CN103490533A - 一种定子分割式磁通切换型永磁记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子分割式磁通切换型永磁记忆电机，该电机包括定子（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导磁铁心边上，导磁铁心包括第一导磁铁心边（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。本发明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。

Description

一种定子分割式磁通切换型永磁记忆电机

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。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。

传统的记忆电机由克罗地亚裔德国电机学者奥斯托维奇（Ostovic）教授在2001年提出。这种拓扑结构的记忆电机由写极式电机发展而来，转子由铝镍钴永磁体、非磁性夹层和转子铁心组成三明治结构。这种特殊结构能够随时对永磁体进行在线反复不可逆充去磁，同时减小交轴电枢反应对气隙磁场的影响。

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 Flux Permanent 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（Hybrid ExcitationSwitched 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

发明目的：本发明所要解决的技术问题是：提出一种高功率密度和磁通调节能力突出的定子分割式磁通切换型永磁记忆电机。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明公开了一种定子分割式磁通切换型永磁记忆电机，该电机包括定子、转子和不导磁转轴，定子设在转子外部；转子固定于不导磁转轴上，为凸极式；

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导磁铁心边上，导磁铁心包括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；

三相电枢集中绕组缠绕在相邻的两个定子铁心的导磁铁心边上，且三相电枢集中绕组的两端分别放置在定子铁心内；

永磁体嵌在定子轭与定子铁心之间，相邻的定子铁心和定子轭之间形成一空腔，脉冲绕组设置在该空腔内并绕在永磁体上；永磁体两侧设有导磁桥，用于连接定子轭和定子铁心。

优选的，定子铁心为分割式结构，材料为导磁硅钢片。

优选的，定子铁心为“U”形结构，第一导磁铁心边和第二导磁铁心边构成电枢齿以缠绕三相电枢绕组。

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，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，定子极数N_s和转子极数N_r满足：

N_s=2mk

N_r＝N_s±n

在本式中，m是电机相数，n是非负整数，k为正整数。

优选的，定子设在转子外部或定子设在转子内部。

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“U”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、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。

5、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。

6、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，且径向充磁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2a为当脉冲磁动势对铝镍钴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；

图2b为当脉冲磁动势对铝镍钴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；

图3a为当脉冲磁动势对铝镍钴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；

图3b为当脉冲磁动势对铝镍钴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；

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“U”形定子铁心、1.21第一导磁铁心边、1.22第二导磁铁心。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

本发明公开的磁通切换型永磁记忆电机，包括定子、转子和不导磁转轴。这种电机的特征在于：定子设在转子外部，且永磁体内嵌安装在定子中；转子固定于不导磁转轴上，为凸极式；定子包括定子铁心、永磁体、三相电枢绕组和脉冲绕组；定子铁心被永磁体分割为12个形状相同的“U”形定子铁心单元和圈状定子轭；三相电枢集中绕组跨绕在相邻“U”形定子铁心单元的铁心边上；永磁体嵌入在定子极内，在相邻永磁体、定子轭以及“U”形定子铁心两铁心边肩角之间设有空腔，脉冲绕组设置在该空腔内；永磁体两侧设有导磁桥以连接两层定子以加强定子整体机械稳定性。

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。“U”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，缠绕在永磁体之上，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串联磁路。径向充磁的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。

所述的脉冲绕组空腔采用“倒梯形”的外形；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。

所述的导磁桥能连接分割的“U”形定子铁心和定子轭，加强结构牢固可靠性，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“U”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，本发明提供的定子分割式磁通切换型永磁记忆电机，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导磁铁心边上，导磁铁心包括第一导磁铁心边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；三相电枢集中绕组4缠绕在相邻的两个定子铁心1.2的导磁铁心边上，且三相电枢集中绕组4的两端分别放置在定子铁心1内；永磁体嵌在定子轭1.1与定子铁心1.2之间，相邻的定子铁心1.2和定子轭1.1之间形成一空腔6，脉冲绕组5设置在该空腔6内并绕在永磁体3上；永磁体3两侧设有导磁桥7，用于连接定子轭1.1和定子铁心1.2。

定子铁心1为分割式结构，材料为导磁硅钢片。

定子铁心1为“U”形结构，第一导磁铁心边1.21和第二导磁铁心边1.22构成电枢齿以缠绕三相电枢绕组。

脉冲绕组5均为集中绕组，脉冲绕组5缠绕在永磁体3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。

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。

定子极数N_s和转子极数N_r满足：

N_s=2mk

N_r＝N_s±n

在本式中，m是电机相数，n是非负整数，k为正整数。

附图1具体所示，定子具有12个“U”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。

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“U”型定子硅钢片单元1的导磁铁心边1.21和1.22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。如附图1具体所示，定子具有6个绕有电枢绕组的电枢齿，6个脉冲绕组腔7。

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定子分割式磁通切换型永磁记忆电机，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。

本电机的永磁体径向充磁设置可有效提高电机调磁效率，并有效避免电机的端部漏磁，提升永磁利用率。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 (7)

1.一种定子分割式磁通切换型永磁记忆电机，其特征在于，该电机包括定子（1）、转子（2）和不导磁转轴（8），转子（2）固定于不导磁转轴（8）上，为凸极式；

定子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导磁铁心边上，导磁铁心包括第一导磁铁心边（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；

三相电枢集中绕组（4）缠绕在相邻的两个定子铁心（1.2）的导磁铁心边上，且三相电枢集中绕组（4）的两端分别放置在定子铁心（1）内；

永磁体嵌在定子轭（1.1）与定子铁心（1.2）之间，相邻的定子铁心（1.2）和定子轭（1.1）之间形成一空腔（6），脉冲绕组（5）设置在该空腔（6）内并绕在永磁体（3）上；永磁体（3）两侧设有导磁桥（7），用于连接定子轭（1.1）和定子铁心（1.2）。

2.根据权利要求1所述的定子分割式磁通切换型永磁记忆电机，其特征在于：定子铁心（1）为分割式结构，材料为导磁硅钢片。

3.根据权利要求2所述的定子分割式磁通切换型永磁记忆电机，其特征在于：定子铁心（1）为“U”形结构，第一导磁铁心边（1.21）和第二导磁铁心边（1.22）构成电枢齿以缠绕三相电枢绕组。

4.根据权利要求1所述的定子分割式磁通切换型永磁记忆电机，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（3）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。

5.根据权利要求4所述的定子分割式磁通切换型永磁记忆电机，其特征在于：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。

6.根据权利要求1所述的定子分割式磁通切换型永磁记忆电机，其特征在于：定子极数N_s和转子极数N_r满足：

N_s=2mk

N_r＝N_s±n

在本式中，m是电机相数，n是非负整数，k为正整数。

7.根据权利要求1所述的定子分割式磁通切换型永磁记忆电机，其特征在于：定子（1）设在转子（2）外部或定子（1）设在转子（2）内部。

Images