| 专利名称： | 混合励磁轴向磁通调制式复合结构电机 | ||
| 专利名称(英文)： | |||
| 专利号： | CN201610317337.4 | 申请时间： | 20160512 |
| 公开号： | CN105827078A | 公开时间： | 20160803 |
| 申请人： | 哈尔滨理工大学 | ||
| 申请地址： | 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号 | ||
| 发明人： | 谢颖; 张岩; 杨忠学; 黑亮声; 李飞 | ||
| 分类号： | H02K16/00 | 主分类号： | H02K16/00 |
| 代理机构： | 哈尔滨市松花江专利商标事务所 23109 | 代理人： | 岳昕 |
| 摘要： | 混合励磁轴向磁通调制式复合结构电机，涉及混合励磁复合电机领域，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。本发明能够实现低速大转矩输出，拓宽了电机调速范围，适用于电动汽车。 | ||
| 摘要(英文)： | |||
1.混合励磁轴向磁通调制式复合结构电机，其特征在于，所述电机包括转轴(1)、永 磁外定子、调磁环转子(4)、内定子、电励磁外定子、一号轴承(2)、二号轴承(7)和三 号轴承(8)； 所述调磁环转子(4)包括一号调磁环和二号调磁环； 所述转轴(1)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，且永磁外定子通过一号轴承(2)与转轴(1)转动连接，内定子通过二号轴承(7)与 转轴(1)转动连接，电励磁外定子通过三号轴承(8)与转轴(1)转动连接，调磁环转子 (4)与转轴(1)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； 所述永磁外定子包括同轴设置的永磁外定子铁心(3-1)和永磁体(3-2)，且永磁体(3-2) 固定在铁心(3-1)上； 内定子包括内定子铁心(5-1)和环形电枢绕组(5-2)，环形电枢绕组(5-2)缠绕在内 定子铁心(5-1)上； 电励磁外定子(6)包括电励磁外定子铁心(6-1)和直流励磁绕组(6-2)，直流励磁绕 组(6-2)缠绕在电励磁外定子铁心(6-1)的定子齿上； 永磁体(3-2)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(4-1)和环氧树脂非导磁材料(4-2)沿圆周方 向间隔排列组成。
2.根据权利要求1所述的混合励磁轴向磁通调制式复合结构电机，其特征在于，内定 子铁心(5-1)外部沿圆周方向开有槽，环形电枢绕组(5-2)嵌入在槽内。
3.根据权利要求1或2所述的混合励磁轴向磁通调制式复合结构电机，其特征在于， 内定子的极对数为P1，永磁外定子的极对数与电励磁外定子的极对数均为P2，调磁环转子 (4)中调磁铁块(4-1)的数量为Ns，P1+P2＝Ns。
1.混合励磁轴向磁通调制式复合结构电机，其特征在于，所述电机包括转轴(1)、永 磁外定子、调磁环转子(4)、内定子、电励磁外定子、一号轴承(2)、二号轴承(7)和三 号轴承(8)； 所述调磁环转子(4)包括一号调磁环和二号调磁环； 所述转轴(1)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，且永磁外定子通过一号轴承(2)与转轴(1)转动连接，内定子通过二号轴承(7)与 转轴(1)转动连接，电励磁外定子通过三号轴承(8)与转轴(1)转动连接，调磁环转子 (4)与转轴(1)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； 所述永磁外定子包括同轴设置的永磁外定子铁心(3-1)和永磁体(3-2)，且永磁体(3-2) 固定在铁心(3-1)上； 内定子包括内定子铁心(5-1)和环形电枢绕组(5-2)，环形电枢绕组(5-2)缠绕在内 定子铁心(5-1)上； 电励磁外定子(6)包括电励磁外定子铁心(6-1)和直流励磁绕组(6-2)，直流励磁绕 组(6-2)缠绕在电励磁外定子铁心(6-1)的定子齿上； 永磁体(3-2)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(4-1)和环氧树脂非导磁材料(4-2)沿圆周方 向间隔排列组成。
