CN104578659A - 一种磁通切换型并联混合永磁记忆电机 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种磁通切换型并联混合永磁记忆电机，包括定子、转子、不导磁转轴、若干个U型定子铁心、直流磁化线圈和交流集中绕组线圈；U型定子铁心均匀排布形成圆环型，U型定子铁心侧端为定子齿，相邻两个U型定子铁心间存在空隙，空隙与其相邻的定子齿组成凸极；沿径向在每个空隙中设置有低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体，两永磁体磁路上呈并联关系，两永磁体之间存在直流磁化线圈空腔；直流磁化线圈穿过相邻两个直流磁化线圈空腔绕于U型定子铁心上；交流集中绕组线圈绕制在凸极上，形成三相电枢绕组。在直流磁化线圈中施加脉冲电流调节低矫顽力永磁体磁化状态，去掉脉冲电流，低矫顽力永磁体能够保持之前的磁化状态，实现变磁通和记忆的目的。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种电机，具体涉及一种磁通切换型并联混合永磁记忆电机。
背景技术
永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高的特点，因而其应用范围广泛，遍及航天航空、国防、工农业和日常生活的各个领域。随着家用电器和电动汽车广泛采用永磁驱动电机，发展低能耗永磁驱动电机必能够带来显著的经济效益和社会效益。此类永磁驱动电机一般稳态运行时负载转矩较小，而启动时负载转矩较大。传统的永磁驱动电机设计理念是使得电机在额定运行点附近效率较高，然而由于永磁材料的特性，永磁电机气隙磁场难以调节。当低速运行时，较高的磁密使得铁心损耗较大；弱磁扩速时一般持续施加直轴电流分量产生去磁场，达到弱磁扩速的目的，由此会带来额外的弱磁损耗。
传统电机为了电机性能的稳定性，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。这使得传统电机中永磁材料不能被重新磁化，一经充磁在电机的使用寿命期间，将一直保持其磁化状态。
磁通切换永磁电机，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，结构非常简单，近年来得到了国内外学者的广泛关注。定子永磁型电机作为永磁电机同样存在气隙磁场难以调节的问题。当电机低速运行时，电机铁耗较大；当电机弱磁调速时，传统的方法采用直轴脉冲电流或者单独的弱磁绕组来弱磁运行，跟其他类型的永磁电机一样，又存在弱磁损耗大的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种磁通切换型并联混合永磁记忆电机，采用高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体混合励磁，通过直流磁化绕组调节低矫顽力永磁体的磁化状态，从而调节气隙磁场，使得本发明的电机的运行范围大、弱磁损耗小、效率高。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种磁通切换型并联混合永磁记忆电机，包括定子1、转子2、不导磁转轴3、直流磁化线圈7和交流集中绕组线圈8；所述转子2和定子1均采用凸极结构；定子1包括若干个U型定子铁心4，所有U型定子铁心1均匀排布形成圆环型，U型定子铁心4的侧端为定子齿，相邻两个U型定子铁心4之间存在空隙，所述空隙与其相邻的定子齿组成定子1的凸极；沿径向在每个空隙中设置有一个低矫顽力永磁体6和一个高矫顽力永磁体5，低矫顽力永磁体6位于远离轴心的一端，高矫顽力永磁体5位于靠近轴心的一端，低矫顽力永磁体6和高矫顽力永磁体5在磁路上呈并联关系，低矫顽力永磁体6和高矫顽力永磁体5之间存在间隙，将该间隙称为直流磁化线圈空腔9；所述直流磁化线圈7穿过相邻的两个直流磁化线圈空腔9绕于U型定子铁心4上；，所有直流磁化线圈7之间串联或并联；相邻的高矫顽力永磁体5充磁方向相反，沿圆周方向相邻的直流磁化线圈7中的电流流向相反；每个凸极上绕制有一个交流集中绕组线圈8，所有交流集中绕组线圈8分成三组，形成三相电枢绕组，其中每组中的交流集中绕组线圈8串联；低矫顽力永磁体厚度与高矫顽力永磁体的厚度之比为N，其中N为正数并且N>1。
进一步的，所述高矫顽力永磁体5采用钕铁硼永磁体，低矫顽力永磁体6采用铝镍钴永磁体或钐钴永磁体。
