CN103490573B - 一种轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机，该永磁记忆电机包括第一转子（41）、第二转子（42）、设置在第一转子（41）和第二转子（42）之间且轴向双边对称结构的定子（1）、用于将定子（1）、第一转子（41）和第二转子（42）的同轴安装的安装轴，定子位于两转子之间构成轴向双气隙电机；定子（1）为双边对称凸极结构，包括定子铁心（2）、若干永磁体（3）、三相电枢绕组（5）和单相脉冲绕组（6）；定子铁心（2）包括定子轭（2.1）和自定子轭（2.1）分别向第一转子（41）和第二转子（42）中心方向凸出的定子齿（2.2）。本发明提高电机的功率密度，而同时具备较宽的转速运行范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种可调磁通永磁电机，具体来说，涉及一种轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机。
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。
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（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。
另一方面，轴向磁场电机由于其高转矩密度和高效率特别适合有大转矩需求的直驱场合的新能源领域，但是传统轴向电机无槽解雇其磁负荷小，且永磁体均安装在转子上，不易冷却，且容易产生较大的涡流损耗，制约了电机性能的进一步提高。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是：提供一种轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机，该永磁记忆电机可以提高电机的功率密度和转矩密度，并拓宽转速运行范围，实现空载气隙磁场可调。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明所提出的一种轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机，该永磁记忆电机包括第一转子、第二转子、设置在第一转子和第二转子之间轴向双边对称结构的定子、用于将定子、第一转子和第二转子的同轴安装的安装轴；
定子为双边对称凸极结构，包括定子铁心、若干永磁体、三相电枢绕组和单相脉冲绕组；
定子铁心包括定子轭和自定子轭分别向第一转子和第二转子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交替布置；相邻的永磁齿和电枢齿之间形成定子槽；
若干永磁体固定连接在永磁齿的外表面上，且永磁体分别与第一转子和第二转子相对设置；永磁体轴向充磁，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，脉冲绕组匝绕在定子轭上；
第一转子和第二转子采用结构相同的盘式结构，每个转子包括带有通孔的转子轭、设置在转子轭上且突出于转子轭内表面的非导磁隔磁块以及分块转子铁心，分块转子铁心且沿通孔周向均匀分布并固定嵌在转子轭的外表面；
分块转子铁心和非导磁隔磁块均匀分布在转子轭的圆盘表面，分块转子铁心的数量Nr和定子齿的数量Ns满足：其中，m是永磁记忆电机的相数，n为整数，Ns=2mk，k为正整数。
优选的，所述的定子铁心呈双边对称，由Ns个定子齿和定子轭一起拼装成圆柱状，且定子铁心由硅钢片制成。
优选的，所述脉冲绕组的脉冲电流方向根据周向脉冲电流磁动势对永磁体产生充磁作用或者去磁作用来决定。
优选的，所述的永磁体由铝镍钴永磁材料制成。
优选的，所述的转子轭和非导磁隔磁块均由非导磁材料铝、铜，或者钢制成。
优选的，所述的分块转子铁心呈扇形状，且由硅钢片构成。
有益效果：
1.整个电机整体结构简单。由于电机采用了轴向磁场定子永磁型结构，轴向尺寸较短，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盘式结构非常稳固，整体加工可以大大降低电机的风阻、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互感，有效地降低了端部长度，削减电机端部效应，并实现了电机相邻相的电磁热隔离，增强了电机带故障运行能力；脉冲绕组匝绕在定子轭，相对于定子齿绕方式，大大节省了铜导线材料，并可以同时对两侧的永磁体进行高效率在线调磁。
3.提高了永磁体的利用率和气隙磁密。与传统的轴向磁场磁通切换永磁电机不同，本发明采用表贴式永磁结构，将永磁体贴覆在永磁齿的外表面。这样极大地减少了电机的额外漏磁，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，周向磁场磁通切换永磁记忆电机在保证较强的转矩能力的同时，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，因此非常适合严格要求薄形安装的航空航天、电动汽车和风力发电等领域。
附图说明
图1为本发明的电机结构示意图，各部件按轴向依次组装。
图2a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2b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3a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3b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、定子铁心2、永磁体3、转子4、三相电枢绕组5、脉冲绕组6、分块转子铁心7、转子轭8、隔磁块9、定子轭2.1、定子齿2.2、定子槽2.3、永磁齿2.2.1、电枢齿2.2.2。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明。
