CN104578636A - 一种双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机 - Google Patents

一种双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机，包括两个凸极结构的定子和一个凸极结构的转子，两个定子的结构相同，分别记为第一定子和第二定子，两个定子位置相对设置，转子同轴设置在两个定子之间；传统电机的凸极结构，使得电机的齿槽转矩较大；本发明通过在凸极结构转子上设置凹槽或者采用沿径向分段转子齿的结构可以有效改善电机的转矩性能。本发明采用混合永磁的励磁方式，使得该电机既保留了传统永磁电机较高的功率密度的特点，同时又有记忆电机宽转速运行范围、高效率的特点；通过在转子齿上设置凹槽或者分段转子齿可以有效改善凸极结构磁通切换电机的转矩性能。

Description

一种双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机
技术领域
本发明涉及一种双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机。
背景技术
永磁同步电机由于其高功率密度、高效率、结构简单等优点，在工业、航空航天等领域获得了广泛的应用。但由于永磁材料自身的特点的限制，传统永磁电机存在气隙磁场难以调节、难以实现宽调速范围的问题。随着永磁材料和永磁电机的发展，越来越多的家用电器和电动汽车采用永磁电机驱动，这些装置中的电机一般变速运行，其低速低转矩运行时，铁耗较大，而高速运行时，由于逆变器电压限制，一般采用弱磁控制，铜耗较大。为了降低永磁电机的损耗，提高电机效率，传统永磁电机的设计思路是提高电机运行在额定点的效率。但是此类电机由于变速运行，并不总是运行于额定点，即最高效率区，因此传统的设计存在一定局限性。传统永磁电机为了保证电机性能的稳定性，永磁体要有一定的抗去磁能力，要求永磁体在正常的工作范围内和恶劣的工作环境下不会产生不可逆退磁。这就意味着永磁体的厚度要足够厚以抵抗电枢绕组产生的去磁磁动势。因此传统永磁电机设计时其结构使得永磁体不能被重新磁化，一经充磁在电机的使用寿命期间，将一直保持其磁化状态。
2001年德国学者Vlado Ostovic提出了记忆电机的概念，记忆电机又称变磁通电机，采用低矫顽力的永磁体如铝镍钴永磁体或钐钴永磁体。所谓记忆电机是永磁的磁化状态能够根据负载和转速，通过直流磁化电流或者直轴电枢电流在线调节，从而调节气隙磁场，使得电机高效率运行。并不像传统的永磁电机弱磁运行时需要施加持续的直轴电流，由于所采用的永磁材料的特性，施加短时的脉冲电流即可改变永磁体的磁化状态，方便的调节气隙磁场。
轴向磁场磁通切换电机，定子和转子采用双凸极结构，永磁体和电枢绕组都置于定子上，转子上既无绕组也无永磁体，机构非常简单。近年来得到了国内外学者的广泛关注。传统磁通切换电机双凸极结构使得齿槽转矩较大，转矩性能较差。磁通切换电机采用定子永磁结构，作为永磁电机同样存在气隙磁场难以调节的问题。当电机低速低转矩运行时，电机铁耗较大；当电机高速运行时，传统的方法采用直轴去磁电流或者单独的弱磁绕组来维持弱磁运行，跟其他类型的永磁电机一样，存在较大弱磁损耗的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机，可以根据负载和转速通过直流磁化绕组在线调节低矫顽力永磁体的磁化状态以调节气隙磁场，此混合永磁记忆电机能够在较大的速度范围内保持较高输出功率，同时有较高的效率。转子齿采用面向定子的两个表面对称设置有沿径向的转子齿凹槽的结构，或者转子齿采用径向分段设计的结构，降低齿槽转矩改善电机的转矩性能。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机，包括两个凸极结构的定子和一个凸极结构的转子，两个定子的结构相同，分别记为第一定子和第二定子，两个定子位置相对设置，转子同轴设置在两个定子之间；
