本發(fā)明屬于混合勵磁電機(jī)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種電樞繞組與勵磁繞組在定子上，永磁體在轉(zhuǎn)子上，磁通沿軸向，無需電刷的混合勵磁電機(jī)。

背景技術(shù)：

隨著永磁體性能的提升，永磁電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，但是同時(shí)也帶來了一些問題。僅使用永磁體提供勵磁的電機(jī)，作為電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，其端電壓會隨著轉(zhuǎn)速升高，當(dāng)端電壓超過直流母線電壓時(shí)電機(jī)將不能正常工作，因此需要相應(yīng)的弱磁控制使電機(jī)適合高速運(yùn)行，控制復(fù)雜，損耗大；作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于電機(jī)內(nèi)電抗的影響，輸出端電壓隨著負(fù)載的改變而變化，輸出電壓不穩(wěn)定。

混合勵磁電機(jī)具有額外的勵磁繞組用于調(diào)節(jié)氣隙磁場，克服了上述困難，使得電機(jī)在低速大轉(zhuǎn)矩和高速弱磁下有良好的性能。但一般混合勵磁的電機(jī)結(jié)構(gòu)存在電刷結(jié)構(gòu)，降低了可靠性，同時(shí)永磁體在勵磁繞組的影響下可能有退磁的風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提供了一種軸向磁通無刷混合勵磁電機(jī)，以提升電機(jī)在低速大轉(zhuǎn)矩和高速弱磁狀態(tài)下的性能，解決現(xiàn)有技術(shù)電機(jī)中電刷結(jié)構(gòu)可靠性差、永磁體在勵磁繞組的影響下容易退磁技術(shù)問題。

本發(fā)明提出的一種軸向磁通無刷混合勵磁電機(jī)，包括電樞定子鐵芯(1)、電樞繞組(2)、內(nèi)爪極(3)、外爪極(4)、永磁體(5)、轉(zhuǎn)子框架(6)、勵磁定子鐵芯(7)、勵磁繞組(8)、轉(zhuǎn)軸(9)和端蓋(11)；其中：

所述電樞定子鐵芯(1)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，其一面開設(shè)有多個(gè)徑向槽，各徑向槽結(jié)構(gòu)相同且呈圓對稱分布，用于設(shè)置電樞繞組(2)；電樞定子鐵芯(1)開槽面朝向工作氣隙，非開槽面與端蓋(11)固定相連；所述電樞繞組(2)嵌放在電樞定子鐵芯(1)槽內(nèi)；

所述勵磁定子鐵芯(7)包括兩個(gè)圓心相同、半徑不同的圓環(huán)，內(nèi)外圓環(huán)之間的環(huán)形空間設(shè)置有勵磁繞組(8)，勵磁繞組(8)用于產(chǎn)生軸向勵磁磁場；勵磁定子鐵芯(7)的一面與端蓋(11)連接固定；所述端蓋(11)為圓盤狀結(jié)構(gòu)，中間開孔用于設(shè)置轉(zhuǎn)軸(9)；勵磁定子鐵芯(7)另一面朝向轉(zhuǎn)子并留有間距；

所述轉(zhuǎn)子包括內(nèi)爪極(3)、外爪極(4)、永磁體(5)、轉(zhuǎn)子框架(6)和轉(zhuǎn)軸(9)；內(nèi)、外爪極(3、4)為嵌入轉(zhuǎn)子框架(6)中的鐵芯，內(nèi)、外爪極(3、4)繞轉(zhuǎn)子框架(6)交錯(cuò)間隔設(shè)置；內(nèi)爪極(3)靠轉(zhuǎn)軸一端鐵芯較厚、靠機(jī)殼一端鐵芯較??；外爪極(4)靠轉(zhuǎn)軸一端鐵芯較薄，靠機(jī)殼一端鐵芯較厚，內(nèi)、外爪極(3、4)為反對稱結(jié)構(gòu)；通過爪極厚度的改變使得其在不同位置與勵磁鐵芯的磁阻不同，因?yàn)榇怕穬?yōu)先通過磁阻小的部分，所以勵磁鐵芯內(nèi)環(huán)的磁通經(jīng)過內(nèi)爪極，勵磁鐵芯外環(huán)的磁通經(jīng)過外爪極，使得內(nèi)、外爪極n、s產(chǎn)生交替極性；永磁體(5)設(shè)在每個(gè)相鄰的內(nèi)、外爪極之間；內(nèi)、外爪極(3、4)、永磁體(5)均嵌合在所述轉(zhuǎn)子框架(6)中，通過轉(zhuǎn)子框架和轉(zhuǎn)軸(9)相連，共同構(gòu)成轉(zhuǎn)子整體；

