CN117081282B - 一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机技术领域，一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机，包括电机定子和电机转子，所述的电机定子与电机转子同轴设置，且两个所述电机定子分别设置在电机转子的两侧，所述的电机转子同轴设置有转轴，所述的电机定子包括定子固定板和三个单相定子单元，三个所述单相定子单元圆周阵列设置在定子固定板与电机转子相对的端面上。本发明的优点是能够通过调节直流励磁绕组中通电电流的大小和方向来改变电枢绕组中交链的总磁通，进而调节电机的感应电动势和电磁转矩，有效拓宽电机调速范围，实现高推力密度和宽调速范围的兼备。

Description

一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别是一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机。

背景技术

相比于传统异步电机、直流电机、开关磁阻电机和电励磁式同步电机，永磁同步电机具有结构简单、体积小、重量轻和效率高等优点。在永磁同步电机之中，横向磁通电机技术是近年来新兴的电机本体拓扑之一，该类电机中主磁通回路所处平面与电机运动方向垂直，电机的电磁负荷在空间内相对解耦，能在一定范围内同时提高以实现电机推力密度的大幅提升。将横向磁通电机技术与盘式电机技术相互结合，形成的盘式横向磁通电机可实现电机转矩密度的显著提升。

考虑到盘式横向磁通电机中特殊的盘式结构和现有加工工艺，目前的盘式横向磁通电机多采用含表贴式永磁体的转子。该类转子中永磁体通常被粘贴于转子铁心表面或嵌入非导磁性转子固定盘之中。当电机需要运行于基速以上时，现有盘式横向磁通电机只能通过增强d轴去磁电流的弱磁方法来提高电机转速，然而表贴式永磁体直接串联于主磁路中，导致气隙磁阻数值很大，气隙磁场调节困难，转速拓展能力十分受限；另一方面，过大的d轴电流可能引起永磁体的不可逆退磁，导致电机运行性能的降低并损害电机的使用寿命。所以，现有盘式横向磁通电机很难在宽速度范围内运行。

综上，现有盘式横向磁通电机中弱磁调速能力差、转子机械强度低的缺点极大的限制了该类电机在电力牵引、主轴驱动、风力发电等宽调速范围型电机系统中的进一步应用。本发明将结合横向磁通电机、盘式电机、磁阻电机、混合励磁电机多类技术的特点，通过独特的电机结构设计来提高盘式横向磁通电机的调磁能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机，通过合理设计电机定转子结构，为盘式横向磁通电机提供电枢磁链可按需调整的能力，提高电机的弱磁调速能力，在最大程度发挥横向磁通电机转矩密度大、功率密度高优势的同时显著提高电机的转速上限，有效拓展横向磁通电机在电力牵引、主轴驱动、风力发电等宽调速范围型电机系统中适用性。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机，包括电机定子和电机转子，所述的电机定子与电机转子同轴设置，且两个所述电机定子分别设置在电机转子的两侧，所述的电机转子同轴设置有转轴，所述的电机定子包括定子固定板和三个单相定子单元，三个所述单相定子单元圆周阵列设置在定子固定板与电机转子相对的端面上。

具体的，所述的单相定子单元包括定子铁心、永磁体、直流励磁绕组和交流励磁绕组，所述定子铁心为不对称E形结构，其具有第一齿、第二齿和第三齿，多个所述定子铁心沿定子固定板的径向呈放射状设置，所述定子铁心的第一齿位于定子固定板的内径处，所述定子铁心的第三齿位于定子固定板的外径处，所述定子铁心的第一齿和第二齿的端面上均设置有永磁体，所述定子铁心的第三齿上均套设有一直流励磁绕组，所述交流励磁绕组套设在多个所述定子铁心的第三齿外部。

