混合勵磁e形鐵芯軸向磁場永磁無刷電機的製作方法

2023-05-31 00:11:56

專利名稱：混合勵磁e形鐵芯軸向磁場永磁無刷電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種混合勵磁軸向磁場永磁無刷電機，是對傳統的軸向磁場電機和磁通切換定子永磁電機的改進，屬於永磁電機技術領域。
背景技術：
1997年法國學者E. Hoang提出磁通切換型永磁(簡稱FSPM)電機，這種電機將永磁體和繞組均置於定子上，提升了電機的可靠性及動態運行性能。但是，由於永磁材料的固有特性，FSPM電機運行時的氣隙磁場基本保持恆定不變。電動運行時，FSPM電機勵磁控制困難、調速範圍有限。因此，如何實現磁場的有效調節與控制，拓寬其調速範圍，是FSPM電機需要解決的難題之一。本發明提出的混合勵磁E形鐵芯軸向磁場永磁無刷(HEAFFSPM)電機能夠方便地調節磁場，通過設置電勵磁繞組、改變勵磁電流的大小實現氣隙磁場的無級調節。相比傳統的FSPM電機和電勵磁電機，HEAFFSPM電機由於存在兩個勵磁源，其氣隙磁場由電流勵磁和永磁勵磁共同產生。一方面，通過調節電勵磁電流的大小和方向，實現了電機磁場的弱磁控制，增加了調速範圍；另一方面，可以通過增磁控制，增加驅動轉矩，滿足低速、大轉矩負載的驅動要求。HEAFFSPM電機融合了 FSPM電機高功率密度以及電勵磁電機寬調磁能力兩方面的優點。HEAFFSPM電機，由於其高功率密度、高轉矩密度、高效率和寬調速範圍，特別適合應用於電動汽車驅動、風力發電等系統中。

發明內容
技術問題針對軸向磁場磁通切換定子永磁電機磁場調節困難的問題，在不增加電機體積的情況下可提高電機功率密度，通過合理安排電樞繞組和勵磁繞組空間位置， 本發明提出一種混合勵磁E形鐵芯軸向磁場永磁無刷電機。技術方案本發明的混合勵磁E形鐵芯軸向磁場永磁無刷電機包括第一定子，轉子，第二定子，永磁體，三相集中電樞繞組和單相集中勵磁繞組；
第一定子、第二定子分別位於轉子的兩側，每個定子上共有6個E形鐵芯、6個電樞線圈，每兩個電樞線圈順次串聯，構成三相電樞繞組，兩個定子上的三相電樞繞組分別順次串聯組成整個電機的A相、B相、C相的三相集中電樞繞組；每個定子上共有6個勵磁線圈，6 個勵磁線圈均為集中繞組，繞在定子E形鐵芯中間的齒上，上述6個線圈依次順序首尾串聯連接，組成單相集中勵磁繞組；
每兩個E形鐵芯之間設有一個永磁體，三相集中電樞繞組繞在兩個E形鐵芯齒上；第一定子、第二定子上相對稱的永磁體勵磁方向相反；第一定子、第二定子上的永磁體沿著圓周方向交替充磁，相鄰永磁體的磁化方向相反。轉子上共有10個齒，稱為10個轉子極，轉子極均為扇形，其形狀與定子E形鐵芯的齒形狀相一致，轉子極均勻設置在轉子非導磁圓環的外圓周上，轉子極的軸向厚度
3與非導磁圓環的軸向厚度相等，轉子上既無永磁體也無繞組。E形定子鐵芯的齒和槽都是扇形的，與轉子極的扇形相一致，電樞繞組和勵磁繞組均為集中繞組。所述電機的定子由3個E形鐵芯單元和3塊永磁體單元組成，轉子由5個轉子極和非導磁圓環上組成，轉子極嵌在非導磁圓環上構成基本電機；將基本電機的定子單元/ 轉子極進行整數倍擴充，可得到定子6槽/轉子10極、定子12槽/轉子20極、定子18槽 /轉子30極……等結構電機。有益效果
