一种轴向磁场调制型复合电机 |
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| 申请号 | CN202210617585.6 | 申请日 | 2022-06-01 | 公开(公告)号 | CN114915127B | 公开(公告)日 | 2024-05-17 |
| 申请人 | 南通大学; | 发明人 | 张蔚; 徐晓斌; 赵建维; 何坚彪; 马朝; 钱峰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种轴向 磁场 调制型复合 电机 ，包括第一 转子 、 定子 、第二转子、第一调磁转子、第二调磁转子。转子为双层Halbach复合阵列的磁 齿轮 结构，下层由 铁 芯 块 和钕铁 硼 永磁体 间隔构成；上层由多个 铝 镍钻永磁体和脉冲调磁绕组构成，铝镍钴永磁体与下层铁芯块连接，且相邻铝镍钻永磁体之间设有间隔槽，脉冲调磁绕组缠绕在铝镍钻永磁体上。定子由定子铁芯、钕铁硼永磁体和三相 电枢绕组 组成，定子铁芯为双E型结构，相邻两个钕铁硼永磁体的充磁方向相反；调磁转子为整体结构，在作为轴向磁通切换电机调磁机构的同时，又能作为 磁齿轮 的输入转子，使本电机比传统磁齿轮电机拥有更小的体积和更高的传动效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种轴向磁场调制型复合电机，其特征在于：包括第一转子(1)、定子(3)、第二转子(5)、第一调磁转子(2)、第二调磁转子(4)；第一转子(1)和第二转子(5)与定子(3)同轴设置并且分别设置在定子(3)两侧，第一调磁转子(2)设置在定子(3)与第一转子(1)之间，第二调磁转子(4)设置在定子(3)与第二转子(5)之间，第一调磁转子(2)和第二调磁转子(4)与定子(3)同轴设置； |
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| 说明书全文 | 一种轴向磁场调制型复合电机技术领域[0001] 本发明涉及一种轴向磁场调制型复合电机，属于永磁电机技术领域。 背景技术[0002] 随着环境污染和能源短缺问题的日益严重，纯电动汽车由于其零排放污染物质的特性逐渐成为未来新能源汽车发展的主流趋势。驱动电机作为电动汽车的核心部件，提高其转矩密度和效率已成为各国专家学者争相研究的热点。 [0003] 轴向磁通切换电机相对于传统径向永磁电机，拥有结构简单、运行可靠、转矩密度大、效率高等优点。然而，该电机的恒功率区较窄，调速范围有限。传统永磁电机将机械行星齿轮作为减速装置，实现电机转矩的传动，但机械行星齿轮会带来机械损耗、振动噪声和润滑系统的定期维护等问题。磁齿轮是一种利用磁场相互耦合作用传递力矩的机械装置，相比传统机械行星齿轮，具有免维护、噪声小、传递效率高、转矩密度大和过载保护能力强等优点。磁场调制型复合电机结合了磁齿轮与传统永磁电机的优点，合理利用空间将二者复合，实现了变转矩直接驱动，与传统减速式电驱系统相比，它可以减小整体尺寸和重量。 [0004] 近年来Halbach永磁体阵列在电机中得到了广泛应用，不仅能增强电机的输出转矩，而且降低了损耗，提高了效率。然而使用单一钕铁硼(NdFeB)永磁体的Halbach阵列存在聚磁性能无法调节的缺点，限制了Halbach电机的调速范围。铝镍钴(AlNiCo)永磁体具有高剩磁、低矫顽的特性，可利用脉冲电流来控制其磁化强度，从而实现永磁磁场的灵活调节，实现宽调速范围运行。然而由于铝镍钴的低矫顽力，使气隙磁通很难达到传统永磁电机的水平，转矩密度较低。 发明内容[0005] 发明目的：针对上述现有技术，提出一种轴向磁场调制型复合电机，使电机在输出大转矩的同时，获得较宽的调速范围。 [0006] 技术方案：一种轴向磁场调制型复合电机，包括第一转子、定子、第二转子、第一调磁转子、第二调磁转子；第一转子和第二转子与定子同轴设置并且分别设置在定子两侧，第一调磁转子设置在定子与第一转子之间，第二调磁转子设置在定子与第二转子之间，第一调磁转子和第二调磁转子与定子同轴设置； [0007] 所述第一转子和第二转子为Halbach复合永磁阵列与铁芯块构成的磁齿轮结构，Halbach复合永磁阵列分成上下两层，下层包括若干钕铁硼永磁体，铁芯块和钕铁硼永磁体沿圆周依次交替设置，相邻两个钕铁硼永磁体的充磁方向相反；Halbach复合永磁阵列靠近气隙的上层包括脉冲调磁绕组以及沿圆周排布的若干铝镍钴永磁体，铝镍钴永磁体分别与下层正对的铁芯块通过厌氧胶相互粘连，相邻两个铝镍钴永磁体的充磁方向相反，且相邻铝镍钴永磁体之间设有间隔槽，脉冲调磁绕组通过嵌入所述间隔槽来缠绕在铝镍钴永磁体上； [0008] 所述定子包括沿圆周依次交替设置的双E型定子铁芯和定子永磁体，双E型定子铁芯的上下两层分别包括侧齿和中间齿，侧齿和中间齿之间分别形成定子槽；所述定子还包括若干电枢绕组，在双E型定子铁芯的同一层上，相邻两个E型定子铁芯的相邻定子槽内嵌入一个电枢绕组。 [0009] 进一步的，所述第一转子和第二转子中，钕铁硼永磁体、铝镍钴永磁体和铁芯块各20个且均为扇形，其中钕铁硼永磁体周向充磁，铝镍钴永磁体轴向充磁，构成10对极Halbach复合永磁阵列；通过调节脉冲调磁绕组的脉冲电流改变铝镍钴永磁体的磁化水平，实现Halbac复合永磁阵列的性能调节。 [0010] 进一步的，所述定子中，双E型定子铁芯的数量为6个，定子永磁体沿着周向交替充磁，沿着定子径向相对的两个电枢绕组相互串联构成一相绕组，径向相对的两侧四个电枢绕组构成两套同相绕组。 [0011] 进一步的，第一调磁转子和第二调磁转子的调磁轭表面沿圆周均匀设有13个调磁齿，调磁转子在作为轴向磁通切换电机调磁机构的同时，又作为磁齿轮的输入转子，通过调磁转子调节定、转子永磁磁场实现转矩传递。 [0012] 有益效果：本发明所提出的轴向磁场调制型复合电机，集中了轴向磁通切换永磁电机和磁齿轮的优点，具有轴向尺寸小、转矩密度大、效率高和调速范围宽的优点。调磁转子在作为轴向磁通切换电机调磁机构的同时，又作为磁齿轮的输入转子，通过调磁转子调节定、转子永磁磁场实现转矩传递。定子的双E型定子铁芯结构实现了相隔离，提高了电机的容错性能。采用钕铁硼永磁和铝镍钴永磁两种类型的永磁材料组成外转子上的Halbach阵列，通过控制脉冲调磁绕组电流的大小，能在线调节铝镍钴永磁材料的磁化强度和工作点，从而调节Halbach阵列的聚磁能力，使电机具有高功率和转矩密度的同时，具有宽广的调速范围。附图说明 [0013] 图1为本发明的一种轴向磁场调制型复合电机结构示意图； [0014] 图2为本发明的定子分拆示意图； [0015] 图3为本发明的双E型定子铁芯示意图； [0016] 图4为本发明的定子电枢绕组示意图； [0017] 图5为本发明的转子脉冲调磁绕组示意图； [0018] 图6为本发明的单相绕组连接示意图； [0019] 图7为本发明的第一、第二转子Halbach阵列示意图； [0020] 图8为本发明的单个转子的脉冲调磁绕组连接示意图； [0021] 图9为本发明的等效二维展开示意图。 具体实施方式[0022] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。 [0023] 如图1所示，一种轴向磁场调制型复合电机，包括第一转子1、定子3、第二转子5、第一调磁转子2、第二调磁转子4。第一转子1和第二转子5与定子3同轴设置并且分别设置在定子3两侧，第一调磁转子2设置在定子3与第一转子1之间，第二调磁转子4设置在定子3与第二转子5之间，第一调磁转子2和第二调磁转子4与定子3同轴设置。 [0024] 如图7、图9所示，第一转子1和第二转子5结构相同，为Halbach复合永磁阵列与铁芯块6构成的磁齿轮结构，Halbach复合永磁阵列分成上下两层，下层包括若干钕铁硼永磁体8，铁芯块6和钕铁硼永磁体8沿圆周依次交替设置，相邻两个钕铁硼永磁体8的充磁方向相反，用“→”表示。Halbach复合永磁阵列靠近气隙的上层包括脉冲调磁绕组9以及沿圆周排布的若干铝镍钴永磁体7，铝镍钴永磁体7分别与下层正对的铁芯块6通过厌氧胶相互粘连，相邻两个铝镍钴永磁体7的充磁方向相反，用“→”表示，且相邻铝镍钴永磁体7之间设有间隔槽，脉冲调磁绕组9通过嵌入间隔槽来缠绕在铝镍钴永磁体7上。 [0025] 本实施例中，第一转子1和第二转子5中，钕铁硼永磁体8、铝镍钴永磁体7和铁芯块6各20个且均为扇形，其中钕铁硼永磁体8周向充磁，铝镍钴永磁体7轴向充磁，构成10对极Halbach复合永磁阵列。根据铝镍钴永磁体7材料的特性，通过调节脉冲调磁绕组9的脉冲电流改变铝镍钴永磁体7的磁化水平，即实现铝镍钴永磁体7的增磁或弱磁控制，从而实现Halbach复合永磁阵列的性能调节，拓宽电机的调速范围。 [0026] 如图3、图4所示，定子3包括沿圆周依次交替设置的双E型定子铁芯13和定子永磁体12，双E型定子铁芯13的上下两层分别包括侧齿13.1和中间齿13.2，侧齿13.1和中间齿13.2之间分别形成定子槽13.3。定子3还包括若干电枢绕组14，在双E型定子铁芯13的同一层上，相邻两个E型定子铁芯13的相邻定子槽13.3内嵌入一个电枢绕组14。 [0027] 本实施例中，定子3中双E型定子铁芯13的数量为6个，定子永磁体12沿着周向交替充磁；电枢绕组14共十二个，沿着定子径向相对的两个电枢绕组14相互串联构成一相绕组，径向相对的两侧四个电枢绕组14构成两套同相绕组。 [0028] 如图4～图7所示，电枢绕组14横跨在两个相邻的定子侧齿13.1与定子永磁体12上，组成两套三相电枢绕组，每套三相电枢绕组中径向相对的两个线圈串联构成同相绕组，这里以A相绕组为例，A1和A3是定子左侧径向相对的A相线圈，A2和A4是右侧径向相对的A相线圈，分别将A1和A3相串联、A2和A4相串联，得到电机两套A相绕组，同理得到B相和C相的两套绕组，A相中四个线圈连接方式如图6所示。单个转子上的脉冲调磁绕组线圈二维展开图的连接方式如图8所示，分别为l1～l20。 [0029] 第一调磁转子2和第二调磁转子4结构相同，第一调磁转子2和第二调磁转子4的调磁轭10表面沿圆周均匀设有13个调磁齿11，基于磁齿轮效应可以耦合定转子磁场，实现变速传动，扩宽调速范围。调磁转子在作为轴向磁通切换电机调磁机构的同时，又能作为磁齿轮的输入转子，通过调磁转子调节定、转子永磁磁场实现转矩传递。调磁转子上既没有永磁体又没有线圈，调磁转子齿形设计可为扇形齿、平行齿或梯形齿结构。同时，定子齿的设计也可以为采用以上几种结构。 [0030] 本发明的轴向磁场调制型复合电机，集中了轴向磁通切换永磁电机和磁齿轮的优点，具有轴向尺寸小、转矩密度大、效率高和调速范围宽的优点。调磁转子在作为轴向磁通切换电机调磁机构的同时，又能作为磁齿轮的输入转子，通过调磁转子调节定、转子永磁磁场实现转矩传递，轴向尺寸小、功率和转矩密度大。通过调磁转子结构，避免接触式的传动，减少摩擦和能量损耗，调磁齿通过定子与转子磁场耦合实现最终同步运行，发生过载时，调磁转子与转子之间可随时切断传动关系，降低了损坏电机的风险。定子铁芯采用双E型结构，定子中间齿的设计实现了相隔离，降低了相绕组之间的互感，提高了电机的容错性能。同时采用两种不同材料永磁体的转子可以调节Halbach阵列的聚磁性能，使电机具有高功率和转矩密度的同时，具有宽广的调速范围。 |
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