CN103199661A - 一种磁通切换型内置式永磁记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁通切换型内置式永磁记忆电机，包括机壳、定子、转子和转轴，转子为带有通孔的圆柱体，转子由设有中心通孔的星形隔磁块和分块转子铁心瓣，转轴固定连接在隔磁块的中心通孔中；分块转子铁心瓣呈扇形状，且沿转子周向均匀分布并固定连接在隔磁块的外表面；定子包括定子铁心、永磁体、三相电枢绕组和脉冲绕组；定子铁心包括定子轭和定子齿；定子齿由永磁齿和电枢齿组成；永磁体呈瓦片状；永磁体径向充磁，漏磁系数较小，且相邻的两个永磁体的充磁方向相反；三相电枢绕组匝绕在电枢齿上，脉冲绕组匝绕在永磁体上。该永磁记忆电机可以提高电机弱磁能力和转速运行范围，且空载气隙磁场可调，并具有较强机械可靠性，适于高速运转。

Description

一种磁通切换型内置式永磁记忆电机

技术领域

本发明涉及一种可调磁通永磁电机，具体来说，涉及一种磁通切换型内置式永磁记忆电机。

背景技术

在电机领域中，普通永磁同步电机（PMSM）由于普通永磁材料（如钕铁硼）的固有特性，电机内的气隙磁场基本保持恒定，作为电动运行时调速范围十分有限，在诸如电动汽车，航空航天等宽调速直驱场合的应用受到一定限制，故以实现永磁电机的气隙磁场的有效调节为目标的可调磁通永磁电机一直是电机研究领域的热点和难点。永磁记忆电机（以下简称“记忆电机”）是一种新型的磁通可控型永磁电机，它采用低矫顽力铝镍钴永磁体，通过定子绕组或者直流脉冲绕组产生周向磁场，从而改变永磁体磁化强度对气隙磁场进行调节，同时永磁体的磁密水平具有被永磁体记忆的特点。

VFMM的概念最早由德国学者V.Ostovic于2001年的第三十六届IEEE工业应用会议上提出。电机的转子由铝镍钴（AlNiCo）永磁体、非磁性夹层和转子铁心组成“三明治”结构。这种特殊结构既可做成变磁通形式又能做成变极数形式，并能够对转子上的永磁体进行反复可逆充去磁，几乎无附加励磁损耗。

然而，这种基本结构的记忆电机的转子结构存在着不足。由于采用了AlNiCo永磁体，为了获足够的磁通，就必须采用足够厚度的材料。而在上述的切向式结构下，不易实现；同时，转子必须做隔磁处理，而且整个转子由多个部分紧固在轴上，降低了机械可靠性；最后，在需要宽调速的场合，如机床和电动汽车中，采用上述结构的永磁气隙主磁通不高，电机力能指标也不能让人满意。

近些年来，一种新型的定子永磁型电机—磁通切换永磁（Switched FluxPermanent Magnet，以下简称SFPM）电机由于其卓越的性能受到国内外学者广泛关注。SFPM电机具有高功率密度、效率高、空载磁链双极性、空载感应电动势的正弦度极高等优点，与转子永磁型电机相比，SFPM电机还具有安装简单、散热性良好、转动惯量小、适于高速运行等优点。在永磁同步电机领域，SFPM电机已经逐渐取代传统的表贴式和内置式永磁电机，在航空等领域具有更大的工业价值。

然而，传统SFPM电机转子铁心存在着磁滞损耗和涡流损耗，而且气隙磁场由永磁体励磁产生，难以调节，限制了其在电动汽车宽调速驱动场合的应用；其次还存在漏磁问题，永磁体利用率不高，导致电磁兼容问题。