所述定子包括6n个U型导磁铁心，6n个U型导磁铁心均匀布置形成圆环形，U型导磁铁心的开口朝向转子，相邻两个U型导磁铁心之间存在间隙；将间隙沿轴向分为三段区间，靠近定子轭的两段区间放置两个永磁体，两个永磁体分别为高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体，其中高矫顽力永磁体位于靠近转子的一侧，低矫顽力永磁体位于靠近定子轭的一侧，将靠近转子的一段区间称为直流磁化线圈槽；相邻两个U型导磁铁心相邻的两个侧边及中间的两个永磁体构成一个定子齿，每个U型导磁铁心的凹槽构成一个定子槽；穿过一个U型导磁铁心两侧的两个直流磁化线圈槽，环绕每一个U型导磁铁心缠绕一组直流磁化线圈，6n组直流磁化线圈串联或并联形成直流磁化绕组，同一直流磁化线圈槽内的直流磁化线圈边中的电流流向相同，相邻两个直流磁化线圈槽内的直流磁化线圈边中的电流流向相反；穿过相邻两个定子槽，环绕每个定子齿缠绕一组集中绕组线圈，6n组集中绕组线圈分成三组，同相集中绕组线圈串联，形成三相电枢绕组；
同一定子上，高矫顽力永磁体沿周向充磁，沿定子周向相邻高矫顽力永磁体充磁方向相反，即高矫顽力永磁体沿周向交替充磁；同一定子齿上，低矫顽力永磁体的初始磁化方向与高矫顽力永磁体充磁方向相同；不同定子上，对应位置的高矫顽力永磁体的充磁方向相反，对应位置的低矫顽力永磁体的充磁方向相反；
所述转子包括一个非导磁圆环和5n个转子齿，5n个转子齿均匀布置在非导磁圆环的周侧形成圆环形，相邻转子齿之间存在间隙。
本案中，单独设置了一直流磁化绕组，可以用于改变低矫顽力永磁体的磁化状态，具体为：通过直流磁化绕组施加脉冲磁化电流可以在线动态调节低矫顽力永磁体的磁化状态，从而改变气隙磁场；去除磁化电流，低矫顽力永磁体能够保持施加磁化电流后的磁化状态，实现变磁通和记忆的目的。
优选的，所述转子齿采用面向定子的两个表面对称设置有沿径向的转子齿凹槽的结构，或者转子齿采用径向分段设计的结构；径向分段设计的结构具体为：转子齿为轴对称结构，对称轴在非导磁圆环的半径方向上，沿对称轴将转子齿分为若干圆弧段，相邻两个圆弧段的弧度不等。对于转子齿凹槽的结构，转子齿凹槽沿径向延伸，通过优化转子齿凹槽的数量和尺寸，可以使电机达到最佳的转矩性能；对于径向分段设计的结构，通过优化分段数量和分段转子齿的尺寸参数，可以使电机达到最佳的转矩性能。
优选的，所述高矫顽力永磁体采用钕铁硼永磁体，所述低矫顽力永磁体采用铝镍钴永磁体或钐钴永磁体；所述转子齿由硅钢片叠压而成。
有益效果：本发明提供的轴向磁场磁通切换型记忆电机，具有如下优势：1、电机单独设置直流磁化绕组，不需电枢绕组兼做磁化绕组，通过施加直流磁化脉冲改变低矫顽力永磁体的磁化状态，调节气隙磁场；2、采用高矫顽力和低矫顽力永磁体混合励磁，使得电机能够保持较高的功率密度；3、低矫顽力永磁体的存在使得气隙磁场连续可调，使得电机有较大的运行范围和较高的效率；4、通过施加磁化脉冲，改变永磁体的磁化状态，脉冲结束后永磁体可维持此磁化状态，也即记忆此磁化状态，因此不需要施加持续的去磁电流，弱磁损耗小；5、采用转子齿凹槽或者分段转子齿结构，能够有效改善电机的转矩性能，降低齿槽转矩引起的噪声和震动的影响。
附图说明
图1为双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机结构示意图；
图2为凹槽转子齿结构示意图；
图3为分段转子齿结构示意图；
图4为转子在图示位置时正向磁化低矫顽力永磁体原理图，其中灰实线为直流磁化磁通路径，虚线为低矫顽力永磁体磁通路径，点划线为高矫顽力永磁体磁通路径；
图5为转子在图示位置时反向磁化低矫顽力永磁体原理图，其中灰实线为直流磁化磁通路径，虚线为低矫顽力永磁体磁通路径，点划线为高矫顽力永磁体磁通路径。
