自弱磁複合磁通切換永磁電的製造方法

2023-10-19 13:51:32 4

自弱磁複合磁通切換永磁電的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種自弱磁複合磁通切換永磁電機，擁有兩個定子，兩個轉子，兩套多相電樞繞組，永磁體和隔磁環。一方面，內、外轉子上不含永磁體和任何勵磁繞組，因此該電機擁有結構堅固的特點；另一方面，內、外兩個定子上安裝有永磁體和電樞繞組並通過隔磁環連接。在結構上保留了永磁式磁通切換電機魯棒性好、適於高速運行的優勢。無需額外增加勵磁繞組，通過調整內、外定子之間的相對角度就可以實現電機弱磁，保證了該電機具有較大的調速範圍，特別適合於要求體積小調速範圍大的場合，能夠實現恆功率區的寬調速功能。
【專利說明】自弱磁複合磁通切換永磁電機
[0001]

【技術領域】
[0002]本發明涉及一種能夠實現電子無級變速與自弱磁調速運行的電機，屬於電機製造領域。
[0003]

【背景技術】
[0004]隨著世界能源的不斷衰竭，採用新能源汽車取代傳統燃油汽車成為全世界的共識。目前國際上主要研究的新能源汽車主要有三種，即純電動汽車、燃料電池汽車和混合動力汽車，其中前兩者因為技術不成熟、行駛裡程不足或經濟成本高昂而在商用、家用乘用車領域難以大範圍推廣。混合動力汽車則因其技術成熟，續航裡程長而被廣泛關注並得到了最為普及的應用。
[0005]有效實現混合動力汽車基本功能的關鍵技術之一是研發高性能的電子無級調速器(Electrical-Continuous Variable Transmiss1n,以下簡稱 E-CVT)系統。E-CVT 系統作為一種具有機械功率分配的能量傳遞系統，其突出優點是能夠使發動機在全程範圍內運行在最佳燃油經濟線，從而有效提高整車效率。E-CVT系統的核心部件是其功率分配裝置，保證發動機運行於最佳區域，從而實現混合動力汽車傳動系統的綜合最優控制。根據是否採用機械齒輪，可將現有上市混合動力汽車的E-CVT系統以及國內外專家學者廣泛關注的E-CVT系統分為兩大類:一類是採用機械齒輪(行星齒輪)的E-CVT系統，另一類為沒有齒輪嚙合的無齒輪E-CVT系統。
[0006]儘管行星齒輪結構較好地解決了發動機功率分配以及驅動轉矩的合成問題，然而，和所有機械齒輪一樣，行星齒輪存在著傳輸損耗和齒輪噪聲的缺點，而且必須人為定期地給齒輪施加潤滑劑加以維護。為了解決這種複合機械結構所存在的弊端，國內外研究人員嘗試採用由一個雙轉子電機來替代行星齒輪結構，即通過無接觸的電磁力(電磁轉矩)作用，以實現能量的集中與分配以及車速的自由調節，即採用電氣聯結方式克服上述問題。然而，這種基於雙轉子電機實現電氣聯結的電子無級調速系統在克服行星齒輪缺點的同時也產生了一個新的問題:系統中所採用的雙轉子電機必需通過滑環和碳制電刷實現轉子中的電能傳遞。而眾所周知，滑環和碳制電刷將產生額外的損耗，而且需要定期維護。
[0007]不同於改良的思想，近年來出現了一種全新的電子無級調速系統概念(2012 I0274466.1)，既不需要行星齒輪，也不需要滑環和碳制電刷。這套系統不僅可以從本質上解決現在所有以行星齒輪方式聯結的電子無級調速系統的缺點，而且也可以避免已有的基於滑環和電刷的電氣聯結電子無級調速系統的缺點。然而，作為新能源汽車用電子無級調速系統，往往要求與車輪傳動系統相連的低速轉子具有較大的轉矩輸出能力，而與發動機相連的高速轉子具有較為寬廣的恆功率調速性能。以2008款雷克薩斯LS600h汽車驅動電機為例，其調速範圍為(Tl0230rpm，額定轉矩輸出為200Nm，最大峰值轉矩為300Nm。而要實現上述目標的電子無級調速系統，需要同時具備較強的恆轉矩輸出能力和較廣的恆功率調速範圍。而專利(2012 I 0274466.1)之中所提複合型磁通切換永磁電機本質上屬於一種由定子永磁型無刷同步電機組成的複合電機系統，很難同時上述大轉矩與寬調速的性能要求。