1、本發明所提出的混合勵磁軸向磁場永磁無刷電機，集中了軸向磁場磁通切換定子永磁電機和電勵磁電機的優點。突破純永磁勵磁觀念的束縛，在定子結構中增加電勵磁繞組， 通過控制勵磁繞組電流方便地調節電機的氣隙磁場。2、混合勵磁電機在兩種磁場的激勵下，不僅可以保證驅動系統的高功率密度和高效率，同時通過使用永磁體和電勵磁繞組提供的兩套勵磁源，極大提高了系統運行的可靠性，實現了電機的容錯運行。3、定子採用E形單元鐵芯，相對於傳統軸向磁場永磁電機，製造方便，電機的軸向尺寸較小，很適合應用於嚴格要求薄型安裝的場合，例如電動汽車用輪轂驅動電機等。


圖1為混合勵磁E形鐵芯軸向磁場永磁無刷電機的三維結構示意圖， 圖2為定子E形鐵芯單元，
圖3混合勵磁E形鐵芯永磁無刷電機的增磁運行狀態(平面展開圖)， 圖4混合勵磁E形鐵芯永磁無刷電機的去磁運行狀態(平面展開圖)， 以上的圖中有第一定子1，轉子2，第二定子3，永磁體4，定子E形鐵芯單元5，三相集中電樞繞組6，單相集中勵磁繞組7，轉子極8，非導磁圓環9，氣隙10和氣隙11。
具體實施例方式本發明混合勵磁E形鐵芯軸向磁場永磁無刷電機包括第一定子，轉子，第二定子， 永磁體，三相集中電樞繞組和單相集中勵磁繞組；
第一定子、第二定子分別位於轉子的兩側，每個定子上共有6個E形鐵芯、6個電樞線圈，每兩個電樞線圈順次串聯，構成三相電樞繞組，兩個定子上的三相電樞繞組分別順次串聯組成整個電機的A相、B相、C相的三相集中電樞繞組；每個定子上共有6個勵磁線圈，6 個勵磁線圈均為集中繞組，繞在定子E形鐵芯中間的齒上，上述6個線圈依次順序首尾串聯連接，組成單相集中勵磁繞組；
每兩個E形鐵芯之間設有一個永磁體，三相集中電樞繞組繞在兩個E形鐵芯齒上；第一定子、第二定子上相對稱的永磁體勵磁方向相反；第一定子、第二定子上的永磁體沿著圓周方向交替充磁，相鄰永磁體的磁化方向相反。轉子上共有10個齒，稱為10個轉子極，轉子極均為扇形，其形狀與定子E形鐵芯的齒形狀相一致，轉子極均勻設置在轉子非導磁圓環的外圓周上，轉子極的軸向厚度與非導磁圓環的軸向厚度相等，轉子上既無永磁體也無繞組。
4
E形定子鐵芯的齒和槽都是扇形的，與轉子極的扇形相一致，電樞繞組和勵磁繞組均為集中繞組。「基本電機」的定子由3個E形鐵芯單元和3塊永磁體單元組成，轉子由5個轉子極和非導磁圓環上組成，轉子極嵌在非導磁圓環上。將基本電機的定子單元/轉子極進行整數倍擴充，可得到6/10、12/20、18/30……等結構電機。具體如下
本發明所提出的混合勵磁E形鐵芯永磁無刷電機包括兩個定子、扇形永磁體、三相集中電樞繞組，單相集中勵磁繞組和轉子；轉子夾放在兩個定子中間，定子與轉子同軸安裝， 兩者之間留有空氣隙。轉子兩側的定子結構完全一樣，且位置關於轉子對稱；定子E形鐵芯和永磁體交錯放置構成圓盤形狀，同一定子上相鄰的兩塊永磁體的磁化方向相反，兩個定子上相對的兩塊永磁體勵磁方向相反；每個定子上共有6個集中電樞線圈，將徑向相對的兩個集中電樞線圈順序串聯，每個定子上形成三相(A相、B相、C相)電樞繞組，兩個定子上的三相(A相、B相、C相)電樞繞組分別順次串聯構成整個電機的A相、B相、C相電樞繞組；每個定子上共有6個勵磁線圈，6個勵磁線圈均為集中繞組，繞在定子E形鐵芯中間的齒上，6個勵磁線圈依次順序首尾串聯連接，組成單相勵磁繞組。