CN104578477B - 一种混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机及其绕组切换弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机及其绕组切换弱磁控制方法。包括凸极的转子和定子铁心，定子包含定子铁心、铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁，集中式电枢绕组以及脉冲调磁绕组。相邻两个外层“U”形单元的铁心边与切向充磁长条形钕铁硼永磁构成第一永磁磁极，而沿圆周方向朝内(或外)平行充磁的“V”形内嵌式铝镍钴永磁体与内层“U”形单元构成第二永磁磁极，混合磁极极性交替分布。脉冲调磁绕组在电机低速运行时为直流脉冲工作状态；而在高速弱磁区时转换为交流电枢绕组。本发明能够同时满足低速区及高速区的性能要求，低矫顽力铝镍钴永磁体受电枢反应磁场影响小，同时永磁利用率、转矩密度和系统运行的可靠性高。

Description

一种混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机及其绕组切换 弱磁控制方法

技术领域

本发明涉及一种混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机及其绕组切换弱磁控制方法，属于可调磁通永磁电机领域。

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体起到磁场调节器的作用。然而，转子永磁式混合永磁结构存在高速涡流损耗和高温升等问题，而且在高负载运行区域，其低矫顽力永磁交叉去磁严重，使得磁阻转矩严重降低，影响了整机的转矩密度。

近些年来，一种新型的定子永磁型电机—磁通切换永磁(Switched FluxPermanent 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。

法国学者提出的混合励磁磁通切换永磁电机实现了气隙磁场的可调节性，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。

专利CN200910196558.0公开了一种双凸极记忆电机，第一次将“记忆电机“的概念融入定子永磁型电机中以实现高效的在线调磁，但是该电机只采用低矫顽力的铝镍钴永磁体，且基于双凸极运行机理，电机具有磁链的单极性和接近梯形波的反电势，使得电机的转矩密度和转矩脉动较大，工业应用性较差，此外，该电机的电枢槽面积较之脉冲绕组槽较小，大大降低了电机的功率密度和力能表现。总之，以上所述的混合励磁和记忆电机普遍存在提调磁容量大和转矩密度低的问题，因此提出一种高转矩密度的记忆电机对于风力发电、新能源汽车和多电飞机\舰艇等工业领域有着显著的意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机及其绕组切换弱磁控制方法，该电机结构相对简单，永磁利用率较高，具备较大的转矩密度和高效的空载气隙磁场调节，提高转速运行范围；混合永磁共同励磁的方式可以提供多种工作模式，增强驱动系统的可靠性和容错运行能力；绕组切换将脉冲调磁绕组从功能上由直流调磁到交流驱动进行切换，削弱了电机高速时的反电势，增大了电机的直轴电感，以提升电机恒功率运行区范围，增强电机弱磁增速能力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机，包括定子(1)、与定子相适配的集中式电枢绕组(5)和脉冲调磁绕组(6)、凸极转子(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，且为凸极式；

所述定子(1)为混合永磁磁极交替式结构，所述定子(1)包括一个以上的外层“U”形定子单元(1.1)和内层“U”形定子齿(1.2)，所述外层“U”形定子单元(1.1)沿转子(2)的周向设置，且所述内层“U”形定子齿(1.2)设置于外层“U”形定子单元(1.1)内，所述内层“U”形定子齿(1.2)与外层“U”形定子单元(1.1)之间设置有“V”形铝镍钴永磁体(3)，所述内层“U”形定子齿(1.2)与外层“U”形定子单元(1.1)之间通过“V”形铝镍钴永磁体(3)上的导磁桥(8)固联为一个整体；相邻的外层“U”形定子铁心(1.1)之间嵌入钕铁硼永磁体(4)，且所述相邻的两个钕铁硼永磁体(4)之间极性相反；所述相邻的外层“U”形定子铁心(1.1)，以及他们之间的钕铁硼永磁体(4)构成第一永磁磁极；内层“U”形定子齿(1.2)与“V”形铝镍钴永磁体(3)构成磁通可调的第二永磁磁极，以控制电枢绕组匝链的永磁磁通；

