混合勵磁軸向磁通調制式復合結構電機的制作方法
【專利摘要】混合勵磁軸向磁通調制式復合結構電機，涉及混合勵磁復合電機領域，目的是為了解決現有的混合勵磁電機輸出轉矩小的問題。所述轉軸依次穿過永磁外定子、一號調磁環(huán)、內定子、二號調磁環(huán)和電勵磁外定子，且永磁外定子、內定子和電勵磁外定子均通過軸承與轉軸轉動連接，調磁環(huán)轉子與轉軸固定連接，永磁外定子與一號調磁環(huán)之間、一號調磁環(huán)與內定子之間、內定子與二號調磁環(huán)之間、以及二號調磁環(huán)和電勵磁外定子之間均留有間隙；永磁體采用Halbach結構90°充磁方式進行充磁；一號調磁環(huán)和二號調磁環(huán)均由調磁鐵塊和環(huán)氧樹脂非導磁材料沿圓周方向間隔排列組成。本發(fā)明能夠實現低速大轉矩輸出，拓寬了電機調速范圍，適用于電動汽車。
【專利說明】
混合勵磁軸向磁通調制式復合結構電機
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及混合勵磁復合電機領域。
【背景技術】
[0002]近年來由于具有高剩磁密度，高矯頑力，高磁能積等特點的稀土永磁材料的發(fā)展，使得永磁電機與傳統的電勵磁電機相比，在結構方面具有體積小，結構簡單，維護方便等優(yōu)點，在性能方面具有效率高，功率因數高，功率密度大等優(yōu)點，但是永磁電機由于采用單一永磁體勵磁，磁場調節(jié)比較困難。傳統的電勵磁電機可以通過調節(jié)直流或交流勵磁電流很方便地對氣隙磁場進行調節(jié)，但是其結構復雜、輸出轉矩小、功率因數低。
[0003]混合勵磁電機的主要特點是永磁體產生的磁場和電勵磁繞組產生的磁場共同影響電機的氣隙磁場并且利用勵磁電流可調的優(yōu)勢對氣隙磁密大小進行靈活的調節(jié)?；旌蟿畲烹姍C同時克服了永磁電機磁場調節(jié)困難以及電勵磁電機功率因數低的缺點，使得電機具有體積小、結構緊湊、功率因數高、磁場調節(jié)方便等優(yōu)點，但仍然存在輸出轉矩小的問題。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現有的混合勵磁電機輸出轉矩小的問題，提供一種混合勵磁軸向磁通調制式復合結構電機。
[0005]本發(fā)明所述的混合勵磁軸向磁通調制式復合結構電機包括轉軸1、永磁外定子、調磁環(huán)轉子4、內定子、電勵磁外定子、一號軸承2、二號軸承7和三號軸承8;
[0006]所述調磁環(huán)轉子4包括一號調磁環(huán)和二號調磁環(huán)；
[0007]所述轉軸I依次穿過永磁外定子、一號調磁環(huán)、內定子、二號調磁環(huán)和電勵磁外定子，且永磁外定子通過一號軸承2與轉軸I轉動連接，內定子通過二號軸承7與轉軸I轉動連接，電勵磁外定子通過三號軸承8與轉軸I轉動連接，調磁環(huán)轉子4與轉軸I固定連接，永磁外定子與一號調磁環(huán)之間、一號調磁環(huán)與內定子之間、內定子與二號調磁環(huán)之間、以及二號調磁環(huán)和電勵磁外定子之間均留有間隙；
[0008]所述永磁外定子包括同軸設置的永磁外定子鐵心3-1和永磁體3-2，且永磁體3-2固定在永磁外定子鐵心3-1上；
[0009]內定子包括內定子鐵心5-1和環(huán)形電樞繞組5-2，環(huán)形電樞繞組5-2纏繞在內定子鐵心5-1上；
[0010]電勵磁外定子包括電勵磁外定子鐵心6-1和直流勵磁繞組6-2，直流勵磁繞組6-2纏繞在電勵磁外定子鐵心6-1的定子齒上;相鄰定子齒上勵磁線圈的電流方向相反；
[0011 ]永磁體3-2采用Halbach結構90°充磁方式進行充磁；
[0012]—號調磁環(huán)和二號調磁環(huán)均由調磁鐵塊4-1和環(huán)氧樹脂非導磁材料4-2沿圓周方向間隔排列組成。
