一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机

摘要

本发明公开了一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机，包括机壳以及机壳内沿轴向设置的中间盘式定子、环形直流励磁单元、两个均与中间盘式定子存在气隙的盘式转子和两个转轴；中间盘式定子固定在机壳上，其外缘绕制一套电枢绕组，且两侧绕组相序相反，直流励磁单元固定在中间盘式定子中部且激发两侧气隙励磁磁场等。本发明提出的单定子双转子混合励磁轴向磁通对转电机，可应用于常处于不对称负载工况下的各类对转系统中，如无人机的共轴双旋翼系统、水下航行器螺旋桨推进、机器人关节、新能源风力发电等，不仅可提升系统性能，且兼具经济性、环保性。

权利要求

1.一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机，其特征在于，包括机壳以及机壳内沿轴向设置的中间盘式定子、直流励磁单元、两个均与中间盘式定子存在气隙的盘式转子和两个转轴；中间盘式定子固定在机壳上，其外缘绕制一套电枢绕组，且两侧绕组相序相反，直流励磁单元固定在中间盘式定子中部且调节两侧气隙励磁磁场；两个盘式转子对称分布在中间盘式定子两侧且分别与一个转轴的输入端固定，两个转轴的输出端分别连接两个反向旋转的负载，两个盘式转子均包括转子背铁、扇形永磁体磁极以及软磁磁极，扇形永磁体磁极与软磁磁极交替排布，同一盘式上扇形永磁体磁极与软磁磁极沿圆周方向均匀排列且扇形永磁体充磁方向相同；两个转子盘上永磁体充磁方向相同，所述中间盘式定子包括沿径向依次设置的固定环形直流励磁单元的定子凸台、定子轭部以及定子齿，定子齿分布在中间盘式定子正面、背面，单套三相绕组环绕在两侧定子齿上且绕组相序相反，产生一对反向旋转磁场；所述直流励磁单元包括骨架与励磁线圈，骨架采用非导磁绝缘材料，沿两侧定子齿内圆周向呈圆环状，并开有U型槽；励磁线圈采用漆包线环形绕制嵌放入U型槽中；

直流励磁单元励磁磁通路径分别为：

N‑S状态下，上侧励磁磁通经由软磁极、转子背铁、气隙、定子轭部及定子齿形成的闭合回路，下侧转子软磁极励磁磁通经由软磁极、转子背铁、气隙、定子轭部及定子齿形成闭合回路；

N‑N状态下，两侧转子磁路经由定子凸台‑定子轭部‑定子凸台‑内气隙‑转子背铁‑软磁磁极‑外气隙‑定子‑外气隙‑软磁磁极‑转子轭部‑内气隙‑定子凸台形成闭合回路。

2.根据权利要求1所述的一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机，其特征在于，所述中间盘式定子铁芯为组合定子，定子中间部分由SMC软磁复合材料压铸成型；轴向对称分布的卷绕硅钢片定子设置在SMC定子两侧，分别对应两个盘式转子，两侧定子齿沿轴向均匀对称分布。

3.根据权利要求1或2所述的一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机，其特征在于，两个盘式转子均通过轴承固定在机壳上。

4.根据权利要求2所述的一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机，其特征在于，直流励磁单元与中间盘式定子通过环氧树脂灌封固定。

5.根据权利要求1所述的一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机，其特征在于，转子背铁材料采用高磁导结构钢，软磁磁极为硅钢片卷绕而成。

6.根据权利要求1或5所述的一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机，其特征在于，扇形永磁体磁极以及软磁磁极通过磁体胶或厌氧胶粘接于转子背铁表面，也可通过卡环连接排布，作为整体使用螺栓或包边镶嵌固定在转子背铁表面。

说明书

一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机

技术领域

[0001] 本发明涉及励磁对转电机技术领域，具体来说，涉及一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机。