所述轉(zhuǎn)子嵌有內(nèi)爪極(3)、外爪極(4)和永磁體(5)的一面朝向電樞定子鐵芯(1)并留有工作氣隙，另一面與勵磁定子鐵芯(7)相對并留有間距；轉(zhuǎn)子面覆蓋了勵磁定子鐵芯的內(nèi)環(huán)和外環(huán)；轉(zhuǎn)子上邊間隔工作氣隙為電樞定子鐵芯；下部間隔非工作氣隙為勵磁定子鐵芯。

優(yōu)選地，2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸向磁通無刷混合勵磁電機(jī)，其特征在于，內(nèi)外爪極(3、4)沿周向的投影為矩形與梯形的組合，梯形的下底與矩形相連；對于內(nèi)爪極(3)，梯形的上底朝向機(jī)殼一側(cè)，下底朝向轉(zhuǎn)軸一側(cè)；對于外爪極(4)，梯形的上底朝向轉(zhuǎn)軸一側(cè)，下底朝向機(jī)殼一側(cè)；矩形所在一端為爪極的較厚一端，梯形所在一端為爪極較薄一端；內(nèi)外爪極(3、4)沿軸向的投影為扇環(huán)形，靠近電樞定子鐵芯(1)一側(cè)的表面為扇環(huán)形平面，靠近勵磁定子鐵芯(7)一側(cè)的面為平面與斜面的組合，對于內(nèi)爪極(3)，靠近勵磁定子鐵芯(7)側(cè)的平面與勵磁定子鐵芯(7)內(nèi)環(huán)表面相對，斜面用于拉開內(nèi)爪極(3)與勵磁定子鐵芯(7)外環(huán)間距離，使得磁路不從該處經(jīng)過，對于外爪極(4)，靠近勵磁定子鐵芯(7)一側(cè)的平面與勵磁定子鐵芯(7)外環(huán)表面相對，斜面用于拉開外爪極(4)與勵磁定子鐵芯內(nèi)環(huán)間距離，使得磁路不從該處經(jīng)過。

優(yōu)選地，所述電樞繞組(2)為三相雙層分布式繞組，嵌放在電樞定子鐵芯(1)槽內(nèi)，勵磁繞組(8)為多匝環(huán)繞，嵌放在勵磁定子鐵芯(8)內(nèi)外環(huán)狀鐵芯間。

優(yōu)選地，所述永磁體(5)采用周向充磁的充磁方式，每個(gè)內(nèi)爪極或外爪極兩側(cè)的永磁體充磁方向相反。

優(yōu)選地，所述內(nèi)爪極(3)和外爪極(4)采用軟磁材料整體模壓成型。

優(yōu)選地，所述軸向磁通無刷混合勵磁電機(jī)中，位于轉(zhuǎn)子框架中心軸是轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子框架是整體結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述的軸向磁通無刷混合勵磁電機(jī)，還包括機(jī)殼(10)，其設(shè)與端蓋(11)結(jié)合，用于將電機(jī)包覆。

本發(fā)明在軸向磁通無刷混合勵磁電機(jī)在混合勵磁電機(jī)的基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步對磁路進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，巧妙地利用爪極結(jié)構(gòu)將勵磁繞組從轉(zhuǎn)子上分離，達(dá)到了無刷的目的。同時(shí)，并聯(lián)設(shè)置電勵磁磁路和永磁磁路，使在調(diào)節(jié)電勵磁大小的時(shí)候不會導(dǎo)致永磁體工作點(diǎn)的變化，所以在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)永磁體不會退磁，調(diào)節(jié)范圍大。此外，所用爪極結(jié)構(gòu)優(yōu)選采用軟磁復(fù)合材料制成，不同于常規(guī)的硅鋼片，其可以通過模壓成型的方式制成特殊的形狀，同時(shí)也具有渦流損耗小的特點(diǎn)，適合于用在轉(zhuǎn)子上。

本發(fā)明的有益效果體限在：

(1)采用特殊的交替的爪極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，以及爪極間安放永磁體的方式，使得電勵磁繞組可以安放在定子上，實(shí)現(xiàn)無刷的混合勵磁方式。

