CN104617727A - 一种双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机 - Google Patents
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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；两定子中其中一个定子只采用钕铁硼永磁体，另外一个定子只采用铝镍钴永磁体，单个定子上永磁体沿周向交替充磁，两个定子相对位置永磁体充磁方向相反，两种永磁在磁路上为串联结构。其中采用钕铁硼永磁体的定子用于产生恒定磁通，其中采用铝镍钴永磁体的定子产生可变磁通用于调节气隙磁场。本发明提出采用串联结构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。
Description
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具有较高转矩密度和较大的恒功率运行区间，同时恒功率运行具有有较高的效率。
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，包括第一定子1、第二定子2和转子3；所述第一定子1、第二定子2和转子3均采用凸极，并且两个定子的结构相同，位置相对设置；所述转子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5，6n个U型导磁铁心5均匀布置形成圆环形，U型导磁铁心5的开口朝向转子3，相邻两个U型导磁铁心5之间存在间隙；将间隙沿轴向分为两段区间，永磁体紧邻U型导磁铁心5嵌放于靠近定子轭的一段区间；第一定子1中的所有间隙设置高矫顽力永磁体钕铁硼6，第二定子2中的所有间隙设置低矫顽力永磁体铝镍钴7；相邻两个U型导磁铁心5齿部构成一个定子齿，每个U型导磁铁心5的凹槽构成一个定子槽10；，将靠近转子的一段区间称为直流磁化线圈槽11，环绕每一个U型导磁铁心5缠绕一组直流磁化线圈8，并且其直流磁化线圈8位于一个U型导磁铁心5两侧的两个直流磁化线圈槽11，6n组直流磁化线圈8串联或并联形成直流磁化绕组，同一直流磁化线圈槽11内的直流磁化线圈8边中的电流流向相同，相邻两个直流磁化线圈槽11内的直流磁化线圈8边中的电流流向相反；环绕每个定子齿缠绕一组集中绕组线圈9，并且集中绕组线圈9穿过相邻两个定子槽10，6n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，永磁体沿周向充磁，相邻永磁体充磁方向相反，不同定子上，相对应位置上永磁体充磁方向和所述定子上永磁体充磁方向相反。
所述转子3包括一个非导磁圆环12和5n个转子齿4，5n个转子齿4均匀布置在非导磁圆环12的周侧形成圆环形，相邻转子齿4之间存在间隙。
进一步的，所述高矫顽力永磁体6采用钕铁硼永磁体，所述低矫顽力永磁体7采用铝镍钴永磁体或钐钴永磁体；所述转子齿4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。
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为转子在图示位置时低矫顽力永磁体正向饱和磁化时磁通路径图，箭头大小代表磁通的幅值；
图3为转子在图示位置时低矫顽力永磁体部分磁化时磁通路径图，箭头大小代表磁通的幅值；
其中：第一定子1、第二定子2、转子3、转子齿4、U型定子铁心5、低矫顽力永磁体6、高矫顽力永磁体7、直流磁化线圈8、交流集中绕组线圈9、定子槽10、直流磁化线圈槽11、非导磁圆环12。
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，包括第一定子1、第二定子2和转子3；第一定子1、第二定子2和转子3均采用凸极，并且两个定子的结构相同，位置相对设置；转子3同轴设置在两个定子之间；