[0013]有益效果:本發(fā)明所述的混合勵磁軸向磁通調制式復合結構電機結合了盤式電機、磁通調制式復合電機以及混合勵磁電機的特點，采用盤式結構，電機體積小、安裝方便。利用磁通調制式復合電機的磁齒輪原理，對電機內外氣隙磁場進行調制，得到低速大轉矩輸出特性，能夠滿足電動汽車等直接驅動場合的要求。電勵磁外定子和永磁外定子分別位于內定子兩側，磁路互不影響，避免了永磁體退磁的風險，并且永磁體采用Halbach方式排列，永磁體利用率高。電勵磁繞組纏繞在外定子齒上，可以很好地實現無刷化。通過改變勵磁繞組上電流的大小和方向，靈活調節(jié)電勵磁側氣隙磁場的大小，從而拓寬電機調速范圍，滿足電動汽車寬速度范圍內運行的要求，并且當電樞繞組發(fā)生短路故障時，通過調節(jié)勵磁電流來抵消永磁部分產生的磁場，實現電機電樞繞組短路故障時高效滅磁。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明所述的混合勵磁軸向磁通調制式復合結構電機的結構示意圖；
[0015]圖2為電勵磁外定子鐵心的結構不意圖；
[0016]圖3為永磁外定子的結構示意圖；
[0017]圖4為永磁體排布和充磁方向不意圖；
[0018]圖5為調磁環(huán)轉子的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]【具體實施方式】一:結合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式所述的混合勵磁軸向磁通調制式復合結構電機包括轉軸1、永磁外定子、調磁環(huán)轉子4、內定子、電勵磁外定子、一號軸承2、二號軸承7和三號軸承8;
[0020]所述調磁環(huán)轉子4包括一號調磁環(huán)和二號調磁環(huán)；
[0021]所述轉軸I依次穿過永磁外定子、一號調磁環(huán)、內定子、二號調磁環(huán)和電勵磁外定子，且永磁外定子通過一號軸承2與轉軸I轉動連接，內定子通過二號軸承7與轉軸I轉動連接，電勵磁外定子通過三號軸承8與轉軸I轉動連接，調磁環(huán)轉子4與轉軸I固定連接，永磁外定子與一號調磁環(huán)之間、一號調磁環(huán)與內定子之間、內定子與二號調磁環(huán)之間、以及二號調磁環(huán)和電勵磁外定子之間均留有間隙；
[0022]所述永磁外定子包括同軸設置的永磁外定子鐵心3-1和永磁體3-2，且永磁體3-2固定在永磁外鐵心3-1上；
[0023]內定子包括內定子鐵心5-1和環(huán)形電樞繞組5-2，環(huán)形電樞繞組5-2纏繞在內定子鐵心5-1上；
[0024]電勵磁外定子包括電勵磁外定子鐵心6-1和直流勵磁繞組6-2，直流勵磁繞組6-2纏繞在電勵磁外定子鐵心6-1的定子齒上;定子齒的數量為38個，每個定子齒上均纏繞一個勵磁線圈，38個勵磁線圈依次串聯，且相鄰定子齒上勵磁線圈的電流方向相反，形成“N-S-N-S-N......”的結構；
[0025]永磁體3-2采用Halbach結構90°充磁方式進行充磁；
[0026]—號調磁環(huán)和二號調磁環(huán)均由調磁鐵塊4-1和環(huán)氧樹脂非導磁材料4-2沿圓周方向間隔排列組成。
[0027]本實施方式中，永磁外定子鐵心3-1和電勵磁外定子6的電勵磁外定子鐵心6-1的軛部直接貼在電機機殼上。如圖1所示，在軸向方向上，永磁外定子和電勵磁外定子對稱排列在內定子兩側。如圖4所示，永磁體3-2由多個永磁體塊沿圓周方向排列而成，每四個相鄰的永磁體塊組成一對極，第一、三塊永磁體采用圓周方向充磁，并且充磁方向相反，第二、四塊永磁體采用軸向方向充磁，充磁方向相反。調磁環(huán)轉子4的兩個調磁環(huán)分別通過氣隙L2和L3與內定子隔開，分別通過LI和L4與永磁外定子以及電勵磁外定子隔開。
[0028]電勵磁繞組6-2纏繞在電勵磁外定子鐵心上，以一定的方式進行串聯，并施加直流電進行勵磁，使其遵循右手定則，勵磁方向與永磁部分永磁體的充磁方向對應，通過改變所通電流的大小和方向，來靈活調節(jié)電勵磁側氣隙磁場的大小，進而拓寬電機的調速范圍。另夕卜，當電樞繞組發(fā)生短路故障時，通過調節(jié)勵磁電流來抵消永磁部分產生的磁場，實現電機電樞繞組短路故障時高效滅磁。
[0029]本實施方式所述的電機由于永磁部分和電勵磁部分的磁路相互獨立，調節(jié)勵磁電流不會引起永磁體的不可逆退磁，電機可靠性高，電勵磁效率高。
[0030]調磁環(huán)轉子4采用了新型磁齒輪傳動裝置的工作原理，應用在電機中，具有轉矩密度高、運行效率高、非接觸性力矩傳遞和過載自保護等特點，能夠代替機械齒輪在清潔、低溫和高空等環(huán)境中運行，結構更加簡便，同時使低速大轉矩的功能更為顯著的體現。
