一種基于磁場調制雙定子混合勵磁電動機的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于磁場調制雙定子混合勵磁電動機，其中，本發明所設計的混合勵磁電機較好地實現了無刷電勵磁系統與永磁同步電機的結合，既具有永磁電機高功率密度、高轉矩密度等特點，又具有勵磁磁場可靈活調節，寬調速范圍的優勢，從而使之能更好地應用于電動汽車等驅動領域。同時本發明利用磁場調制技術，使轉子上永磁體與內定子上的勵磁繞組共同在外氣隙產生與電樞繞組極對數相同的磁場，從而實現機電能量轉換。轉子上的不對稱V型結構永磁體具有單邊聚磁效果，從而有效改善了電動機的轉矩質量，并且電勵磁繞組無需電刷和滑環，同時雙定子的設計提高了電機的可靠性和容錯性。
【專利說明】
一種基于磁場調制雙定子混合勵磁電動機
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于磁場調制雙定子混合勵磁電動機，屬于永磁電機設計領域。
【背景技術】
[0002] 當前永磁電機在驅動領域以其高功率密度、高轉矩密度等優勢受到廣泛關注，但 由于永磁體產生的勵磁磁通保持恒定，無法調節勵磁使其在需要寬調速范圍的應用領域受 到限制。因此，為解決這一問題，混合勵磁電機得到發展。混合勵磁電機結合永磁電機和電 勵磁電機的優點，既具有永磁電機高功率密度的優點，同時又具有勵磁磁場靈活調節，拓寬 調速范圍的能力。
[0003] 近些年來，許多混合勵磁電機新型拓撲結構被研制。根據電勵磁與永磁體的磁路 結構，可分為串聯式和并列式。串聯式結構中電勵磁產生的磁通將穿過永磁體，由于永磁體 磁阻較大導致電勵磁需要更高的安匝數且永磁體易發生不可逆退磁，而并列式結構能避免 串聯結構的缺點，成為當前混合勵磁電機結構的研究熱點。根據永磁體的位置的不同又可 分為定子永磁型混合勵磁和轉子永磁型混合勵磁。其中定子永磁型電機能夠有效解決電刷 滑環的問題，容易實現混合勵磁，從而有大量的研究文獻，主要有雙凸極混合勵磁、磁通切 換混合勵磁等結構。
[0004] 轉子永磁型電機是目前商業應用特別是電動汽車領域使用最廣的電機結構，因此 轉子永磁型實現混合勵磁是本發明的研究問題。在轉子永磁型混合勵磁中，無刷化勵磁技 術是首要解決的問題。目前的方法主要為軸向混合勵磁、爪極結構和諧波勵磁等。其中軸向 混合勵磁，既有軸向磁場又有徑向磁場，空間磁場分析復雜;爪極結構混合勵磁電機結構復 雜；諧波勵磁技術調磁范圍有限且整流器的使用增加電機軸向長度。因此有必要研制高可 靠性，結構簡單且勵磁調節靈活的轉子永磁型混合勵磁電機。
【發明內容】
[0005] 技術問題:針對上述問題，提出一種基于磁場調制雙定子混合勵磁電動機，解決了 傳統的混合勵磁電機調磁范圍有限且結構復雜，可靠性低的問題;通過永磁體與磁障的結 合，實現了勵磁繞組既能用來調節勵磁磁場，又能與永磁磁場作用產生額外的轉矩輸出。同 時降低轉矩脈動，提高轉矩質量，實現無刷化，保證電機的可靠運行。
[0006] 技術方案：本發明公開了一種基于磁場調制雙定子混合勵磁電動機，包括：外定 子、內定子、電樞繞組、轉子、永磁體、第一磁障、第二磁障、勵磁繞組;所述轉子位于外定子 和內定子之間形成雙氣隙電機結構，電樞繞組采用分布式繞在外定子上，永磁體位于轉子 上。內定子上勵磁繞組通過導磁鐵芯極的調制作用與永磁體共同形成外氣隙中勵磁磁場， 實現混合勵磁的效果。
[0007] 進一步的，所述永磁體采用V型結構，并且兩兩為一組，均勻分布于轉子的圓周上， 每組之間間隔有鐵芯極。通過V型永磁體和磁障設計提高轉矩輸出能力，且勵磁繞組能與永 磁體作用產生額外的轉矩，省去電刷和滑環，進一步提高電機的可靠性和容錯性。
[0008] 進一步的，所述第一磁障為圓形，位于兩V型永磁體之間靠近內氣隙的轉子輒部； 所述第二磁障為長條形，并且兩兩為一組，每組對稱位于鐵芯極的兩側。
[0009] 進一步的，所述勵磁繞組采用三相對稱分布繞于內定子的齒上，且鐵芯極與A、B、C 相繞組的其中一相的軸線對齊。
[0010] 進一步的，所述永磁體采用不對稱結構，即每兩對V型為一組，其靠外側的永磁體 關于V型中線對稱軸的夾角小于另一側的夾角。