背景技术

[0002] 对转电机具有两个独立的机械输出端口，同时驱动两侧负载，电机功率密度与工作效率高，驱动两侧负载对转工作时产生圆周方向的旋转力矩互相抵消，可有效避免出现侧滚或侧翻，保证系统的稳定。相比传统单转子电机配合齿轮箱形成相反方向旋转的对转驱动系统，对转电机直驱的优势在于传动链简单、结构紧凑，具有良好的可靠性、经济性与环保性，适合经常处于不对称负载工况下的各类对转系统中，如无人机的共轴双旋翼系统、水下航行器螺旋桨推进、机器人关节、新能源风力发电等。

[0003] 目前对转电机的开发研究主要有两种类型：定、转子对转电机与双转子对转电机；前者主要针对传统电机结构的改进，即以定子作为“外转子”，相对于机座旋转且与转子旋转方向相反，此类电机的缺陷为：由于定子的旋转运动，定子电源需引入滑环与电刷，系统可靠性降低，机械结构复杂。双转子对转电机一般具有一个定子、两个转子，两转子在机械结构上相互独立，通过轴承固定在机座上，配置两套定子绕组产生反向旋转的磁场，即可实现双转子对转。径向磁通单定子双转子对转电机内、外转子结构上不对称，电磁耦合关系复杂，存在电机双边转子输出转矩不平衡、内转子散热困难、控制技术要求高的固有弊端。相比而言，轴向磁通对转电机的定、转子共轴平行安装，轴向长度短、结构紧凑、散热效果好、转矩密度高，振动噪声小，在无人机、水下航行器、机器人等对重量、体积要求较苛刻的应用场合具有显著优势。

[0004] 混合励磁同步电机是一种同时具有励磁绕组与永磁体两种磁势源的新型电机，在永磁同步电机的基础上，引入辅助直流励磁绕组，继承永磁同步电机转矩性能良好、高功率密度、高效率的同时，兼具电励磁电机宽调速范围的优点。通过励磁电流调节磁场，实现低速大转矩及高速弱磁运行区域效率的显著提升，在宽调速范围驱动领域的应用中前景广阔。

[0005] 将混合励磁技术应用到轴向磁通双转子电机中，能够实现两侧气隙磁场灵活可调，在单电端口前提下满足不平衡负载运行工况。需要说明的是，目前针对混合励磁对转电机的设计研究较少，单（双）定子双转子混合励磁电机主要集中于双转子同向共速旋转驱动单一负载的研究上。

[0006] 公布号为CN113437849A的专利申请公布了一种双转子单定子轴向磁通混合励磁电机，两转子轭部与导磁罩紧密接触，同向共速旋转，无相对运动。转子盘上设置有主永磁体、与主永磁体交替排列的软磁极、辅助直流励磁的辅助永磁体、用以减少辅助永磁体漏磁的隔磁体、导磁罩设置导磁齿与两齿之间形成的隔磁槽；导磁齿与转子轭部紧密贴合且与软磁极错位相对，隔磁槽与永磁体错位相对。其创新点在于直流励磁磁通经定子、双气隙、软磁极、转子轭部与导磁罩形成闭合回路，不经过永磁体，因而直流励磁增、去磁效果明显，励磁损耗较低，可避免永磁体退磁，一定程度上增强电机可靠性，进而有更宽转速运行范围，恒压发电能力更强。该设计在电机性能上仍存在以下不足：（1）引入导磁罩结构、辅助永磁体，电机装配复杂且体积有一定程度增加；（2）只能用于两端同向共速运动的平衡负载，应用场合有一定限制。公告号为CN112737255B的中国专利公布了一种盘式双转子对转电机，该设计两转子结构相同，沿轴向对称设置在定子两侧，定子采用两套绕组对称分布且相位排布方式相反，通以频率、幅值相等的交流电时，两转子共速反向旋转，输出转矩相等。设计采用定子集中绕组，有效减少绕组端部长度并提高功率密度，但两套绕组需分别进行控制，电机控制技术要求高、难度大，且弱磁扩速性能有限。