2.根据权利要求1所述的混合励磁轴向磁通调制式复合结构电机，其特征在于，内定 子铁心(5-1)外部沿圆周方向开有槽，环形电枢绕组(5-2)嵌入在槽内。
3.根据权利要求1或2所述的混合励磁轴向磁通调制式复合结构电机，其特征在于， 内定子的极对数为P1，永磁外定子的极对数与电励磁外定子的极对数均为P2，调磁环转子 (4)中调磁铁块(4-1)的数量为Ns，P1+P2＝Ns。
翻译：技术领域
本发明涉及混合励磁复合电机领域。
背景技术
近年来由于具有高剩磁密度，高矫顽力，高磁能积等特点的稀土永磁材料的发展，使 得永磁电机与传统的电励磁电机相比，在结构方面具有体积小，结构简单，维护方便等优 点，在性能方面具有效率高，功率因数高，功率密度大等优点，但是永磁电机由于采用单 一永磁体励磁，磁场调节比较困难。传统的电励磁电机可以通过调节直流或交流励磁电流 很方便地对气隙磁场进行调节，但是其结构复杂、输出转矩小、功率因数低。
混合励磁电机的主要特点是永磁体产生的磁场和电励磁绕组产生的磁场共同影响电机 的气隙磁场并且利用励磁电流可调的优势对气隙磁密大小进行灵活的调节。混合励磁电机 同时克服了永磁电机磁场调节困难以及电励磁电机功率因数低的缺点，使得电机具有体积 小、结构紧凑、功率因数高、磁场调节方便等优点，但仍然存在输出转矩小的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的混合励磁电机输出转矩小的问题，提供一种混合励磁 轴向磁通调制式复合结构电机。
本发明所述的混合励磁轴向磁通调制式复合结构电机包括转轴1、永磁外定子、调磁 环转子4、内定子、电励磁外定子、一号轴承2、二号轴承7和三号轴承8；
所述调磁环转子4包括一号调磁环和二号调磁环；
所述转轴1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， 且永磁外定子通过一号轴承2与转轴1转动连接，内定子通过二号轴承7与转轴1转动连 接，电励磁外定子通过三号轴承8与转轴1转动连接，调磁环转子4与转轴1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；
所述永磁外定子包括同轴设置的永磁外定子铁心3-1和永磁体3-2，且永磁体3-2固 定在永磁外定子铁心3-1上；
内定子包括内定子铁心5-1和环形电枢绕组5-2，环形电枢绕组5-2缠绕在内定子铁 心5-1上；
电励磁外定子包括电励磁外定子铁心6-1和直流励磁绕组6-2，直流励磁绕组6-2缠 绕在电励磁外定子铁心6-1的定子齿上；相邻定子齿上励磁线圈的电流方向相反；
永磁体3-2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4-1和环氧树脂非导磁材料4-2沿圆周方向间 隔排列组成。
有益效果：本发明所述的混合励磁轴向磁通调制式复合结构电机结合了盘式电机、磁 通调制式复合电机以及混合励磁电机的特点，采用盘式结构，电机体积小、安装方便。利 用磁通调制式复合电机的磁齿轮原理，对电机内外气隙磁场进行调制，得到低速大转矩输 出特性，能够满足电动汽车等直接驱动场合的要求。电励磁外定子和永磁外定子分别位于 内定子两侧，磁路互不影响，避免了永磁体退磁的风险，并且永磁体采用Halbach方式排 列，永磁体利用率高。电励磁绕组缠绕在外定子齿上，可以很好地实现无刷化。通过改变 励磁绕组上电流的大小和方向，灵活调节电励磁侧气隙磁场的大小，从而拓宽电机调速范 围，满足电动汽车宽速度范围内运行的要求，并且当电枢绕组发生短路故障时，通过调节 励磁电流来抵消永磁部分产生的磁场，实现电机电枢绕组短路故障时高效灭磁。
附图说明
图1为本发明所述的混合励磁轴向磁通调制式复合结构电机的结构示意图；
图2为电励磁外定子铁心的结构示意图；
图3为永磁外定子的结构示意图；
图4为永磁体排布和充磁方向示意图；
图5为调磁环转子的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的混合励磁轴向 磁通调制式复合结构电机包括转轴1、永磁外定子、调磁环转子4、内定子、电励磁外定 子、一号轴承2、二号轴承7和三号轴承8；
所述调磁环转子4包括一号调磁环和二号调磁环；