電樞線圈繞在兩個相鄰的 E形鐵芯齒上，在兩個E形鐵芯齒中間嵌入永磁體，永磁體沿著圓周方向交替充磁。電機轉子為直槽轉子，轉子上既無永磁體也無繞組，共有10個齒，均勻設置在轉子非導磁圓環的外圓周上，稱為10個轉子極。E形定子鐵芯的齒和轉子極都是扇形齒。當電機處在圖3、圖4所示位置時，轉子齒P和繞有集中電樞線圈的一個定子齒相對，根據永磁體的磁化方向，永磁磁通從定子1的齒經過氣隙10穿進轉子齒P再經過氣隙 11穿進定子2的齒，且數值最大。此時，若通過勵磁繞組施加與永磁磁勢方向相同的電勵磁磁勢，可以增加匝鏈電樞繞組中的磁通，增大感應出的電勢(如圖3)。相反，如果改變勵磁電流的方向，使電勵磁磁通與永磁磁通方向相反，則將減小電樞線圈中的合成磁鏈，減小電樞線圈中的感應電勢(如圖4)。通過改變電勵磁繞組中電流的大小和方向就可以調節永磁磁場，解決永磁電機磁場調節困難的問題。磁通切換電機結構上的特點使其具有很強的聚磁效應，電機的氣隙磁通密度高， 使得電機具有高功率密度和高轉矩密度。電樞繞組和勵磁繞組均採用集中繞組形式，端部短，電阻小，電機效率高。如圖1所示，混合勵磁軸向磁場永磁無刷電機是由第一定子1、第二定子3和轉子 2構成的雙氣隙結構電機，第一定子1、第二定子3為凸極結構，轉子2夾放在兩個定子中間，第一定子1、第二定子3與轉子2同軸安裝，轉子2與第一定子1、第二定子3之間留有相等厚度的空氣隙。兩個定子的結構完全一樣，而且關於轉子2對稱；每一個定子都是由6 個定子E形鐵芯單元5 (如圖2所示)、6塊扇形永磁體4、6個三相集中電樞線圈6和6個單相集中勵磁線圈7構成，E形定子鐵芯和扇形永磁體交替放置構成圓盤，兩個定子中相對應永磁體的充磁方向相反。同一定子上的6個集中電樞線圈分成三相，同相的兩個線圈串聯連接，每個定子上都形成三相(A相、B相、C相)電樞繞組，將兩個定子上的三相(A相、B相、C相)電樞繞組分別順次串聯構成整個電機的A相、B相、C相電樞繞組。每個集中電樞線圈繞在兩個E形鐵芯兩端構成的齒上，中間嵌入永磁體，永磁體沿著圓周方向交替切向充磁，相鄰的兩個永
5磁體的磁化方向相反。每個定子上勵磁繞組一共有6個線圈，6個勵磁線圈均為集中繞組， 分別繞在6個E形鐵芯中間的齒上，6個線圈依次順序首尾串聯連接，組成單相勵磁繞組。 將兩個定子上的勵磁繞組順次串聯構成整個電機的單相勵磁繞組。轉子2為凸極結構，共有10個扇形齒，稱為轉子的10個極8，均勻設置在轉子2的非導磁圓環圓周上。轉子上既沒有永磁體也沒有繞組，轉子極和定子E形鐵芯都是由高導磁率的矽鋼片衝制而成。第一定子1、第二定子3由E形結構的導磁鐵芯拼裝而成。扇形永磁體4是鐵氧體或者釹鐵硼永磁磁鋼。如圖3、4所示，給出了電機在兩種勵磁磁場激勵下運行的二維結構圖。在圖示位置，轉子齒8與繞有集中電樞線圈的一個定子齒相對，根據永磁體的磁化方向，電樞線圈中的永磁磁通從第一定子1經過氣隙進入轉子齒8再次經過氣隙進入第二定子3，且數值最大。此時，若通過勵磁繞組施加與永磁磁勢方向相同或相反的電勵磁磁勢，可以增加或減小匝鏈到電樞線圈中的磁通，從而影響感應電勢的大小。圖3給出電機的增磁運行狀態，電勵磁繞組產生的磁通和永磁磁通的方向一致，對永磁磁通起增強作用。圖4給出電機的去磁運行狀態，電勵磁繞組產生的磁通和永磁磁通的方向相反，對永磁磁通起去磁作用，使得氣隙磁密減小。這樣可以大大拓寬電機的調速範圍，增加控制的靈活性。本發明的混合勵磁軸向磁場永磁無刷電機作為電動機運行。根據電機的可逆性原理，該混合勵磁軸向磁場永磁無刷電機也可以作為發電機運行。混合勵磁軸向磁場永磁無刷電機能實現電機氣隙磁場的有效調節與控制，有效拓寬電機的調速範圍，可應用於電動汽車和風力發電機等需要寬調速範圍運行的場合。
