CN104617726B - 一种永磁交错式轴向磁场磁通切换型记忆电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种永磁交错式轴向磁场磁通切换型记忆电机,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;定子包括U型导磁铁心、永磁体、三相电枢绕组和直流磁化绕组;永磁体包含高矫顽力永磁体A和低矫顽力永磁体B;铁心和永磁体沿周向交替放置,围成圆环状;两种永磁体交替放置,且相邻永磁体充磁方向相反,两定子相对应位置永磁体充磁方向相反;柱状转子齿沿周向均匀布置于非导磁环形转轴上;该记忆电机采用混合永磁的励磁方式,具有较高的转矩密度,通过调节低矫顽力永磁体磁化水平进行弱磁,提高了记忆电机的弱磁能力和恒功率运行效率。

Description

一种永磁交错式轴向磁场磁通切换型记忆电机
技术领域
[0001] 本发明涉及一种永磁交错式轴向磁场磁通切换型记忆电机。
背景技术
[0002] 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,这些装置中的电机需要变速运行,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,将一直维持其磁化水平。
[0003] 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水 平能够根据负载和转速,通过脉冲磁化电流或者直轴脉冲电枢电流在线调节,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,通过施加短时的脉冲电流即可改变永磁体的磁化水平, 高效的调节气隙磁场。
[0004] 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
[0005]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种永磁交错式轴向磁 场磁通切换型记忆电机,采用交错放置的混合永磁励磁,具有较高的转矩密度,可根据负载 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水平,从而调节气隙磁场,提高 了电机的弱磁能力和恒功率运行效率。
[0006]技术方案:为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
[0007] —种永磁交错式轴向磁场磁通切换型记忆电机,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;
[0008] 所述一侧定子包括6n个U型导磁铁心8,6n个U型导磁铁心8均匀布置形成圆环形,U 型导磁铁心8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;在间隙中沿圆周方 向间隔嵌放高矫顽力永磁体A4和低矫顽力永磁体B5,并且所述低矫顽力永磁体和高矫顽力 永磁体与U形导磁铁心8沿轴向长度相同;永磁体沿周向充磁且相邻永磁体充磁方向相反; 相邻两个U型导磁铁心8相邻的两个侧边及中间嵌放的永磁体构成一个定子齿,每个U型导 磁铁心8的凹槽构成一个定子槽9;每个高矫顽力永磁体A4所在的定子齿上绕制有集中绕组 线圈6,每个低矫顽力永磁体B5所在的定子齿上绕制有直流磁化线圈7;所有直流磁化线圈7 串联或并联形成直流磁化绕组,所有集中绕组线圈9分成三组,各组集中绕组线圈6串联形 成三相电枢绕组;第一定子1和第二定子2相对设置,且两相对定子对应位置处采用相同永 磁体,对应位置永磁体充磁方向相反;对应定子齿上绕有相同的线圈,且具有相同的连接方 式;
[0009] 所述转子3包括一个非导磁转轴11和5n ± k个转子齿10,k为非负整数,5n ± k个转 子齿10均匀布置在非导磁转轴11的周侧形成圆环形,相邻转子齿10之间存在间隙。
[0010] 进一步的,所述高矫顽力永磁体A4采用钕铁硼永磁体,所述低矫顽力永磁体B5采 用招镍钴永磁体或杉钴永磁体。
[0011] 进一步的,所述转子齿10由硅钢片叠压而成。
[0012] 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,可以用于改变低矫顽力永磁体的磁化水平,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水平,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水平,实现变磁通和记忆 的目的。不需电枢绕组兼做磁化绕组,降低了对电枢绕组的要求,通过施加脉冲磁化电流改 变低矫顽力永磁体的磁化水平,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, 使得电机有较大的恒功率运行范围;4、通过施加脉冲磁化电流,改变永磁体的磁化水平,脉 冲结束后永磁体可维持此磁化水平,也即记忆此磁化水平,因此不需要施加持续的去磁电 流,弱磁损耗小。
附图说明
[0013] 图1为永磁交错式轴向磁场磁通切换型记忆电机结构示意图;
[0014] 图2为记忆电机增磁运行方式示意图;
[0015]图3为记忆电机弱磁运行方式示意图;
[0016]其中:第一定子1、第二定子2、转子3、高矫顽力永磁体A4、低矫顽力永磁体B5、直流 磁化线圈6、交流集中绕组线圈7、U型导磁铁心8、定子槽9、转子齿10、非导磁转轴11。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0018] 如图1所示为一 12/11极永磁交错式轴向磁场磁通切换型记忆电机,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。