[0007] 综上所述，以上方法技术均未解决单定子双转子对转电机带不平衡负载问题，且目前国内已有相关专利和文献在单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机带不平衡负载方面尚未提出有效的实施案例。

发明内容

[0008] 针对相关技术中的问题，本发明提出一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机，以妥善解决背景技术问题。

[0009] 为此，本发明采用的具体技术方案如下：

[0010] 一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机，包括机壳以及机壳内沿轴向设置的中间盘式定子、直流励磁单元、两个均与中间盘式定子存在气隙的盘式转子和两个转轴；中间盘式定子固定在机壳上，其外缘绕制一套电枢绕组，且两侧绕组相序相反，直流励磁单元固定在中间盘式定子中部且调节两侧气隙励磁磁场；两个盘式转子对称分布在中间盘式定子两侧且分别与一个转轴的输入端固定，两个转轴的输出端分别连接两个反向旋转的负载。

[0011] 在可能的一个设计中，两个盘式转子均包括转子背铁、扇形永磁体磁极以及软磁磁极，扇形永磁体磁极与软磁磁极交替排布，同一盘式上扇形永磁体磁极与软磁磁极沿圆周方向均匀排列且扇形永磁体充磁方向相同；两个转子盘上永磁体充磁方向相同。

[0012] 在可能的一个设计中，所述中间盘式定子包括沿径向依次设置的固定直流励磁单元的定子凸台、定子轭部以及定子齿，定子齿分布在中间盘式定子正面、背面，单套三相绕组环绕在两侧定子齿上且绕组相序相反，产生一对反向旋转磁场。

[0013] 在可能的一个设计中，所述中间盘式定子铁芯为组合定子，定子中间部分由SMC软磁复合材料压铸成型；轴向对称分布的卷绕硅钢片定子设置在SMC定子两侧，分别对应两个盘式转子，两侧定子齿沿轴向均匀对称分布。

[0014] 在可能的一个设计中，所述直流励磁单元包括骨架与励磁线圈，骨架采用非导磁绝缘材料，沿两侧定子齿内圆周向呈圆环状，并开有U型槽；励磁线圈采用漆包线环形绕制嵌放入U型槽中。

[0015] 在可能的一个设计中，两个盘式转子均通过轴承固定在机壳上。

[0016] 在可能的一个设计中，直流励磁单元与中间盘式定子通过环氧树脂灌封固定。

[0017] 在可能的一个设计中，转子背铁材料采用高磁导结构钢，软磁磁极为硅钢片卷绕而成。

[0018] 在可能的一个设计中，扇形永磁体磁极以及软磁磁极通过磁体胶或厌氧胶粘接于转子背铁表面，也可通过卡环连接排布，作为整体使用螺栓或包边镶嵌固定在转子背铁表面。

[0019] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对不对称负载工况下对转系统的要求，从电机本体设计角度考虑，提出一种新型单定子双转子混合励磁轴向磁通对转电机，引入辅助调磁绕组解决不对称负载工况下对转电机两侧气隙磁场反向调节的问题，实现对转系统不平衡负载运行；以单套电枢绕组实现驱动双转子带不对称负载异向旋转；定子设置有辅助直流励磁绕组，调节两侧转子气隙磁场，解决电机带不平衡负载运行问题，且电机转矩密度、效率高。本发明提出的单定子双转子混合励磁轴向磁通对转电机，可应用于常处于不对称负载工况下的各类对转系统中，如无人机的共轴双旋翼系统、水下航行器螺旋桨推进、机器人关节、新能源风力发电等，不仅可提升系统性能，且兼具经济性、环保性。

[0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0021] 1、本发明通过调节直流励磁绕组电流，实现两侧气隙磁场的不对称可调，解决电机带不对称负载运行工况；

