机的电磁回路示意图。

附图标记：1、第一转子组件；2、定子组件；3、第二转子组件；4、转轴组件；11、第一永磁体；12、转子盘；13、第一导磁杆；14、凸块；15、第二导磁杆；16、导磁块；21、铁芯；22、绕组；23、引磁片；24、定子盘本体；25、定子盘外圆层；41、转轴；42、第二永磁体；100、第一闭合磁路；200、第二闭合磁路；300、第三闭合磁路。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

参照图1所示，在本实施例中，公开了一种单相双磁路永磁电机，该单相双磁路永磁电机包括一个定子组件2、两个转子组件和一个转轴组件4。

参照图3所示，该定子组件2包括定子盘和安装于定子盘上的铁芯21，在该定子盘上总共安装有8块铁芯21，定子盘的每侧分别安装4块铁芯21，定子盘每一侧的铁芯21分别绕着定子盘的轴线布置，相邻铁芯21之间间隔90°；每一块铁芯21上分别缠绕有绕组22，各绕组22分别采用并联的连接方式与单相交流电源连接，并且每个绕组22通入同一方向的电流时所产生的磁场方向相同。

参照图1和2所示，在本实施例中，两个转子组件分别为第一转子组件1和第二转子组件3，第一转子组件1和第二转子组件3沿着定子盘对称布置，其结构相同，因此仅对第一转子组件1进行详细描述。

参照图2所示，第一转子组件1包括转子盘12、导磁组件和第一永磁体11；其中导磁组件包括第一导磁组件和第二导磁组件，所述第一导磁组件共有4组，每组包括1根导磁杆，每根导磁的一端与转子盘12相连，另一端朝向定子盘延伸，并开设有嵌入腔，每个嵌入腔内分别嵌入有第一永磁体11。并且，4组第一导磁组件分布于转子盘12的外圆间隔90°布置。第二导磁组件也共有4组，每组分别包括一根第二导磁杆15和一块导磁块16；每根第二导磁杆15的一端与导磁块16相邻，另一端朝向转子盘12的轴心延伸；4组第二导磁组件分别安装于转子盘12上，并且间隔90°布置。所述第一导磁组件与第二导磁组件之间间隔45°。

参照图1～3所示，所述转轴组件4包括转轴41和第二永磁体42，所述转轴41的两端分别与第一转子组件1和第二转子组件3的转子盘12连接，并随之转动；所述定子盘轴心开设有容纳转轴41穿过的通孔，转轴41沿该通过贯穿定子盘，并不与定子盘接触，与定子盘形成相对转动。所述第二永磁体42嵌入于转轴41内，并且恰好位于转轴41的中心，即位于定子盘的中心；并且第二永磁体42与第一永磁的磁场轴线平行，但是极性相反。所述第一转子组件1、定子组件2、第二转子组件3、转轴组件4之间呈同轴布置。

在本实施例中，各绕组22接入的是单相交流电源，设定上半周期经过绕组22的电流为正向电流，下半周期经过绕组22的为负向电流。

以该永磁电机处于图4所示状态为例，设定第一永磁体11的磁场方向为从左至右，第二永磁体42的磁场方向为从右至左；设定绕组22内通入正向电流时各铁芯21所产生从左至右方向的磁场，绕组22内通入负向电流时各铁芯21产生从右至左方向的磁场。

在该永磁电机启动时，各铁芯21分别位于相邻的两个第一引磁组件和第二引磁组件之间。线圈通过正向电流时，此时各铁芯21内产生从左至右方向的磁场，该磁场将穿过空气间隙后到达第二导磁组件，然后经过转轴41到达第二永磁体42，最后再次穿过空气间隙到达铁芯21，从而形成第一闭合磁路100。由于空气间隙的磁阻很大，远大于第二导磁组件的磁阻，基于磁场最小磁阻路径流通原理，磁场穿过铁芯21与第二导磁组件之间的空气间隙会缩小，因此第二导磁组件会朝向最近的铁芯21靠拢，沿图4的从左至右方向来看，转子组件产生逆时针方向的转矩。线圈通过负向电流时，此时铁芯21内产生从右至左方向的磁场，该磁场将穿过空气间隙后到达第一转子组件1上的第一导磁组件及第一永磁体11，然后穿过空气间隙及定子盘达到第二转子组件3上的第一永磁组件及第一永磁体11，最后穿过空气间隙回到铁芯21形成第二闭合磁路200。由于空气间隙的磁阻很大，远大于第一导磁组件的磁阻，基于磁场最小磁阻路径流通原理，磁场穿过铁芯21与第一导磁组件之间的空气间隙会缩小，因此第一导磁组件会朝向最近的铁芯21靠拢，沿着图4从左至右方向来看，转子组件产生顺时针方向的转矩。由于第一永磁体11与第二永磁体42的大小不同，导致磁场强度不同，使得第一闭合磁路100与第二闭合磁路200的磁场强度不同，从而使得所产生的转矩大小不同。当第一闭合磁路100的磁场强度大于第二闭合磁路200的磁场强度时，逆时针方向的转矩总是大于顺时针方向的转矩，使得转子组件朝逆时针方向启动。当第一闭合磁路100的磁场强度小于第二闭合磁路200的磁场强度时，逆时针方向的转矩总是小于顺时针方向的转矩，使得转子组件朝向顺时针方向转动。

