一种基于双磁桥的并联式无刷混合励磁电机

1.本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种基于双磁桥的并联式无刷混合励磁电机。


背景技术：

2.电机是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，按照励磁方式可分为电励磁电机和永磁励磁电机。电励磁电机通过改变励磁绕组中的电流调节气隙磁通的大小，从而达到宽输出电压范围和宽转速范围的调节特性，但是励磁线圈的存在会带来严重的铜耗，同时可能存在电刷滑环等零部件，影响电机的效率和功率密度。永磁励磁电机通过永磁体产生磁动势，不存在励磁线圈，因此其具有高功率密度、高效率和高功率因素等优点，但是其气隙磁场无法调节，需要采用基于磁场定向的弱磁控制。而混合励磁电机则集成了电励磁电机和永磁励磁电机的优点，利用永磁体产生主要的磁动势，励磁线圈产生辅助可调的磁动势，得到较大的气隙磁场强度，同时实现气隙磁场可调节特性，使电机具有出色的调速能力以及较高的功率密度和效率。
3.目前，混合励磁电机的结构按照永磁磁势和电励磁磁势的相互作用关系及其位置关系可分为(1)转子永磁体和转子励磁绕组；(2)转子永磁体和定子励磁绕组；(3)定子永磁体和定子励磁绕组；(4)定子永磁体和转子励磁绕组。
4.第一类混合励磁电机将永磁体和励磁绕组或串联或并联放在转子极上，结构和原理较简单，可在二维有限元软件下仿真分析，具有较快的仿真计算效率。但是这类电机中励磁绕组的存在增加了电刷和滑环等零部件，降低了运行可靠性，增加了制造成本，同时永磁体在励磁绕组的作用下具有退磁的风险。
5.第二类混合励磁电机的永磁体在转子上，而励磁绕组在定子上，避免了电刷和滑环等零部件的存在，增加了电机可靠性，并且电励磁和永磁励磁的磁路是并联结构，降低了励磁绕组对永磁体的退磁风险。但是这类电机为了给励磁绕组产生的磁动势提供磁路，增加了一些结构，从而降低了功率密度，结构和原理较复杂，且必须采用三维有限元软件进行仿真分析。另外有些电机的励磁绕组放置在靠近转子两侧但固定于机壳或端盖的装置中，实现无刷的结构，但是引入了附加气隙，增大了电励磁磁路的磁阻。
6.第三类混合励磁电机在定子永磁电机的基础上，将励磁绕组放置在定子上，避免了电刷和滑环等零部件，其可在二维有限元软件中进行仿真分析，定子永磁电机按照永磁体位置可分为双凸极电机、磁通反向电机、磁通切换电机和定子槽永磁电机，转换成混合励磁电机后拓扑结构复杂多样，转子结构简单。但是这类电机的永磁体具有退磁风险，转矩波动较大，其铁耗较高从而影响电机的效率。定子由于同时存在永磁体、励磁绕组和电枢绕组，因此空间分配较困难，加工装配成本较大。
7.第四类混合励磁电机即永磁体在定子上，励磁绕组在转子上，因其不具有良好的性能从而没有相关的设计。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种基于双磁桥的并联式无刷混合励磁电机，其基于切向式永磁同步电机，设计了内外磁桥构成轴向磁路，从而能在不牺牲各项优异性能的同时提高电机的功率密度，从而可以解决背景技术中涉及的技术问题。
9.本发明的技术方案为：
10.一种基于双磁桥的并联式无刷混合励磁电机，包括左侧定子铁芯、外磁桥、直流励磁绕组、不导磁定子铁芯、右侧定子铁芯、转轴、永磁体、左侧转子铁芯、内磁桥、电枢绕组以及右侧转子铁芯，其中，
11.所述左侧转子铁芯、内磁桥以及所述右侧转子铁芯依次相接组成转子铁芯，所述转子铁芯固定套设于所述转轴上，并随所述转轴同步转动；
12.所述左侧定子铁芯、所述不导磁定子铁芯以及所述右侧定子铁芯依次相接组成定子铁芯，所述定子铁芯间隔套设于所述转子铁芯上；
13.所述外磁桥固定套设于所述定子铁芯上且共同固定在机壳上，且所述外磁桥内部设有一环绕所述定子铁芯设置的收纳空腔，所述直流励磁绕组装配于所述收纳空腔内且环绕所述定子铁芯外侧；
14.所述永磁体嵌设于所述转子铁芯内；
15.所述电枢绕组嵌设于所述定子铁芯内。
16.作为本发明的一种优选改进，所述不导磁定子铁芯由不导磁的薄环氧板叠压而成。
17.作为本发明的一种优选改进，所述直流励磁绕组沿径向方向的投影至少部分与所述左侧定子铁芯和所述右侧定子铁芯重叠。
18.作为本发明的一种优选改进，所述内磁桥包括圆环形平板状本体部和自所述本体部沿其两相对侧分别延伸且分别抵接于所述左侧转子铁芯和所述右侧转子铁芯的突起部。
19.作为本发明的一种优选改进，所述永磁体数量为多条，且多条所述永磁体沿径向方向嵌设于所述转子铁芯内。