法国学者伊曼纽尔.黄（E.Hoang）提出了混合励磁磁通切换永磁（HybridExcitation Switched Flux Permanent Magnet，以下简称HESFPM）电机。其特征为：实现了气隙磁场的可调节性，提高了永磁体利用率和功率密度，齿槽转矩小等优点；该电机励磁磁势和永磁磁势并联，使得其弱磁能力十分突出。但是，这种电机同时存在两个磁势源，两者磁通容易相互耦合、相互影响，增大了电磁特性的复杂性，且存在增大励磁损耗、励磁电流控制系统实现难度大等弱点。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种磁通切换型内置式永磁记忆电机，该永磁记忆电机可以提高电机弱磁能力和转速运行范围，且机械强度高，空载气隙磁场可调。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种磁通切换型内置式永磁记忆电机，该永磁记忆电机包括机壳，以及收容在机壳内的定子、转子和转轴，定子固定连接在机壳的壁面上，定子位于转子的外侧，转子为带有通孔的圆柱体，转子包括分块转子铁心和设有中心通孔的星形隔磁块，分块转子铁心呈扇形状，且沿转子周向均匀分布并固定连接在隔磁块的外表面；转轴固定连接在隔磁块的中心通孔中；

定子包括定子铁心、永磁体、三相电枢绕组和脉冲绕组；定子铁心包括定子轭和自定子轭向定子铁心中心方向凸出的定子齿；定子齿由数量相同的永磁齿和电枢齿组成，且永磁齿和电枢齿沿定子铁心周向交替布置，相邻的永磁齿和电枢齿之间开有定子槽；永磁齿和定子轭的连接处开有脉冲绕组槽，永磁齿与电枢齿之间连接有导磁桥，导磁桥上开槽，形成附加空气桥；

永磁体呈瓦片状，永磁体固定在永磁齿和定子轭之间，且永磁体与转子相对；永磁体径向充磁，且相邻的两个永磁体的充磁方向相反；

三相电枢绕组位于定子槽中，且三相电枢绕组匝绕在电枢齿上；脉冲绕组位于脉冲绕组槽中，且脉冲绕组匝绕在永磁体上；

分块转子铁心的数量N_r和定子齿的数量N_s满足：

$N_r/N_s=1\±\frac{n}{2m}$

其中，m是电机的相数，n为整数，N_s=2mk，k为正整数。

进一步，所述的定子铁心呈U型，且定子铁心由硅钢片制成。

进一步，所述的永磁体为内置式安装，且永磁体由铝镍钴永磁材料制成。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1．整个电机整体结构简单。由于电机采用了定子永磁型结构，永磁体、脉冲绕组、电枢绕组均置于定子中，易于散热、冷却。而转子仅充当导磁铁心的作用，相对于传统的永磁同步电机，本发明采用转子的圆柱体结构非常稳固，明显减小了电机的风阻、油阻，特别适用于高速运行。

2．本发明的电机采用的电枢绕组和脉冲绕组都采用集中式绕组，且电枢绕组隔齿缠绕，保证了绕组匝链的磁链呈双极性变化，并降低了绕组之间的相互影响，有效地降低了端部长度，削减电机端部效应。电机铜耗非常小，提高电机运行效率。

3．提高了永磁体的利用率和气隙磁密。与传统的磁通切换永磁电机不同，本发明采用内置式永磁结构，将永磁体安装在永磁齿的内部，径向充磁的永磁体设置以及附加空气桥的引入，将显著地提高脉冲电流充、去磁的效率，并提高了永磁体的利用率，并相对减少了永磁体材料的用量。

4、励磁损耗小。本发明的电机能够随时对永磁体进行在线反复不可逆充去磁，并根据记录的充去磁参数随时调用以满足运行目标，实现气隙磁场的在线调磁，同时脉冲绕组只在非常短的时间内施加充、去磁电流。因此，相对于混合励磁磁通切换电机，磁通切换永磁记忆电机具有很小的励磁损耗，并且调速控制系统的复杂性相对要小，不存在电励磁磁动势和永磁磁势相互影响、电机电磁特性较为复杂的情况。

5．本发明的电机既具备SFPM电机永磁磁链和反电动势正弦度高、谐波含量低以及转矩和功率密度相对于其他定子永磁型电机要大的特点，也继承了记忆电机突出的弱磁扩速能力。