[0008]因此，本發明提出了一種新型自弱磁複合磁通切換無刷電機系統，在能夠實現功率分配的基礎之上，同時滿足大轉矩與寬調速的性能需求。既具備電子無級調速性能，同時實現了無刷化，且還具有較強的自弱磁能力，無需藉助傳統恆功率區弱磁調速算法即可實現外電機氣隙磁場的自我調節。
[0009]


【發明內容】

[0010]技術問題:本發明提供一種結構堅固、工作模式多樣化、具有較強轉矩輸出能力和較高功率密度的具有自弱磁能力的複合磁通切換永磁無刷電機。
技術方案:本發明的自弱磁複合磁通切換永磁電機，由具有相同定子齒數與轉子齒數的內轉子磁通切換永磁電機和外轉子磁通切換永磁電機複合而成,包括位於中心的內轉子、從內至外依次環繞在內轉子外側的內定子、隔磁環、外定子和外轉子；所述內定子和外定子的每個定子齒中均嵌入一塊永磁體，相鄰兩個定子齒中的兩塊永磁體極性交錯分布，即呈NS-SN分布，永磁體磁極方向呈切向分布。
[0011]本發明電機的優選方案中，外定子為導磁鐵心和鑲嵌於外定子齒正中間的外定子永磁體拼裝而成。
[0012]本發明電機的優選方案中，內定子為導磁鐵心和鑲嵌於內定子齒正中間的內定子永磁體拼裝而成。
[0013]本發明電機的優選方案中，外轉子和內轉子上既無永磁體也無繞組，轉子為適合於無刷直流運行的直槽或者適合於無刷交流運行的斜槽。
[0014]本發明電機的優選方案中，隔磁環固定安裝，隔磁環和外定子之間，以及隔磁環和內定子之間均通過滑環或滾珠安裝連接，內定子和外定子之間的相對位置能夠通過相對於隔磁環的轉動而變換。
[0015]本發明電機中，內定子和外定子通過隔磁環隔離。
[0016]本發明電機包括內電機、外電機、隔磁環三大部分，其中:內、外電機採用同心式結構，內電機置於內部，外電機置於外部，內外電機之間通過隔磁環隔離；內電機包括:內轉子、內定子；外電機包括:外轉子、外定子。內定子和外定子齒數相同，內定子和外定子的每個定子齒中間嵌入永磁體，永磁體充磁磁極方向呈切向分布；相鄰定子齒中的永磁體極性呈交錯分布，即第一個定子齒中永磁體極性分布若為N-S，則與之相鄰的定子齒中永磁體極性為S-N，依次交錯分布於內、外定子齒中。因此，若定子齒數為及，則一共有2/^塊永磁體嵌入定子齒，其中內定子有及塊，外定子有及塊。內、外定子之間通過隔磁環隔離，同時由於內、外定子與隔磁環通過滑環或滾珠連結，所以內、外定子之間可以產生相對旋轉。若定義永磁體極性相同的內定子齒和外定子齒之間偏差角度為，則初始位置為U。，終止位置為〃_=360° /4。三相集中式電樞繞組的各組成線圈均橫跨於一個定子齒上，其中，》相集中電樞繞組一共有Ps個集中式電樞線圈以》相的順序依次交替分布，每相由PJm個電樞線圈組成，屬於同相的各個線圈空間彼此相差咐3607/^(空間機械角度)。為滿足繞組互補性以改善每相永磁磁鏈和空載感應電勢的正弦度，組成一相的及加個電樞線圈必須按照如下的方式連接:空間機械角度相差《*36074的兩個線圈必須串聯組成一個線圈組，而(2?)個電樞線圈組之間則可以根據性能需求串聯、並聯或者串並混聯(線圈組數為偶數，且大於或等於4)。若以一臺內、外定子均12個槽，內、外轉子均10個齒(極)的三相自弱磁複合磁通切換電機為例，每相電樞繞組一共由四個集中式電樞線圈組成，其中第一、第二集中式電樞線圈空間相差90° (機械角度)，為了繞組互補性必須要串聯組成第一線圈組。而分別與第一線圈、第二線圈徑向相對的第三線圈、第四線圈徑向相對亦空間相差90°機械角度，必須要串聯組成第二線圈組。