其中：第一定子1、第二定子2、转子3、高矫顽力永磁体4、低矫顽力永磁体5、U型定子铁心6、定子槽7、直流磁化线圈槽8、交流集中绕组线圈9、直流磁化线圈10、转子齿11、非导磁圆环12、凹槽转子齿13、分段转子齿14、电机平面展开图高矫顽力永磁体磁化方向15、电机平面展开图低矫顽力永磁体磁化方向16、高矫顽力永磁体磁通路径17、低矫顽力永磁体磁通路径18、直流磁化磁通路径19、转子齿凹槽20、转子齿分段21。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机，包括两个凸极结构的定子和一个凸极结构的转子3，两个定子的结构相同，分别记为第一定子1和第二定子2，两个定子位置相对设置，转子3同轴设置在两个定子之间。
所述定子包括6n个U型导磁铁心6，6n个U型导磁铁心6均匀布置形成圆环形，U型导磁铁心6的开口朝向转子3，相邻两个U型导磁铁心6之间存在间隙；将间隙沿轴向分为三段区间，靠近定子轭的两段区间放置两个永磁体，两个永磁体分别为高矫顽力永磁体4和低矫顽力永磁体5，其中高矫顽力永磁体4位于靠近转子的一侧，低矫顽力永磁体5位于靠近定子轭的一侧，将靠近转子的一段区间称为直流磁化线圈槽8；相邻两个U型导磁铁心6相邻的两个侧边及中间的两个永磁体构成一个定子齿，每个U型导磁铁心6的凹槽构成一个定子槽7。穿过一个U型导磁铁心6两侧的两个直流磁化线圈槽8，环绕每一个U型导磁铁心6缠绕一组直流磁化线圈10，6n组直流磁化线圈10串联或并联形成直流磁化绕组，同一直流磁化线圈槽8内的直流磁化线圈10边中的电流流向相同，相邻两个直流磁化线圈槽8内的直流磁化线圈10边中的电流流向相反。穿过相邻两个定子槽7，环绕每个定子齿缠绕一组集中绕组线圈9，每个U型导磁铁心6围成的定子槽7中并排有两个集中绕组线圈9边；6n组集中绕组线圈9分成三组，同相集中绕组线圈9串联，形成三相电枢绕组。
同一定子上，高矫顽力永磁体4沿周向充磁，沿定子周向相邻高矫顽力永磁体4充磁方向相反，即高矫顽力永磁体4沿周向交替充磁；同一定子齿上，低矫顽力永磁体5的初始磁化方向与高矫顽力永磁体4充磁方向相同，低矫顽力永磁体5的磁化状态可通过直流磁化电流改变；不同定子上，对应位置的高矫顽力永磁体4的充磁方向相反，对应位置的低矫顽力永磁体5的充磁方向相反。
所述转子3包括一个非导磁圆环12和5n个转子齿11，5n个转子齿11均匀布置在非导磁圆环12的周侧形成圆环形，相邻转子齿11之间存在间隙。凸极结构的转子3缺点是齿槽转矩大，为了改善电机的转矩性能，转子3采用以下改进结构：结构一、转子齿11采用面向定子的两个表面对称设置有沿径向的转子齿凹槽的结构，转子齿凹槽沿径向延伸，通过优化转子齿凹槽的数量和尺寸，使电机转矩性能达到最佳，称该结构的转子齿为凹槽转子齿13，如图2所示；结构二、转子齿11采用径向分段设计的结构，径向分段设计的结构具体为：转子齿11为轴对称结构，对称轴在非导磁圆环12的半径方向上，沿对称轴将转子齿11分为若干圆弧段，相邻两个圆弧段的弧度不等，通过优化分段数量和每段的尺寸参数，使电机转矩性能达到最佳，称该结构的转子齿为分段转子齿14，如图3所示。
所述高剩磁、高矫顽力永磁体4采用钕铁硼永磁体，所述高剩磁、低矫顽力永磁体5采用铝镍钴永磁体或钐钴永磁体；所述转子齿11由硅钢片叠压而成，结构简单。
上述结构电机的磁化原理-路径描述、永磁体厚度配合的限定：为保证低矫顽力永磁体5能够提供较大的磁通，也即永磁体维持在较高的工作点，低矫顽力永磁体5的磁导系数要大于10，因此低矫顽力永磁体5的厚度一般要大于高矫顽力永磁体4的厚度，两者厚度之比与所采用的永磁体的矫顽力相关。