[0011] 進一步的，永磁體采用8極結構，勵磁繞組采用4極結構，電樞繞組采用12極結構。
[0012] 有益效果：
[0013] ⑴雙定子結構，充分利用轉子內部空間，提高電機的空間利用率及轉矩密度和功 率密度。
[0014] (2)利用內定子上勵磁繞組實現混合勵磁功能，既能弱磁，又能增磁，有效地擴大 永磁電機的調速范圍，更好地應用于電動汽車等驅動領域。
[0015] (3)電機在結構上只有徑向磁場，相對與軸向混合勵磁電機，結構更加簡單。
[0016] (4)V型永磁體設計，既有很好的單邊聚磁效果，同時兩對V型永磁體為一組的排布 方式，能夠實現轉子在內外氣隙形成不同級數的磁場。即內定子勵磁繞組與永磁體共同在 外氣隙產生12極的磁場與電樞磁場作用產生轉矩輸出，同時永磁體在內氣隙形成4極磁場 與內定子勵磁繞組作用產生額外的轉矩。
[0017] (5)不對稱V型永磁體的采用能夠有效降低轉矩脈動，提高轉矩輸出的平穩性。
[0018] (6)當外定子電樞繞組發生故障導致轉子輸出轉矩降低時，通過調節內定子勵磁 電流大小相位，使之產生最大的額外轉矩，保證電機暫時的輸出能力，因此該電機具有一定 的容錯功能。
[0019] (7)雖然永磁體采用8極設計，使之與4極的勵磁磁場通過調制與12極電樞磁場作 用。但由于鐵芯極的設計，當勵磁電流故障或勵磁電流為零時，轉子依然能夠產生12極磁場 使電機能正常工作，進一步提高電機的可靠性。
[0020] (8)勵磁繞組和永磁體產生的磁場在磁路上呈并列結構，加之磁障的設計，能有效 減少永磁體發生不可逆退磁風險。
[0021] (9)相對與傳統的磁場調制利用諧波而導致調制效率不高的缺點，本電機采用進 行磁場調制的鐵芯極與內定子勵磁繞組極數相同，從而大大提高了磁場調制的效率。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明電機橫向剖面圖；
[0023] 圖2為外氣隙混合勵磁磁場的示意圖。
[0024] 圖3為永磁體在內外氣隙產生不同極數磁場。
[0025]圖4為不對稱V型永磁體結構。
[0026]其中：1為外定子、2為內定子、3為電樞繞組、4為轉子、5為永磁體、6為鐵芯極、7為 第一磁障、8為第二磁障、9為勵磁繞組。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
[0028] 本發明的具體結構如下:一種基于磁場調制雙定子混合勵磁電動機，包括:外定子 1、內定子2、電樞繞組(3)、轉子4、永磁體5、第一磁障7、第二磁障8、勵磁繞組9;所述轉子4位 于外定子1和內定子2之間形成雙氣隙電機結構，電樞繞組3采用分布式繞在外定子1上，永 磁體5位于轉子4上。內定子上勵磁繞組通過導磁鐵芯極的調制作用與永磁體共同形成外氣 隙中勵磁磁場，實現混合勵磁的效果。所述永磁體5采用V型結構，并且兩兩為一組，均勻分 布于轉子4的圓周上，每組之間間隔有鐵芯極6。通過V型永磁體和磁障設計提高轉矩輸出能 力，且勵磁繞組能與永磁體作用產生額外的轉矩，省去電刷和滑環，進一步提高電機的可靠 性和容錯性。所述第一磁障7為圓形，位于兩V型永磁體之間靠近內氣隙的轉子輒部;所述第 二磁障8為長條形，并且兩兩為一組，每組對稱位于鐵芯極6的兩側。所述勵磁繞組9采用三 相對稱分布繞于內定子2的齒上，且鐵芯極6與A、B、C相繞組的其中一相的軸線對齊。圖1所 示為勵磁繞組B相軸線與鐵芯極對齊。所述永磁體(5)采用不對稱結構，即每兩對V型為一 組，其靠外側的永磁體關于V型中線對稱軸的夾角小于另一側的夾角。永磁體5采用8極結 構，勵磁繞組9采用4極結構，電樞繞組3采用12極結構。