6．本发明的电机采用了电励磁磁通和永磁磁通串联式磁路结构，极大地提高了脉冲电流对永磁体的瞬时充、去磁效率，保证采用较少的脉冲绕组匝数就能使脉冲电流较大范围地改变铝镍钴永磁体的磁化强度，因此非常适合航空航天、电动汽车等领域。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，其中箭头方向表示永磁体的充磁方向。

图2为当脉冲磁动势对永磁体进行充磁，且转子运行到位置A时，本发明的电机磁通路径图，其中，虚线矩形框表示永磁磁通磁力线，实线矩形框表示脉冲电流磁通磁力线。

图3为当脉冲磁动势对永磁体进行充磁，且转子运行到位置B时，本发明的电机磁通路径图，其中，虚线矩形框表示永磁磁通磁力线，实线矩形框表示脉冲电流磁通磁力线。

图4为当脉冲磁动势对永磁体进行去磁，且转子运行到位置A时，本发明的电机磁通路径图，其中，虚线矩形框表示永磁磁通磁力线，实线矩形框表示脉冲电流磁通磁力线。

图5为当脉冲磁动势对永磁体进行去磁，且转子运行到位置B时，本发明的电机磁通路径图，其中，虚线矩形框表示永磁磁通磁力线，实线矩形框表示脉冲电流磁通磁力线。

图中有：定子1、转子2、转轴3、隔磁块201、分块转子铁心202、定子铁心101、永磁体102、三相电枢绕组103、脉冲绕组104、附加空气桥105、定子轭1011、定子齿1012、永磁齿1013、电枢齿1014、定子槽1015、脉冲绕组槽1016、导磁桥1017。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的一种磁通切换型内置式永磁记忆电机，包括机壳，以及收容在机壳内的定子1、转子2和转轴3。定子1固定连接在机壳的壁面上。定子1位于转子2的外侧。转子2为带有通孔的圆柱体。转子2包括分块转子铁心202和设有中心通孔的星形隔磁块201。转轴3和隔磁块201均由非导磁材料制成。例如，转轴3和隔磁块201均由铝、铜，或者钢制成。分块转子铁心202呈扇形状，且沿转子2周向均匀分布并固定连接在隔磁块201的外表面。转轴3固定连接在隔磁块201的中心通孔中。定子1包括定子铁心101、永磁体102、三相电枢绕组103和脉冲绕组104。定子铁心101包括定子轭1011和自定子轭1011向定子铁心101中心方向凸出的定子齿1012。定子齿1012由数量相同的永磁齿1013和电枢齿1014组成。也就是说，永磁齿1013的数量和电枢齿1014的数量相等。永磁齿1013和电枢齿1014沿定子铁心101周向交替布置。相邻的永磁齿1013和电枢齿1014之间开有定子槽1015。永磁齿1013和定子轭1011的连接处开有脉冲绕组槽1016。永磁齿1013与电枢齿1014之间连接有导磁桥1017，导磁桥1017上开槽，形成附加空气桥1017。

永磁体102呈瓦片状，永磁体102固定在永磁齿1013和定子轭1011之间，且永磁体102与转子2相对。永磁体102径向充磁，且相邻的两个永磁体102的充磁方向相反。三相电枢绕组103位于定子槽1015中，且三相电枢绕组103匝绕在电枢齿1014上。脉冲绕组104位于脉冲绕组槽1016中，且脉冲绕组104匝绕在永磁体102上。分块转子铁心202的数量N_r和定子齿1012的数量N_s满足：

$N_r/N_s=1\±\frac{n}{2m}$

其中，m是电机的相数，n为整数，N_s=2mk，k为正整数。

进一步，所述的定子铁心101呈U型，且定子铁心101由硅钢片制成。定子铁心101呈U型，结构简单可靠，易于加工冷却。

进一步，所述的永磁体102为内置式安装，且永磁体102由铝镍钴永磁材料制成。

进一步，所述的磁通切换型内置式永磁记忆电机，还包括隔磁套，该隔磁套套装在转子的外侧。隔磁套由铝、铜，或者钢制成。设置隔磁套可以提高转子整体的机械强度。

上述结构的永磁记忆电机，脉冲绕组104的脉冲电流方向根据脉冲电流磁动势对该脉冲绕组104匝绕的永磁体102产生充磁作用或者去磁作用来决定。当脉冲电流磁动势对该脉冲绕组104匝绕的永磁体102产生充磁作用时，脉冲绕组104的脉冲电流方向与永磁体102充磁方向相同，当脉冲电流磁动势对该脉冲绕组104匝绕的永磁体102产生去磁作用时，脉冲绕组104的脉冲电流方向为与永磁体102充磁方向相反。