本发明提供的轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机，该永磁记忆电机为双转子单定子结构的双气隙永磁电机，其中，定转子同轴安装，定子为双边对称凸极圆柱型结构，包括定子铁心、永磁体、三相电枢绕组和单相脉冲绕组；两个转子采用结构相同的盘式结构，包括为带有置放转轴的通孔的转子轭、非导磁隔磁块和分块转子铁心组成，定转子同轴安装；
分块转子铁心呈扇形状，且沿转子周向均匀分布并固定嵌在隔磁块和转子轭的外表面；定子铁心包括定子轭和自定子轭向转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形成定子槽；定子槽里面既置放三相电枢绕组，又置放脉冲绕组，其中，三相电枢集中绕组匝绕在电枢齿上，而脉冲绕组匝绕在定子轭上。
分块转子铁心和非导磁隔磁块均匀分布在转子轭的圆盘表面，其数量Nr和定子齿的数量Ns满足：其中，m是永磁记忆电机的相数，n为整数，Ns=2mk，k为正整数。
该轴向磁场永磁记忆电机所选的永磁体为铝镍钴材料，并沿轴向交替充磁，定子表贴式安装方式有利于电机的散热，降低热损，以进一步提供点击的运行效率。
所述的定子铁心呈双边凸极结构，且定子铁心由硅钢片制成。
所述的脉冲绕组的脉冲电流方向根据脉冲电流磁动势对永磁体产生充磁作用或者去磁作用来决定。
如图1所示，本发明所提出的轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机包括第一转子41、第二转子42、设置在第一转子41和第二转子42之间呈“背靠背”轴向双边对称结构的定子1、用于将定子1、第一转子41和第二转子42的同轴安装的安装轴。
定子1为双边对称凸极结构，包括定子铁心2、若干永磁体3、三相电枢绕组5和单相脉冲绕组6。
定子铁心2包括定子轭2.1和自定子轭2.1分别向第一转子41和第二转子42中心方向凸出的定子齿2.2；定子齿2.2由数量相同的永磁齿2.2.1和电枢齿2.2.2组成，且永磁齿2.2.1和电枢齿2.2.2沿定子铁心2交替布置；相邻的永磁齿2.2.1和电枢齿2.2.2之间形成定子槽2.3。
若干永磁体3固定连接在永磁齿2.2.1的外表面上，且永磁体3分别与第一转子41和第二转子42相对设置；永磁体3轴向充磁，且相邻的两个永磁体3的充磁方向相反。
三相电枢绕组5位于定子槽2.3中，且三相电枢绕组5匝绕在电枢齿2.2.2上，脉冲绕组6匝绕在定子轭2.1上；
第一转子41和第二转子42采用结构相同的盘式结构，每个转子包括带有通孔的转子轭8、设置在转子轭8上且突出于转子轭8内表面的非导磁隔磁块9以及分块转子铁心7，分块转子铁心7且沿通孔周向均匀分布并固定嵌在转子轭8的外表面。
分块转子铁心7和非导磁隔磁块9均匀分布在转子轭10的圆盘表面，分块转子铁心7的数量Nr和定子齿2.2的数量Ns满足：其中，m是永磁记忆电机的相数，n为整数，Ns=2mk，k为正整数。
本发明提供的轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机为双转子单定子结构的双气隙永磁电机；第一转子41和第二转子采用结构相同的盘式结构，包括为带有通孔的转子轭8、隔磁块9和分块转子铁心7，其中转子轭8和隔磁块9均为非导磁材料，分块转子铁心7呈扇形状，由硅钢片构成，且沿转子2周向均匀分布并固定嵌在隔磁块9和转子轭8的外表面。
定子铁心2包括定子轭2.1和自定子轭2.1向定子铁心中心方向凸出的定子齿2.2；定子齿2.2由数量相同的永磁齿2.2.1和电枢齿2.2.2组成，且永磁齿2.2.1和电枢齿2.2.2沿定子铁心2周向交替布置；相邻的永磁齿2.2.1和电枢齿2.2.2之间形成定子槽2.3；定子铁心采用卷绕式硅钢片，可以轴向和周向导磁，材料可以选取50W470冷轧无取向硅钢片，结构简单可靠，易于加工冷却。
永磁体3呈瓦片状，采用表面式贴装固定连接在永磁齿2.2.1的外表面上；永磁体3轴向充磁，且相邻的两个永磁体3的充磁方向相反；所述的永磁体3由高剩磁、低矫顽力的铝镍钴永磁材料制成，内部磁化水平可以利用瞬时电流脉冲进行改变。
该电机定、转子同轴安装，定转子之间采用轴承柔性连接。三相电枢绕组5位于定子槽2.3中，且三相电枢绕组5匝绕在电枢齿2.2.2上，脉冲绕组6匝绕在定子轭2.1上；
分块转子铁心7和非导磁隔磁块9均匀分布在转子轭8的圆盘表面，转子轭圆盘8和隔磁块9均由非导磁材料铝、铜，或者钢制成，分块转子铁心7呈扇形状，且由硅钢片卷绕构成。
进一步，所述的脉冲绕组6的脉冲电流方向根据脉冲电流磁动势对永磁体3产生充磁作用或者去磁作用来决定。当脉冲电流磁动势对永磁体3产生充磁作用时，脉冲绕组6的脉冲电流方向与永磁体3充磁方向相同，当脉冲电流磁动势对永磁体3产生去磁作用时，脉冲绕组6的脉冲电流方向为与永磁体3充磁方向相反。
上述结构中的脉冲绕组6为集中绕组，缠绕在定子铁心2的永磁齿2.1上。脉冲绕组6隔齿首尾串联形成两组单相脉冲绕组，相邻定子槽2.3的脉冲电流整体上形成两两交替分布。按照右手定则，每个脉冲绕组6中的电流方向与永磁齿3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3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3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6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6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3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。