[0029] 本發明的設計原理如下：該電機有永磁體勵磁和電勵磁兩種勵磁源，共同在外氣 隙產生勵磁磁場，根據電磁轉矩理論，電機要輸出恒定的轉矩必須滿足:定轉子磁場極對數 相同；定轉子磁場相對靜止;定轉子磁動勢軸線存在相位差。該電機永磁體采用8極結構，勵 磁繞組采用4極結構。根據磁場調制規則:Zi(m，k)= |mZ2+kZ31，m=l，2,3......〇〇，k = 0, ±1， ±2,0，其中Zi為繞組產生磁場的極數，Z2為起調制作用的導磁塊數，Z3為另一繞組產生磁 場的級數。因此在本發明電機中21取4，111取l，k取0,即4極勵磁磁場通過導磁的鐵芯極在外 氣隙同樣形成4極的磁場，與永磁體產生的8極磁場合成12極磁場與電樞繞組12極磁場作 用，產生轉矩輸出。為了保證勵磁繞組產生的磁場與轉子同步旋轉并通過鐵芯極形成穩定 的NS極結構，勵磁繞組通以三相交流電，頻率f2和電樞頻率6的關系為= 1 = 60 6U 4·。此外根據交流繞組·的磁云力勢理論，當某一相的電流達到最大值時，三柑合 ctJ 6U 5 成磁動勢的幅值就位于該相軸線處。因此轉子鐵芯極所在位置必須與內定子繞組排布相軸 位置對齊，才能經調制在外氣隙產生最大的穩定的12極磁場。
[0030] 電樞繞組匝鏈的磁鏈包括永磁磁鏈和電勵磁磁鏈，如圖2所示。因此通過調節勵磁 電流的大小可以實現弱磁、增磁的效果。V型永磁具有單邊聚磁的效果，從而減少永磁體在 內氣隙產生的磁鏈，提高外氣隙的磁密幅值，增加轉矩輸出能力；同時兩個V型為一組結合 磁障的設計，使得8極永磁體在內氣隙能夠產生4極的磁場，調節4極的勵磁磁場，從而產生 額外的轉矩輸出，能夠在電樞繞組發生故障導致轉矩輸出下降的情況下，保證電機的可靠 運行，如圖3所示。鐵芯極兩側矩形磁障的設計，減少永磁體經過鐵芯極的磁鏈，從而降低了 電勵磁磁路的飽和程度，使得電勵磁對勵磁磁場的調節效果更加明顯，且電勵磁和永磁體 在磁路上呈并列結構，減少了永磁體不可逆退磁風險。轉子輒部圓形磁障的加入，增加磁路 磁阻，改善鐵芯極的磁場調制效果，同時減少了交直軸的耦合程度，改善了混合勵磁電機的 性能。
[0031 ]由于雙氣隙的結構，永磁體產生的磁場在內外氣隙分別與電樞繞組、勵磁繞組產 生的磁場發生耦合，氣隙磁場分布復雜導致電機輸出轉矩的脈動較大，因此本發明采用不 對稱V型永磁體結構，如圖4所示。V型永磁體關于其中軸線的夾角不等，，改善氣隙 磁密波形，從而降低轉矩脈動。具體的，9:可取值為30°，02可取值為40°。
[0032]以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征以及本發明的優點，應當指出， 對于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 進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于磁場調制雙定子混合勵磁電動機，其特征在于：包括：外定子（1)、內定子 (2)、電樞繞組(3)、轉子(4)、永磁體(5)、第一磁障(7)、第二磁障(8)、勵磁繞組(9);所述轉 子(4)位于外定子(1)和內定子(2)之間形成雙氣隙電機結構，電樞繞組(3)采用分布式繞在 外定子(1)上，永磁體(5)位于轉子(4)上。2. 根據權利要求1所述的一種基于磁場調制雙定子混合勵磁電動機，其特征在于:所述 永磁體(5)采用V型結構，并且兩兩為一組，均勻分布于轉子(4)的圓周上，每組之間間隔有 鐵芯極(6)。3. 根據權利要求2所述的一種基于磁場調制雙定子混合勵磁電動機，其特征在于:所述 第一磁障(7)為圓形，位于兩V型永磁體之間靠近內氣隙的轉子輒部;所述第二磁障(8)為長 條形，并且兩兩為一組，每組對稱位于鐵芯極(6)的兩側。4. 根據權利要求3所述的一種基于磁場調制雙定子混合勵磁電動機，其特征在于:所述 勵磁繞組(9)采用三相對稱分布繞于內定子(2)的齒上，且鐵芯極(6)與A、B、C相繞組的其中 一相的軸線對齊。5. 根據權利要求1所述的一種基于磁場調制雙定子混合勵磁電動機，其特征在于:所述 永磁體(5)采用不對稱結構，即每兩對V型為一組，其靠外側的永磁體關于V型中線對稱軸的 夾角小于另一側的夾角。6. 根據權利要求1所述的一種基于磁場調制雙定子混合勵磁電動機，其特征在于:永磁 體(5)采用8極結構，勵磁繞組(9)采用4極結構，電樞繞組(3)采用12極結構。
【文檔編號】H02K21/02GK106026583SQ201610365438
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】樊英, 譚超
【申請人】東南大學