所述集中式电枢绕组(5)跨绕在第一永磁磁极之上，而脉冲调磁绕组(6)并绕在第二永磁磁极之上。

优选的：所述钕铁硼永磁体(4)为交替极性切向充磁结构，该交替极性切向充磁结构为不完全填充相邻外层“U”形定子单元(1.1)以形成的“虚槽”。

优选的：所述内层“U”形定子齿(1.2)为开槽式极靴结构。

优选的：所述“V”形铝镍钴永磁体(3)沿圆周半径方向朝内平行充磁，北极、南极交替排列；而钕铁硼永磁体(4)沿圆周切向充磁，北极、南极交替排列。

优选的：电机的电枢磁场与两种永磁体的磁场均为并联关系，因此可以减少电枢反应磁场对永磁体的影响，以提升电机负载情况下的动态性能。。

优选的：第一永磁磁极和第二永磁磁极之间形成的空槽(8)同时放置电枢绕组(5)和脉冲调磁绕组(6)。

优选的：脉冲调磁绕组(6)均为集中绕组，脉冲调磁绕组(6)依次首尾串联形成单相脉冲绕组，脉冲调磁绕组(6)施加短时脉冲电流，且方向形成交替分布，以改变铝镍钴永磁体(3)的磁化水平甚至磁化方向来调节电机的气隙磁场。

一种混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机的绕组切换弱磁控制方法，当电机运行在低速恒转矩区域时，脉冲调磁绕组(6)依次首尾串联形成单相脉冲绕组，脉冲调磁绕组(6)施加短时脉冲电流，且方向形成交替分布，以改变铝镍钴永磁体(3)的磁化水平甚至磁化方向来调节电机的气隙磁场；当电机运行在高速恒功率区时，脉冲调磁绕组(6)与集中式电枢绕组(5)串联组成新的三相交流绕组，以削弱电机反电势，增大电机直轴电感，以提升电机的恒功率运行范围，增强其弱磁扩速能力。

该调磁绕组即可充当低速调磁调磁绕组，亦可充当高速第二电枢绕组；即具有绕组切换能力以同时满足恒转矩区的大转矩输出与恒功率区的宽调速运行的性能要求；具体来说，在低速区时，恒转矩区域时，脉冲调磁绕组(6)依次首尾串联形成单相脉冲绕组，脉冲调磁绕组(6)施加短时脉冲电流，且方向形成交替分布，以改变铝镍钴永磁体(3)的磁化水平甚至磁化方向来调节电机的气隙磁场；当电机运行在高速恒功率区时，脉冲调磁绕组(6)与电枢绕组串联组成新的三相交流绕组，以削弱电机反电势，增大电机直轴电感，以提升电机的恒功率运行范围，增强其弱磁扩速能力，即绕组切换将脉冲调磁绕组从功能上由直流调磁到交流驱动进行切换，削弱了电机高速时的反电势，增大了电机的直轴电感，以提升电机恒功率运行区范围，增强电机弱磁增速能力。

本发明提供的一种混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机，相比现有技术，具有以下有益效果：

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外层“U”型定子铁心单元和转子铁心闭合，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，两种磁路空间上成并联关系，并共同影响电枢匝链的永磁磁链，以实现电机气隙磁密的灵活调节。

6、本电机由两种永磁共同励磁，当单种永磁发生失磁意外危险时，另一种永磁可单独提供气隙磁场，且两种永磁磁路空间上实现了高度解耦，大大提升了整机运行的可靠性。

7、本电机第二永磁磁极上所绕的脉冲调磁绕组具有绕组切换功能，在低速区通入直流脉冲电流以实现铝镍钴永磁体的充去磁，并实现了低转速区大转矩的性能要求，此外还实现了电机相间的电、磁、热的高度隔离，大大降低了电机相间互感，提升了电机的容错带故障运行能力；而在高速区时调磁绕组充当第二电枢绕组，并与原三相电枢绕组串接起来，以削弱电机的反电势，提升电机的直流电感，以提升电机的弱磁增速能力。

