CN104518625A - 双凸极永磁记忆飞轮电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双凸极永磁记忆飞轮电机。为解决现有技术中飞轮电机的功率密度低和磁场不可控的问题而发明。该电机至少包括同轴设置的内定子和外定子；内定子包括内定子轭和内定子铁芯；在内定子的凸极外表面轴向设有径向充磁的铝镍钴磁钢；在对应相邻两内定子铁芯凸极之间的外定子轭表面轴向设有长方形空隙，空隙中嵌入切向充磁的钕铁硼磁钢。本发明采用磁钢混合和充磁方向混合设计，利用钕铁硼磁钢的高磁能积保证较高的气隙磁密，提升电机的功率密度和转矩能力，利用铝镍钴磁钢的低矫顽力、高剩磁和磁滞曲线的非线性可以实现对气隙磁场的灵活调节，达到大扭矩启动、宽转速高效发电以及恒功率调速范围。

Description

双凸极永磁记忆飞轮电机

技术领域

本发明涉及一种双凸极永磁记忆飞轮电机。

背景技术

在航空活塞发动机领域，具有起动/发电功能的飞轮电机越来越受到航空领域的关注。

永磁双凸极记忆飞轮电机是一种集成了起动/发电功能的飞轮电机，该飞轮电机直接可安装在发动机曲轴上，在起动时输出动力，作为发动机的起动电机；当发动机起动后，其又具有发电能力，而且集成度较高，同时取代飞轮可以实现了减重的需求。

永磁双凸极记忆飞轮电机是一种新型的磁通可控型永磁飞轮电机，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。

这种双凸极电机转子没有永磁铁和绕组，仅有导磁软铁组成双凸极结构，因此结构简单可靠。因此，针对双凸极电机的记忆电机研究也迅速开展起来，由于双凸极电机永磁体安装在定子上，对于充去磁控制变得更简单，仅需要控制直流脉冲电流大小和方向即可。然而这种记忆电机采用单一的铝镍钴磁钢，其磁能积明显低于钕铁硼磁钢，因此降低了电机的功率密度。这对于功率密度要求较高的飞轮电机对来说是不适合的。

发明内容

为克服上述缺陷，提出一种应用于航空活塞发动机的混合磁钢的双凸极永磁记忆飞轮电机，实现飞轮电机空载气隙磁场高效调节，提高转速运行范围和功率密度，同时达到发动机减重的作用。

为达到上述目的，本发明的双凸极永磁记忆飞轮电机，该飞轮电机由内向外依次同轴设置有不导磁转轴、内定子、外定子和外转子飞轮；其中，不导磁转轴与内定子之间有气隙；飞轮为凸极转子，飞轮与不导磁转轴固连；

内定子包括内定子轭和内定子铁芯，内定子铁芯包含偶数个凸极，相邻内定子铁芯之间有空隙，该空隙内放置有励磁绕组；在内定子的凸极外表面轴向设有径向充磁的铝镍钴磁钢；

外定子包括外定子轭和外定子铁芯，外定子铁芯包含偶数个凸极，相邻外定子铁芯之间有空隙，该空隙放置三相电枢绕组，三相电枢绕组绕在每个凸极上；

在对应相邻两内定子铁芯凸极之间的外定子轭表面轴向设有长方形空隙，空隙中嵌入切向充磁的钕铁硼磁钢；在三相电枢绕组与钕铁硼磁钢之间设有导磁桥。

为达到上述目的，本发明双凸极永磁记忆电机，该电机至少包括同轴设置的内定子和外定子；

内定子包括内定子轭和内定子铁芯，内定子铁芯包含偶数个凸极，相邻内定子铁芯之间有空隙，该空隙内放置有励磁绕组；在内定子的凸极外表面轴向设有径向充磁的铝镍钴磁钢；

外定子包括外定子轭和外定子铁芯，外定子铁芯包含偶数个凸极，相邻外定子铁芯之间有空隙，该空隙放置三相电枢绕组；

在对应相邻两内定子铁芯凸极之间的外定子轭表面轴向设有长方形空隙，空隙中嵌入切向充磁的钕铁硼磁钢；在三相电枢绕组与钕铁硼磁钢之间设有导磁桥。

采用上述技术方案的本发明具有以下优点：

1、本飞轮电机采用混合磁钢设计，利用钕铁硼磁钢的高磁能积保证较高的气隙磁密，提升电机的功率密度和转矩能力，利用铝镍钴磁钢的低矫顽力、高剩磁和磁滞曲线的非线性可以实现对气隙磁场的灵活调节，达到大扭矩启动、宽转速高效发电以及恒功率调速范围。

2、由于钕铁硼磁钢具有较高的矫顽力，本电机采用钕铁硼磁钢切向充磁，并设置导磁桥，以尽量减少电枢绕组对其去磁影响，该结构又能提高钕铁硼磁钢的磁通利用率，达到提高电机的功率密度。

3、本电机采用双定子结构，铝镍钴磁钢径向充磁布置，电枢反应的磁路通过外定子轭、外定子铁芯和转子铁芯闭合，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，实现气隙磁场的在线调磁，由于充去磁脉冲作用时间非常短。因此，相对于混合励磁双凸极电机，该电机具有很小的励磁损耗，并且调速控制系统较简单。