[0022] 2、本发明直流励磁绕组布置在定子侧，无碳刷滑环，可提高电机使用寿命；

[0023] 3、本发明的电机共用一套电枢绕组，即可共用一套逆变器驱动，单电端口控制系统简单易行；

[0024] 4、本发明采用轴向磁通永磁结构，转矩密度与电机效率高。

附图说明

[0025] 为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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他的附图。

[0026] 图1示出了本发明一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机实施例的纵向剖面结构图；

[0027] 图2示出了本发明一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机中盘式定子结构示意图；

[0028] 图3示出了三相绕组示意图；

[0029] 图4示出了直流励磁单元结构示意图；

[0030] 图5示出了盘式转子结构示意图；

[0031] 图6示出了直流励磁单元励磁磁通路径N‑S状态示意图；

[0032] 图7示出了直流励磁单元励磁磁通路径N‑N状态示意图；

[0033] 图8示出了单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机主要拓扑结构爆炸图。

具体实施方式

[0034] 为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

[0035] 附图标记说明：盘式定子1、盘式转子2、电枢绕组3、转轴4、端盖5、机壳6、直流励磁单元7、内气隙8、外气隙9、励磁磁通路径10、骨架12、励磁线圈13、定子轭部101、定子齿102、定子凸台103、转子背铁201、永磁体202、软磁磁极203。

[0036] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对不对称负载工况下对转系统的要求，从电机本体设计角度考虑，提出一种新型单定子双转子混合励磁轴向磁通对转电机，引入辅助调磁绕组解决不对称负载工况下对转电机两侧气隙磁场反向调节的问题，实现对转系统不平衡负载运行；以单套电枢绕组3实现驱动双转子带不对称负载异向旋转；定子设置有辅助直流励磁绕组，调节两侧转子气隙磁场，解决电机带不平衡负载运行问题，且电机转矩密度、效率高。本发明提出的单定子双转子混合励磁轴向磁通对转电机，可应用于常处于不对称负载工况下的各类对转系统中，如无人机的共轴双旋翼系统、水下航行器螺旋桨推进、机器人关节、新能源风力发电等，不仅可提升系统性能，且兼具经济性、环保性。

[0037] 如图1‑8所示，本发明提出的单定子双转子混合励磁轴向磁通对转电机，包括机壳6以及固定在机壳6轴向两侧的端盖5，还包括机壳6内的一个中间盘式定子1、直流励磁单元
7、两个盘式转子2和两独立机械转轴4；中间盘式定子1绕制一套电枢绕组3，且两侧绕组相序相反；直流励磁单元7为环形直流励磁绕组且沿定子凸台103周向固定，采用单个H桥驱动，通入相同励磁电流；两盘式转子2分别与两平行机械轴相连，通过轴承固定在端盖5上，机械轴另外一端分别连接两个反向旋转的负载。

[0038] 中间盘式定子1嵌入机壳6，包括定子轭部101、定子齿102及定子凸台103三部分，采用单套交流电枢绕组3绕制，定子铁芯两侧绕组相序相反，进而产生一对反向旋转磁场实现双转子异向旋转。直流励磁单元7为环形直流励磁单元7且环绕在定子内圆凸台周围，对两转子气隙磁场进行调节，直流励磁绕组布置在定子侧，无碳刷滑环，可提高电机使用寿命。电机共用一套电枢绕组3，即可共用一套逆变器驱动，单电端口控制系统简单易行。本发明采用轴向磁通永磁结构，转矩密度与电机效率高。

[0039] 直流励磁单元7激发两侧气隙励磁磁场，由于两转子旋转方向相反，励磁磁路在N‑N和N‑S状态下来回切换，对应状态下通过两转子软磁极的励磁磁通路径10不同。通过调节直流励磁绕组电流，实现两侧气隙磁场的不对称可调，解决电机带不对称负载运行工况。