定子包括6n个U型导磁铁心5，6n个U型导磁铁心5均匀布置形成圆环形，U型导磁铁心5的开口朝向转子3，相邻两个U型导磁铁心5之间存在间隙；将间隙沿轴向分为两段区间，永磁体紧邻U型导磁铁心5嵌放于靠近定子轭的一段区间；第一定子1中的所有间隙设置高矫顽力永磁体钕铁硼6，即图1中A所在的位置，第二定子2中的所有间隙设置低矫顽力永磁体铝镍钴7，即图2中B所在的位置；相邻两个U型导磁铁心5齿部构成一个定子齿，每个U型导磁铁心5的凹槽构成一个定子槽10；，将靠近转子的一段区间称为直流磁化线圈槽11，环绕每一个U型导磁铁心5缠绕一组直流磁化线圈8，并且其直流磁化线圈8位于一个U型导磁铁心5两侧的两个直流磁化线圈槽11，6n组直流磁化线圈8串联或并联形成直流磁化绕组，同一直流磁化线圈槽11内的直流磁化线圈8边中的电流流向相同，相邻两个直流磁化线圈槽11内的直流磁化线圈8边中的电流流向相反；环绕每个定子齿缠绕一组集中绕组线圈9，并且集中绕组线圈9穿过相邻两个定子槽10，6n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，永磁体沿周向充磁，相邻永磁体充磁方向相反，不同定子上，相对应位置上永磁体充磁方向和所述定子上永磁体充磁方向相反。
转子3包括一个非导磁圆环12和5n个转子齿4，5n个转子齿4均匀布置在非导磁圆环12的周侧形成圆环形，相邻转子齿4之间存在间隙。
高矫顽力永磁体6采用钕铁硼永磁体，低矫顽力永磁体7采用铝镍钴永磁体或钐钴永磁体；所述转子齿4由硅钢片叠压而成，结构简单。
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特性有关，通过给直流磁化绕组施加脉冲电流可以将低矫顽力永磁体正向磁化或者反向磁化，去除去磁脉冲，低矫顽力永磁体能够一直保持其磁化状态。串联结构的两永磁体，高矫顽力永磁体作为恒定磁通源，低矫顽力永磁体作为变磁通源，通过调节低矫顽力永磁体的磁化状态可在线调节气隙磁场。当电机运行于额定点时，正向饱和磁化低矫顽力永磁体7，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，此时就需要降低永磁体的磁化状态，如图3所示，永磁体处于部分磁化状态，两永磁体产生的气隙磁场较小。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的转矩密度，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 (2)
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：包括第一定子(1)、第二定子(2)和转子(3)；所述第一定子(1)、第二定子(2)和转子(3)均采用凸极，并且两个定子的结构相同，位置相对设置；所述转子(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(5)，6n个U型导磁铁心(5)均匀布置形成圆环形，U型导磁铁心(5)的开口朝向转子(3)，相邻两个U型导磁铁心(5)之间存在间隙；将间隙沿轴向分为两段区间，永磁体紧邻U型导磁铁心(5)嵌放于靠近定子轭的一段区间；第一定子(1)中的所有间隙设置高矫顽力永磁体钕铁硼(6)，第二定子(2)中的所有间隙设置低矫顽力永磁体铝镍钴(7)；相邻两个U型导磁铁心(5)齿部构成一个定子齿，每个U型导磁铁心(5)的凹槽构成一个定子槽(10)；，将靠近转子的一段区间称为直流磁化线圈槽(11)，环绕每一个U型导磁铁心(5)缠绕一组直流磁化线圈(8)，并且其直流磁化线圈(8)位于一个U型导磁铁心(5)两侧的两个直流磁化线圈槽(11)，6n组直流磁化线圈(8)串联或并联形成直流磁化绕组，同一直流磁化线圈槽(11)内的直流磁化线圈(8)边中的电流流向相同，相邻两个直流磁化线圈槽(11)内的直流磁化线圈(8)边中的电流流向相反；环绕每个定子齿缠绕一组集中绕组线圈(9)，并且集中绕组线圈(9)穿过相邻两个定子槽(10)，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，永磁体沿周向充磁，相邻永磁体充磁方向相反，不同定子上，相对应位置上永磁体充磁方向和所述定子上永磁体充磁方向相反。
所述转子(3)包括一个非导磁圆环(12)和5n个转子齿(4)，5n个转子齿(4)均匀布置在非导磁圆环(12)的周侧形成圆环形，相邻转子齿(4)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：所述高矫顽力永磁体(6)采用钕铁硼永磁体，所述低矫顽力永磁体(7)采用铝镍钴永磁体或钐钴永磁体；所述转子齿(4)由硅钢片叠压而成。
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