8、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体型电机要大的特点，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为定子铁心，1.1为外层“U”形定子铁心，1.2为内层“U”形定子齿，2为转子，3为铝镍钴永磁体，4为钕铁硼永磁，5为三相电枢绕组，6为单相脉冲绕组，7为空腔，8为导磁桥，9为非导磁转轴；图2至图3中实线表示铝镍钴永磁体磁力线及方向，点虚线表示钕铁硼永磁磁力线及方向。

图4为该电机驱动调磁控制实现绕组切换的系统框图，该系统包括直流母线电压源1，稳压电容2和3，三相逆变器4，开关S₁～S₆以及直流脉冲电压源5，三相电枢集中绕组A₁，A₂，B₁，B₂，C₁和C₂组成，脉冲调磁绕组由A_m1，A_m2，B_m1，B_m2，C_m1和C_m2组成。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机及其绕组切换弱磁控制方法，如图1所示，包括定子1、与定子相适配的集中式电枢绕组5和脉冲调磁绕组6、凸极转子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，且为凸极式；

所述定子1为混合永磁磁极交替式结构，所述定子1包括一个以上的外层“U”形定子单元1.1和内层“U”形定子齿1.2，所述外层“U”形定子单元1.1沿转子2的周向设置，且所述内层“U”形定子齿1.2设置于外层“U”形定子单元1.1内，所述内层“U”形定子齿1.2与外层“U”形定子单元1.1之间设置有“V”形铝镍钴永磁体3，所述内层“U”形定子齿1.2与外层“U”形定子单元1.1之间通过“V”形铝镍钴永磁体3上的导磁桥8固联为一个整体；相邻的外层“U”形定子铁心1.1之间嵌入钕铁硼永磁体4，且所述相邻的两个钕铁硼永磁体4之间极性相反；所述相邻的外层“U”形定子铁心1.1，以及他们之间的钕铁硼永磁体4构成第一永磁磁极；内层“U”形定子齿1.2与“V”形铝镍钴永磁体3构成磁通可调的第二永磁磁极，以控制电枢绕组匝链的永磁磁通；

所述集中式电枢绕组5跨绕在第一永磁磁极之上，而脉冲调磁绕组6并绕在第二永磁磁极之上。

定子铁心1为混合永磁磁极交替式结构，材料为导磁硅钢片。

相邻外层“U”形定子单元1.1的导磁铁心边和钕铁硼永磁体4构成三明治形第一永磁磁极结构，并将三相电枢绕组缠绕之上。

内层“U”形定子齿1.2和内嵌式铝镍钴永磁体3构成第二永磁磁极结构，并将单相脉冲调磁绕组缠绕之上。

内层“U”形定子齿1.2可设计为开槽式极靴结构以减少电机的定位力矩和转矩脉动。

第一永磁磁极和第二永磁磁极之间形成的空槽8同时放置电枢绕组5和脉冲调磁绕组6。

脉冲绕组6均为集中绕组，脉冲绕组6缠绕在第二永磁磁极上，脉冲绕组6依次首尾串联形成单相脉冲绕组，脉冲绕组6施加短时脉冲电流，且方向形成交替分布，以改变铝镍钴永磁体3的磁化水平甚至磁化方向来调节电机的气隙磁场。

每个定子铁心均由数目相同的外层“U”形定子单元和内层形定子齿构成，两者由导磁桥固联为一个整体，以加固整体机械结构。所述的定子铁心为混合交替式磁极结构，即由“三明治”形钕铁硼永磁磁极和内嵌式铝镍钴永磁体磁极交替构成。每两个相邻的外层“U”形定子铁心之间的间隙依次嵌入极性交替的矩形钕铁硼永磁体构成第一永磁磁极，；内层“U”形定子齿与“V”形铝镍钴永磁体构成磁通可调的第二永磁磁极，以控制电枢绕组匝链的永磁磁通。转子固定于不导磁转轴上，为凸极式；三相电枢集中绕组5跨绕在第一永磁磁极之上；脉冲绕组并绕在第二磁极之上；