进一步的，所述转子2由硅钢片叠压而成。
进一步的，U型定子铁心4设置有6n个，n为正整数。
有益效果：本发明提供的一种磁通切换型并联混合永磁记忆电机：
(1)本发明的记忆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电流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，使得电机能够保持高功率密度。
(3)低矫顽力永磁体的存在使得气隙磁密连续可调，使得电机的运行范围大。通过施加磁化脉冲，改变低矫顽力永磁体的磁化状态，脉冲结束后低矫顽力永磁体可维持此弱磁状态，也即记忆此磁化状态，因此不需要像传统的永磁电机弱磁运行时需要施加持续的直轴去磁电流，来维持去磁效果，本发明弱磁通损耗小、电机效率高。
附图说明
图1为本发明的一种磁通切换型并联混合永磁记忆电机示意图；
图2为转子在某一位置时的正向磁化低矫顽力永磁体原理图；
图3为转子在图2所示位置时的反向磁化低矫顽力永磁体原理图；
图中有：定子1、转子2、不导磁转轴3、U形定子铁心4、高矫顽力永磁体5、低矫顽力永磁体6、直流磁化线圈上7、交流集中绕组线圈8、直流磁化线圈空腔9、定子槽10、转子槽11、高矫顽力永磁体磁通路径12、直流磁化磁通路径13、低矫顽力永磁体磁通路径14、高矫顽力永磁体磁化方向15、低矫顽力永磁体磁化方向16。
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所示的一种磁通切换型并联混合永磁记忆电机，包括定子1、转子2、不导磁转轴3、6n个U型定子铁心4，n为正整数；直流磁化线圈7和交流集中绕组线圈8；转子2和定子1均采用凸极结构；转子2由硅钢片叠压而成；定子1设置在转子2外部，转子2固定于不导磁转轴3上。
定子1包括若干个U型定子铁心4，所有U型定子铁心1均匀排布形成圆环型，U形定子铁心4开口朝向转子；U型定子铁心4的侧端为定子齿(即一个U型定子铁心4有两个定子齿)，相邻两个U型定子铁心4之间存在空隙，所述空隙与其相邻的定子齿组成定子1的凸极；沿径向在每个空隙中设置有一个低矫顽力永磁体6和一个高矫顽力永磁体5，低矫顽力永磁体6位于远离轴心的一端，高矫顽力永磁体5位于靠近轴心的一端，低矫顽力永磁体6和高矫顽力永磁体5在磁路上呈并联关系，低矫顽力永磁体6和高矫顽力永磁体5之间存在间隙，将该间隙称为直流磁化线圈空腔9；直流磁化线圈7穿过相邻的两个直流磁化线圈空腔9绕于U型定子铁心4上；所有直流磁化线圈7之间串联或并联；相邻的高矫顽力永磁体5充磁方向相反，沿圆周方向相邻的直流磁化线圈7中的电流流向相反；每个凸极上绕制有一个交流集中绕组线圈8，即有6n个交流集中绕组线圈8；6n个交流集中绕组线圈8分成三组，形成三相电枢绕组，其中每组中交流集中绕组线圈8串联连接；当n＝1时，即有六个U型定子铁心4，有六个凸极，六个交流集中绕组线圈8；六个线圈共分成三组，每两个线圈组成一相电枢绕组。低矫顽力永磁体厚度与高矫顽力永磁体的厚度之比为N，其中N为正数并且N>1。
本发明的磁通切换型混合永磁记忆电机采用两种不同的永磁体共同励磁，具有高剩磁的高矫顽力永磁体5和具有高剩磁的低矫顽力永磁体6，具有高剩磁的高矫顽力永磁体5一般采用钕铁硼永磁体，而具有高剩磁的低矫顽力永磁体6一般采用铝镍钴永磁体或者钐钴永磁体。
直流磁化线圈串联或并联形成直流磁化绕组，是用于改变低矫顽力永磁体的磁化状态。
相邻高矫顽力永磁体5沿圆周方向切向充磁，且沿圆周方向相邻的高矫顽力永磁体5充磁方向相反。低矫顽力永磁体6和所在同一定子齿内的高矫顽力永磁体5初始充磁方向相同，即初始时同一空隙内的低矫顽力永磁体6和高矫顽力永磁体5的充磁方向相同；高矫顽力的永磁体磁化方向难以改变，低矫顽力永磁体的磁化方向可为双向，即定子齿内的低矫顽力永磁体6的磁化方向可通过直流磁化脉冲电流改变，即可以通过给直流磁化线圈7施加脉冲电流改变，去掉脉冲电流后，低矫顽力永磁体可“记忆”磁化状态。
若为了方便加工，可以将直流磁化线圈7缠绕于U形导磁铁心上预制成一个元件。所有的直流磁化线圈7串联或并联，只需保证相邻的直流磁化线圈中的电流流向相反即可。
磁化的原理—路径描述、永磁体厚度配合：