[0019]所述一侧定子包括12fU型导磁铁心8,12fu型导磁铁心8均匀布置形成圆环形,u 型导磁铁心8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;在间隙中沿圆周方 向间隔嵌放高矫顽力永磁体A4和低矫顽力永磁体B5,并且所述低矫顽力永磁体和高矫顽力 永磁体与U形导磁铁心8沿轴向长度相同;同一定子上,永磁体沿周向充磁,相邻永磁体充磁 方向相反,即永磁体沿周向交替充磁,如:高矫顽力永磁体A4沿顺时针充磁,则低矫顽力永 磁体B4沿逆时针充磁;不同定子上,对应位置的永磁体采用相同材料的永磁体,且永磁体的 充磁方向相反;相邻两个U型导磁铁心8相邻的两个侧边及中间嵌放的永磁体构成一个定子 齿,每个U型导磁铁心8的凹槽构成一个定子槽9;每个高矫顽力永磁体A4所在的定子齿上绕 制有集中绕组线圈6,每个低矫顽力永磁体B5所在的定子齿上绕制有直流磁化线圈7;所有 直流磁化线圈7串联或并联形成直流磁化绕组,所有集中绕组线圈9分成三组,各组集中绕 组线圈6串联形成三相电枢绕组;第一定子1和第二定子2相对设置,且两相对定子对应位置 处采用相同永磁体,对应位置永磁体充磁方向相反;对应定子齿上绕有相同的线圈,且具有 相同的连接方式;
[0020]转子3包括一个非导磁转轴11和11个转子齿1〇。11个转子齿1〇均匀布置在非导磁 转轴11的周侧形成圆环形,相邻转子齿10之间存在间隙。高矫顽力永磁体A4采用钕铁硼永 磁体,低矫顽力永磁体B5采用铝镍钴永磁体或钐钴永磁体。转子齿1〇由硅钢片叠压而成。 [0021]本案中,单独设置了直流磁化绕组,可以用于改变低矫顽力永磁体B5的磁化水平, 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B5的磁化 水平,从而改变气隙磁场;去除磁化电流,低矫顽力永磁体B5能够保持施加磁化电流后的磁 化水平,实现变磁通和记忆的目的。
[0022]所述高矫顽力永磁体A4采用钕铁硼永磁体,所述低矫顽力永磁体B5采用铝镍钴永 磁体或钐钴永磁体;所述转子齿10由硅钢片叠压而成,结构简单。
[0023]图2为记忆电机增磁运行方式示意图,实线为高矫顽力永磁体A产生的匝链线圈W 的磁通的路径,虚线为低矫顽力永磁体B产生的匝链线圈W的磁通的路径,箭头的大小代表 磁通的幅值;图3为记忆电机弱磁运行方式示意图,实线为高矫顽力永磁体A产生的匝链线 圈W的磁通的路径,虚线为低矫顽力永磁体B产生的匝链线圈W的磁通的路径,箭头的大小代 表磁通的幅值。
[0024]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。记忆电机跟采用的低矫顽力永磁材料的非线 性特性有关,通过给直流磁化绕组施加反向脉冲磁化电流可以将永磁体低矫顽力永磁体去 磁,永磁体工作于较低的磁化水平,去除去磁脉冲,永磁体能够一直维持其磁化水平;通过 给直流磁化绕组施加正向脉冲磁化电流,永磁体能够恢复其磁化水平。当电机额定运行时, 低矫顽力永磁体B5具有最高的磁化水平,如图2所示,其产生的最大磁通和高矫顽力永磁体 磁通叠加,共同产生最大的气隙磁场;当轻载或者电机高速运转时,需要降低气隙磁场,通 过施加直流磁化脉冲电流,降低低矫顽力永磁体的磁化水平,如图3所示,低矫顽力永磁体 产生的磁通减少,降低了气隙磁场。当去除脉冲磁化电流后,永磁体能够“记忆”其磁化水 平,以维持所需的磁通输出。需要较大的气隙磁场时,需要重新给低矫顽力永磁体正向充 磁,提高其磁化水平。因此通过直流磁化脉冲电流可在线调节气隙磁场,磁场调节范围大、 损耗小,提高了此记忆电机弱磁能力和恒功率运行效率。
[0025]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. 一种永磁交错式轴向磁场磁通切换型记忆电机,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; 所述一侧定子包括6n个U型导磁铁心(8),此个U型导磁铁心⑻均匀布置形成圆环形,U 型导磁铁心(8)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;在间隙中沿 圆周方向间隔嵌放高矫顽力永磁体(A4)和低矫顽力永磁体(B5),并且所述低矫顽力永磁体 和高矫顽力永磁体与U形导磁铁心(8)沿轴向长度相同;同一定子上,永磁体沿周向充磁,相 邻永磁体充磁方向相反;相邻两个U型导磁铁心(8)相邻的两个侧边及中间嵌放的永磁体构 成一个定子齿,每个U型导磁铁心⑻的凹槽构成一个定子槽(9);每个高矫顽力永磁体(A4) 所在的定子齿上绕制有集中绕组线圈(6),每个低矫顽力永磁体(B5)所在的定子齿上绕制 有直流磁化线圈(7);所有直流磁化线圈(7)串联或并联形成直流磁化绕组,所有集中绕组 线圈⑼分成三组,各组集中绕组线圈(6)串联形成三相电枢绕组;第一定子(1)和第二定子 (2)相对设置,且两相对定子对应位置处采用相同永磁体,对应位置永磁体充磁方向相反; 对应定子齿上绕有相同的线圈,且具有相同的连接方式; 所述转子⑶包括一个非导磁转轴(11)和5n±k个转子齿(10),k为非负整数,5n±k个 转子齿(10)均匀布置在非导磁转轴(11)的周侧形成圆环形,相邻转子齿(10)之间存在间 隙。
2.根据权利要求1所述的一种永磁交错式轴向磁场磁通切换型记忆电机,其特征在于: 所述高矫顽力永磁体(A4)采用钕铁硼永磁体,所述低矫顽力永磁体(B5)采用铝镍钴永磁体 或杉钴永磁体。
3.根据权利要求1所述的一种永磁交错式轴向磁场磁通切换型记忆电机,其特征在于: 所述转子齿(1〇)由硅钢片叠压而成。
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