CN101232205A - 可变磁通永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

可变磁通永磁同步电动机涉及一种电动机，特别是一种容易调磁、效率高、调速范围宽广的可变磁通永磁同步电动机。该电动机由铁芯(1)和电枢绕组(2)组成定子，钕铁硼永磁体(3)、铝镍钴永磁体(4)、软铁(5)、非磁性夹层(6)和非磁性转轴(7)等构成转子。转子中每极永磁体由两块不同磁体叠加而成，均切向磁化。靠近转轴的永磁体为铝镍钴，形状为梯形，靠近气隙的永磁体为钕铁硼，形状为矩形。转子中非磁性夹层为三角形，靠近转轴部分与永磁体相连接。整个转子用导磁和非导磁交错的圆筒封装。通过施加定子直轴脉冲电流i_d改变铝镍钴永磁体磁化状态，实现电机气隙磁场的有效调节。

Description

可变磁通永磁同步电动机

技术领域

本发明涉及一种电动机，特别是一种磁通可以控制的永磁同步电动机。

背景技术

传统永磁电机具有气隙磁场不好调节，难以实现宽调速的局限，影响了其应用范围。为扩展永磁电机调速范围，传统的方法是大都采用矢量控制策略，通过控制定子电流矢量产生的直轴电枢反应磁场削弱永磁磁场，维持高速运行时电机电压的平衡，达到弱磁调速的目的。由于直轴上存在磁阻较大的永磁体，一般情况下直轴电感较低，使得电机额定电流产生的直轴电枢反应磁通只能削弱永磁磁通的极小部分，从而使得电机的弱磁效果不好，难以调磁。并且采用这样的弱磁方法需要施加持续的较大的定子直轴电流，这使得电机铜耗增加，效率降低。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种易调磁、效率高、调速范围宽广的可变磁通永磁同步电动机。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明可变磁通永磁同步电动机由铁芯和电枢绕组组成定子，钕铁硼永磁体、铝镍钴永磁体、软铁、非磁性夹层和非磁性转轴构成电机转子；所述电动机钕铁硼永磁体为矩形位于电机转子的外圆处靠近气隙侧放置，铝镍钴永磁体为梯形位于钕铁硼永磁体与转轴侧之间；非磁性夹层为三角形，该三角形的一个角位于定子与转子之间的气隙侧，该角的对边位于非磁性转轴上并与铝镍钴永磁体相接。

所述电动机矫顽力较高的钕铁硼永磁体在电机装配前切向充磁，矫顽力较低的铝镍钴永磁体在电机装配后采用定子直轴脉冲电流在线切向充磁和去磁。为保证铝镍钴的磁场不被钕铁硼永磁压制无法发挥作用及有效调整电机的可控磁通大小，应合理选择铝镍钴磁体的长度和宽度。电机运行前，施加定子直轴脉冲电流i_d对铝镍钴永磁体饱和充磁，饱和充磁后的铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体磁化方向相同，铝镍钴永磁体经稳磁后与钕铁硼一起提供永磁气隙主磁通。电机在基速以下运行时采用i_d＝0控制方式。在基速以上运行时采用弱磁调速，即施加反向的一定幅值的定子直轴脉冲电流i_d对低矫顽力铝镍钴永磁体进行去磁，永磁体的磁化强度发生改变，从而减少永磁气隙磁通。当需要增磁时施加正向的定子直轴电流脉冲磁场对铝镍钴磁体进行充磁，从而使得永磁电机的磁通可以有效控制。定子交轴电流产生的磁场不穿过永磁体，因而可变磁通记忆电机不会被负载电流退磁。铝镍钴永磁体的充磁和去磁电流均流经定子绕组，采用与电机定子线圈相同的电流源，不用另外附加任何绕组和电流。

有益效果：转子的特殊结构保证了定子直轴脉冲电流i_d产生的去磁磁场首先对转轴侧的部分磁体进行去磁，而对靠近气隙侧的磁体去磁不多。由于铝镍钴永磁体为梯形形状，永磁体的厚度不同，施加一定的定子直轴电流脉冲i_d对永磁体去磁时会使得去磁磁场对转轴侧较窄部分磁体去磁较多，因此施加不大的去磁电流就能将部分磁体的工作点去磁到拐点以下发生不可逆去磁，从而使得电机易于调磁。

定子直轴脉冲电流i_d对铝镍钴永磁体进行短时磁化后就去除，而不必象传统弱磁调速方式需要施加持续的定子i_d电流，因此可以减少大量的电枢损耗，提高电机效率。

由于电机调磁方式是改变永磁体的磁化强度而不是象传统永磁电机那样仅仅削弱部分永磁磁场，因而是真正意义上的宽调速永磁电机。通过合理选择永磁体尺寸，并使电机定子直轴电流脉冲所产生的去磁磁动势大于电机的最大去磁安匝数，可以使得永磁体产生的气隙磁通为零，因此电机能够高速运行。极与极间加上三角形形状的非磁性夹层，能限制调磁时定子直轴电流产生的磁通的路径，增强定子直轴脉冲电流i_d磁化作用的效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1为铝镍钴磁体在第二和第三象限的磁滞回线；