上述电机的工作原理：磁通切换型混合永磁记忆电机工作原理和一般磁通切换电机工作原理相同，此处仅解释记忆电机原理。记忆电机跟采用的永磁材料的特性有关，通过给直流磁化绕组施加脉冲电流可以将永磁体正向磁化或者反向磁化，去除去磁脉冲，永磁体能够一直保持其磁化状态。当电机运行于额定点时，低矫顽力永磁体5磁化方向和同径向的高矫顽力永磁体4相同，如图4所示，施加图示方向的脉冲磁化电流正向完全磁化低矫顽力永磁体5，这时可以得到最大的气隙磁场；当轻载或者电机高速运转时，需要降低气隙磁场，此时就需要反向磁化低矫顽力永磁体5，如图5所示，施加图示方向的脉冲电流反向磁化低矫顽力永磁体5产生反向磁通以抵消高矫顽力永磁体4产生的磁通。基于低矫顽力永磁体5的记忆特性，当去除直流磁化脉冲后，永磁体能够“记忆”其磁化状态，以维持所需的磁通输出。因此此电机可以根据负载和转速通过直流磁化脉冲在线调节永磁体的磁化状态，改变气隙磁场，此变记忆电机能够在较大的速度范围内保持较高输出功率，同时有较高的效率。
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 (3)

1.一种双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机，其特征在于：包括两个凸极结构的定子和一个凸极结构的转子(3)，两个定子的结构相同，分别记为第一定子(1)和第二定子(2)，两个定子位置相对设置，转子(3)同轴设置在两个定子之间；
所述定子包括6n个U型导磁铁心(6)，6n个U型导磁铁心(6)均匀布置形成圆环形，U型导磁铁心(6)的开口朝向转子(3)，相邻两个U型导磁铁心(6)之间存在间隙；将间隙沿轴向分为三段区间，靠近定子轭的两段区间放置两个永磁体，两个永磁体分别为高矫顽力永磁体(4)和低矫顽力永磁体(5)，其中高矫顽力永磁体(4)位于靠近转子的一侧，低矫顽力永磁体(5)位于靠近定子轭的一侧，将靠近转子的一段区间称为直流磁化线圈槽(8)；相邻两个U型导磁铁心(6)相邻的两个侧边及中间的两个永磁体构成一个定子齿，每个U型导磁铁心(6)的凹槽构成一个定子槽(7)；穿过一个U型导磁铁心(6)两侧的两个直流磁化线圈槽(8)，环绕每一个U型导磁铁心(6)缠绕一组直流磁化线圈(10)，6n组直流磁化线圈(10)串联或并联形成直流磁化绕组，同一直流磁化线圈槽(8)内的直流磁化线圈(10)边中的电流流向相同，相邻两个直流磁化线圈槽(8)内的直流磁化线圈(10)边中的电流流向相反；穿过相邻两个定子槽(7)，环绕每个定子齿缠绕一组集中绕组线圈(9)，6n组集中绕组线圈(9)分成三组，同相集中绕组线圈(9)串联，形成三相电枢绕组；
同一定子上，高矫顽力永磁体(4)沿周向充磁，沿定子周向相邻高矫顽力永磁体(4)充磁方向相反，即高矫顽力永磁体(4)沿周向交替充磁；同一定子齿上，低矫顽力永磁体(5)的初始磁化方向与高矫顽力永磁体(4)充磁方向相同；不同定子上，对应位置的高矫顽力永磁体(4)的充磁方向相反，对应位置的低矫顽力永磁体(5)的充磁方向相反；
所述转子(3)包括一个非导磁圆环(12)和5n个转子齿(11)，5n个转子齿(11)均匀布置在非导磁圆环(12)的周侧形成圆环形，相邻转子齿(11)之间存在间隙。
2.根据权利要求1所述的双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机，其特征在于：所述转子齿(11)采用面向定子的两个表面对称设置有沿径向的转子齿凹槽的结构，或者转子齿(11)采用径向分段设计的结构；径向分段设计的结构具体为：转子齿(11)为轴对称结构，对称轴在非导磁圆环(12)的半径方向上，沿对称轴将转子齿(11)分为若干圆弧段，相邻两个圆弧段的弧度不等。
3.根据权利要求1所述的双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机，其特征在于：所述高矫顽力永磁体(4)采用钕铁硼永磁体，所述低矫顽力永磁体(5)采用铝镍钴永磁体或钐钴永磁体；所述转子齿(11)由硅钢片叠压而成。
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