所述的第一永磁磁极结构由相邻外层“U”形定子单元的导磁铁心边和钕铁硼永磁体组成，并将三相电枢绕组缠绕之上。所述的钕铁硼永磁体为交替极性切向充磁结构，可设计为不完全填充相邻外层“U”形定子单元以形成“虚槽”以减少电机的转矩脉动。

所述的内层“U”形定子齿和内嵌式铝镍钴永磁体构成第二永磁磁极结构，并将单相脉冲调磁绕组缠绕之上。内层“U”形定子齿可设计为开槽式极靴结构以减少电机的定位力矩和转矩脉动。该电机的电枢磁场与两种永磁体的磁场均为并联关系，因此可以减少电枢反应磁场对永磁体的影响，避免了电机带载运行时发生永磁发生不可逆去磁危险，以提升电机负载情况下的动态性能。

如附图1所示，本发明一种高转矩密度的混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机及其绕组切换弱磁控制方法，其特征在于包括定子铁心1、与定子铁心相适配的集中式电枢绕组5和脉冲调磁绕组6、凸极转子2和不导磁转轴9，其特征在于：定子1设在转子2外部，每个定子铁心1均由数目相同的外层“U”形定子单元1.1和内层“U”形定子齿1.2构成，两者由导磁桥8固联为一个整体，以加固整体机械结构。因此，整机定子铁心为一整体，可以方便机械加工制造和模块化生产。

第一永磁磁极和第二永磁磁极之间形成的空槽8同时放置电枢绕组5和脉冲调磁绕组6。三相电枢集中绕组5跨绕在第一永磁磁极1.1之上，且电枢绕组可以根据具体运行要求设计为两套独立的绕组，并实现解耦单独控制，以提升驱动系统的容错运行能力。脉冲绕组6并绕在第二磁极之上，施加短时脉冲电流，且方向形成交替分布，以改变铝镍钴永磁体3的磁化水平甚至磁化方向来调节电机的气隙磁场；可以依次首尾相连成为单相调磁绕组可以同时控制所有磁通可调的低矫顽力铝镍钴永磁体的磁化水平，也可以单独控制某一单独磁极的磁化水平以实现变磁极控制。所述铝镍钴永磁体3呈“V”形聚磁式结构，沿圆周半径方向朝内外平行充磁，北极N极、南极S极交替排列；而钕铁硼永磁4切向充磁，北极N极、南极S极交替排列。

一种混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机的绕组切换弱磁控制方法，当电机运行在低速恒转矩区域时，脉冲调磁绕组6依次首尾串联形成单相脉冲绕组，脉冲调磁绕组6施加短时脉冲电流，且方向形成交替分布，以改变铝镍钴永磁体3的磁化水平甚至磁化方向来调节电机的气隙磁场；当电机运行在高速恒功率区时，脉冲调磁绕组6与集中式电枢绕组5串联组成新的三相交流绕组，以削弱电机反电势，增大电机直轴电感，以提升电机的恒功率运行范围，增强其弱磁扩速能力。

该调磁绕组即可充当低速调磁调磁绕组，亦可充当高速第二电枢绕组；即具有绕组切换能力以同时满足恒转矩区的大转矩输出与恒功率区的宽调速运行的性能要求；具体来说，在低速区时，恒转矩区域时，脉冲调磁绕组6依次首尾串联形成单相脉冲绕组，脉冲调磁绕组6施加短时脉冲电流，且方向形成交替分布，以改变铝镍钴永磁体3的磁化水平甚至磁化方向来调节电机的气隙磁场；当电机运行在高速恒功率区时，脉冲调磁绕组6与电枢绕组串联组成新的三相交流绕组，以削弱电机反电势，增大电机直轴电感，以提升电机的恒功率运行范围，增强其弱磁扩速能力。

调磁绕组在电机低速运行时(增磁或零磁化状态)为直流脉冲工作状态，起到为铝镍钴永磁体充去磁的作用；而在高速弱磁区时转换为交流电枢绕组，并起到降低绕组磁链及反电势，增大直轴电感，提升电机弱磁能力的作用。本发明及控制方法能够同时满足低速区及高速区的性能要求，恒转矩区的大转矩输出与恒功率区的宽调速运行，低矫顽力铝镍钴永磁体受电枢反应磁场影响小。

