一种内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机
阅读说明：本技术 一种内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机 (Internal and external stator axial magnetic field magnetic flux switching type hybrid permanent magnet motor ) 是由 金龙 张洪彬 余海涛 徐志科 冷静雯 朱星星 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机,永磁电机采用轴向磁通盘式结构,永磁电机包括定子、转子和转轴,其中定子与转子同轴安装；转轴一端与转子嵌套连接,另一端贯穿定子内部；所述转子包括圆盘形的转子轭,转子轭上设有内转子凸极和外转子凸极,所述内转子凸极和外转子凸极均沿圆周方向均匀分布；所述内转子凸极和外转子凸极之间的角度为沿径向轴线错开45/n度,以减小电机的齿槽转矩、抑制电机的偶次谐波,其中n为正整数。本发明永磁电机通过内转子凸极和外转子凸极错开一定的角度大大降低了电机的齿槽转矩,同时抑制了电机中的偶次谐波,使得电机的反电势更加正弦,实现了电机的平稳控制。(The invention discloses an internal and external stator axial magnetic field flux switching type hybrid permanent magnet motor, which adopts an axial flux disc type structure and comprises a stator, a rotor and a rotating shaft, wherein the stator and the rotor are coaxially arranged; one end of the rotating shaft is connected with the rotor in a nested manner, and the other end of the rotating shaft penetrates through the interior of the stator; the rotor comprises a disc-shaped rotor yoke, an inner rotor salient pole and an outer rotor salient pole are arranged on the rotor yoke, and the inner rotor salient pole and the outer rotor salient pole are uniformly distributed along the circumferential direction; the angle between the inner rotor salient pole and the outer rotor salient pole is staggered by 45/n degrees along the radial axis so as to reduce the cogging torque of the motor and inhibit even harmonics of the motor, wherein n is a positive integer. The permanent magnet motor greatly reduces the cogging torque of the motor by staggering a certain angle between the inner rotor salient pole and the outer rotor salient pole, and simultaneously inhibits even harmonic in the motor, so that the back electromotive force of the motor is more sinusoidal, and the stable control of the motor is realized.)
技术领域
本发明涉及盘式永磁电机技术领域，具体是一种内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机。
背景技术
与传统的电励磁电机相比，永磁电机具有体积小、效率高、形状和尺寸灵活等优点。然而，由于转子永磁结构，大多数永磁电机在高速运行时存在不可逆退磁和机械不稳定的风险。为解决这一问题，在双凸极永磁电机的基础上，提出了磁通切换永磁电机。磁通切换永磁电机不仅结合了永磁和定子永磁结构的优点，而且具有相对正弦的双极磁链，可以提高反电动势常数和输出转矩。虽然目前提出了许多新的磁通切换永磁电机拓扑结构和不同的定子槽/转子极组合，但研究重点主要集中在10极或更高极的磁通切换永磁电机。这些器件所产生的高基频将对高速磁通切换永磁电机提出新的挑战。因此，少极磁通切换永磁电机需要引起更多的重视。