[0040] 如图5所示，两个盘式转子2均由转子背铁201、永磁体202、软磁磁极203组成。永磁体202与软磁磁极203组成交替磁极，便于直流绕组调磁的同时可节约永磁体202用量；两转子的整体结构尺寸和重量通过永磁材料与软磁磁极203的合理匹配保持对称，使二者具有相同的转动惯量。两转子均为扇形永磁体202磁极与卷绕切割的软磁磁极203交替排布；其设置有如下特点：(1)同一转子盘上永磁体202与软磁磁极203沿圆周方向均匀排列，且永磁体202充磁方向相同；(2)两转子盘上永磁体202充磁方向相同。两盘式转子2分别与两独立机械轴相连，通过轴承固定在端盖5上，两转子与中间定子均存在气隙，通过直流调磁绕组的作用，可形成两侧对称或不对称磁场，实现反向共速下两侧转子输出不同转矩，适应不对称负载工况的需求。

[0041] 转子背铁201材料采用高磁导结构钢，两侧磁极为扇形永磁体202与卷绕切割的扇形软磁磁极203交替排布，软磁磁极203为硅钢片卷绕而成。磁极的安装方式主要有以下几种：(1)选用磁体胶或厌氧胶粘接于背铁表面；(2)预制定位卡环将其连接排布，作为整体使用螺栓或包边镶嵌固定在背铁表面。本实施例优选使用厌氧胶将硅钢片软磁极固定于转子背铁201表面；两侧转子永磁体202使用磁体胶固定在背铁表面，加工简易，经济性强。

[0042] 如附图1所示，本实例提供的电动机结构为：中间盘式定子1与机壳6固定连接，定子绕组绕制于定子齿102上；环形直流励磁绕组环绕在定子内圆凸台上；两侧盘式转子2由背铁、永磁体202与软磁磁极203构成；两侧转子分别连接两转轴4，并通过轴承与端盖5相连，组成两独立的机械端口。

[0043] 如附图2所示，中间盘式定子1铁芯为组合定子，定子中间部分由SMC软磁复合材料压铸成型；轴向对称分布的卷绕硅钢片定子设置在SMC定子两侧，分别对应两个盘式转子2，两侧定子齿102沿轴向均匀对称分布；定子齿102采用激光切割、电火花切割等方式加工成形；组合定子使用厌氧胶粘结，组合而成的盘式定子1铁芯与机壳6相连；

[0044] 如附图3所示，单套三相绕组环绕在两侧定子齿102上，且使得定子铁芯两侧绕组相序相反，以产生一对反向旋转磁场。

[0045] 如附图4所示，环形直流励磁单元7包括骨架12与励磁线圈13，骨架12采用非导磁绝缘材料，沿两侧定子齿102内圆周向呈圆环状，并开有U型槽；励磁线圈13采用漆包线环形绕制嵌放入U型槽中。灌封环氧树脂将两侧定子与直流励磁单元7固定为整体，进而提高电机散热能力，增强机械强度。

[0046] 如附图6、图7所示，本实例单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机的直流励磁单元7激发两侧气隙励磁磁场，由于两转子旋转方向相反，通过两转子软磁极的磁路在N‑S和N‑N状态下来回切换，励磁磁通路径10分别为：N‑S状态下，上侧励磁磁通经由软磁极、转子背铁201、气隙、定子轭部101及定子齿102形成的闭合回路，增强上气隙磁通，下侧励磁磁路将永磁极磁路短路以削弱下气隙磁通，若继续增大直流励磁，下侧转子软磁极励磁磁通经由软磁极、转子背铁201、气隙、定子轭部101及定子齿102形成闭合回路，进一步削弱下气隙磁通；N‑N状态下，两侧转子磁路经由定子凸台103‑定子轭部101‑定子凸台103‑内气隙8‑转子背铁201‑软磁磁极203‑外气隙9‑定子‑外气隙9‑软磁磁极203‑转子轭部‑内气隙8‑定子凸台103形成闭合回路，同样增强上气隙磁通的同时削弱下气隙磁通。

[0047] 本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。