结合图4所示的系统框图，本发明所提出的绕组切换弱磁方法实现方法如下：

(1)当电机运行在低速区时，S1，S2和S3闭合，S4，S5和S6打开，即原三相电枢绕组单独工作，由逆变器输入三相交流电以驱动电机转动；在必要时，S4，S5和S6短时闭合，脉冲调磁绕组通入瞬态脉冲充磁电流，对铝镍钴永磁体进行充磁以增大电机的转矩输出，当充磁完成，S4，S5和S6恢复关断状态。

(2)当电机运行在高速区时，S1，S2和S3闭合，S4，S5和S6短时闭合，脉冲调磁绕组通入瞬态脉冲去磁电流，对铝镍钴永磁体进行去磁以及反向充磁，使电机运行在弱磁状态；此时S1～S6全部打开，此时原三相电枢绕组和脉冲调磁绕组共同组成新的三相电枢绕组，电机完成绕组切换弱磁控制。

绕组切换将脉冲调磁绕组从功能上由直流调磁到交流驱动进行切换，削弱了电机高速时的反电势，增大了电机的直轴电感，以提升电机恒功率运行区范围，增强电机弱磁增速能力。

所述的永磁体采取的铝镍钴永磁体，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。

本发明公开的一种混合永磁磁极交替式磁通切换型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4和铝镍钴永磁体3共同提供气隙磁场，通过施加脉冲电流产生磁场对铝镍钴永磁体3体增、去磁以调节气隙磁场大小，避免了励磁损耗，实现了真正意义上的高效在线调磁。当铝镍钴永磁体3与钕铁硼永磁4磁通方向一致时如图2a和2b所示，电枢绕组匝链的永磁磁通增加，从而达成增磁的目的，增磁运行适合需要大转矩输出的运行场合，如电动汽车的爬坡或启动过程和风力发电场合；而当铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁磁通方向相反时，电枢绕组匝链的永磁磁通减少如图3a和3b所示，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，弱磁运行适合需要高速低转矩运行场合，如电动汽车高速巡航阶段。总的来说，该电机可根据具体的运行要求来控制铝镍钴永磁体的磁化水平来控制电机在不同转速下的转矩输出，以拓宽其转速范围。

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，气隙磁场主要由钕铁硼永磁4提供，而铝镍钴永磁体3起到增加或者减少电枢绕组匝链磁通的作用，从而实现磁通可调效果。实际应用中可根据所需的调磁系数，适当选取混合永磁的径向厚度的比例，以达到气隙磁场的最优化在线调节。

当由一种永磁体发生失磁故障时，另一种永磁可以单独承担独立励磁源，例如铝镍钴去磁完全之时，此时电机相当于一台“C”形定子铁心磁通切换永磁电机；而由于钕铁硼的居里温度比较低，抗高温腐蚀能力较弱，当电机运行在高速区，钕铁硼发生意外高温失磁时，居里温度较高，耐高温性能极好的铝镍钴永磁体可以成为电机的独立励磁源与电枢磁场耦合完成机电能量转换。因此电机对于不同工况的适应能力可以得到增强。其次，当电机某一相发生短路或者断路故障时，由于容错式第二磁极的设置，电机相间电、磁、热耦合较小，使得故障对瞬间对电机和负载的冲击较小，其余相在电压进行重构的情况下进行正常工作，实现电机的容错带故障运行，因此极大地提高了电机运行的可靠性。