为了使得磁通切换电机能够运用于高速状态，采用少量磁极来降低给速度基频的方案成为一种更优的选择。6/4极磁通切换永磁电机由于其本身固有的特性，使得电机磁链和反电势中存在偶次谐波，这增大了电机的控制难度。目前对于抑制6/4极磁通切换永磁电机偶次谐波多采用双转子单定子或者双定子单转子的轴向磁通永磁电机，这种将两套转子(定子)轴向分布的方式，不仅增加了电机的轴向，还增大了电机安装的难度。同时现有永磁电机多采用高矫顽力的永磁体来提高电机的功率密度，这使得电机的成本不断提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机，该电机不仅结构简单、易于加工，同时具有高转矩密度、高功率密度、高效率、低成本、短轴向长度等优点。本发明通过将转子内外凸极齿错开一定的角度，来抑制磁链和反电势中的偶次谐波，使得电机的反电势波形更加正弦，改善了电机的控制性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机，永磁电机采用轴向磁通盘式结构，永磁电机包括定子、转子和转轴，其中定子与转子同轴安装；转轴一端与转子嵌套连接，另一端贯穿定子内部；
所述转子包括圆盘形的转子轭，转子轭上设有内转子凸极和外转子凸极，所述内转子凸极和外转子凸极均沿圆周方向均匀分布；
所述内转子凸极和外转子凸极之间的角度为沿径向轴线错开45/n度，以减小电机的齿槽转矩、抑制电机的偶次谐波，其中n为正整数；
所述内转子凸极和外转子凸极均沿周向方向均匀分布，均为扇形结构，所对应圆心角均为30/n度。
进一步的，所述定子还包括径向充磁永磁体和外定子，内定子、径向充磁永磁体和外定子为同圆心嵌套连接，径向充磁永磁体位于内定子与外定子之间；
所述定子包含内定子，所述内定子包括内定子凸极、工字型内定子轭、内定子周向充磁永磁体和内定子绕组线圈；
所述工字型内定子轭两侧分别放置有一个内定子凸极以组成一个内定子双齿导磁铁心单元；
所述内定子周向充磁永磁体放置于相邻内定子双齿导磁铁心单元之间，相邻的两个内定子周向充磁永磁体的充磁方向相反；
所述内转子凸极于内定子凸极相互对齐，外定子凸极对齐；
所述外定子包括外定子凸极、工字型外定子轭、外定子周向充磁永磁体和外定子绕组线圈。
进一步的，所述内定子凸极位于工字型内定子轭的两侧，内定子凸极与两侧的工字型内定子轭形成内定子双齿导磁铁心单元，内定子双齿导磁铁心单元在圆周方向均匀分布；
所述内定子绕组线圈采用集中式，内定子绕组线圈绕制在两块相邻内定子双齿导磁铁心单元的相邻内定子凸极上。
进一步的，所述外定子结构与内定子相同，其区别在于，外定子内径大于内定子外径，外定子周向充磁永磁体与内定子周向充磁永磁体沿径向轴线对齐且具有间隙；
所述径向充磁永磁体位于外定子和内定子之间；相邻两块径向充磁永磁体之间具有间隙且充磁方向相反。
进一步的，所述工字型内定子轭、内定子周向充磁永磁体和内定子绕组线圈的数量均为6n个，内定子凸极数量为12n个；径向充磁永磁体呈瓦片型，其数量为6n个，内转子凸极和外转子凸极的数量均为4n个。
进一步的,所述电机外定子凸极、内定子凸极、外转子凸极和内转子凸极的形状均为扇形结构，外转子凸极和内转子凸极所对应的圆心角是外定子凸极和内定子凸极所对应圆心角的两倍；所述外定子凸极和内定子凸极轴向截面积相等；所述外转子凸极与内转子凸极轴向截面积相等。
进一步的，所述外定子周向充磁永磁体与径向轴线对齐的内定子周向充磁永磁体充磁方向相反。
进一步的，与同一个外定子双齿导磁铁心单元所接触的两块外定子周向充磁永磁体和一块径向充磁永磁体的极性相同，均为N极或S极。
进一步的，所述内定子凸极、外定子凸极、工字型内定子轭、工字型外定子轭和转子均采用硅钢片叠压而成，其中工字型内定子轭、工字型外定子轭和转子轭采用轴向叠压方式，内定子凸极、外定子凸极、内转子凸极、外转子凸极采用径向叠压方式。
进一步的，所述内定子周向充磁永磁体和外定子周向充磁永磁体采用铁氧体材料，所述径向充磁永磁体采用钕铁硼材料。
本发明的有益效果：
1、本发明永磁电机采用轴向磁通盘式结构，轴向长度较短，适用于对轴向长度要求苛刻的环境；
2、本发明永磁电机结构简单，永磁体仅放置于定子部分，转子部分仅有导磁铁心，相对于传统的转子永磁型电机更易于散热和冷却，特殊适合于高速运行；
3、本发明永磁电机通过内转子凸极和外转子凸极错开一定的角度大大降低了电机的齿槽转矩，同时抑制了电机中的偶次谐波，使得电机的反电势更加正弦，实现了电机的平稳控制；
4、本发明永磁电机采用铁氧体和钕铁硼混合使用的方式，在保持较高功率密度的同时，能够大大降低了电机的成本。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机结构示意图；
图2是本发明内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机定子结构示意图；
图3是本发明内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机部分定子铁心结构示意图；
图4是本发明内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机转子结构示意图；
图5是本发明内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机A相绕组磁链波形图；