本发明采用圆盘形的转子4，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7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2.2里流过的磁通（磁链）会根据转子4的不同位置切换方向，如图2a所示，由于电机转子4运行到位置A时和转子4运行到位置B时，三相电枢绕组5匝链的永磁磁通方向相反，因此三相电枢绕组5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4连续旋转时，三相电枢绕组5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2.2和分块转子铁心7形成的凸极效应，以及定子齿2.2和分块转子铁心7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6在平时正常运行处于开路状态，由铝镍钴永磁体3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6增磁和去磁，从而由具备新的磁密水平的永磁体3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2a所示，当转子4运行到位置A时（处于位置A时：转子4上的每个分块转子铁心7分别与一个永磁齿2.2.1、一个电枢齿2.2.2和一个定子槽2.3相对，且从左侧至右侧，永磁齿2.2.1、定子槽2.3和电枢齿2.2.2顺序排布），脉冲绕组6产生的脉冲磁动势和永磁体3充磁方向相同，表示脉冲绕组6正在对永磁体3进行充磁，且当转子4转动到位置B时（处于位置B时：转子4上的每个分块转子铁心202分别与一个永磁齿2.2.1、一个电枢齿2.2.2和一个定子槽2.3相对，且从左侧至右侧，电枢齿2.2.2、定子槽2.3和永磁齿2.2.1顺序排布），如图2b所示，电枢齿2.2.2流经的永磁磁通会发生交变，从而三相电枢绕组5感应出正弦交变的反电动势。同理，电机运行在永磁体3去磁状态时，当转子4转动到位置A时，电机磁通路径如图3a所示；当转子4转动到位置B时，电机磁通路径如图3b所示。图3a相对于图2a，图3b相对于图2a，仅仅是脉冲绕组6的电流方向发生了反转。也就是说，图3a和图3b中，永磁体3工作在去磁状态，而图2a和图2b中，永磁体3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。本发明同样适用于盘式结构双定子单转子结构或者单定子单转子轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机。
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。
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 (4)
1.一种轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机，其特征在于：该永磁记忆电机包括第一转子(41)、第二转子(42)、设置在第一转子(41)和第二转子(42)之间轴向双边对称结构的定子(1)、用于将定子(1)、第一转子(41)和第二转子(42)的同轴安装的安装轴；
定子(1)为双边对称凸极结构，包括定子铁心(2)、若干永磁体(3)、三相电枢绕组(5)和单相脉冲绕组(6)；
定子铁心(2)包括定子轭(2.1)和自定子轭(2.1)分别向第一转子(41)和第二转子(42)中心方向凸出的定子齿(2.2)；定子齿(2.2)由数量相同的永磁齿(2.2.1)和电枢齿(2.2.2)组成，且永磁齿(2.2.1)和电枢齿(2.2.2)沿定子铁心(2)交替布置；相邻的永磁齿(2.2.1)和电枢齿(2.2.2)之间形成定子槽(2.3)；
若干永磁体(3)固定连接在永磁齿(2.2.1)的外表面上，且永磁体(3)分别与第一转子(41)和第二转子(42)相对设置；永磁体(3)轴向充磁，且相邻的两个永磁体(3)的充磁方向相反；
三相电枢绕组(5)位于定子槽(2.3)中，且三相电枢绕组(5)匝绕在电枢齿(2.2.2)上，脉冲绕组(6)匝绕在定子轭(2.1)上；
第一转子(41)和第二转子(42)采用结构相同的盘式结构，每个转子包括带有通孔的转子轭(8)、设置在转子轭(8)上且突出于转子轭(8)内表面的非导磁隔磁块(9)以及分块转子铁心(7)，分块转子铁心(7)且沿通孔周向均匀分布并固定嵌在转子轭(8)的外表面；
分块转子铁心(7)和非导磁隔磁块(9)均匀分布在转子轭(10)的圆盘表面，分块转子铁心(7)的数量Nr和定子齿(2.2)的数量Ns满足：其中，m是永磁记忆电机的相数，n为整数，Ns＝2mk，k为正整数；
所述的定子铁心(2)呈双边对称，由Ns个定子齿(2.2)和定子轭(2.1)一起拼装成圆柱状，且定子铁心(2)由硅钢片制成；
所述脉冲绕组(6)的脉冲电流方向根据周向脉冲电流磁动势对永磁体(3)产生充磁作用或者去磁作用来决定。
2.根据权利要求1所述的轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机，其特征在于：所述的永磁体(3)由铝镍钴永磁材料制成。
3.根据权利要求1所述的轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机，其特征在于：所述的转子轭(8)和非导磁隔磁块(9)均由非导磁材料铝、铜，或者钢制成。
4.根据权利要求1所述的轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机，其特征在于：所述的分块转子铁心(7)呈扇形状，且由硅钢片构成。
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