CN103490532B - 一种容错型定子分割式磁通切换型记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种容错型定子分割式磁通切换型记忆电机，包括定子（1）、转子（2）和不导磁转轴（8），定子（1）设在转子（2）外部，转子（2）固定于不导磁转轴（8）上，为凸极式；定子（1）包括一端开口的定子铁心（1.2）、永磁体（3）、三相电枢绕组（4）、脉冲绕组（5）和定子轭（1.1）；定子铁心（1.2）包括一底边和自底边竖直延伸的第一导磁铁心边（1.21）和第二导磁铁心边（1.22），永磁体（3）设置在定子轭（1.1）和定子铁心（1.2）的底边之间；定子铁心（1.2）还包括自底边竖直延伸的且设置在两个导磁铁心边之间的容错齿（1.2.3）。本发明使得电机具有较强的带故障运行能力和弱磁扩速能力。

Description

一种容错型定子分割式磁通切换型记忆电机

技术领域

本发明涉及一种可调磁通永磁容错电机，具体涉及一种新型的三相磁通切换型永磁记忆电机，其可以提高电机带故障运行能力和弱磁能力，适用于宽调速运行场合，属于电机制造技术领域。

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。

近几年来一种可以通过改变永磁磁化水平的可变磁通记忆电机（VariableFluxMemoryMotor,VFMM）正在得到重视并取得了突破性进展，记忆电机“记忆”的概念源自电机中采用的特殊永磁体材料—铝镍钴，该材料具有剩磁密度高但矫顽力低的特点，其磁化程度能通过施加短时充磁或去磁脉冲电流而得到改变，并且新的磁密水平能被永磁材料所记忆，从而达到了有效调节气隙磁场，拓宽电机调速范围的目的。记忆电机是一种新概念电机，被认为是一种真正意义上的宽调速永磁电机，也已成为电动汽车用驱动电机领域的一个研究热点。

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。基本结构记忆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。

英国纽卡斯尔大学的B.C.Mecrow课题组率先提出了容错电机的概念，即将开关磁阻电机将PMSM结合，将PMSM原来的分布绕组改为了集中绕组，并使得每一个定子槽均只含有一套绕组，使得该电机在相与相之间实现了电、磁、热方面的隔离，增强了电机系统的可靠性和容错能力，但是该电机整个永磁体安装在转子上，整机难以冷却，不适合对高速、高温的航空运行领域。

而近些年来，一种新型的定子永磁型电机—磁通切换永磁（SwitchedFluxPermanentMagnet，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和结构简单可靠性高等优点。在永磁同步电机领域，SFPM电机已经逐渐取代传统的内置式和表贴式永磁电机，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（HybridExcitationSwitchedFluxPermanentMagnet，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

发明目的：本发明所要解决的技术问题是：提出一种具备高功率密度、强容错运行能力和磁通调节能力突出的容错型定子分割式磁通切换型记忆电机。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明所提出的一种容错型定子分割式磁通切换型记忆电机，包括定子、转子和不导磁转轴；

定子包括一端开口的定子铁心、永磁体、三相电枢绕组、脉冲绕组和定子轭；

定子铁心包括一底边和自底边竖直延伸的第一导磁铁心边和第二导磁铁心边，永磁体设置在定子轭和定子铁心的底边之间；定子铁心还包括自底边竖直延伸的且设置在两个导磁铁心边之间的容错齿，该容错齿将定子铁心内部分成两个空腔；

