CN103973062B - 一种高功率密度的磁通切换型混合永磁记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率密度的磁通切换型混合永磁记忆电机，该电机包括定子(1)、转子(2)和不导磁转轴(9)，定子(1)设在转子(2)外部，转子(2)固定于不导磁转轴(9)上，为凸极式；定子包括定子轭(1.1)、设置在定子轭(1.1)与转子之间的定子铁心(1.2)、三相电枢绕组(5)和脉冲绕组(6)，定子轭(1.1)和钉子铁心(1.2)之间有空隙，且中分别设有两种永磁体共同励磁，即铝镍钴永磁(3)和钕铁硼永磁(4)。本发明通过定子混合永磁的设置以实现高功率密度，且施加脉冲电流调节永磁体剩余磁化强度和磁化方向，实现电机空载气隙磁场高效调节，提高转速运行范围。

Description

一种高功率密度的磁通切换型混合永磁记忆电机

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磁通切换型混合永磁记忆电机，其可以提高电机功率密度和转矩能力，并同时保证一定弱磁能力，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。传统的PMSM均采用直轴电流进行弱磁调速，但是由于逆变器容量限制以及永磁不可逆去磁风险的存在而难以实现高效调磁。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，避免了电枢损耗，实现了在线高效调磁。

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。由于永磁体处于转子，电枢绕组同时具备能量转换和磁场调节功能，因此在线调磁难度大大增加；其次，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，在需要宽调速驱动电机的场合，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。因此许多拓扑结构的混合永磁式内置式永磁记忆电机提出，但是由于转子永磁以及铁心的磁路饱和将造成高速区电机温升和铁心损耗增大，效率受到极大影响。设有两种不同材料的永磁共同励磁，其中钕铁硼永磁提供气隙主磁场，而“V”形聚磁式铝镍钴永磁起到磁场调节器的作用

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，而且气隙磁场由钕铁硼永磁体励磁产生，难以调节，限制了其在电动汽车宽调速驱动场合的应用；其次还存在端部漏磁问题，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

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提出一种高功率密度的磁通切换型混合永磁记忆电机，实现电机空载气隙磁场高效调节，提高转速运行范围。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供了一种高功率密度的磁通切换型混合永磁记忆电机，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；

定子包括定子轭、设置在定子轭与转子之间的定子铁心、三相电枢绕组和脉冲绕组，定子轭和钉子铁心之间有空隙，且分别设有两种永磁体共同励磁，即铝镍钴永磁和钕铁硼永磁；

定子铁心包括若干首尾相连的定子齿，相邻的定子齿之间有空隙，该空隙用以放置三相电枢集中绕组，三相电枢集中绕组跨绕在相邻两个定子齿上；矩形钕铁硼永磁嵌在相邻定子齿之间；

定子轭设有若干沿定子轭内表面向转子方向延伸的突出物，该突出物与相邻定子齿之间的空隙相对设置，相邻的突出物之间设有空间，铝镍钴永磁体内嵌在该空间内，且与定子齿相对设置，每个空间内设有两片铝镍钴永磁体，且相邻空间的铝镍钴永磁体由第一导磁桥连接；

相邻铝镍钴永磁体、定子轭以及定子铁心的两条铁心边肩角之间设有空腔，脉冲绕组设置在该空腔内并绕在铝镍钴永磁体之上；铝镍钴永磁体中间设有第二导磁桥。

优选的，脉冲绕组均为集中绕组，脉冲绕组缠绕在铝镍钴永磁上，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。

有益效果：

1、整个电机整体结构简单，空间利用率高，由于电机采用了定子混合永磁型结构，钕铁硼和铝镍钴永磁体、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、本电机采用的混合永磁的设置一方面可以保证较高的气隙磁密，提升电机的功率密度和转矩能力，另一方面可以实现气隙磁场的灵活调节，有效提高电机的恒功率转速范围。