(2)采用混合勵磁的勵磁方式，以永磁體為主、電勵磁輔助的形式，調(diào)節(jié)氣隙磁場，使得電機(jī)在低速大轉(zhuǎn)矩和高速弱磁狀態(tài)下有良好的工作特性；

(3)電勵磁磁路與永磁磁路為并聯(lián)的關(guān)系，在電勵磁進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)候永磁體不存在退磁的風(fēng)險(xiǎn)，電機(jī)磁場調(diào)節(jié)范圍大，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)；

(4)將勵磁繞組設(shè)計(jì)在定子上，轉(zhuǎn)子上只有永磁體，省去了電刷結(jié)構(gòu)，提高了電機(jī)的可靠性和使用壽命，減小了其故障率；

(5)勵磁繞組和電樞繞組分別位于兩側(cè)的定子上，將熱源分開，利于散熱。

(6)軸向磁通的磁路使得電機(jī)形狀扁平，適合安裝于空間有限的特殊場合。

附圖說明

圖1為電機(jī)整體的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為電樞定子鐵芯及電樞繞組結(jié)構(gòu)圖；

圖3為勵磁定子鐵芯，勵磁繞組及下端蓋結(jié)構(gòu)圖；

圖4為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖；

圖5為內(nèi)爪極結(jié)構(gòu)圖，其中(a)為立體圖，(b)為主視圖，(c)為左視圖，(d)為俯視圖；

圖6為外爪極結(jié)構(gòu)圖，其中(a)為立體圖，(b)為主視圖，(c)為左視圖，(d)為俯視圖；

圖7為不同勵磁電流下氣隙磁密；

圖8為額定勵磁電流下電磁轉(zhuǎn)矩；

圖中：1、電樞定子鐵芯；2、電樞繞組；3、內(nèi)爪極；4、外爪極；5、永磁體；6、轉(zhuǎn)子框架；7、勵磁定子鐵芯；8、勵磁繞組；9、轉(zhuǎn)軸；10、機(jī)殼；11、端蓋。

具體實(shí)施方式

為了更清晰地闡明本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)，以下結(jié)合附圖及實(shí)例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)例僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。此外，只要本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方案方式中所涉及到的技術(shù)特征彼此之間未構(gòu)成矛盾就可以相互組合。

本發(fā)明的工作原理與常規(guī)同步電機(jī)相同，區(qū)別在于特殊的勵磁磁路結(jié)構(gòu)：永磁體磁路的磁動勢來自永磁體，磁力線從永磁體出發(fā)沿周向進(jìn)入爪極，再從爪極經(jīng)過氣隙進(jìn)入電樞定子鐵芯，從鐵芯再經(jīng)過對稱的磁路回到永磁體閉合；電勵磁磁路的磁動勢來自勵磁繞組，磁力線從勵磁定子鐵芯出發(fā)，經(jīng)過非工作氣隙進(jìn)入爪極，再從爪極經(jīng)過工作氣隙進(jìn)入電樞定子鐵芯，磁力線再對稱地依次經(jīng)過工作氣隙、另一個(gè)爪極，回到電樞定子鐵芯，電樞定子鐵芯內(nèi)外圈的磁力線經(jīng)過下側(cè)端蓋閉合形成磁路。這樣分別以內(nèi)、外爪極形成了交替的n、s磁場，與電樞繞組作用實(shí)現(xiàn)能力轉(zhuǎn)換，同時(shí)電勵磁的磁路不經(jīng)過永磁體，在調(diào)節(jié)電勵磁時(shí)不會影響永磁體的工作點(diǎn)。

圖1為電機(jī)整體的結(jié)構(gòu)圖。如圖所示：本發(fā)明中電機(jī)有上下兩側(cè)兩個(gè)定子，兩個(gè)定子結(jié)構(gòu)不相同，為了區(qū)分，一個(gè)叫做電樞定子，一個(gè)叫做勵磁定子，電樞定子的鐵芯叫電樞定子鐵芯，勵磁定子的鐵芯叫勵磁定子鐵芯。電樞繞組與勵磁磁場作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)功能。電樞定子鐵芯與轉(zhuǎn)子間隔有工作氣隙，勵磁定子鐵芯與轉(zhuǎn)子間隔有非工作氣隙。

圖2為電樞繞組定子鐵芯及電樞繞組結(jié)構(gòu)圖，其整體與常規(guī)盤式電機(jī)單側(cè)定子結(jié)構(gòu)相似，鐵芯通過硅鋼片卷繞而成，在其單側(cè)開槽，電樞繞組以一定規(guī)律嵌放在鐵芯槽內(nèi)，這里采用三相雙層分布式繞組。電樞定子通過未開槽的一側(cè)固定在上側(cè)端蓋上。