三相电枢集中绕组缠绕在相邻的定子铁心靠近的两条导磁铁心边上，构成电枢齿，且三相电枢集中绕组的两端分别放置在相邻定子铁心的空腔中；

定子轭、相邻永磁体、以及定子铁心构成空腔，脉冲绕组设置在该空腔内并绕在永磁体之上；

永磁体两侧设有导磁桥，该导磁桥将定子轭和定子铁心连接。

优选的，定子铁心为分割式结构，材料为导磁硅钢片。

优选的，相邻定子的第一导磁铁心边和第一导磁铁心边构成电枢齿以缠绕三相电枢绕组，且每槽内只有一相绕组。

优选的，定子铁心均设有独立的容错齿，容错齿为永磁和电枢绕组提供磁回路。

优选的，所述永磁体为瓦片形的铝镍钴永磁材料，永磁体沿圆周半径方向充磁，北极、南极交替排列。

优选的，脉冲绕组均为集中绕组，脉冲绕组缠绕在永磁体上，脉冲绕组依次首尾串联形成单相脉冲绕组，脉冲电流方向形成交替分布。

优选的，定子设在转子外部或内部。

优选的，定子设在转子外部时，转子固定于不导磁转轴上，为凸极式。

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，铝镍钴永磁体、脉冲绕组、电枢绕组均置于定子，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，本发明采用的转子结构非常稳固，特别适用于高速运行。

2、本电机采用的电枢绕组脉冲绕组都采用集中式绕组，有效地降低了端部长度，削减电机端部效应。且电机铜耗非常小，提高电机运行效率。

3、本电机加载运行时，电枢反应的磁路较通过“E”型定子铁心和转子铁心闭合，以避免电枢反应磁动势对矫顽力较低的铝镍钴永磁体产生不可逆退磁等影响，这对记忆电机实现高效在线调磁运行十分关键。

4、“E”型定子铁心中间设置的容错齿使得相邻相的绕组实现了电磁隔离，且互感较小，从而电机的磁隔离能力和带故障运行能力得到了增强。另外，容错齿为永磁提供了额外回路，进一步减轻传统永磁磁通切换电机出现的磁场过饱和情况，降低了电机的涡流损耗。

5、本电机能够随时对铝镍钴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。

6、本电机径向充磁的永磁体设置将使得脉冲磁动势较大程度地通过永磁体以改变其本身的磁化水平，并减少电机端部外沿漏磁，以提高永磁体的利用率。

7、本电机既具备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，更为重要的是，电机的每个定子槽只有一套绕组，使得相与相之间实现了电、磁热各方面的隔离，因此非常适合航空航天、电动汽车等领域。

附图说明

图1为本发明的电机结构示意图，其中箭头方向表示永磁体充磁方向；

图中：1定子铁心、2转子、3（铝镍钴）永磁体、4三相电枢绕组、5单相脉冲绕组、6脉冲绕组空腔、7导磁桥、8非导磁转轴、1.1定子轭、1.2“E”形定子铁心、1.2.1第一导磁铁心边、1.2.2第一导磁铁心边、1.2.3容错齿。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

电机包括定子、转子和不导磁转轴，其特征在于：定子设在转子外部，永磁体内嵌在定子铁心里，并将其分割为一整层定子轭和“E”形定子铁心两部分，两部分由永磁体两侧的导磁桥连接，以加强电机的整体机械强度。转子固定于不导磁转轴上，为凸极式；

定子包括“E”形定子铁心、永磁体、三相电枢绕组、脉冲绕组和定子轭组成；

所述的电机每个定子铁心均为“E”形，且内部形成的两个空腔包括用以放置三相电枢集中绕组，而中间的容错齿将不缠绕绕组。相邻两个“E”形定子铁心单元靠近的两条铁心边用于缠绕三相电枢集中绕组，构成电枢齿；

永磁体内嵌在定子铁心内，相邻永磁体、定子轭以及“E”形定子铁心单元的边肩角之间设有空腔，脉冲绕组设置在该空腔内并绕在永磁体之上；永磁体两侧设有导磁桥。

所述的永磁体和电枢绕组都安装在定子，冷却容易；且转子上既无永磁体又无电枢绕组，结构工艺简单，符合车用电机高速运行的要求。“E”形定子铁心单元由硅钢片叠制而成，且各定子铁心尺寸相同，冲片制造工艺相对简单。

所述的脉冲绕组为集中绕组，缠绕在永磁体上，脉冲绕组依次首尾串联形成单相脉冲绕组，脉冲电流方向形成交替分布。本电机通过施加脉冲电流调节径向充磁的铝镍钴永磁体剩余磁化强度，实现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。