所述转轴1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， 且永磁外定子通过一号轴承2与转轴1转动连接，内定子通过二号轴承7与转轴1转动连 接，电励磁外定子通过三号轴承8与转轴1转动连接，调磁环转子4与转轴1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；
所述永磁外定子包括同轴设置的永磁外定子铁心3-1和永磁体3-2，且永磁体3-2固 定在永磁外铁心3-1上；
内定子包括内定子铁心5-1和环形电枢绕组5-2，环形电枢绕组5-2缠绕在内定子铁 心5-1上；
电励磁外定子包括电励磁外定子铁心6-1和直流励磁绕组6-2，直流励磁绕组6-2缠 绕在电励磁外定子铁心6-1的定子齿上；定子齿的数量为38个，每个定子齿上均缠绕一 个励磁线圈，38个励磁线圈依次串联，且相邻定子齿上励磁线圈的电流方向相反，形成 “N-S-N-S-N......”的结构；
永磁体3-2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4-1和环氧树脂非导磁材料4-2沿圆周方向间 隔排列组成。
本实施方式中，永磁外定子铁心3-1和电励磁外定子6的电励磁外定子铁心6-1的轭 部直接贴在电机机壳上。如图1所示，在轴向方向上，永磁外定子和电励磁外定子对称排 列在内定子两侧。如图4所示，永磁体3-2由多个永磁体块沿圆周方向排列而成，每四个 相邻的永磁体块组成一对极，第一、三块永磁体采用圆周方向充磁，并且充磁方向相反， 第二、四块永磁体采用轴向方向充磁，充磁方向相反。调磁环转子4的两个调磁环分别通 过气隙L2和L3与内定子隔开，分别通过L1和L4与永磁外定子以及电励磁外定子隔开。
电励磁绕组6-2缠绕在电励磁外定子铁心上，以一定的方式进行串联，并施加直流电 进行励磁，使其遵循右手定则，励磁方向与永磁部分永磁体的充磁方向对应，通过改变所 通电流的大小和方向，来灵活调节电励磁侧气隙磁场的大小，进而拓宽电机的调速范围。 另外，当电枢绕组发生短路故障时，通过调节励磁电流来抵消永磁部分产生的磁场，实现 电机电枢绕组短路故障时高效灭磁。
本实施方式所述的电机由于永磁部分和电励磁部分的磁路相互独立，调节励磁电流不 会引起永磁体的不可逆退磁，电机可靠性高，电励磁效率高。
调磁环转子4采用了新型磁齿轮传动装置的工作原理，应用在电机中，具有转矩密度 高、运行效率高、非接触性力矩传递和过载自保护等特点，能够代替机械齿轮在清洁、低 温和高空等环境中运行，结构更加简便，同时使低速大转矩的功能更为显著的体现。
本实施方式由磁齿轮和永磁同步电机进行整合得到的磁通调制式复合电机具有低速 大转矩输出的性能，相对径向磁通调制式复合电机来说，轴向磁通调制式复合电机体积小、 安装方便、低速输出转矩更大。
具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述的混合励磁轴向磁通调制式复合结 构电机的进一步限定，本实施方式中，内定子铁心5-1外部沿圆周方向开有槽，环形电枢 绕组5-2嵌入在槽内。
具体实施方式三：本实施方式是对实施方式一所述的混合励磁轴向磁通调制式复合结 构电机的进一步限定，本实施方式中，内定子的极对数为P1，永磁外定子的极对数与电 励磁外定子的极对数均为P2，调磁环转子4中调磁铁块4-1的数量为Ns，P1+P2＝Ns。
通过对内定子的环形电枢绕组5-2施加电压所得到的气隙谐波磁场、以及永磁外定子 上的永磁体3-2和电励磁外定子上的直流励磁绕组6-2产生的气隙谐波磁场进行解析分 析，得到复合电机中内定子的环形电枢绕组5-2的极对数P1、外定子极对数P2和调磁块 个数Ns之间的关系为：P1＝|mP2+kNs|，其中，m＝1，3，5，…，+∞；k＝0，±1，±2，…， ±∞；当m＝1，k＝-1时，由调磁环调制后得到的谐波磁场最强，调磁环两侧主要传递转矩 的谐波磁场具有相同的电角速度，可获得此复合电机调速比及传动比Gr＝mP2+kNs/mP2， 这样选择外定子极对数和调磁环的数量配比，可以满足转矩平稳的需求，否则将无法平稳 的传递转矩，如图2、图3和图5所示，选择内定子环形电枢绕组极对数P1＝3，调磁块数 Ns＝25，这样就可以得到外定子的极对数P2＝22，实现调速比为25/3。