圖3為勵磁繞組鐵芯、勵磁繞組及下側(cè)端蓋，勵磁繞組鐵芯同樣通過硅鋼片卷繞而成，分為內(nèi)圈鐵芯和外圈鐵芯，兩者都固定在下側(cè)端蓋上，端蓋由導(dǎo)磁的鋼制成。由于交變的磁場主要集中在勵磁繞組鐵芯靠近非工作氣隙的一側(cè)，所以雖然端蓋作為磁路的一部分，但是磁通交變較小，可以采用鋼直接制成，不會產(chǎn)生較大渦流損耗。勵磁繞組由多匝導(dǎo)線繞制成型后，嵌放進(jìn)勵磁鐵芯內(nèi)圈和外圈中間。

圖4為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖，包括內(nèi)、外爪極、永磁體、轉(zhuǎn)子框架和轉(zhuǎn)軸。內(nèi)爪極與外爪極的立體圖與三視圖分別描繪在圖5與圖6中。內(nèi)、外爪極為一端厚一端薄周向投影為矩形與梯形組合的結(jié)構(gòu)，內(nèi)爪極側(cè)面矩形朝下的一邊與勵磁繞組鐵芯內(nèi)環(huán)相對，外爪極側(cè)面矩形朝下的一邊與勵磁繞組鐵芯外環(huán)相對，內(nèi)外爪極側(cè)面矩形朝上的一邊和梯形朝上的一邊與電樞定子鐵芯相對。通過爪極厚度的改變使得其在不同位置與勵磁鐵芯的磁阻不同，因?yàn)榇怕穬?yōu)先通過磁阻小的部分，所以勵磁鐵芯內(nèi)環(huán)的磁通經(jīng)過內(nèi)爪極，勵磁鐵芯外環(huán)的磁通經(jīng)過外爪極，使得內(nèi)、外爪極n、s交替極性。對于電勵磁磁路，內(nèi)、外爪極的作用是將勵磁定子內(nèi)圈鐵芯的磁通通入電樞定子鐵芯，所以其下面與勵磁定子鐵芯內(nèi)、外圈相對，間隔一個(gè)非工作氣隙，上面與電樞定子鐵芯相對，間隔一個(gè)工作氣隙；對于永磁磁路，內(nèi)、外爪極的作用是將側(cè)面永磁體的磁通通入電樞定子鐵芯，其側(cè)面與永磁體連接。永磁體與爪極沿轉(zhuǎn)子周向交替安放，沿周向充磁，同一爪極兩側(cè)永磁體充磁方向不同。轉(zhuǎn)子框架上有與爪極和永磁體形狀貼合的槽，爪極和永磁體可以直接嵌入轉(zhuǎn)子框架進(jìn)行固定安裝，轉(zhuǎn)子框架再與轉(zhuǎn)子連接，構(gòu)成整個(gè)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

圖7橫坐標(biāo)為極距，縱坐標(biāo)為氣隙磁密，勵磁繞組安匝數(shù)在±3141a內(nèi)調(diào)節(jié)。氣隙磁密幅值可以從0.3t調(diào)節(jié)到1.2t，具有較寬的調(diào)磁范圍。氣隙磁場成n、s極交替分布。圖8為額定工況下兩個(gè)電周期內(nèi)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線，均值為15.5nm，證明了發(fā)明方案的可行性。

機(jī)殼連接固定上下側(cè)兩個(gè)端蓋，由于電樞定子和勵磁定子固定在端蓋上，所以機(jī)殼連接了整個(gè)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)，與轉(zhuǎn)子框架為主的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成電機(jī)。電樞繞組和勵磁繞組都在定子上，引線可直接由端蓋引出，無需電刷。電機(jī)的氣隙磁通方向?yàn)檩S向，繞組沿徑向放置，使得電機(jī)結(jié)構(gòu)扁平，易于安裝在空間受限的場合。

仿真分析及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明所述的軸向磁通無刷混合勵磁電機(jī)，可以做到磁場調(diào)節(jié)范圍大、永磁體不易退磁、無刷結(jié)構(gòu)可靠、繞組位于兩側(cè)定子上易于散熱等諸多優(yōu)勢。在混合勵磁電機(jī)領(lǐng)域有良好的前景。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。