[0031]本實施方式由磁齒輪和永磁同步電機進行整合得到的磁通調制式復合電機具有低速大轉矩輸出的性能，相對徑向磁通調制式復合電機來說，軸向磁通調制式復合電機體積小、安裝方便、低速輸出轉矩更大。
[0032]【具體實施方式】二:本實施方式是對實施方式一所述的混合勵磁軸向磁通調制式復合結構電機的進一步限定，本實施方式中，內定子鐵心5-1外部沿圓周方向開有槽，環(huán)形電樞繞組5-2嵌入在槽內。
[0033]【具體實施方式】三:本實施方式是對實施方式一所述的混合勵磁軸向磁通調制式復合結構電機的進一步限定，本實施方式中，內定子的極對數為Pi，永磁外定子的極對數與電勵磁外定子的極對數均為p2，調磁環(huán)轉子4中調磁鐵塊4-1的數量為NsPdP2 = N^
[0034]通過對內定子的環(huán)形電樞繞組5-2施加電壓所得到的氣隙諧波磁場、以及永磁外定子上的永磁體3-2和電勵磁外定子上的直流勵磁繞組6-2產生的氣隙諧波磁場進行解析分析，得到復合電機中內定子的環(huán)形電樞繞組5-2的極對數?工、外定子極對數?2和調磁塊個數Ns之間的關系為:Pi= mP2+kNs I，其中，m= I，3，5，…，+⑴；k = 0，±1，±2，...，土⑴；當m =I，k = -l時，由調磁環(huán)調制后得到的諧波磁場最強，調磁環(huán)兩側主要傳遞轉矩的諧波磁場具有相同的電角速度，可獲得此復合電機調速比及傳動比Gr = mP2+kNs/mP2，這樣選擇外定子極對數和調磁環(huán)的數量配比，可以滿足轉矩平穩(wěn)的需求，否則將無法平穩(wěn)的傳遞轉矩，如圖
2、圖3和圖5所示，選擇內定子環(huán)形電樞繞組極對數P1 = 3，調磁塊數Ns = 25，這樣就可以得到外定子的極對數P2 = 22，實現調速比為25/3。
【主權項】
1.混合勵磁軸向磁通調制式復合結構電機，其特征在于，所述電機包括轉軸(I)、永磁外定子、調磁環(huán)轉子(4)、內定子、電勵磁外定子、一號軸承(2)、二號軸承(7)和三號軸承(8)； 所述調磁環(huán)轉子(4)包括一號調磁環(huán)和二號調磁環(huán)； 所述轉軸(I)依次穿過永磁外定子、一號調磁環(huán)、內定子、二號調磁環(huán)和電勵磁外定子，且永磁外定子通過一號軸承(2)與轉軸(I)轉動連接，內定子通過二號軸承(7)與轉軸(I)轉動連接，電勵磁外定子通過三號軸承(8)與轉軸(I)轉動連接，調磁環(huán)轉子(4)與轉軸(I)固定連接，永磁外定子與一號調磁環(huán)之間、一號調磁環(huán)與內定子之間、內定子與二號調磁環(huán)之間、以及二號調磁環(huán)和電勵磁外定子之間均留有間隙； 所述永磁外定子包括同軸設置的永磁外定子鐵心(3-1)和永磁體(3-2)，且永磁體(3-2)固定在鐵心(3-1)上； 內定子包括內定子鐵心(5-1)和環(huán)形電樞繞組(5-2)，環(huán)形電樞繞組(5-2)纏繞在內定子鐵心(5-1)上； 電勵磁外定子(6)包括電勵磁外定子鐵心(6-1)和直流勵磁繞組(6-2)，直流勵磁繞組(6-2)纏繞在電勵磁外定子鐵心(6-1)的定子齒上； 永磁體(3-2)采用Halbach結構90°充磁方式進行充磁； 一號調磁環(huán)和二號調磁環(huán)均由調磁鐵塊(4-1)和環(huán)氧樹脂非導磁材料(4-2)沿圓周方向間隔排列組成。2.根據權利要求1所述的混合勵磁軸向磁通調制式復合結構電機，其特征在于，內定子鐵心(5-1)外部沿圓周方向開有槽，環(huán)形電樞繞組(5-2)嵌入在槽內。3.根據權利要求1或2所述的混合勵磁軸向磁通調制式復合結構電機，其特征在于，內定子的極對數SP1，永磁外定子的極對數與電勵磁外定子的極對數均為P2，調磁環(huán)轉子(4)中調磁鐵塊(4-1)的數量為Ns，Ρι+Ρ2 = Ns。
【文檔編號】H02K16/00GK105827078SQ201610317337
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】謝穎, 張巖, 楊忠學, 黑亮聲, 李飛
【申請人】哈爾濱理工大學