20.作为本发明的一种优选改进，所述左侧转子铁芯和所述右侧转子铁芯均为切向式转子铁芯。
21.作为本发明的一种优选改进，所述左侧定子铁芯和所述右侧定子铁芯均为叠压式定子铁芯。
22.作为本发明的一种优选改进，所述外磁桥连接所述左侧定子铁芯和所述右侧定子铁芯，内磁桥连接所述左侧转子铁芯和所述右侧转子铁芯，外磁桥和内磁桥加上气隙从而构成轴向闭合磁路。
23.本发明的有益效果如下：
24.1、通过将直流励磁绕组放置在定子侧，实现了无刷的结构；
25.2、通过将永磁体设置在转子侧，采用切向式的永磁体安装方式，因切向式一个磁极下的磁通由两侧的永磁体共同产生，其功率密度能进一步增加，且具有较优的输出性能；
26.3、电励磁与永磁励磁的磁路是并联关系，有效避免了永磁体的退磁风险，且电励磁磁路没有附加气隙，磁阻减小使励磁电流减小，从而减低励磁绕组的铜耗；
27.4、电励磁磁势只经过电机的主气隙，不通过其他附加气隙，因此磁路的磁阻较小，
有效降低励磁电流；
28.5、通过设置内磁桥，不但可以与左侧转子铁芯和右侧转子铁芯构成轴向内磁路，还有利于转子铁芯散热，从而增加永磁体的高温抗退磁能力；
29.6、通过将直流励磁绕安装于收纳空腔内，可以实现电励磁的作用参与改变主磁通的目的，从而得到良好的调磁性能；
30.7、通过将直流励磁绕组安装于靠近电机外壳的外磁桥内，不但可以实现无刷结构，还能增强散热性能。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
32.图1为本发明基于双磁桥的并联式无刷混合励磁电机的剖视结构图；
33.图2为本发明基于双磁桥的并联式无刷混合励磁电机的轴向爆炸结构图；
34.图3为本发明基于双磁桥的并联式无刷混合励磁电机的磁路图；
35.图4为本发明在-4000at电励磁状态下的气隙磁密三维图；
36.图5为本发明在4000at电励磁状态下的气隙磁密三维图；
37.图6为本发明基于双磁桥的并联式无刷混合励磁电机空载时的线反电动势曲线图；
38.图7为本发明基于双磁桥的并联式无刷混合励磁电机空载时的a相磁链曲线图；
39.图8为本发明基于双磁桥的并联式无刷混合励磁电机在不同电励磁状态下的输出转矩曲线图。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做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。
41.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
42.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
43.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两
个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
45.请参阅图1和2所示，本发明提供一种基于双磁桥的并联式无刷混合励磁电机，包括左侧定子铁芯1、外磁桥2、直流励磁绕组3、不导磁定子铁芯4、右侧定子铁芯5、转轴6、永磁体7、左侧转子铁芯8、内磁桥9、电枢绕组10以及右侧转子铁芯11。
46.所述左侧转子铁芯8、内磁桥9以及所述右侧转子铁芯11依次相接组成转子铁芯，所述转子铁芯固定套设于所述转轴6上，并随所述转轴6同步转动。
47.具体的，所述左侧转子铁芯8和所述右侧转子铁芯11均为切向式转子铁芯。
48.所述左侧定子铁芯1、所述不导磁定子铁芯4以及所述右侧定子铁芯5依次相接组成定子铁芯，所述定子铁芯间隔套设于所述转子铁芯上，即所述转子铁芯可相对所述定子铁芯转动。
49.具体的，所述左侧定子铁芯1和所述右侧定子铁芯5均为叠压式定子铁芯。
50.所述内磁桥9连接两侧的所述左侧转子铁芯8和所述右侧转子铁芯11形成轴向内磁路。
51.所述外磁桥2固定套设于所述定子铁芯上，且所述外磁桥2内部设有一环绕所述定子铁芯设置的收纳空腔，所述直流励磁绕组3装配于所述收纳空腔内且环绕所述定子铁芯外侧。
52.需具体说明的是，所述直流励磁绕组3沿径向方向的投影至少部分与所述左侧定子铁芯1和所述右侧定子铁芯5重叠。这样，所述直流励磁绕组3被包围在所述外磁桥2和左侧定子铁芯1、右侧定子铁芯5之间的空腔，其产生的磁通在轴向内外磁路以及两侧的气隙中形成闭合回路，能够实现电励磁的作用参与改变主磁通的目的，得到良好的调磁性能。