图6是本发明内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机A相绕组磁链波形谐波含量对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机，本发明电机包括6n(其中n为正整数)个槽和4n个极。本发明实施方式包括定子1、转子2和转轴3，其中定子1与转子2同轴安装，轴向分布；转轴3一端与转子2嵌套连接，另一端贯穿定子1内部，且不与定子1接触。所述定子1包含内定子11、径向充磁永磁体12和外定子13，其中内定子11、径向充磁永磁体12和外定子13为同圆心嵌套关系，径向充磁永磁体12位于内定子11与外定子13之间。所述内定子11包括内定子凸极111、工字型内定子轭112、内定子周向充磁永磁体113和内定子绕组线圈114；所述外定子13包括外定子凸极131、工字型外定子轭132、外定子周向充磁永磁体133和外定子绕组线圈134。所述转子2包括内转子凸极21、外转子凸极22和转子轭23。
所述内定子11包含的工字型内定子轭112、内定子周向充磁永磁体113和集中式的绕组线圈114数量均为6n个，内定子凸极的数量为12n个，其中n为正整数。两个内定子凸极111和一个工字型内定子轭112通过焊接或者胶水粘结的方式组成一个双齿导磁铁心单元，其中工字型内定子轭112由硅钢片轴向叠压而成，而内定子凸极111由硅钢片径向叠压而成。内定子的双齿导磁铁心单元沿圆周方向均匀分布，相临两块双齿导磁铁心单元之间存在一定的间隙。内定子周向充磁永磁体113放置于两块双齿导磁铁心单元之间，其充磁方式为圆周方向充磁，相邻两个周向充磁永磁体113的充磁方向相反。内定子凸极111和周向充磁永磁体113均为扇形结构，所对应的圆心角均为15/n度。集中式的内定子绕组线圈114绕制在相邻双齿导磁铁心单元的相邻内定子凸极111上。
所述外定子13含有的外定子凸极131、工字型外定子轭132、外定子周向充磁永磁体133和外定子绕组线圈134与内定子11的数量相同，排布方式也一致。外定子13的内径尺寸大于内定子11的外径。所示外定子凸极131的轴向截面积与内定子凸极111的相等。
所述内定子周向充磁永磁体113和外定子周向充磁永磁体133沿径向轴线对齐，两者充磁方向相反；
本发明永磁电机的3相绕组采用对称集中式绕组线圈，每相绕组由4组线圈组成，位于内定子11或外定子13上的同相绕组线圈114或外定子绕组线圈134可采用串联或者并联的方式，而位于内定子11上的绕组线圈114和外定子13上的同相外定子绕组线圈134只能采用串联的连接方式，这是为了抑制反电势中的偶次谐波。如图2所示，A相电枢绕组由A1、A2、A3、A4线圈组合而成；B相电枢绕组由B1、B2、B3、B4线圈组合而成，C相电枢绕组由C1、C2、C3、C4线圈组合而成。
所述径向充磁永磁体12放置在内定子11和外定子13的双齿导磁铁心单元之间的间隙中，相邻两块径向充磁永磁体12留有一定间隙，且充磁方向相反。如图3所示，当外定子13双齿导磁铁心单元两侧外定子周向充磁永磁体133充磁方向为由永磁体朝向双齿导磁铁心单元时，与该双齿导磁铁心单元接触的径向充磁永磁体12充磁方向为向外。
所述转子2包括4n个内转子凸极21、4n个外转子凸极22和圆盘形的转子轭23。如图4所示，所述内转子凸极21和外转子凸极22都沿周向方向均匀分布，其均为扇形结构，所对应圆心角均为30/n度。所述内转子凸极和外转子凸极采用硅钢片径向叠压，内转子凸极21和外转子凸极22之间错开45/n度，以抑制磁链和空载反电势中的偶次谐波，同时降低电机的齿槽转矩。
所述圆盘形的转子轭23采用硅钢片轴向叠压，其中开有8n个扇形通孔，内转子凸极21和外转子凸极22放置在通孔之中，凸极的底部于轭部底部对齐。
所述转轴3采用导磁材料或者非导磁材料加工而成，与圆盘型的转子轭23嵌套连接，并贯穿所述内定子11的中心，且与内定子11不接触。
所述内定子周向充磁永磁体113和外定子周向充磁永磁体133采用铁氧体材料制成，径向充磁永磁体12采用钕铁硼材料制成。
所述径向充磁永磁体12所对应圆心角为45/n度，相邻两块径向充磁永磁体12之间填充有非导磁金属材料，以便散热和增加电机的结构强度。
本发明所提出的一种内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机既可以作为电动机使用又可以作为发电机使用。
本发明提出的内外定子轴向磁场磁通切换型混合永磁电机作为电动机运行与传统双凸极磁通切换永磁电机运行原理一致,随着转子位置的改变定子磁链和感应电势发生幅值和极性变化,为双极性电机。本发明电机具有很强的聚磁效应,电机的气隙磁通密度高,使得电机具有高功率密度和高转矩密度。电枢绕组和励磁绕组均采用集中绕组,端部短,电阻小,电机效率高。
通过有限元仿真分析验证了本发明电机在抑制6/4极磁通切换型永磁电机磁链中偶次谐波的有效性，如图5所示，为本发明电机A相绕组磁链波形，图中实线为A相总的磁链波形，双点划线为外定子绕组A1与A2的叠加磁链波形，短划线为内定子绕组A3与A4的叠加磁链波形，从图中可以看出通过将内外定子绕组叠加，可以有效抑制磁链的谐波，改善波形的正弦度。
图6为三条磁链波形的谐波含量对比图，从图中可以看出，本发明电机对2次和4次谐波有较为明显的抑制作用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
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