3、本电机采用的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。

4、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。

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。

5、本电机铝镍钴“V”形永磁与切向充磁的钕铁硼永磁的设置将形成聚磁效应，并使得在弱磁时，钕铁硼磁通较大程度地被短路掉，并克服了传统SFPM电机端部外沿钕铁硼磁通漏磁严重的问题，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单铝镍钴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，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为电机增磁运行时，当脉冲磁动势对铝镍钴永磁体进行正向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为电机增磁运行时，当脉冲磁动势对铝镍钴永磁体进行正向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为电机弱磁运行时，当脉冲磁动势对铝镍钴永磁体进行反向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为电机弱磁运行时，当脉冲磁动势对铝镍钴永磁体进行反向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钕铁硼永磁、5三相电枢绕组、6单相脉冲绕组、7脉冲绕组空腔、8导磁桥、9非导磁转轴、1.1定子轭、1.2“U”形定子铁心；图2至图3中实线表示钕铁硼永磁磁力线及方向，点虚线表示铝镍钴永磁磁力线及方向，长虚线表示调磁脉冲电流磁力线及方向。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明专利作进一步详细的说明：

本发明公开了一种高功率密度的磁通切换型混合永磁记忆电机，该电机包括定子1、转子2和不导磁转轴9，定子1设在转子2外部，转子2固定于不导磁转轴9上，为凸极式。

定子包括定子轭1.1、设置在定子轭1.1与转子之间的定子铁心1.2、三相电枢绕组5和脉冲绕组6，定子轭1.1和钉子铁心1.2之间有空隙，且分别设有两种永磁体共同励磁，即铝镍钴永磁3和钕铁硼永磁4。

定子铁心1.2包括若干首尾相连的定子齿，相邻的定子齿之间有空隙，该空隙用以放置三相电枢集中绕组5，三相电枢集中绕组5跨绕在相邻两个定子齿上；矩形钕铁硼永磁4嵌在相邻定子齿之间。

定子轭1.2设有若干沿定子轭1.2内表面向转子方向延伸的突出物，该突出物与相邻定子齿之间的空隙相对设置，相邻的突出物之间设有空间，铝镍钴永磁体3内嵌在该空间内，且与定子齿相对设置，每个空间内设有两片铝镍钴永磁体3，且相邻空间的铝镍钴永磁体3由第一导磁桥7连接。

相邻铝镍钴永磁体3、定子轭1.1以及定子铁心1.2的两条铁心边肩角之间设有空腔7，脉冲绕组6设置在该空腔7内并绕在铝镍钴永磁体3之上；铝镍钴永磁体3中间设有第二导磁桥8。

定子铁心1内设有两种不同材料的永磁共同励磁，其中钕铁硼永磁4提供气隙主磁场，而铝镍钴永磁3呈“V”形聚磁式结构，起到磁场调节器的作用。

增磁时，即铝镍钴永磁3和钕铁硼永磁4磁场方向一致时，在定子内部呈聚磁式结构以增强气隙主磁通；而弱磁时，即铝镍钴永磁3和钕铁硼永磁4磁场在定子内部短路，以减弱气隙主磁通。

相邻“U”形定子的导磁铁心边和钕铁硼永磁4构成电枢齿以缠绕三相电枢绕组。

钕铁硼永磁4没有完全填充“U”形定子的导磁铁心边间形成的空腔，以形成定子虚槽以实现提高钕铁硼永磁4利用率，提升调磁范围和减少转矩脉动的目的。

脉冲绕组6均为集中绕组，脉冲绕组6缠绕在铝镍钴永磁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。所述的两种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低、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、铝镍钴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。

本发明公开的一种磁通切换型混合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，磁通切换混合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，磁通切换型混合永磁记忆电机的脉冲绕组在平时正常运行处于开路状态，由钕铁硼和铝镍钴永磁体共同提供气隙磁场，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、去磁以调节气隙磁场大小。当铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁磁通方向一致时，铝镍钴永磁产生的磁通将钕铁硼永磁磁通推向气隙，从而达成增磁的目的；而当铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁磁通方向相反时，两者磁通在定子铁心内部形成回路，即钕铁硼永磁将被铝镍钴永磁大量短路使得气隙磁场磁通密度降低，从而实现电动运行时弱磁增速的效果，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，本发明一种高功率密度的磁通切换型混合永磁记忆电机，其特征在于：定子1设在转子2外部，转子2固定于不导磁转轴9上，为凸极式；