所述的永磁体采取特殊的铝镍钴永磁体，该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磁势构成并联式磁路。径向充磁的永磁体设置设计能保证施加脉冲电流的磁场能较大程度地对其进行充、去磁，从而实现电机气隙磁场可调，提高电机转速运行范围和弱磁能力。

脉冲励磁磁力线经定子铁心、永磁体和转子铁心闭合，较多的转子极数将尽量减少转子位置对脉冲绕组充去磁效率的影响，并保证脉冲电流对铝镍钴永磁体具有较好的调磁效果。容错齿的存在使得当电机某一相发生短路或断路情况时，不会引起其他相的电磁性能发生剧烈的变化。

所述的导磁桥能连接分割的“E”形定子铁心和定子轭，加强结构牢固性，同时为永磁体提供部分漏磁路径，避免定子轭的磁路过于饱和，实现了永磁体的磁场强度的高效的灵活可调。而且，导磁桥和“E”型定子铁心以及定子轭为一整体。

本发明公开的一种磁通切换型永磁记忆电机的运行原理如下：

电机定子绕组里匝链的磁通（磁链）会根据转子的不同位置切换方向，因此会感应出正弦波形、双极性的反电动势，转子连续旋转时，定子绕组中匝链的磁通方向呈周期性改变，实现机电能量转换。由于定、转子齿形成的凸极效应以及定、转子齿数的不对等交错特性，磁通切换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，磁通切换型永磁记忆电机的脉冲绕组在平时正常运行处于开路状态，由铝镍钴永磁体单独提供气隙磁场，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增、去磁，从而由具备新的磁密水平的永磁体提供气隙磁场。由于永磁体的磁通“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。

如附图1所示，本发明提供的一种容错型定子分割式磁通切换型记忆电机，包括定子1、转子2和不导磁转轴8，定子1设在转子2外部，转子2固定于不导磁转轴8上，为凸极式。

定子1包括一端开口的定子铁心1.2、永磁体3、三相电枢绕组4、脉冲绕组5和定子轭1.1。

定子铁心1.2包括一底边和自底边竖直延伸的第一导磁铁心边1.21和第二导磁铁心边1.22，永磁体3设置在定子轭1.1和定子铁心1.2的底边之间；定子铁心1.2还包括自底边竖直延伸的且设置在两个导磁铁心边之间的容错齿1.2.3，该容错齿将定子铁心1.2内部分成两个空腔。

三相电枢集中绕组4缠绕在相邻的定子铁心1.2靠近的两条导磁铁心边上，构成电枢齿，且三相电枢集中绕组4的两端分别放置在相邻定子铁心的空腔中。

定子轭1.1、相邻永磁体3、以及定子铁心1构成空腔6，脉冲绕组5设置在该空腔6内并绕在永磁体3之上。；

永磁体5两侧设有导磁桥7，该导磁桥7将定子轭1.1和定子铁心1.2连接。

定子铁心1为分割式结构，材料为导磁硅钢片。

相邻定子的第一导磁铁心边1.2.1和第一导磁铁心边1.2.2构成电枢齿以缠绕三相电枢绕组，且每槽内只有一相绕组。

定子铁心1均设有独立的容错齿1.2.3，容错齿1.2.3为永磁和电枢绕组提供磁回路，并无绕组。

所述永磁体3为瓦片形的铝镍钴永磁材料，永磁体3沿圆周半径方向充磁，北极、南极交替排列。

脉冲绕组5均为集中绕组，脉冲绕组5缠绕在永磁体上，脉冲绕组5依次首尾串联形成单相脉冲绕组，脉冲电流方向形成交替分布。

如附图1具体所示，定子具有6个“E”形硅钢片导磁铁心1.2，6个脉冲绕组腔6。

上述的径向充磁的永磁体设置使得该发明采用较少的脉冲绕组匝数就能保证脉冲电流对铝镍钴永磁体3具有较好的在线调磁效果，而电机负载运行的时候电枢反应磁动势对铝镍钴永磁体3影响较小。

