CN109217597B - 复合励磁非晶合金轴向磁通电机 - Google Patents

Abstract

一种混合磁极磁场可控型轴向磁通电机，包括两个非晶合金定子和一个置于两定子中间的转子；定子部分的定子铁心沿径向分为三部分，分别为永磁区域定子铁心、隔磁区域和电励磁区域定子铁心；永磁区域电枢绕组设置在永磁区域定子铁心上；电励磁区域电枢绕组设置在电励磁区域定子铁心上；转子部分的转子支架上嵌有永磁体和铁磁极，分别与电励磁区域定子铁心和永磁区域定子铁心轴向对应。具有制造简单、损耗小、功率密度高、弱磁扩速范围广的优点。

Description

复合励磁非晶合金轴向磁通电机

技术领域

本发明属于轴向磁通电机领域，主要涉及一种复合励磁非晶合金轴向磁通电机。

背景技术

非晶合金带材作为一种新型的软磁材料，具有优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高强度、高硬度与高电阻率等特性，厚度仅有0.025mm。与传统硅钢片相比，非晶合金尤其是在高频段具有非常小的铁心损耗，因此非晶合金带材非常适用于高速高频电机。传统的非晶合金轴向磁通永磁同步电机采用的都是双转子单定子的永磁结构，这种结构的电机转子表面贴有永磁体，定子两边套有电枢绕组，具有功率密度高、转矩密度大和效率高等诸多优点。但是由于永磁材料的固有特性，非晶合金轴向磁通永磁同步电机内气隙磁场基本保持恒定，且传统的永磁结构的轴向磁通电机一般多采用表贴式磁极结构，这种结构的气隙大、电感小、交直轴电感基本相等，使得存在着励磁调节困难、弱磁调速范围比较窄、永磁体容易退磁等诸多问题，已经成为了制约该电机发展的一个瓶颈。使得非晶合金轴向磁通永磁同步电机的应用受到了很大的约束。

为了追求电机的高功率转矩密度、高效率和磁场可以控制的效果，许多研究人员提出了采用混合励磁形式的不同种类拓扑结构来解决传统永磁同步电机磁场难以调节、不利于弱磁扩速等问题，但均仍旧存在不同程度的缺陷：

（1）中国专利CN201310301385 .0提出了一种双定子盘式混合励磁电机包括两个定子、永磁体、三相集中电枢绕组、单相集中励磁绕组和转子。定子与转子同轴安装，转子放于两个定子之间。永磁体、电枢绕组和电励磁绕组都位于定子，转子上既无永磁体又无绕组，结构简单。气隙磁场由电励磁绕组产生的电励磁磁场和永磁体产生的永磁磁场共同构成，通过改变电励磁电流实现气隙磁场的调节。结构上保留了盘式磁通切换永磁电机紧凑、简单、适于高速运行的特点，无需额外增加电机体积就可以实现混合励磁功能，保证了该结构电机具有较强的转矩输出能力和较高的功率密度。但是其永磁体位于定子，拼装式定子铁心增加了工艺和装配的难度，且电励磁磁路经永磁体，增大了励磁绕组的铜耗。

（2）中国专利CN201310203116 .0提出一种磁悬浮轴承盘式混合励磁双凸极风力发电机，针对现有磁悬浮风力发电机系统存在的结构过于复杂、自身能耗大、不适用于中小风机等问题。采取的技术方案包括转子、两个发电机定子、两个永磁环、三个磁悬浮轴承定子、风叶和转子轴；所述磁悬浮轴承定子上绕有磁悬浮轴承控制绕组；风叶装在转子轴的一端，转子装在转子轴的另一端，风叶和转子与转子轴同步转动；两个永磁环分别与两个发电机定子相连同时与磁悬浮轴承定子相连；永磁环嵌于磁悬浮轴承定子和发电机定子之间；磁悬浮轴承定子均匀分布在转子的外周并且转子的外周伸入到磁悬浮轴承定子内；所述磁悬浮轴承定子与转子的两个平面之间留有气隙。

（3）中国专利CN201610317337 .4提出了一种混合励磁轴向磁通调制式复合结构电机，目的是为了解决现有的混合励磁电机输出转矩小的问题。所述转轴依次穿过永磁外定子、一号调磁环、内定子、二号调磁环和电励磁外定子，且永磁外定子、内定子和电励磁外定子均通过轴承与转轴转动连接，调磁环转子与转轴固定连接，永磁外定子与一号调磁环之间、一号调磁环与内定子之间、内定子与二号调磁环之间、以及二号调磁环和电励磁外定子之间均留有间隙；永磁体采用Halbach结构90°充磁方式进行充磁；一号调磁环和二号调磁环均由调磁铁块和环氧树脂非导磁材料沿圆周方向间隔排列组成。但其结构较为复杂，且Halbach结构增加了制作工艺上的难度。