在本实施例中，为了保证永磁电机通电时，能够按照第一闭合磁路100与第二闭合磁路200进行顺畅导磁，因此需要尽量减小各闭合磁路中的磁阻。因此，所述定子盘包括定子盘本体24、以及环绕定子盘本体24的定子盘外圆层25；所述定子盘外圆层25的磁阻小于所述定子盘本体24的磁阻，第一永磁体11的磁场轴线穿过所述定子盘外圆层25，使第二闭合磁路200穿过定子盘外圆层25时不向定子盘本体24漏磁。所述第二导磁杆15远离导磁块16的一端与转轴41连接，减小第一闭合磁路100中非必要的空气间隙，进一步保持第一闭合磁路100顺畅导通。另外，所述铁芯21的形状设计为三角状，所述导磁块16的形状、大小设计为与铁芯21的形状、大小相同，所述铁芯21朝向第一导磁杆13的一侧贴合有引磁片23，所述第一导磁杆13上设有朝向铁芯21所在方向凸起的凸块14，进一步保证第二闭合磁路200导通顺畅。

在本实施例中，为了避免转子组件在转动过程中因摩擦发生损耗，所述第一导磁杆13与定子盘之间存在间隙。

实施例2

本实施例提供了一种驱动实施例1中永磁电机的驱动方法，该方法具体包括，向该永磁电机施加单相交流电，驱动该永磁电机启动；当该永磁电机顺利启动后，使转子组件每转动90°对应一个电流周期，即转子每转动45°切换一次电流的方向。

具体来说，当该永磁电机顺利启动后，参照图4所示，设定此时绕组22通入下半周期的负向电流，此时铁芯21产生从右到左的磁场，与最近的第一导磁组件、第一永磁体11形成第二闭合磁路200，以图4从左至右的方向来看，转子组件产生顺时针方向转矩，在该转矩以及惯性作用下使转子组件旋转45°至图5所示状态。此时将电流再次进入上半周期的正向电流，铁芯21产生从左至右的磁场，与最近的第二导磁组件、第二永磁体42形成第三闭合磁路300，此时，以图5中从左至右的方向来看，基于磁场最小磁阻路径流通原理，转子组件将依然产生顺时针方向的转矩，从而继续驱动转子沿顺时针方向移动。

在同一个电流周期内，磁场先后通过两种不同路径形成闭合回路，使转子组件运转90°，当进入下一个电流周期以后，电机转子每转动45度切换一次磁通路径，使电机持续运转。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种单相双磁路永磁电机，包括定子组件和转子组件，其特征在于：还包括转轴组件；

所述定子组件包括定子盘、安装于定子盘上的铁芯、以及缠绕铁芯的绕组，所述绕组连接单相交流电源；

所述转子组件包括转子盘和第一永磁体；所述第一永磁体安装于转子盘上；

所述转轴组件包括转轴和第二永磁体；所述转轴穿过所述转子盘和定子盘的轴心，与转子盘固定连接，与定子盘转动连接；所述第二永磁体安装于转轴内；

所述第一永磁体与第二永磁体的极性方向相反，且磁场强度不同。

2.根据权利要求1所述的一种单相双磁路永磁电机，其特征在于：包括两个转子组件，且两个转子组件沿定子盘对称布置；

所述定子盘两侧分别对称布置有铁芯，每个铁芯上分别缠绕有绕组。

3.根据权利要求1所述的一种单相双磁路永磁电机，其特征在于：所述转子盘靠近定子盘的一侧安装有导磁组件；

所述导磁组件包括第一导磁组件和第二导磁组件；所述第一导磁组件包括沿转子盘圆周布置的第一导磁杆；所述第一永磁体安装于第一导磁杆内；所述第二导磁组件包括沿转子盘圆周布置的第二导磁杆、以及与第二导磁杆连接的导磁块；

所述第一导磁组件与第二导磁组件沿转子盘的圆周方向间隔布置。

4.根据权利要求3任一项所述的一种单相双磁路永磁电机，其特征在于：所述导磁组件包括四个第一导磁组件、四个第二导磁组件；所述定子盘每侧分别布置四个铁芯；

四个所述第一导磁组件间隔90°布置，四个所述第二导磁组件间隔90°布置，且相邻的第一导磁组件与第二导磁组件间隔45°布置；位于定子盘同一侧的四个铁芯间隔90°布置。

5.根据权利要求3所述的一种单相双磁路永磁电机，其特征在于：永磁电机启动前，在圆周方向上，所述铁芯位于第一导磁组件与第二导磁组件之间。

6.根据权利要求3所述的一种单相双磁路永磁电机，其特征在于：所述第二导磁杆与所述转轴接触。

7.根据权利要求3所述的一种单相双磁路永磁电机，其特征在于：所述铁芯为三角状，所述导磁块的形状、大小与铁芯的形状、大小相同。

8.根据权利要求3～7任一项所述的一种单相双磁路永磁电机，其特征在于：所述定子盘包括定子盘本体、以及环绕定子盘本体的定子盘外圆层；所述定子盘外圆层的磁阻小于所述定子盘本体的磁阻；所述第一永磁体的磁场轴线穿过所述定子盘外圆层。

9.根据权利要求8所述的一种单相双磁路永磁电机，其特征在于：所述第一导磁杆上设有朝向铁芯所在方向凸起的凸块；所述铁芯朝向第一导磁杆的一侧贴合有引磁片。

10.一种驱动权利要求4所述永磁电机的方法，其特征在于，包括向该永磁电机施加单相交流电，使转子组件每转动90°对应一个电流周期。

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