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。

本电机的转子和定子铁心均为凸极结构。本电机定子包含定子铁心、铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁，三相电枢绕组以及单相脉冲绕组，转子无绕组无永磁无绕组，结构简单，鲁棒性强；其特征在于，每个定子铁心均由数目相同的外层“U”形单元和内层“U”形单元构成，两者由导磁桥连接为一整体。相邻两个外层“U”形单元的铁心边与切向充磁长条形钕铁硼永磁构成第一永磁磁极，而沿圆周方向朝内或外平行充磁的“V”形内嵌式铝镍钴永磁体与内层“U”形单元构成第二永磁磁极，混合磁极极性交替分布；三相电枢绕组跨绕在第一永磁磁极上，而脉冲调磁绕组跨绕在第二永磁磁极之上，可以通过施加脉冲电流调节永磁体剩余磁化强度和磁化方向，实现电机气隙磁场可调，提高电机的弱磁能力和转速运行范围。本发明第二永磁磁极上无电枢绕组，提高了电机的容错运行能力。同时，本电机的混合磁极设置极大提高了电机的转矩密度和整机系统运行的可靠性。

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 (8)

1.一种混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机，其特征在于：电机本体包括定子(1)、与定子相适配的集中式电枢绕组(5)和脉冲调磁绕组(6)、凸极转子(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，且为凸极式；

所述定子(1)为混合永磁磁极交替式结构，所述定子(1)包括一个以上的外层“U”形定子单元(1.1)和内层“U”形定子齿(1.2)，所述外层“U”形定子单元(1.1)沿转子(2)的周向设置，且所述内层“U”形定子齿(1.2)设置于外层“U”形定子单元(1.1)内，所述内层“U”形定子齿(1.2)与外层“U”形定子单元(1.1)之间设置有“V”形铝镍钴永磁体(3)，所述内层“U”形定子齿(1.2)与外层“U”形定子单元(1.1)之间通过“V”形铝镍钴永磁体(3)上的导磁桥(8)固联为一个整体；相邻的外层“U”形定子单元(1.1)之间嵌入钕铁硼永磁体(4)，且所述相邻的两个钕铁硼永磁体(4)之间极性相反；所述相邻的外层“U”形定子单元(1.1)以及他们之间的钕铁硼永磁体(4)构成第一永磁磁极；内层“U”形定子齿(1.2)与“V”形铝镍钴永磁体(3)构成磁通可调的第二永磁磁极，以控制电枢绕组匝链的永磁磁通；

所述集中式电枢绕组(5)跨绕在第一永磁磁极之上，而脉冲调磁绕组(6)并绕在第二永磁磁极之上。

2.根据权利要求1所述的混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机，其特征在于：所述钕铁硼永磁体(4)为交替极性切向充磁结构，该交替极性切向充磁结构为不完全填充相邻外层“U”形定子单元(1.1)以形成的“虚槽”。

3.根据权利要求2所述的混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机，其特征在于：所述内层“U”形定子齿(1.2)为开槽式极靴结构。

4.根据权利要求3所述的混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机，其特征在于：所述的钕铁硼永磁体(4)沿圆周切向充磁，北极、南极交替排列；而“V”形铝镍钴永磁体(3)沿圆周半径方向朝内平行充磁，北极、南极交替排列。

5.根据权利要求4所述的混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机，其特征在于：电机的电枢磁场与两种永磁体的磁场均为并联关系。

6.根据权利要求5所述的混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机，其特征在于：第一永磁磁极和第二永磁磁极之间形成的空槽(8)同时放置电枢绕组(5)和脉冲调 磁绕组(6)。

7.根据权利要求6所述的混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机，其特征在于：脉冲调磁绕组(6)均为集中绕组。

8.一种基于权利要求1-7任一所述的混合永磁磁极交替式磁通切换型记忆电机的绕组切换弱磁控制方法，其特征在于：当电机运行在低速恒转矩区域时，脉冲调磁绕组(6)依次首尾串联形成单相脉冲绕组，脉冲调磁绕组(6)施加短时脉冲电流，且方向形成交替分布，以改变铝镍钴永磁体(3)的磁化水平甚至磁化方向来调节电机的气隙磁场；当电机运行在高速恒功率区时，脉冲调磁绕组(6)与集中式电枢绕组(5)串联组成新的三相交流绕组，以削弱电机反电势，增大电机直轴电感，以提升电机的恒功率运行范围，增强其弱磁扩速能力。