[发明专利]一种单定子双转子轴向磁通混合励磁对转电机

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。