CN110601474A - 径向磁场复合型磁通切换电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电机设计领域，公开了一种径向磁场复合型磁通切换电机，包括固定轴（6）、与固定轴同轴转动连接的转轴（5）、环绕转轴的内转子（4）、环绕内转子的内定子（3）、环绕内定子的轴承（23）、环绕轴承的外定子（2）、环绕外定子的外转子（1）；外定子与外转子之间以及内定子与内转子之间均设置有气隙；内转子和外转子均与转轴固定连接，内定子与固定轴固定连接，轴承（23）径向内外侧分别与内定子外径和外定子内径连接。本发明在提高永磁体运行可靠性、避免永磁体因弱磁调速和高温导致的不可逆退磁的前提下，满足驱动电机低速大转矩和宽调速范围运行的要求。
Description
技术领域
本发明涉及电机设计领域，特别涉及一种径向磁场复合型磁通切换电机。
背景技术
近年来，磁通切换型永磁电机（简称FSPM）由于其高转矩密度和高效率而得到广泛研究，在该电机结构中，永磁体和绕组均放置在定子上，转子结构简单，提升了电机的可靠性和动态运行性能。但是，由于永磁体的固有特性，FSPM电机运行时的气隙磁场基本保持恒定不变，电动运行时，FSPM电机励磁控制困难、调速范围有限。因此，如何实现磁场的有限调节与控制，拓宽其调速范围，是FSPM电机待解决的难题之一。学者们就此对混合励磁FSPM电机进行了研究，在定子上除了永磁体，还设置了励磁绕组，实现双励磁源混合励磁方式，可提高磁场调节能力，拓宽转速运行范围。然而，这种电机结构中定子同时存在永磁体和两套绕组（励磁绕组和电枢绕组），一方面磁路饱和程度高，另一方面约束了电枢绕组放置空间，在一定程度上限制了转矩输出能力；且由于热源均位于定子中，易导致定子绕组和永磁体温升过高，带来绕组绝缘损坏和永磁体不可逆退磁。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种径向磁场复合型磁通切换电机，在提高永磁体运行可靠性、避免永磁体因弱磁调速和高温导致的不可逆退磁的前提下，满足驱动电机低速大转矩和宽调速范围运行的要求。
技术方案：本发明提供了一种径向磁场复合型磁通切换电机，包括固定轴、与所述固定轴同轴转动连接的转轴、环绕所述转轴的内转子、环绕所述内转子的内定子、环绕所述内定子的轴承、环绕所述轴承的外定子、环绕所述外定子的外转子；所述外定子与所述外转子之间以及所述内定子与所述内转子之间均设置有气隙；所述内转子和所述外转子均与所述转轴固定连接，所述内定子与所述固定轴固定连接，所述轴承径向内外侧分别与所述内定子外径和所述外定子内径连接。
进一步地，所述外转子与所述外定子的相对侧以及所述内转子与所述内定子的相对侧均设置有凸极齿，且所述外转子与所述内转子的凸极齿上无绕组，所述外定子的凸极齿上设置有外侧电枢绕组和永磁体，所述内定子的凸极齿上设置有内侧电枢绕组。
优选地，所述外定子的凸极齿的齿数为P so，所述外侧电枢绕组由对称分布的P so个套在所述外定子的凸极齿上的线圈构成，所述外侧电枢绕组为m相集中绕组，满足P so=2k 1 m，其中为k 1正整数；所述外转子的凸极齿的齿数为P ro，满足P ro=P so±2N1，其中N1为正整数。
优选地，所述内定子的凸极齿的齿数为P si，所述内侧电枢绕组由对称分布的P si个套在所述内定子的凸极齿上的线圈构成，所述内侧电枢绕组为n相集中绕组，满足P si=2k 2 n，其中为k 2正整数；所述内转子的凸极齿的齿数为P ri，满足P ri=P si±2N2，其中N2为正整数。
优选地，所述永磁体为切向交替充磁的永磁体。
优选地，所述内转子轭部径向内缘固定在所述转轴上。
优选地，所述外转子轭部铁芯的径向外缘通过连接壳体与所述转轴固定连接。
优选地，所述内定子轭部铁芯通过端部壳体与所述固定轴固定连接。
优选地，所述外转子、所述外定子、所述内转子以及所述内定子上的凸极齿朝向均指在径向上。
优选地，所述内侧电枢绕组和所述外侧电枢绕组均为多相集中式电枢绕组。
有益效果：本发明的径向磁场复合电机，外定子和外转子构成外电机，内定子和内转子构成内电机；内、外电机完全独立，无电磁耦合，因此可独立控制。内电机和外电机有多种电机结构选择，如外电机可采用双凸极永磁电机和磁通反向电机。本发明的径向磁场复合型磁通切换电机的内电机和外电机的定子和转子的凸极齿的齿槽配合，相数及励磁方式等均可以依据系统性能要求灵活调整。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明内定子和内转子上均无永磁体，因此可避免内电机不易散热导致的永磁体高温不可逆退磁；外电机虽有永磁体，但是由于定子上轴承的作用，高速工况时，由内电机完成调速，外电机的外定子在转子高速旋转时通过同向旋转可始终工作于额定点附近，完成增加转矩输出的同时，避免了外电机弱磁调速带来的永磁体不可逆退磁风险；从上述两点来看，本发明提高了永磁体工作稳定性，提高了电机工作的可靠性。