具体的，所述的单相定子单元中相邻两个定子铁心上的直流励磁绕组缠绕方向相反。

具体的，所述的定子铁心为偶数个。

具体的，相邻所述定子铁心的间距为电机的极距τ，对应的机械角度为180/(3k+j)，j为大于等于1的自然数，k为大于等于1的自然数。

具体的，所述定子铁心的第一齿的端面与电机转子间的气隙大于第三齿与电机转子间的气隙。

具体的，所述定子铁心的第二齿靠近第一齿的端面上设置有安装槽，所述永磁体设置在安装槽内。

具体的，所述定子铁心的第一齿和第二齿上设置的永磁体充磁方向相反，相邻所述定子铁心的第一齿上设置的永磁体充磁方向相反。

具体的，所述的电机转子包括转子固定板和转子铁心，所述的转子固定板均匀设置有多个沿其径向设置的通槽，所述通槽内均设置有一转子铁心。

具体的，所述通槽的间距为2τ，所述转子铁心总数为3k+j，j为大于等于1的自然数，k为大于等于1的自然数。

本发明具有以下优点：

1、本发明的电机中电机转子仅由转子固定板和转子铁心组成，永磁体、电枢绕组和励磁绕组均放置于电机定子中，电机的转子强度显著提升，可适用于高速工况；

2、通过改变直流励磁绕组中通电电流的大小和方向，改变励磁绕组感生电励磁磁通的大小和方向，进而与恒定的永磁体励磁磁通叠加，改变交流励磁绕组内交链总磁通的大小；

3、通过改变与交流励磁绕组相交链的总磁通的大小，电机的感应电动势随之改变，使得电机在低速工况下可具备高气隙磁通密度、高交链磁通量、高电动势、高推力密度的特点；在高速工况下可具备低气隙磁通密度、低交链磁通量、低电动势、高速度上限的特点。

附图说明

图1 为本发明的电机定子和电机转子整体装配结构示意图；

图2 为本发明的电机定子和电机转子爆炸结构示意图；

图3 为本发明的电机定子结构示意图；

图4 为本发明的单相定子单元结构示意图；

图5 为本发明的定子铁心结构示意图；

图6 为本发明的永磁体安装结构示意图；

图7 为本发明的转子固定板结构示意图；

图8 为本发明的单相定子单元内铁心、绕组及永磁体排布示意图；

图9 为本发明的电机磁通调节原理示意图一；

图10 为本发明的电机磁通调节原理示意图二；

图11 为本发明的电机磁通调节原理示意图三；

图中：1-电机定子，11-定子固定板，12-定子铁心，121-第一齿，122-第二齿，123-第三齿，13-交流励磁绕组，14-直流励磁绕组，15-永磁体，2-电机转子，21-转子固定板，211-通槽，22-转子铁心。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1-图11所示，一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机，包括电机定子1和电机转子2，所述的电机定子1与电机转子2同轴设置，且两个所述电机定子1分别设置在电机转子2的两侧，所述的电机转子2同轴设置有转轴，所述的电机定子1包括定子固定板11和三个单相定子单元，三个所述单相定子单元圆周阵列设置在定子固定板11与电机转子2相对的端面上；所述的单相定子单元包括定子铁心12、永磁体15、直流励磁绕组14和交流励磁绕组13，所述定子铁心12为E形结构，其具有第一齿121、第二齿122和第三齿123，多个所述定子铁心12沿定子固定板11的径向呈放射状设置，所述定子铁心12的第一齿121位于定子固定板11的内径处，所述定子铁心12的第三齿123位于定子固定板11的外径处，所述定子铁心12的第一齿121和第二齿122的端面上均设置有永磁体15，所述定子铁心12的第三齿123上均套设有一直流励磁绕组14，所述交流励磁绕组13套设在多个所述定子铁心12的第三齿123外部；所述的单相定子单元中相邻两个定子铁心12上的直流励磁绕组14缠绕方向相反；所述的定子铁心12为偶数个；相邻所述定子铁心12的间距为电机的极距τ，对应的机械角度为180/(3k+j)，j为大于等于1的自然数，k为大于等于1的自然数；所述定子铁心12的第一齿121的端面与电机转子2间的气隙大于第三齿123与电机转子2间的气隙；所述定子铁心12的第二齿122靠近第一齿121的端面上设置有安装槽124，所述永磁体15设置在安装槽124内；所述定子铁心12的第一齿121和第二齿122上设置的永磁体15充磁方向相反，相邻所述定子铁心12的第一齿121上设置的永磁体15充磁方向相反；所述的电机转子2包括转子固定板21和转子铁心22，所述的转子固定板21均匀设置有多个沿其径向设置的通槽211，所述通槽211内均设置有一转子铁心22；所述通槽211的间距为2τ，所述转子铁心22总数为3k+j，j为大于等于1的自然数，k为大于等于1的自然数，本发明的永磁体15位于定子铁心12的第一齿121和第二齿122上，两个永磁体15的顶面与第三齿123的端面在同一平面上，转子结构更加简单，避免了永磁体15随转子旋转的问题，有助于增强电机转子2的结构强度。