上述结构的永磁记忆电机中，脉冲绕组104为集中绕组，缠绕在定子铁心101的永磁齿1013上。脉冲绕组104隔齿首尾串联形成两组单相脉冲绕组，相邻脉冲绕组104的脉冲电流方向相同，整体上形成两两交替分布。按照右手定则，每个脉冲绕组104中的电流方向与永磁齿1013上的充磁方向相同或相反。本电机通过施加瞬时充磁、去磁脉冲电流调节永磁体102剩余磁化强度，实现真正意义上的电机空载气隙磁场可调，提高电机的弱磁能力和转速运行范围。

制成永磁体102的铝镍钴永磁材料具有矫顽力、剩磁高的特点，采用铸造型制造工艺，温度稳定性高。永磁磁势与脉冲绕组104磁势构成串联式磁路。这种串联式磁路能保证施加脉冲电流的磁场较大程度地对其进行充、去磁，从而极大地提高电励磁效率，提高电机转速运行范围和弱磁能力。

由于脉冲绕组104施加的是瞬时电流脉冲，产生一个瞬时磁场，故脉冲磁势不会明显影响气隙磁场，气隙磁场主要由永磁体102提供。实际应用中可根据所需的调磁系数，适当选取充、去磁脉冲电流磁动势的大小，以达到气隙磁场的最优化在线调节。

本发明采用圆柱体的转子2，其结构非常稳固，明显减小了电机的风阻和油阻。分块转子铁心202的扇形结构可以有效地缩短磁通路径，减小不同相电枢绕组间的互感，增强了电机的容错运行能力，特别适用于高速运行。

上述结构的永磁记忆电机的工作原理如下：

在电机运行过程中，电机的电枢齿1014里流过的磁通（磁链）会根据转子2的不同位置切换方向，如图2所示，由于电机转子2运行到位置A（处于位置A时：转子2上的每个分块转子铁心202分别与一个永磁齿1013、一个电枢齿1014和一个定子槽1015相对，且从左侧至右侧，永磁齿1013、定子槽1015和电枢齿1014顺序排布）时和转子2运行到图3所示的位置B（处于位置B时：转子2上的每个分块转子铁心202分别与一个永磁齿1013、一个电枢齿1014和一个定子槽1015相对，且从左侧至右侧，电枢齿1014、定子槽1015和永磁齿1013顺序排布）时，三相电枢绕组103匝链的永磁磁通方向相反，因此三相电枢绕组103匝链永磁磁通后会感应出正弦波形、双极性的反电动势，转子2连续旋转时，三相电枢绕组103中匝链的磁通方向呈周期性改变，实现机电能量转换。基于定子齿1012和分块转子铁心202形成的凸极效应，以及定子齿1012和分块转子铁心202的不对等交错特性，本发明的永磁记忆电机实质上是一种新型磁阻感应式永磁电机。

最关键的是，本发明的永磁记忆电机的脉冲绕组104在平时正常运行处于开路状态，由铝镍钴永磁体102单独提供气隙磁场，避免了励磁损耗，通过施加脉冲电流产生磁场对铝镍钴永磁体102增磁和去磁，从而由具备新的磁密水平的永磁体102提供气隙磁场。由于永磁体的“记忆”功能，可以通过调节脉冲电流的方向和大小，来实现电机气隙磁场的灵活可控性，并且拓宽电机作为电动机运行时的恒功率运行范围。