附图说明

图1为本发明的飞轮电机实施例的结构示意图。

图2为飞轮电机增磁运行时，当脉冲磁动势对铝镍钴永磁体进行正向充磁时图1所示实施例的磁通路径图。

图3为飞轮电机不增、弱磁运行时，图1所示实施例的磁通路径图；

图4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时，图1所示实施例的磁通路径图。

图5为电机灭磁运行时，当脉冲磁动势对铝镍钴永磁体方向充磁，对钕铁硼磁路短路时图1所示实施例的磁通路径图。

图中：1外定子、2内定子、3飞轮、4不导磁转轴、5铝镍钴磁钢、6三相电枢绕组、7导磁桥、8钕铁硼磁钢、9内定子、10励磁绕组、1.1外定子铁芯、1.2外定子轭、9.1内定子铁芯、9.2内定子轭；图2至图5中箭头线表示磁力线和方向。

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：

如图1所示的本发明的双凸极永磁记忆飞轮电机的一实施例(黑色箭头为永磁磁钢充磁方向)，该飞轮电机由内向外依次同轴设置有不导磁转轴4、内定子2、外定子1和外转子飞轮3；其中，不导磁转轴4与内定子2之间有气隙；飞轮3为16个凸极的转子，飞轮与不导磁转轴固连，飞轮可以用尽量少的导磁材料提供足够的转动惯量，实现航空活塞发动机运行时的平衡。；

内定子2包括内定子轭9.2和内定子铁芯9.1，内定子铁芯包含4个凸极，相邻内定子铁芯之间有空隙，该空隙内放置有励磁绕组10；在内定子的凸极外表面轴向设有径向充磁的铝镍钴磁钢5；励磁线圈采用脉冲电流对铝镍钴磁钢实现在线充去磁，由于脉冲电流作用时间非常短，几乎没有能耗，可以提高电机效率。

外定子包括外定子轭1.2和外定子铁芯1.1，外定子铁芯包含24个凸极，相邻外定子铁芯之间有空隙，该空隙放置三相电枢绕组6，三相电枢绕组绕在每个凸极上；

在对应相邻两内定子铁芯凸极之间的外定子轭表面轴向设有长方形空隙，空隙中嵌入切向充磁的钕铁硼磁钢8，用以提供主磁场，切向布置型式可以尽量提高永磁材料的磁通利用率；在三相电枢绕组与钕铁硼磁钢之间设有导磁桥7，可以减少电枢反应对永磁体的去磁风险。

具体运行原理如下：

在发动机起动时，在低转速下需要大扭矩，飞轮电机通过励磁绕组提供较大的脉冲电流，产生充磁磁动势，如图2所示，使铝铁硼磁钢达到最大磁化水平与钕铁硼磁钢并列为飞轮电机提供磁场，达到增磁作用。

当发动机起动成功后进入怠速，飞轮电机转入发电状态，在低转速区，为了保证发电功率，飞轮电机继续保持增磁状态。当发动机转速提高后，飞轮电机控制系统根据负载在线控制增磁水平，以保证电压稳定，当发动机进入中等转速后，飞轮电机对铝镍钴磁钢完全去磁，此时只有钕铁硼提供磁场，如图3所示。

当发动机转速继续提高达到高转速区时，发电功率会进一步增大，而用电功率并没有增加，为了保持电压平衡，飞轮电机控制系统开始对铝镍钴磁钢反响充磁，以短路部分钕铁硼磁通达到弱磁效果，如图4所示。

当飞轮电机出现短路故障时，此时必须对飞轮电机进行灭磁控制，采用脉冲电流对铝镍钴磁钢完全反向磁化，实现对钕铁硼磁钢的完全短路，此时飞轮电机的气隙磁通降为零，不对外发电，如图5所示。

本发明所公开的电机采用混合磁钢设计，利用钕铁硼磁钢的高磁能积保证较高的气隙磁密，提升电机的功率密度和转矩能力，利用铝镍钴磁钢的低矫顽力、高剩磁和磁滞曲线的非线性可以实现对气隙磁场的灵活调节，达到大扭矩启动、宽转速高效发电以及恒功率调速范围。上述结构可广泛应用于飞轮电机或其它形式的电机。

Claims (2)

1.一种双凸极永磁记忆飞轮电机，该飞轮电机由内向外依次同轴设置有不导磁转轴、内定子、外定子和外转子飞轮；其中，不导磁转轴与内定子之间有气隙；飞轮为凸极转子，飞轮与不导磁转轴固连；其特征在于：

内定子包括内定子轭和内定子铁芯，内定子铁芯包含偶数个凸极，相邻内定子铁芯之间有空隙，该空隙内放置有励磁绕组；在内定子的凸极外表面轴向设有径向充磁的铝镍钴磁钢；

外定子包括外定子轭和外定子铁芯，外定子铁芯包含偶数个凸极，相邻外定子铁芯之间有空隙，该空隙放置三相电枢绕组，三相电枢绕组绕在每个凸极上；

在对应相邻两内定子铁芯凸极之间的外定子轭表面轴向设有长方形空隙，空隙中嵌入切向充磁的钕铁硼磁钢；在三相电枢绕组与钕铁硼磁钢之间设有导磁桥。

2.一种双凸极永磁记忆电机，该电机至少包括同轴设置的内定子和外定子；其特征在于：

内定子包括内定子轭和内定子铁芯，内定子铁芯包含偶数个凸极，相邻内定子铁芯之间有空隙，该空隙内放置有励磁绕组；在内定子的凸极外表面轴向设有径向充磁的铝镍钴磁钢；

外定子包括外定子轭和外定子铁芯，外定子铁芯包含偶数个凸极，相邻外定子铁芯之间有空隙，该空隙放置三相电枢绕组；

在对应相邻两内定子铁芯凸极之间的外定子轭表面轴向设有长方形空隙，空隙中嵌入切向充磁的钕铁硼磁钢；在三相电枢绕组与钕铁硼磁钢之间设有导磁桥。