第一線圈組與第二線圈組之間可以串聯或者並聯組成A相電樞繞組；與此相似，第五、第六集中電樞線圈與第七、第八集中電樞線圈徑向相對(空間相差90°)，順序串連後組成B相電樞繞組；第九、第十集中電樞線圈與第i^一、第十二集中電樞線圈徑向相對(空間相差90°)，順序串連後組成C相電樞繞組；對於組成A相的4個電樞繞組線圈而言，第一、第二集中線圈和第三、第四集中線圈在任何轉子位置，其繞組中匝鏈的永磁磁鏈數量相同、方向相反，故需要反向串連組成A相，對B、C兩相情況類似，對於組成B相的4個電樞繞組線圈而言，第五、第六集中線圈和第七、第八集中線圈在任何轉子位置，其繞組中匝鏈的永磁磁鏈數量相同、方向相反，故需要反向串連組成B相，對於組成C相的4個電樞繞組線圈而言，第九、第十集中線圈和第十一、第十二集中線圈在任何轉子位置，其繞組中匝鏈的永磁磁鏈數量相同、方向相反，故需要反向串連組成C相。內、外定子都由導磁鐵心和永磁體拼接而成。內、外轉子均為直槽或斜槽轉子(為進一步改善磁鏈和感應電勢正弦度)，內、外轉子上既無永磁體也無繞組。永磁體可以為鐵氧體、釤鈷或者釹鐵硼等其他類型永磁材料。隔磁環為非導電非導磁材料。內、外轉子鐵心均由矽鋼片衝壓而成，內轉子置於內定子中，外轉子套在外定子外部，即內定子和內轉子組成一個內轉子的磁通切換永磁電機，外定子和外轉子組成一個外轉子的磁通切換永磁電機。
[0017]自弱磁複合磁通切換電機在電樞繞組不通電流時,一個定子齒被永磁體分為兩部分，當轉子在旋轉過程中與這兩部分分別對齊時，永磁體所產生的永磁磁通匝鏈到各個定子集中式電樞線圈的方向就會相反，從而產生「磁通切換」效應，導致每相電樞繞組中所匝鏈的永磁磁鏈為雙極性，產生交變空載感應電勢。電機作電動運行時，電機內部稱合著永磁磁場和電樞磁場。由永磁體的固有特性可知，在沒有外在激勵源的條件下，在轉子位置固定時,永磁磁場所產生的氣隙磁通密度不變，因此由永磁磁場感應出的每相空載感應電勢也不變。而永磁電機的空載感應電勢與轉子轉速成正比，在直流母線電壓為固定值的驅動調速系統中，轉速受到限制，從而影響了電機在恆功率運行模式下的高速性能。本發明的關鍵之處在於，無需通過調節電樞電流的直軸分量，直接通過改變內、外相同磁極方向的定子齒之間的相對角度，使得內、外定子齒之間的永磁體磁鏈產生部分耦合，從而達到外電機弱磁增速效果。
[0018]如圖1所示，當永磁體極性相同的對應外定子齒與內定子齒之間偏差β sro=0。時，內、外定子永磁體間磁I禹合程度最小，所對應的內、夕卜定子齒中的永磁體間漏磁最小，此時外電機處於最大永磁磁鏈模式；如圖2所示，當永磁體極性相同的對應內定子齒和外定子齒偏差K3。時，內、外定子齒中的永磁體間會發生耦合併產生部分閉合磁鏈迴路，此時內、外定子齒中的永磁體間存在漏磁，從而削弱匝鏈到電樞線圈中的有效永磁磁鏈，進而達到弱磁效果；如圖3所示，當永磁體極性相同的對應內定子齒和外定子齒偏差為〃sro=30°時，由於極性相反的永磁體間距離最小，此時永磁體漏磁情況最為嚴重，外電機弱磁效果最佳。可見，不同的轉子位置所對應的永磁磁鏈耦合程度不同，因此可實現不同程度的弱磁；具體轉子位置所對應的弱磁要求可根據實際運行情況進行離線或者在線動態調節。
[0019]本發明電機可以在不額外增加體積和勵磁線圈的情況下，通過合理改變內、外兩個電機定子齒之間的相對角度實現有效弱磁，從而提升電機各項性能，包括減少定位力矩、提高恆功率最高運行轉速、拓寬調速範圍等。與現有的複合磁通切換電機相比，其結構創新之處在於隔磁環固定安裝，隔磁環和外定子之間，以及隔磁環和內定子之間均通過滑環或滾珠安裝連接，內定子和外定子之間的相對位置能夠通過相對於隔磁環的轉動而變換。
有益效果:與現有技術相比，本發明具有以下優點:
1.與傳統複合磁通切換永磁電機相比，自弱磁複合磁通切換電機仍由內電機、外電機以及隔磁環組成，在結構上保留了普通複合磁通切換永磁電機結構堅固、工作模式多樣化的優點；
2.與傳統複合磁通切換永磁電機相比，自弱磁複合磁通切換電機中的內電機和外電機都為磁通切換電機，在性能上保留了永磁無刷電機轉矩出力大、功率密度高、效率高的優勢；
3.與傳統複合磁通切換永磁電機相比，自弱磁複合磁通切換電機中的外電機和內電機與隔磁環的連接方式由固定連接變為可轉動連結，除增加內電機、外電機與隔磁環連接處的滑環或滾珠外，不需要額外增加任何部件，節約成本；