權利要求
1.一種混合勵磁E形鐵芯軸向磁場永磁無刷電機，其特徵在於該電機包括第一定子(1)，轉子(2)，第二定子(3)，永磁體(4)，三相集中電樞繞組(6)和單相集中勵磁繞組(7)； 第一定子(1)、第二定子(3)分別位於轉子(2)的兩側，每個定子上共有6個E形鐵芯(5)、6個電樞線圈，每兩個電樞線圈順次串聯，構成三相電樞繞組，兩個定子上的三相電樞繞組分別順次串聯組成整個電機的A相、B相、C相的三相集中電樞繞組(6)；每個定子上共有6個勵磁線圈，6個勵磁線圈均為集中繞組，繞在定子E形鐵芯中間的齒上，上述6個線圈依次順序首尾串聯連接，組成單相集中勵磁繞組(7)；每兩個E形鐵芯(5)之間設有一個永磁體(4)，三相集中電樞繞組(6)繞在兩個E形鐵芯齒上；第一定子(1)、第二定子(3)上相對稱的永磁體(4)勵磁方向相反；第一定子(1)、 第二定子(3)上的永磁體(4)沿著圓周方向交替充磁，相鄰永磁體的磁化方向相反。
2.根據權利要求1所述的混合勵磁E形鐵芯軸向磁場永磁無刷電機，其特徵在於轉子(2)上共有10個齒，稱為10個轉子極(8)，轉子極均為扇形，其形狀與定子E形鐵芯的齒形狀相一致，轉子極均勻設置在轉子(2)非導磁圓環(9)的外圓周上，轉子極的軸向厚度與非導磁圓環的軸向厚度相等，轉子上既無永磁體也無繞組。
3.根據權利要求1所述的混合勵磁E形鐵芯軸向磁場永磁無刷電機，其特徵在於E形定子鐵芯(5)的齒和槽都是扇形的，與轉子極(8)的扇形相一致，電樞繞組和勵磁繞組均為集中繞組。
4.根據權利要求1所述的混合勵磁E形鐵芯軸向磁場永磁無刷電機，其特徵在於所述電機的定子由3個E形鐵芯單元和3塊永磁體單元組成，轉子由5個轉子極和非導磁圓環上組成，轉子極嵌在非導磁圓環上構成基本電機；將基本電機的定子單元/轉子極進行整數倍擴充，可得到定子6槽/轉子10極、定子12槽/轉子20極、定子18槽/轉子30極…… 等結構電機。
全文摘要
本發明的混合勵磁E形鐵芯軸向磁場永磁無刷電機包括兩個定子，永磁體(4)，三相集中電樞繞組(6)，單相集中勵磁繞組(7)和轉子(2)。每兩個E形定子鐵芯之間設有一個扇形永磁體，三相集中電樞線圈繞在兩個定子齒上，勵磁繞組繞在E形定子鐵芯中間的齒上。使用電勵磁繞組和電樞繞組提升了電機氣隙磁場的調節與控制能力，有效拓寬了電機的調速範圍，保證了該電機具有較強的轉矩輸出能力和較高的功率密度；使用永磁體和電勵磁繞組提供的兩套勵磁源，極大提高了系統運行的可靠性，實現了電機的容錯運行；簡單的轉子結構提高了電機運行的可靠性和電機的動態性能；該電機的軸向尺寸較小，很適合應用在嚴格要求薄型安裝，如電動汽車用輪轂驅動電機等場合。
文檔編號H02K1/12GK102223036SQ201110161040
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月16日 優先權日2011年6月16日
發明者林克曼, 林明耀, 趙旭鳴 申請人:東南大學