（4）中国专利CN201210197633 .7提出了一种混合励磁轴向磁场盘式开关磁阻电机，包括定子盘和转子盘，定子盘包括若干定子轭盘、定子极，转子盘包括转子轭盘、转子极，转子极均匀分布于转子轭盘上，定子极均匀分布于定子轭盘的圆周处，每个定子极上设有一个定子线圈，定子线圈之间连接组成多相绕组，在相邻的两个定子极之间设有槽口，在槽口处设有永磁体，永磁体位于定子线圈外部的上方，永磁体的充磁方向为切向，每个定子极两边的永磁体充磁方向相反，所述定子极设有六个，所述转子极设有四个；具有电机运行效率高，电机振动及噪声低，以及电机的功率密度和转矩密度高的优点。但是其永磁体位于定子，增加了定子制作的难度，且降低了定子的强度。

（5）中国专利CN200310109497 .2提出了一种可控磁场永磁盘式电机，定子组件主要由内定子铁心、外定子铁心、左电枢线圈、右电枢线圈和直流励磁线圈组成，其中，左、右电枢线圈分别嵌置在内、外定子铁心的左、右两侧，直流励磁线圈置于内定子铁心及外定子铁心之间；转子组件具有左、右两个转子组件，左(右)转子组件上相对于外定子铁心的位置间隔一个极距嵌入永磁体N极(S极)，同时，相对于内定子铁心的位置间隔一个极距嵌入永磁体S极(N极)，永磁体N极和S极错开一个极距。但是该电机直流励磁磁路部分经过永磁体，增加了励磁磁路的磁阻，励磁铜耗较大。

（6）中国专利CN201310418173 .0提出了一种定子分割式轴向磁通切换型混合励磁同步电机，包括定子和转子，定子由内外两层“ H”型单元定子铁心拼接成两个卷绕的同心圆环，隔磁环将两个同心圆环分开，电枢绕组采用集中绕组，电枢绕组缠绕在两个相邻“H”型单元定子铁心的定子齿上，永磁体成N、S极相间分布在相邻“ H”型单元定子铁心中间；永磁体与定子槽均采用长方形结构；励磁支架位于永磁体正上方，由隔磁环分开，励磁绕组轴向缠绕在励磁支架上，转子采用盘式结构，包括转子磁轭及成放射状均匀固定于其表面的转子极，定子和转子同轴相连。采用隔磁环将定子分割为内外两部分，使电励磁磁路与永磁体磁路并联，两者磁路耦合减少，大大提高了永磁体利用率，电机效率得到明显提高。但是定子齿部处同时受电枢绕组、电励磁绕组、永磁体产生磁通作用，易达到饱和状态，降低电机调磁能力。

发明内容

发明目的：轴向磁通永磁同步电机内气隙磁场基本保持恒定，且气隙较大，每相串联匝数较小，不利于弱磁扩速。为了能够实现轴向磁通永磁同步电机气隙磁场的简单灵活、经济有效的调节与控制从而改善电机调速与驱动性能，避免出现永磁体发生不可逆退磁，由此引入了一种复合型非晶合金轴向磁通电机。

技术方案：

一种混合磁极磁场可控型轴向磁通电机，包括两个非晶合金定子和一个置于两定子中间的转子；

定子部分的定子铁心沿径向分为三部分，分别为永磁区域定子铁心、隔磁区域和电励磁区域定子铁心；

永磁区域电枢绕组设置在永磁区域定子铁心上；电励磁区域电枢绕组设置在电励磁区域定子铁心上；

转子部分的转子支架上嵌有永磁体和铁磁极，分别与电励磁区域定子铁心和永磁区域定子铁心轴向对应。

所述混合磁极磁场可控型轴向磁通电机，优选地：所述的电励磁区域定子铁心开有6*n个开口槽，构成齿状结构；所述转子铁磁极极数为5*n，所述转子永磁体极数为10*n；

所述电励磁区域电枢绕组缠绕在电励磁区域定子铁心的齿上。

所述混合磁极磁场可控型轴向磁通电机，优选地：所述永磁体与导磁性能良好的铁磁极均嵌于不导磁的不锈钢转子支架中。

所述混合磁极磁场可控型轴向磁通电机，优选地：电励磁区域定子槽深大于永磁区域定子槽深，在槽内靠近轭部处安置电励磁绕组。

优点及效果：

本发明是一种复合励磁非晶合金轴向磁通电机，具有如下优点和有益效果：

（1）本发明提出的复合励磁非晶合金轴向磁通电机，改变直流励磁电流的极性和大小，可以方便地实现对气隙总磁场的调节，具有良好的转速调节及恒压发电能力。

（2）本发明提出的电励磁磁通路径与永磁体产生磁通的磁通路径相并联，直流励磁电流产生的磁动势不叠加于永磁体上，避免了在通入较大励磁电流时可能存在的永磁体退磁问题，提高了电机运行的可靠性。