53.所述外磁桥2连接两侧的所述左侧定子铁芯1和所述右侧定子铁芯5形成轴向外磁路。
54.所述不导磁定子铁芯4由不导磁的薄环氧板叠压而成。
55.所述永磁体7嵌设于所述转子铁芯内，具体的，所述永磁体7数量为多条，且多条所述永磁体7沿径向方向嵌设于所述转子铁芯内。
56.所述内磁桥9包括圆环形平板状本体部和自所述本体部沿其两相对侧分别延伸且分别抵接于所述左侧转子铁芯8和所述右侧转子铁芯11的突起部。
57.所述电枢绕组10嵌设于所述定子铁芯内。
58.本发明提供的基于双磁桥的并联式无刷混合励磁电机的各磁路如图3所示，永磁体7产生主磁通和漏磁通，主磁通经过永磁体7、左侧转子铁芯8、右侧转子铁芯11、气隙和左侧定子铁芯1、右侧定子铁芯5构成主磁通磁路15，其直接影响电机的输出性能。漏磁通通常出现在永磁体7的边角。该永磁体7存在一种贯穿内外磁桥的轴向磁通，称为旁路磁通，如图3中的标号13、14所示，因磁路的磁阻比主磁路稍大，但小于漏磁路磁阻，因其属于漏磁通，需特别引起关注。
59.当直流励磁绕组3通电后，根据通电电流方向的不同，可分为增磁状态和去磁状
态，分别对应主磁通增加和减小。如图3所示，电励磁磁势产生磁通经过的磁路12贯穿外磁桥2、内磁桥9以及左侧定子铁芯1、右侧定子铁芯5、左侧转子铁芯8以及右侧转子铁芯11。
60.电励磁能够产生增去磁作用的原理如下：以外磁桥2、内磁桥9为界将电机分为左右两部分，电励磁磁通从左边部分某一极出发，经过外磁桥2到达右边部分相反的极，后经过内磁桥9构成闭合磁路。在电机运行过程中，通过改变直流励磁绕组3中电流的方向和电流，达到电机低速下输出大扭矩和弱磁后转速范围增加的目的。值得注意的是，旁路磁通经过外磁桥2、内磁桥9后在同一极内左右部分互相抵消，不对主磁通产生影响。
61.对本发明提供的基于双磁桥的并联式无刷混合励磁电机分别进行静态场和瞬态场分析，具体如下：
62.1、静态场分析结果
63.运用三维有限元软件，建立电机模型，首先在静态场中计算电机空载情况下三种不同电励磁状态作用后的气隙磁密，如图4和5所示。从图中可以看出，当电励磁为-4000at即去磁状态时，电机一个极下轴向的左边部分气隙磁密平均值稍增加，但是右边平均值降低幅度较大，主磁通总量减少；当电励磁为4000at即增磁状态时，电机一个极下轴向左边部分气隙磁密平均值稍减小，但是右边平均值增加幅度较大，主磁通总量增加。
64.2、瞬态场分析结果
65.在空载情况下，电机额定转速为2000rpm，在电励磁分别为fi＝-4000at和fi＝4000at情况下，有限元仿真得到的线反电动势和a相磁链曲线如图6和7所示。其中，电励磁fi＝-4000at时，线反电动势基波幅值为110.01v，电励磁fi＝4000at时，线反电动势基波幅值为140.67v，幅值变化占比约为27.88％。
66.在电机负载情况下，给定电励磁分别为fi＝-4000at、fi＝0at、fi＝4000at时，该混合励磁电机的输出转矩平均值分别为4.55nm、4.15nm、3.62nm，如图8所示。从中可得因为不同电励磁大小改变了电机气隙主磁通的大小，根据电机转矩计算公式可知其平均值也相应发生变化。因此在转子坐标系中，利用电励磁状态改变以及通入负id电流的共同作用可以拓宽转矩和转速的变化范围。
67.本发明的有益效果如下：
68.1、通过将直流励磁绕组放置在定子侧，实现了无刷的结构；
69.2、通过将永磁体设置在转子侧，采用切向式的永磁体安装方式，因切向式一个磁极下的磁通由两侧的永磁体共同产生，其功率密度能进一步增加，且具有较优的输出性能；
70.3、电励磁与永磁励磁的磁路是并联关系，有效避免了永磁体的退磁风险，且电励磁磁路没有附加气隙，磁阻减小使励磁电流减小，从而减低励磁绕组的铜耗；
71.4、电励磁磁势只经过电机的主气隙，不通过其他附加气隙，因此磁路的磁阻较小，有效降低励磁电流；
72.5、通过设置内磁桥，不但可以与左侧转子铁芯和右侧转子铁芯构成轴向内磁路，还有利于转子铁芯散热，从而增加永磁体的高温抗退磁能力；
73.6、通过将直流励磁绕组安装于收纳空腔内，可以实现电励磁的作用参与改变主磁通的目的，从而得到良好的调磁性能；
74.7、通过将直流励磁绕组安装于靠近电机外壳的外磁桥内，不但可以实现无刷结构，还能增强散热性能；
75.8、增加了电机低速下的输出转矩，扩大电机转速范围。
76.尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。