2. 本发明中内定子和内转子构成调速电机，具有较宽调速范围，外定子和外转子构成永磁调矩电机，具有较大的转矩输出能力，两电机运行中分别用于调节转速和转矩，以实现不同工况下负载的功率需求，满足驱动系统低速大转矩和宽调速范围的要求。
3. 本发明中内电机和外电机可运行于单独驱动或共同驱动等不同工作模式，可当调矩外电机永磁体工作出现故障时，可使调速内电机单独运行，因此本发明中电机具有一定的容错性。
附图说明
图1是一台内电机为3相定子12槽/转子8极、外电机为3相定子12槽/转子22极的径向磁场复合型磁通切换电机的断面图。
图2是本发明径向磁场复合型磁通切换电机的截面图。
图中：1外转子，2外定子，3内定子，4内转子，21外电枢绕组，22永磁体，23轴承，31内电枢绕组，5转轴，6固定轴，7连接壳体，8端部壳体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
本实施方式提供了一种径向磁场复合型磁通切换电机，主要包括固定轴6、与固定轴6同轴转动连接的转轴5、环绕转轴5的内转子4、环绕内转子4的内定子3、环绕内定子3的轴承23、环绕轴承23的外定子2、环绕外定子2的外转子1。外定子2与外转子1之间设置有气隙，内定子3与内转子4之间设置有气隙，外转子1朝向外定子2的一侧和内转子4朝向内定子3的一侧均设置有无绕组的凸极齿，外定子2外侧设置有凸极齿及绕在凸极齿上的外电枢绕组21，内定子3内侧设置有凸极齿及绕在凸极齿上的内电枢绕组31。内转子4轭部径向内缘固定在转轴5上，外转子1轭部铁芯的径向外缘通过连接壳体7与转轴5固定连接，内定子3轭部铁芯通过端部壳体8与另一侧固定轴6连接固定，外定子2内径与内定子3外径之间设置有轴承23，轴承23径向内外侧分别与内定子3外径和外定子2内径连接，外定子2凸极齿中设置有切向交替充磁的永磁体22。需要指出的是，本发明中定子和转子的凸极朝向均指在径向上。
图1所示为一台内电机为3相定子12槽/转子8极、外电机为3相定子12槽/转子22极的径向磁场复合型磁通切换电机，下面以该电机为例具体说明本实施方式的技术方案。
外定子2沿圆周分布有12块永磁体22，相邻两块永磁体22之间为铁心凹槽单元，其槽口朝向外转子1，12块铁心凹槽单元与12块永磁体沿圆周交替放置，每块永磁体22与其切向两侧相邻的两个定子齿构成一个外定子2的凸极齿，外定子2的12个凸极齿上绕有12个绕组线圈，其中每间隔90度的4个绕组线圈同向串联组成一相集中绕组，从而构成三相集中电枢绕组，即外侧电枢绕组21。外转子1的凸极齿的数量为22个，且其凸极齿朝向外定子2。外转子1、外定子2及其上的永磁体22和外侧电枢绕组21组成三相12/22极永磁磁通切换外电机。内定子3为内侧凸极齿结构，其上无永磁体，12个凸极齿上套有12个电枢绕组线圈，每4个串联组成一相集中绕组，从而构成三相内电枢绕组，即内侧电枢绕组31，内转子4的凸极齿的齿数为8，内转子4、内定子3及其上的内侧电枢绕组31组成三相12/8极开关磁阻内电机。
上述内电机采用开关磁阻电机，结构简单，适于高速运行，电机易于冷却，且由于内定子3和内转子4上均无永磁体，可允许有较高的温升。上述外电机采用永磁磁通切换电机结构，外转子结构简单，且具有高转矩密度和高效率。由于外转子1和内转子4均与转轴5固定连接，因此内电机和外电机具有相同的转子转速，内定子3固定在固定轴6上，无转速，外定子2由于轴承23的存在可根据工况以一定转速旋转。
本实施方式中，内电机根据运行要求，主要完成电机的调速，使得转轴5以目标转速旋转，同时输出一定的转矩；外电机可使得外定子2与外转子1同向差速旋转，使得外电机工作在效率较高的额定点附近，弥补内电机输出转矩的不足。因此内、外电机分别负责调速和调矩，内电机体积小，适合高速运行，且无永磁体，因此调速过程中无需永磁体参与弱磁调速；同时外电机转矩密度大，具有较大的转矩输出能力，且由于轴承23的作用，在不同工况时外电机可始终工作在额定点附近，因此无论是低速还是高速运行时，内电机输出转矩的不足均可由外电机提供，从而实现电机低速大转矩和宽调速范围运行的需求。
此复合型电机的内外两个电机系统之间无电磁耦合，可按照两个普通电机进行独立控制，可控参数大大多于普通磁通切换电机，十分灵活。内、外电机根据不同的工况需求可运行于单机驱动、双机共同驱动、双机发电等不同工作模式，内、外电机都做发电运行时，可以输出两组不同功率、频率、幅值和电压等级的电能；内、外电机系统也可以一个做发电运行，另一个做电动运行，以满足不同的应用场合与性能需求。