具体来说，如图2所示，当转子2运行到位置A时，脉冲绕组104产生的脉冲磁动势通过空气桥和导磁桥经过永磁体102，并与永磁体102充磁方向相同，表示脉冲绕组104正在对永磁体102进行充磁，且当转子2转动到位置B时，如图3所示，电枢齿1014流经的永磁磁通会发生交变，从而三相电枢绕组103感应出正弦交变的反电动势。同理，电机运行在永磁体102去磁状态时，当转子2转动到位置A时，电机磁通路径如图4所示；当转子2转动到位置B时，电机磁通路径如图5所示。图4相对于图2，图5相对于图3，仅仅是脉冲绕组104的电流方向发生了反转。也就是说，图4和图5中，永磁体102工作在去磁状态，而图2和图3中，永磁体102工作在充磁状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：本电机的转子可以采用斜槽方式，有利于提高反电动势的正弦性，实现电机的无位置传感器运行。本发明同样适用于外转子磁通切换型内置式永磁记忆电机。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (7)

1.一种磁通切换型内置式永磁记忆电机，其特征在于：该永磁记忆电机包括机壳，以及收容在机壳内的定子（1）、转子（2）和转轴（3），定子（1）固定连接在机壳的壁面上，定子（1）位于转子（2）的外侧，转子（2）为带有通孔的圆柱体，转子（2）包括分块转子铁心（202）和设有中心通孔的星形隔磁块（201），分块转子铁心（202）呈扇形状，且沿转子（2）周向均匀分布并固定连接在隔磁块（201）的外表面；转轴（3）固定连接在隔磁块（201）的中心通孔中；

定子（1）包括定子铁心（101）、永磁体（102）、三相电枢绕组（103）和脉冲绕组（104）；定子铁心（101）包括定子轭（1011）和自定子轭（1011）向定子铁心（101）中心方向凸出的定子齿（1012）；定子齿（1012）由数量相同的永磁齿（1013）和电枢齿（1014）组成，且永磁齿（1013）和电枢齿（1014）沿定子铁心（101）周向交替布置，相邻的永磁齿（1013）和电枢齿（1014）之间开有定子槽（1015）；永磁齿（1013）和定子轭（1011）的连接处开有脉冲绕组槽（1016），永磁齿（1013）与电枢齿（1014）之间连接有导磁桥（1017），导磁桥（1017）上开槽，形成附加空气桥（1017）；

永磁体（102）呈瓦片状，永磁体（102）固定在永磁齿（1013）和定子轭（1011）之间，且永磁体（102）与转子（2）相对；永磁体（102）径向充磁，且相邻的两个永磁体（102）的充磁方向相反；

三相电枢绕组（103）位于定子槽（1015）中，且三相电枢绕组（103）匝绕在电枢齿（1014）上；脉冲绕组（104）位于脉冲绕组槽（1016）中，且脉冲绕组（104）匝绕在永磁体（102）上；

分块转子铁心（202）的数量N_r和定子齿（1012）的数量N_s满足：

$N_r/N_s=1\±\frac{n}{2m}$

其中，m是电机的相数，n为整数，N_s=2mk，k为正整数。

2.根据权利要求1所述的磁通切换型内置式永磁记忆电机，其特征在于：所述的定子铁心（101）呈U型，且定子铁心（101）由硅钢片制成。

3.根据权利要求1所述的磁通切换型内置式永磁记忆电机，其特征在于：所述的永磁体（102）为内置式安装，且永磁体（102）由铝镍钴永磁材料制成。

4.根据权利要求1所述的磁通切换型内置式永磁记忆电机，其特征在于：所述的转轴（3）和隔磁块（201）均由非导磁材料制成。

5.根据权利要求4所述的磁通切换型内置式永磁记忆电机，其特征在于：所述的转轴（3）和隔磁块（201）均由铝、铜，或者钢制成。

6.根据权利要求1所述的磁通切换型内置式永磁记忆电机，其特征在于：还包括隔磁套，该隔磁套套装在转子的外侧。

7.根据权利要求1所述的磁通切换型内置式永磁记忆电机，其特征在于：所述的隔磁套由铝、铜，或者钢制成。

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