定子包括“U”形定子铁心1.2、三相电枢绕组5、脉冲绕组6和定子轭1.1组成，且内设有两种永磁体共同励磁，即3铝镍钴永磁和4钕铁硼永磁；其中每个定子单元中的铝镍钴永磁体3呈两片式“V”形排列，内嵌在定子铁心里，并将其分为定子轭1.1和“U”形定子铁心1.2两部分，两部分由“V”形永磁体两侧边中部形成的导磁桥8连接；而矩形4钕铁硼永磁嵌在相邻“U”形定子铁心1.2之间；“U”形定子铁心1.2内部的空腔用以放置三相电枢集中绕组5，三相电枢集中绕组5跨绕在相邻两个“U”形定子铁心单元1.2的两条铁心边与沿周向充磁的4钕铁硼永磁构成的三明治式电枢齿上；

相邻铝镍钴永磁体3、定子轭1.1以及“U”形定子铁心单元1的两条铁心边肩角之间设有空腔7，脉冲绕组6设置在该空腔7内并绕在永磁体之上；两片铝镍钴永磁体3中间设有导磁桥8，以达到较好的弱磁效果。

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，气隙磁场主要由钕铁硼永磁4提供，而铝镍钴永磁体3起到将钕铁硼永磁4产生的磁通推向气隙发挥聚磁增磁作用，或者在定子铁心内部将钕铁硼永磁4产生的磁通短路起到弱磁增速作用。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。

具体来说，当该电机的工业应用场合要求低速大转矩，如电动汽车起动爬坡，风力发电等场合时，可以通过脉冲调磁绕组对铝镍钴永磁进行充磁以增大电机的出力(如图2a和2b所示)；另一方面，当应用场合为高速低转矩场合，如洗衣机的加速甩干，电动汽车的高速巡航，可以通过施加去磁电流脉冲让铝镍钴永磁发生反向去磁以短路钕铁硼永磁(如图3a和3b所示)，使得气隙磁通减弱达到“弱磁增速”的效果。

本发明的分析同样适用于外转子磁通切换型混合永磁记忆电机，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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高功率密度的磁通切换型混合永磁记忆电机，该电机包括定子(1)、转子(2)和不导磁转轴(9)，其特征在于：定子(1)设在转子(2)外部，转子(2)固定于不导磁转轴(9)上且为凸极式；

定子包括定子轭(1.1)、设置在定子轭(1.1)与转子之间的定子铁心(1.2)、三相电枢绕组(5)和脉冲绕组(6)，定子轭(1.1)和定子铁心(1.2)之间有空隙，且分别设有两种永磁体共同励磁，即铝镍钴永磁体(3)和钕铁硼永磁体(4)；其中，铝镍钴永磁体(3)设在定子轭(1.1)与定子铁心(1.2)之间的空隙中，钕铁硼永磁体(4)设在钕铁硼永磁体(4)的两相邻定子齿之间；

定子铁心(1.2)包括若干首尾相连的定子齿，相邻的定子齿之间有空隙，该空隙用以放置三相电枢绕组(5)，三相电枢绕组(5)跨绕在相邻两个定子齿上；矩形钕铁硼永磁体(4)嵌在相邻定子齿之间；

定子轭(1.1)设有若干沿定子轭(1.1)内表面向转子方向延伸的突出物，该突出物与相邻定子齿之间的空隙相对设置，相邻的突出物之间设有空间，铝镍钴永磁体(3)内嵌在该空间内，且与定子齿相对设置，每个空间内设有两片铝镍钴永磁体(3)，且相邻空间的铝镍钴永磁体(3)由第一导磁桥连接；

相邻铝镍钴永磁体(3)、定子轭(1.1)以及定子铁心(1.2)的两条铁心边肩角之间设有空腔(7)，脉冲绕组(6)设置在该空腔(7)内并绕在铝镍钴永磁体(3)之上；铝镍钴永磁体(3)中间设有第二导磁桥(8)。

2.根据权利要求1所述的高功率密度的磁通切换型混合永磁记忆电机，其特征在于：脉冲绕组(6)均为集中绕组，脉冲绕组(6)缠绕在铝镍钴永磁体(3)上，脉冲绕组(6)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。