本发明提出的电机在一个径向磁场电机空间内将永磁磁通切换外电机和开关磁阻内电机集成起来，提供两条功率流动路径。内电机和外电机均可采用其他的电机结构，大大提高了系统的灵活性，拓展了应用范围。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种径向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，包括固定轴（6）、与所述固定轴（6）同轴转动连接的转轴（5）、环绕所述转轴（5）的内转子（4）、环绕所述内转子（4）的内定子（3）、环绕所述内定子（3）的轴承（23）、环绕所述轴承（23）的外定子（2）、环绕所述外定子（2）的外转子（1）；所述外定子（2）与所述外转子（1）之间以及所述内定子（3）与所述内转子（4）之间均设置有气隙；所述内转子（4）和所述外转子（1）均与所述转轴（5）固定连接，所述内定子（3）与所述固定轴（6）固定连接，所述轴承（23）径向内外侧分别与所述内定子（3）外径和所述外定子（2）内径连接。
2.根据权利要求1所述的径向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，所述外转子（1）与所述外定子（2）的相对侧以及所述内转子（4）与所述内定子（3）的相对侧均设置有凸极齿，且所述外转子（1）与所述内转子（4）的凸极齿上无绕组，所述外定子（2）的凸极齿上设置有外侧电枢绕组（21）和永磁体（22），所述内定子（3）的凸极齿上设置有内侧电枢绕组（31）。
3.根据权利要求1所述的径向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，所述外定子（2）的凸极齿的齿数为P so，所述外侧电枢绕组（21）由对称分布的P so个套在所述外定子（2）的凸极齿上的线圈构成，所述外侧电枢绕组（21）为m相集中绕组，满足P so=2k 1 m，其中为k 1正整数；
所述外转子（1）的凸极齿的齿数为P ro，满足P ro=P so±2N1，其中N1为正整数。
4.根据权利要求3所述的径向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，所述内定子（3）的凸极齿的齿数为P si，所述内侧电枢绕组（31）由对称分布的P si个套在所述内定子（3）的凸极齿上的线圈构成，所述内侧电枢绕组（31）为n相集中绕组，满足P si=2k 2 n，其中为k 2正整数；
所述内转子（4）的凸极齿的齿数为P ri，满足P ri=P si±2N2，其中N2为正整数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的径向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，所述永磁体（22）为切向交替充磁的永磁体。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的径向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，所述内转子（4）轭部径向内缘固定在所述转轴（5）上。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的径向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，所述外转子（1）轭部铁芯的径向外缘通过连接壳体（7）与所述转轴（5）固定连接。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的径向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，所述内定子（3）轭部铁芯通过端部壳体（8）与所述固定轴（6）固定连接。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的径向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，所述外转子（1）、所述外定子（2）、所述内转子（4）以及所述内定子（3）上的凸极齿朝向均指在径向上。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的径向磁场复合型磁通切换电机，其特征在于，所述内侧电枢绕组（31）和所述外侧电枢绕组（21）均为多相集中式电枢绕组。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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