为保证低矫顽力永磁体磁动势能抵抗高矫顽力永磁体磁动势，低矫顽力永磁体厚度要大于高矫顽力永磁体的厚度，两者厚度之比跟永磁体的矫顽力大小相关，不同的矫顽力对应不同的厚度之比。例如：当在磁路上高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体磁路上成并联关系时，有高矫顽力永磁体厚度hH和低矫顽力永磁体厚度hL之比为：hL/hH≥2HH/HL*Rgap/(2RNd+Rgap)，其中HH为高矫顽力永磁体的矫顽力，HL为低矫顽力永磁体的矫顽力，RNd为高矫顽力永磁体的磁阻，Rgap为气隙的磁阻。由公式可知，厚度之比主要与矫顽力有关，还跟电机的尺寸和气隙尺寸有关。当高矫顽力永磁体矫顽力和低矫顽力永磁体矫顽力分别为1000kA/m和100-500kA/m时，低矫顽力永磁体的厚度为高矫顽力永磁体2～4倍最佳。
此发明所述磁通切换型混合永磁记忆电机工作原理如下：
所述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。记忆电机跟采用的永磁体的特性有关，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，去掉脉冲电流，永磁体能够一直保持其磁化状态。在本发明当电机工作于额定点时，低矫顽力永磁体磁化方向和其相对的高矫顽力永磁体相同，如图2所示，其中黑实线为直流磁化磁通路径13，黑色虚线为低矫顽力永磁体磁通路径14，黑色点划线为高矫顽力永磁体磁通路径12；施加图示方向的脉冲电流正向完全磁化低矫顽力永磁体，低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体产生的磁通互相叠加，可以得到最大的气隙磁密。当轻载或者电机高速运转时，需要降低气隙磁密，此时需要反向磁化低矫顽力永磁体，如图3所示，其中黑实线为直流磁化磁通路径13，黑色虚线为低矫顽力永磁体磁通路径14，黑色点划线为高矫顽力永磁体磁通路径12，施加图示方向的脉冲电流反向磁化低矫顽力永磁体，产生反向磁通以抵消高矫顽力永磁体产生的磁通，从而降低气隙磁密。本发明可以通过脉冲电流连续调节气隙磁密。基于低矫顽力永磁体的记忆特性：当去掉直流磁化脉冲后，低矫顽力永磁体能够“记忆”其磁化状态，以维持所需的磁通输出。因此本发明的电机可以根据负载转矩和转速通过直流磁化脉冲电流在线调节低矫顽力永磁体的磁化状态，不需要像传统的永磁电机弱磁运行时需要施加持续的直轴去磁电流，来维持去磁效果，本发明弱磁通损耗小、电机效率高且电机的输出功率高。
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 (4)
1.一种磁通切换型并联混合永磁记忆电机，其特征在于：包括定子(1)、转子(2)、不导磁转轴(3)、直流磁化线圈(7)和交流集中绕组线圈(8)；所述转子(2)和定子(1)均采用凸极结构；定子(1)包括若干个U型定子铁心(4)，所有U型定子铁心(1)均匀排布形成圆环型，U型定子铁心(4)的侧端为定子齿，相邻两个U型定子铁心(4)之间存在空隙，所述空隙与其相邻的定子齿组成定子(1)的凸极；沿径向在每个空隙中设置有一个低矫顽力永磁体(6)和一个高矫顽力永磁体(5)，低矫顽力永磁体(6)位于远离轴心的一端，高矫顽力永磁体(5)位于靠近轴心的一端，低矫顽力永磁体(6)和高矫顽力永磁体(5)在磁路上呈并联关系，低矫顽力永磁体(6)和高矫顽力永磁体(5)之间存在间隙，将该间隙称为直流磁化线圈空腔(9)；所述直流磁化线圈(7)穿过相邻的两个直流磁化线圈空腔(9)绕于U型定子铁心(4)上；所有直流磁化线圈(7)之间串联或并联；相邻的高矫顽力永磁体(5)充磁方向相反，沿圆周方向相邻的直流磁化线圈(7)中的电流流向相反；每个凸极上绕制有一个交流集中绕组线圈(8)，所有交流集中绕组线圈(8)分成三组，形成三相电枢绕组，其中每组中的交流集中绕组线圈(8)串联；低矫顽力永磁体厚度与高矫顽力永磁体的厚度之比为N，其中N为正数并且N>1。
2.根据权利要求1所述的一种磁通切换型并联混合永磁记忆电机，其特征在于：所述高矫顽力永磁体(5)采用钕铁硼永磁体，低矫顽力永磁体(6)采用铝镍钴永磁体或钐钴永磁体。
3.根据权利要求1所述的一种磁通切换型并联混合永磁记忆电机，其特征在于：所述转子(2)由硅钢片叠压而成。
4.根据权利要求1所述的一种磁通切换型并联混合永磁记忆电机，其特征在于：U型定子铁心(4)设置有6n个，n为正整数。
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