4.與傳統複合磁通切換永磁電機相比，自弱磁複合磁通切換電機中的電樞繞組依然採用集中式線圈，端部較短；
5.與傳統複合磁通切換永磁電機相比，自弱磁複合磁通切換電機仍可根據不同性能需求，靈活調節定轉子齒槽配合或採用直槽、斜槽轉子直槽或者斜槽，從而獲得梯形波或者正弦波的每相空載感應電勢；
6.與傳統複合磁通切換永磁電機相比，自弱磁複合磁通切換電機通過改變相應內、夕卜定子齒之間的相對位置即可改變永磁體間的耦合情況，從而取得不同的外電機弱磁效果，可操作性強，調速範圍寬。
[0020]7.自弱磁複合磁通切換電機在調磁過程中，對內電機磁鏈影響極小，內電機磁鏈幾乎保持不變，能夠保證內電機發電運行時的功率輸出。
[0021]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1所示為一臺永磁體極性相同、內外定子齒偏差角度〃 _=0°的三相定子12槽/轉子10極自弱磁複合磁通切換永磁電機結構,對應的每相繞組永磁磁鏈與空載感應電勢最大。
[0023]圖2所示將圖1中電機的外定子旋轉9°，即內外定子齒偏差角度〃_=9°的複合電機結構，對應的外電機每相繞組永磁磁鏈與空載感應電勢有一定的削弱，而內電機每相繞組永磁磁鏈與空載感應電勢並無明顯削弱。
[0024]圖3所示將圖1中電機的外定子旋轉30°，即內外定子齒偏差角度〃_=30°後的複合電機結構，對應的外電機每相繞組永磁磁鏈與空載感應電勢最小，而內電機每相繞組永磁磁鏈與空載感應電勢並無明顯削弱。
[0025]圖4為在空載情況下，電機在內、外定子齒相對位置分別為0 sro=0。、0sro=9\Θ sr=30°時，內電機中A相永磁磁鏈的比較。
[0026]圖5為在空載情況下，電機在內、外定子齒相對位置分別為0_=0°、ffsr=9\Θ Sr0=^O0時，內電機中A相空載感應電勢的比較。
[0027]圖6為在空載情況下，電機在內、外定子齒相對位置分別為0_=0°、ffsr=9\Θ sr=30°時，外電機中A相永磁磁鏈的比較。
[0028]圖7為在空載情況下，電機在內、外定子齒相對位置分別為0 sro=0。、0sro=9\θ Sr0=^O0時，外電機中A相空載感應電勢的比較。
[0029]圖8和圖9分別為內、外定子齒偏差0_=9°時，內、外電機三相永磁磁鏈波形圖。
[0030]圖10和圖11分別為內、外定子齒偏差〃_=30°時，內、外電機三相永磁磁鏈波形圖。
[0031]圖中有:外轉子1，外定子永磁體2,內定子永磁體3,隔磁環4,內轉子5,內定子6,外定子7 ;永磁體極性由圖中箭頭標出，箭頭所指方向為永磁體N極方向。
[0032]

【具體實施方式】
[0033]下面結合說明書附圖和實施例對本發明的的技術方案做進一步詳細說明。
[0034]如圖1以一臺定子12槽/轉子10極電機為例，將永磁體分別嵌入內定子和外定子的定子齒中，永磁體極性與電機定子圓周呈正切，此時內、外定子齒偏差角度即〃_=0°。對於內定子6而言,第一個定子齒之中永磁體3極性為N-S分布,貝U與之相鄰的第二個定子齒中永磁體極性則為S-N分布，以此類推，內定子6的12個定子齒中永磁體極性呈交替分布，即NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN ;對外定子7而言，定子齒中永磁體2極性為N-S分布，則與之相鄰的第二個定子齒中永磁體極性則為S-N分布，以此類推，內定子6的12個定子齒中永磁體極性呈交替分布，即NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN ;在內、夕卜定子齒偏差角度即〃 sro=0°時,處於同一直線的內外定子齒中永磁體極性方向一致，呈切向分布。通過內定子6和隔磁環4之間的滑環或滾珠以及外定子7和隔磁環4之間的滑環或滾珠，內定子6和外定子7可進行相對轉動，從而擁有相同極性永磁體的定子齒之間將出現偏差角度，圖2為將圖1中定子12槽/轉子10極內、外電機旋轉後的電機結構圖，內外定子齒偏差角度為即〃_=9°，內定子6、外定子7永磁體極性分布保持不變，角度偏差後，根據磁阻最小原理，內外定子齒永磁體間將發生磁場耦合從而削弱外電機磁鏈，圖3為將圖1中定子12槽/轉子10極內、外電機旋轉至磁鏈耦合最大時的電機結構圖，此時擁有相同極性永磁體的定子齒之間偏差角度為即〃_=30° ，此時擁有相反永磁體極性的定子齒之間偏差角度為0°，根據磁阻最小原理，內外定子齒間磁場耦合最大。