图2为可变磁通永磁同步电动机中心截面图；

以上的图中有铁芯1、电枢绕组2、钕铁硼永磁体3、铝镍钴永磁体4、软铁5、非磁性夹层6、非磁性转轴7。

图3为可变磁通永磁同步电动机部分去磁时磁场分布；

图4为可变磁通永磁同步电动机完全去磁时磁场分布。

具体实施方式

可变磁通永磁同步电动机在电机运行前采用定子直轴脉冲电流i_d将铝镍钴永磁体饱和充磁，磁化方向与安装前饱和充磁的钕铁硼磁体磁化方向相同。电机在基速以下运行时采用i_d＝0控制方式，为保证电机在基速以下的运行中永磁体磁性能不变，铝镍钴永磁体需要稳磁。图1为铝镍钴磁体在第二和第三象限的磁滞回线，a点假设为铝镍钴永磁体饱和充磁后的工作点，b点假设为永磁体稳磁后的回复线起始点。显然，当铝镍钴磁体的工作点在回复线bc上移动时，永磁体的去磁为可逆的，当永磁体工作点被去磁到b点以下时，去磁为不可逆的。b点可以称为此时退磁曲线的拐点。电机在基速以下运行时，由于采用i_d＝0的控制方式，永磁体受到的去磁场不大，因此铝镍钴磁体的工作点会在回复线上可逆移动，永磁体的磁性能不变。当电机在基速以上运行时，采用弱磁扩速方式，此时施加定子直轴电流i_d将铝镍钴磁体的工作点去磁到拐点以下，则此时永磁体的磁化强度发生改变，气隙磁通随之改变。外加定子直轴i_d电流作用很短时间就去除，由于不可逆去磁，永磁体的磁密不会返回到原来的状态，达到弱磁调速的目的。永磁体发生不可逆去磁的条件是永磁体去磁后的工作点磁场强度大于拐点的磁场强度：

$H_p=\frac{{\mathrm{NI}}_d}{p(l_m+{\mathrm{\μ}}_r{l}_g)}>H_b---\left(1\right)$

式中：H_p为永磁体工作点的磁场强度；N为每相定子线圈匝数；I_d为定子直轴i_d电流；p为极对数；l_m为永磁体厚度；l_g为气隙厚度，H_b为拐点的磁场强度。

从式(1)看出，在相同的定子i_d电流下，永磁体的厚度对永磁体的去磁影响很大，当永磁体的厚度较小时，永磁体容易被定子i_d电流不可逆去磁。

因此，本实施例中用于调磁的铝镍钴永磁体为梯形形状，靠近转轴侧磁体较窄，容易采用不大的去磁电流脉冲就能将磁体工作点去磁到拐点以下，因此容易调磁。

图2为可变磁通永磁同步电动机中心截面图。该电动机由以下几部分组成：铁芯1和电枢绕组2组成定子，钕铁硼永磁体3、铝镍钴永磁体4、软铁5、非磁性夹层6和非磁性转轴7构成电机转子。转子用导磁和非导磁交错的圆筒焊接后封装，封装永磁体部分为不导磁材料，以减少调磁时i_d脉冲电流产生的磁场对永磁体径向的去磁：封装软铁部分为导磁材料，以减少磁阻。采用圆筒封装后可以增强转子高速旋转工作时的可靠性和坚固性，保证电动机在高速运转过程中的平稳运行。非磁性转轴7采用非导磁的不锈钢材料，与铝镍钴永磁体4不用隔磁处理。非磁性夹层6采用材料铝。

图3为可变磁通永磁同步电动机铝镍钴永磁体部分去磁时磁场分布。去磁磁场对铝镍钴永磁体(4)进行去磁，整个铝镍钴永磁体被分为以零磁密区域为中心的磁化方向不同的磁体，去磁后的靠近转轴的反向磁化磁体与部分正向磁化磁体的磁力线没有经过气隙就发生闭合，使得气隙磁通减少，达到弱磁目的。当外加磁场去除后，由于两部分不同磁化方向的磁体相互作用，反向磁化磁体仍然工作在第三象限，去磁效果得到保证。图4为铝镍钴永磁体完全去磁时磁场分布。此时，铝镍钴磁体反向充磁后与钕铁硼磁体磁力线发生闭合，气隙磁通降为零，电机能够实现宽调速而高速运行。

Claims (1)

1.一种可变磁通永磁同步电动机，其特征在于该电动机由铁芯(1)和电枢绕组(2)组成定子，钕铁硼永磁体(3)、铝镍钴永磁体(4)、软铁(5)、非磁性夹层(6)和非磁性转轴(7)构成电机转子；所述电动机钕铁硼永磁体(3)为矩形位于电机转子的外圆处靠近气隙侧放置，铝镍钴永磁体(4)为梯形位于钕铁硼永磁体(3)与转轴侧之间；非磁性夹层(6)为三角形，该三角形的一个角位于定子与转子之间的气隙侧，该角的对边位于非磁性转轴(7)上并与铝镍钴永磁体(4)相接。