（3）本发明提出电励磁磁通路径由定子铁心、气隙、铁磁极构成，在铁心达到饱和前磁路磁阻非常低，可以通入更少的励磁绕组电流即可达到较高的调磁水平。

（4）本发明提出的隔磁区域，能够有效地减少永磁磁路与电励磁磁路间的漏磁情况。

（5）本发明提出的定子结构简单，易于加工，减少了非晶合金铁心材料性能受加工工艺的影响。

（6）本发明提出复合励磁非晶合金轴向磁通电机，其电励磁绕组位于定子，转子结构相对简单，保证了转子结构的强度及可靠性。

（7）本发明提出复合励磁非晶合金轴向磁通电机，适当调节电励磁区域与永磁区域所占比例，即可应对不同场合对调速范围的需求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的拆解示意图。

附图标记说明：

1定子铁心；2永磁区域电枢绕组；3电励磁区域电枢绕组；4电励磁绕组；5转子支架；6永磁体；7铁磁极；8电励磁区域定子；9隔磁区域；10永磁区域定子铁心。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明提供一种复合励磁非晶合金轴向磁通电机，如图1、图2所示，包括组合式非晶合金定子铁心、永磁区域电枢绕组、电励磁区域电枢绕组、电励磁绕组、转子支架、永磁体和铁磁极；其特征在于：组合式定子铁心沿径向分为三部分，由内而外依次为永磁区域定子、隔磁区域、电励磁区域定子；电枢绕组、分别位于永磁区域与电励磁区域定子槽内，永磁体与铁磁极分别与定子铁心、轴向对应；所述的电励磁区域定子铁心开有6*n个开口槽，n为正整数，与之轴向对应的转子中存在5*n个铁磁极；所述的永磁区域转子中存在10*n个永磁体；

所述的电励磁绕组缠绕于电励磁区域定子齿上。电机沿径向由永磁区域、隔磁区域、电励磁区域三部分组成。电励磁区域定子槽数为6*n，转子铁磁极极数为5*n，永磁区域转子永磁体极数为10*n。电机转子是永磁式转子和磁阻式转子组合，永磁体与导磁性能良好的铁磁极均嵌于不导磁的不锈钢转子支架中。

所述的非晶合金铁心制造方法如下：

根据所需的非晶合金铁心尺寸，将非晶合金带材绕制在模具上并整形固化，分别得到定子铁心轭部与齿部，按尺寸切割定子齿部并利用磨具固定至定子轭部上。所述电励磁绕组在电励磁区域与电枢绕组沿轴向并列。当永磁区域定子槽数去10*m时，永磁区域定子和电励磁区域定子齿上缠绕的电枢绕组为同一线圈。电励磁区域定子槽深大于永磁区域定子槽深，在槽内靠近轭部处安置电励磁绕组。

本发明的工作过程如下：

本发明提出的复合励磁非晶合金轴向磁通电机，电机电枢绕组通入交流电源，电励磁绕组通入直流励磁绕组，当通入增磁电流时，电励磁区域电枢绕组磁链与永磁区域电枢绕组磁链相位相同，方向相同起增磁左右，当通入去磁电流时，两者磁链极性相反，起去磁作用。因此，复合励磁非晶合金轴向磁通具有高的弱磁扩速范围的优点。

结论：本发明所述的复合励磁非晶合金轴向磁通电机，具有制造简单、损耗小、功率密度高、弱磁扩速范围广的优点。

Claims (3)

1.一种混合磁极磁场可控型轴向磁通电机，其特征在于：包括两个非晶合金定子和一个置于两定子中间的转子；

定子部分的定子铁心（1）沿径向分为三部分，分别为永磁区域定子铁心（10）、隔磁区域（9）和电励磁区域定子铁心（8）；

永磁区域电枢绕组（2）设置在永磁区域定子铁心（10）上；电励磁区域电枢绕组（3）设置在电励磁区域定子铁心（8）上；

转子部分的转子支架（5）上嵌有永磁体（6）和铁磁极（7），分别与永磁区域定子铁心（10）和电励磁区域定子铁心（8）轴向对应；

所述铁磁极（7）极数为5*n，所述永磁体（6）极数为10*n；

所述的电励磁区域定子铁心（8）开有6*n个开口槽，构成齿状结构；所述电励磁区域电枢绕组（3）缠绕在电励磁区域定子铁心（8）的齿上。

2.根据权利要求1所述混合磁极磁场可控型轴向磁通电机，其特征在于：所述永磁体（6）与导磁性能良好的铁磁极（7）均嵌于不导磁的不锈钢转子支架（5）中。

3.根据权利要求1所述混合磁极磁场可控型轴向磁通电机，其特征在于：电励磁区域定子铁心（8）槽深大于永磁区域定子铁心（10）槽深，在电励磁区域定子铁心（8）槽内靠近轭部处安置电励磁绕组（4）。

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