[0035]內轉子5和外轉子I可以是直槽轉子，保證了本發明在採用集中繞組和轉子不斜槽的條件下，可獲得非常接近於梯形波分布的磁鏈、反電動勢等靜態特性，從而使本發明更加適合於作為無刷直流驅動方式的交流調速系統元件。此外，也可以對轉子5斜槽一定角度，獲得較為正弦的反電動勢，使本發明適合於作為無刷交流驅動方式的交流調速系統元件。
[0036]永磁體3是鐵氧體、釤鈷或者釹鐵硼等其他類型永磁材料，外定子7、內定子6、外轉子I和內轉子5都可以採用矽鋼片衝片壓疊製成。
[0037]內定子和外定子通過隔磁環4隔離，隔磁環4和外定子7通過滑環或滾珠連結，隔磁環4和內定子6之間亦通過滑環或滾珠連結，則外定子7和內定子6可以產生相對旋轉，從而內定子6和外定子7之間的相對位置可以變換。
[0038]從圖4、圖5、圖6、圖7中可以看出，內、外定子齒偏差9°、30°後，內電機永磁磁鏈幅值及其有效值幾乎保持不變，空載感應電勢波形亦較為一致；外電機永磁磁鏈幅值及其有效值隨著角度的增加而減小，空載感應電勢在30°時有一定的畸變，但仍在可控範圍內。此外，從圖8-圖11中可以看出，內、外定子齒偏差9°、30°後，內、外電機三相電樞繞組中匝鏈的永磁磁鏈波形仍然呈三相正弦對稱分布，無明顯畸變。
[0039]上述實施例僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發明權利要求進行改進和等同替換後的技術方案，均落入本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種具有自弱磁能力的複合磁通切換電機，其特徵在於，該電機是由具有相同定子齒數與轉子齒數的內轉子磁通切換永磁電機和外轉子磁通切換永磁電機複合而成，包括位於中心的內轉子(5)、從內至外依次環繞在內轉子(5)外側的內定子(6)、隔磁環(4)、外定子(7)和外轉子(I);所述內定子(6)和外定子(7)的每個定子齒中均嵌入一塊永磁體，相鄰兩個定子齒中的兩塊永磁體極性交錯分布，即呈NS-SN分布，永磁體磁極方向呈切向分布。
2.根據權利要求1所述的具有自弱磁能力的複合磁通切換電機，其特徵在於，所述外定子(7)為導磁鐵心和鑲嵌於外定子齒正中間的外定子永磁體(2)拼裝而成。
3.根據權利要求1所述的具有自弱磁能力的複合磁通切換電機，其特徵在於，所述內定子(6)為導磁鐵心和鑲嵌於內定子齒正中間的內定子永磁體(3)拼裝而成。
4.根據權利要求1、2或3所述的具有自弱磁能力的複合磁通切換電機，其特徵在於，所述外轉子(I)和內轉子(5)上既無永磁體也無繞組，轉子為適合於無刷直流運行的直槽或者適合於無刷交流運行的斜槽。
5.根據權利要求1、2或3所述的具有自弱磁能力的複合磁通切換電機，其特徵在於，所述隔磁環(4)固定安裝，隔磁環(4)和外定子(7)之間，以及隔磁環(4)和內定子(6)之間均通過滑環或滾珠安裝連接，內定子(6)和外定子(7)之間的相對位置能夠通過相對於隔磁環(4)的轉動而變換。
6.根據權利要求1、2或3所述的具有自弱磁能力的複合磁通切換電機，其特徵在於，所述內定子(6)和外定子(7)通過隔磁環(4)隔離。
【文檔編號】H02K16/00GK104362822SQ201410579552
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】花為, 周令康, 程明, 王寶安 申請人:東南大學