本实施例中电机定子1和电机转子2均设置在电机壳体内，在定子固定板11的端面上设置有沿其径向设置的卡槽，定子铁心12卡在卡槽内，本实施例中优选单相定子单元的定子铁心12个数为6个，相邻单相定子单元间隔120°电角度，本实施例中两个电机定子1的定子铁心12沿电机轴向相互对齐，且双边电机定子1中对齐的定子铁心12与转子铁心22间构成电机的两侧气隙，永磁体15放置于定子铁心12第一齿121表面和第二齿122的安装槽124内；任意定子铁心12中的两个永磁体15充磁方向相反；两个电机定子1相对的定子铁心12中对应齿下的永磁体15充磁方向相反，双边定子铁心12分别于转子铁心22构成磁回路，该回路所处平面与电机转子2的运动方向互相垂直；交流励磁绕组13呈跑道形，环绕于单相定子单元下全部定子铁心12的第二齿122上，当直流励磁绕组14未通入电流时，电机基本磁回路如图9所示，此时交链交流励磁绕组13的磁通均由永磁体15励磁产生；当直流励磁绕组14中通入如图10所示的直流电流时，直流励磁绕组14励磁产生的磁通与交流励磁绕组13的交链方向与永磁体15励磁磁通交链方向一致，此时交流励磁绕组13的总磁通得到增强，此时电机为增磁状态；当直流励磁绕组14中通入如图11所示的直流电流时，直流励磁绕组14励磁产生的磁通与交流励磁绕组13的交链方向与永磁体15励磁磁通交链方向相反，此时交流励磁绕组13的总磁通得到减弱，此时电机为去磁状态。由图9-图11可知，当改变直流励磁绕组14中通电电流的大小和方向，会改变励磁绕组感生电励磁磁通的大小和方向，进而与恒定的永磁体15励磁磁通叠加，改变交流励磁绕组13内交链总磁通的大小。同时，直流励磁绕组14励磁磁通与永磁体15磁通并联通过铁心；本发明通过特殊的并联磁路设计，将直流励磁绕组14引入电机的定子侧，在保持转子结构简单可靠的前提下，赋予了电机调节磁通的能力，本发明的电机较现有技术的电机具备了特有的磁通调节能力，基于新的并联磁路结构，使得电机可通过改变直流励磁绕组14中通电电流的大小和方向实现电机的高推力密度和宽调速范围的兼备。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机，其特征在于：包括电机定子（1）和电机转子（2），所述的电机定子（1）与电机转子（2）同轴设置，且两个所述电机定子（1）分别设置在电机转子（2）的两侧，所述的电机转子（2）同轴设置有转轴，所述的电机定子（1）包括定子固定板（11）和三个单相定子单元，三个所述单相定子单元圆周阵列设置在定子固定板（11）与电机转子（2）相对的端面上；所述的单相定子单元包括定子铁心（12）、永磁体（15）、直流励磁绕组（14）和交流励磁绕组（13），所述定子铁心（12）为非对称E形结构，其具有第一齿（121）、第二齿（122）和第三齿（123），多个所述定子铁心（12）沿定子固定板（11）的径向呈放射状设置，所述定子铁心（12）的第一齿（121）位于定子固定板（11）的内径处，所述定子铁心（12）的第三齿（123）位于定子固定板（11）的外径处，所述定子铁心（12）的第一齿（121）和第二齿（122）的端面上均设置有永磁体（15），所述定子铁心（12）的第三齿（123）上均套设有一直流励磁绕组（14），所述交流励磁绕组（13）套设在多个所述定子铁心（12）的第二齿（122）外部。

2.根据权利要求1所述的一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机，其特征在于：所述的单相定子单元中相邻两个定子铁心（12）上的直流励磁绕组（14）缠绕方向相反。

3.根据权利要求1所述的一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机，其特征在于：所述的定子铁心（12）为偶数个。

4.根据权利要求1所述的一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机，其特征在于：相邻所述定子铁心（12）的间距为电机的极距τ，对应的机械角度为180/(3k+j)，j为大于等于1的自然数，k为大于等于1的自然数。

5.根据权利要求1所述的一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机，其特征在于：所述定子铁心（12）的第一齿（121）的端面与电机转子（2）间的气隙大于第三齿（123）与电机转子（2）间的气隙。

6.根据权利要求5所述的一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机，其特征在于：所述定子铁心（12）的第二齿（122）靠近第一齿（121）的端面上设置有安装槽（124），所述永磁体（15）设置在安装槽（124）内。

7.根据权利要求1所述的一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机，其特征在于：所述定子铁心（12）的第一齿（121）和第二齿（122）上设置的永磁体（15）充磁方向相反，相邻所述定子铁心（12）的第一齿（121）上设置的永磁体（15）充磁方向相反。

8.根据权利要求4所述的一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机，其特征在于：所述的电机转子（2）包括转子固定板（21）和转子铁心（22），所述的转子固定板（21）均匀设置有多个沿其径向设置的通槽（211），所述通槽（211）内均设置有一转子铁心（22）。

9.根据权利要求8所述的一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机，其特征在于：所述通槽（211）的间距为2τ，所述转子铁心（22）总数为3k+j，j为大于等于1的自然数，k为大于等于1的自然数。