电机设有的隔磁容错齿1.2.3使得隔磁回路的磁导大大增加，从而使得电机定子绕组相邻相的互感大大减小，而相对于传统的全齿绕磁通切换电机，其置放铜导线的槽面积有一定增加，使得电机的功率密度、转矩密度得到了增加。

上述的所述的三相电枢绕组4和脉冲绕组5均为集中绕组，相邻的两个“E”型定子硅钢片单元1的导磁铁心边1.2.1和1.2.2用来缠绕这三相电枢绕组，而脉冲绕组5缠绕在永磁体上，并依次首尾串联形成单相脉冲绕组。

由于脉冲绕组5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，气隙磁场主要由铝镍钴永磁体3提供。实际应用中可根据所需的调磁系数，适当选取永磁体的径向厚度，以达到气隙磁场的最优化在线调节。

本发明的分析同样适用于外转子容错型定子分割式磁通切换型记忆电机，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。

本发明容错齿上无绕组，使得电机相与相之间实现了电、磁、热的隔离，具有较强的带故障运行能力，同时，本电机可以通过脉冲绕组施加脉冲电流调节永磁体剩余磁化强度，实现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；本电机可以依据具体运行需要设计为内转子和外转子两种结构。

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 (5)

1.一种容错型定子分割式磁通切换型记忆电机，包括定子(1)、转子(2)和不导磁转轴(8)，其特征在于：

定子(1)包括一端开口的定子铁心(1.2)、永磁体(3)、三相电枢集中绕组(4)、脉冲绕组(5)和定子轭(1.1)；

定子铁心(1.2)包括一底边和自底边竖直延伸的第一导磁铁心边(1.21)和第二导磁铁心边(1.22)，永磁体(3)设置在定子轭(1.1)和定子铁心(1.2)的底边之间；定子铁心(1.2)还包括自底边竖直延伸的且设置在两个导磁铁心边之间的容错齿(1.2.3)，该容错齿将定子铁心(1.2)内部分成两个空腔；

三相电枢集中绕组(4)缠绕在相邻的定子铁心(1.2)靠近的两条导磁铁心边上，构成电枢齿，且三相电枢集中绕组(4)的两端分别放置在相邻定子铁心的空腔中；

定子轭(1.1)、相邻永磁体(3)、以及定子铁心(1)构成脉冲绕组空腔(6)，脉冲绕组(5)设置在该脉冲绕组空腔(6)内并绕在永磁体(3)之上；

永磁体(3)两侧设有导磁桥(7)，该导磁桥(7)将定子轭(1.1)和定子铁心(1.2)连接；

定子铁心(1)为分割式结构，材料为导磁硅钢片；

相邻定子的第一导磁铁心边(1.2.1)和第二导磁铁心边(1.2.2)构成电枢齿以缠绕三相电枢绕组，且每槽内只有一相电枢绕组；

所述永磁体(3)为瓦片形的铝镍钴永磁材料，永磁体(3)沿其半径方向充磁，北极、南极交替排列。

2.根据权利要求1所述的容错型定子分割式磁通切换型记忆电机，其特征在于：定子铁心(1)均设有独立的容错齿(1.2.3)，容错齿(1.2.3)为永磁体和电枢绕组提供磁回路。

3.根据权利要求1所述的容错型定子分割式磁通切换型记忆电机，其特征在于：脉冲绕组(5)均为集中绕组，脉冲绕组(5)缠绕在永磁体上，脉冲绕组(5)依次首尾串联形成单相脉冲绕组，脉冲电流方向形成交替分布。

4.根据权利要求1所述的容错型定子分割式磁通切换型记忆电机，其特征在于：定子(1)设在转子(2)外部或内部。

5.根据权利要求4所述的容错型定子分割式磁通切换型记忆电机，其特征在于：定子(1)设在转子(2)外部时，转子(2)固定于不导磁转轴(8)上，为凸极式。