CN103715848B - 一种轴向磁场定子分割式磁通切换型记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向磁场定子分割式磁通切换型记忆电机，该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）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）包括结构相同且同轴相对设置的第一定子铁心（21）和第二定子铁心（22）；定子铁心（2）包括定子轭（2.1）和定子齿（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，且空载气隙磁场可调。

Description

一种轴向磁场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电机，具体来说，涉及一种轴向磁场定子分割式磁通切换型记忆电机。

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：提供一种轴向磁场定子分割式磁通切换型记忆电机，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，本发明提供了一种轴向磁场定子分割式磁通切换型记忆电机，该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，定子铁心包括结构相同且同轴相对设置的第一定子铁心和第二定子铁心；

定子铁心包括定子轭、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，定子铁心由若干独立的定子铁心块环绕构成；

永磁体嵌在轴向对称的第一定子铁心和第二定子铁心之间，且永磁体沿定子铁心的中心为圆心的半径方向均匀分布，永磁体个数与定子铁心片的数量相等；永磁体轴向充磁，且相邻的两个永磁体的充磁方向相反；

三相电枢绕组跨绕在相邻的定子齿上，脉冲绕组匝绕在永磁体上；

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和凸极转子铁心，凸极转子铁心沿转子半径径向均匀分布并固定嵌在转子轭的内表面；

凸极转子极均匀分布在转子轭内侧的转子圆盘表面，其数量N_r和定子齿的数量N_s满足：其中，m是永磁记忆电机的相数，n为整数，N_s=2mk，k为正整数。

优选的，所述的定子铁心呈“C”型背靠背结构，由2N_s个定子齿和2N_s个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，所述的永磁体由铝镍钴永磁材料制成。

优选的，所述的转子轭圆盘和转子极均由导磁材料硅钢片卷绕制成。

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。定转子结构相对简单，便于工业模块化生产。

2.与传统的轴向磁场磁通切换永磁电机不同，本发明采用内嵌式永磁结构，将永磁体嵌在轴向堆成的定子铁心之间。这样极大地增强电机整体机械强度，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。

3.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。

4.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、第一转子41、第二转子42、三相电枢绕组5、脉冲绕组6、转子极7、转子轭8、定子轭2.1、定子齿2.2。

转子在两个不同的位置即和定子齿的相对位置发生了改变，磁通的方向是变换的,我们将转子相对定子齿的两个位置分别定义为位置A和位置B。

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所示轴向磁场定子分割式磁通切换型记忆电机，该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之间采用背靠背“C”型模块化结构的定子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包括结构相同且同轴相对设置的第一定子铁心21和第二定子铁心22。

定子铁心2包括定子轭2.1、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，独立的“C”型定子铁心模块呈圆盘环绕。

永磁体3嵌在轴向对称的第一定子铁心21和第二定子铁心22之间，且永磁体3沿定子铁心的中心为圆心的半径方向均匀分布，永磁体3个数与定子铁心片的数量相等；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跨绕在相邻的定子齿2.2上，脉冲绕组6匝绕在永磁体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和分块转子铁心7，分块转子铁心7沿转子半径径向均匀分布并固定嵌在转子轭8的内表面。

凸极转子极7均匀分布在转子轭8内侧的转子4圆盘表面，其数量N_r和定子齿2.2的数量N_s满足：其中，m是永磁记忆电机的相数，n为整数，N_s=2mk，k为正整数。

所述的定子铁心2呈“C”型背靠背结构，由2N_s个定子齿2.2和2N_s个定子轭2.1一起拼装成圆柱状，且定子铁心2由硅钢片制成。

定子铁心2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，采用内嵌式固定安装连接在轴向堆成的两个“C”型定子铁心之间；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；其特征在于：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匝绕在相邻定子铁心2的定子齿2.2上，脉冲绕组6匝绕在永磁体3上；

转子极7和均匀分布在转子轭8的圆盘表面，转子铁心4均由导磁材料硅钢片卷绕制成。

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，缠绕在永磁体3上。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，并且产生的轴向风流可以起到冷却定子温度的作用，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和转子极7形成的凸极效应，以及定子齿2.2和转子极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。

本发明可以使电机轴向尺寸变短，提高电机的功率密度，而同时具备较宽的转速运行范围，且空载气隙磁场可调，非常适于作为电动汽车的高效率、高转矩能力的轮毂驱动电机。

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定子分割式磁通切换型记忆电机。

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 (4)

1.一种轴向磁场定子分割式磁通切换型记忆电机，其特征在于：该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)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)包括结构相同且同轴相对设置的第一定子铁心(21)和第二定子铁心(22)；

定子铁心(2)包括定子轭(2.1)、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)，定子铁心(2)由若干独立的定子铁心块环绕构成；

永磁体(3)嵌在轴向对称的第一定子铁心(21)和第二定子铁心(22)之间，且永磁体(3)沿定子铁心的中心为圆心的半径方向均匀分布，永磁体(3)个数与定子铁心块的数量相等；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)跨绕在相邻的定子齿(2.2)上，脉冲绕组(6)匝绕在永磁体(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)和凸极转子铁心(7)，凸极转子铁心(7)沿转子半径径向均匀分布并固定嵌在转子轭(8)的内表面；

凸极转子铁心(7)均匀分布在转子轭(8)内侧的转子(4)圆盘表面，其数量N_r和定子齿(2.2)的数量N_s满足：其中，m是永磁记忆电机的相数，n为整数，N_s＝2mk，k为正整数。

2.根据权利要求1所述的轴向磁场定子分割式磁通切换型记忆电机，其特征在于：所述的定子铁心(2)呈C型背靠背结构，由2N_s个定子齿(2.2)和2N_s个定子轭(2.1)一起拼装成圆柱状，且定子铁心(2)由硅钢片制成。

3.根据权利要求1所述的轴向磁场定子分割式磁通切换型记忆电机，其特征在于：所述的永磁体(3)由铝镍钴永磁材料制成。

4.根据权利要求1所述的轴向磁场定子分割式磁通切换型记忆电机，其特征在于：所述的转子轭(8)和凸极转子铁心(7)均由导磁材料硅钢片卷绕制成。