CN105141092A - 一种磁齿轮型双定子混合永磁记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁齿轮型双定子混合永磁记忆电机，该电机包括同轴设置由外至内依次套接的外定子、转子和内定子；外定子包括电枢铁心齿、定子轭和设于电枢铁心齿上的电枢绕组，内定子包括开有内槽的内定子铁心、钕铁硼永磁、铝镍钴永磁以及置于内定子内槽的脉冲调磁绕组，两种共同励磁的永磁体呈“U”形设置；内定子上的单种永磁体的个数与外侧定子电枢齿数相等；转子整体呈环形杯状结构，转子铁块固定于不导磁环氧树脂套筒内，转子铁块之间通过导磁桥连接。本发明解决了传统单定子内励磁源多，空间上相互牵制，转矩密度较低的弱点，并通过双定子混合永磁的设置以实现高功率密度，且施加脉冲电流调节永磁体剩余磁化强度和磁化方向，实现电机磁场高效调节，提高转速运行范围。

Description

一种磁齿轮型双定子混合永磁记忆电机

技术领域

本发明涉及一种可调磁通永磁电机，具体涉及一种磁齿轮型双定子混合永磁记忆电机。

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。传统的PMSM均采用直轴电流进行弱磁调速，但是由于逆变器容量限制以及永磁不可逆去磁风险的存在而难以实现高效调磁。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，避免了电枢损耗，实现了在线高效调磁。

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。于是人们想到通过设有两种不同材料的永磁共同励磁来提高电机的转矩密度，其中聚磁式钕铁硼永磁提供气隙主磁场，而铝镍钴永磁起到磁场调节器的作用。

近些年来，一种新型的永磁型电机—磁齿轮复合电机由于其卓越的性能受到国内外学者广泛关注。磁齿轮电机具有高转矩密度、效率高和结构简单可靠性高等优点。在永磁同步电机领域，磁齿轮永磁电机在风力发电等领域具有更大的工业价值。

另一方面，近年来，国内哈尔滨工业大学程树康教授、香港大学K.T.Chau教授等率先开展了对适用于混合动力汽车领域直驱ISG系统的双定子永磁无刷电机的研究。由于双定子永磁无刷电机比常规永磁电机能够提供更高的效率和功率密度，因此被尝试应用于混合动力汽车的集成起动/发电机系统等领域，其目的是实现较大速度范围内输出电压保持不变以及获得更大的驱动转矩。

然而，传统磁齿轮电机转子铁心存在着较大磁滞损耗和涡流损耗，而且气隙磁场由钕铁硼永磁体励磁产生，难以调节，限制了其在风力发电和电动汽车宽调速驱动场合的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是传统磁齿轮电机转子铁心存在着较大磁滞损耗和涡流损耗，而且气隙磁场由钕铁硼永磁体励磁产生，难以调节，限制了其在风力发电和电动汽车宽调速驱动场合的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种磁齿轮型双定子混合永磁记忆电机，其特征是：包括由外至内顺次套接并同轴设置的外定子、转子和内定子；外定子包括电枢铁心齿、环状的定子轭部和电枢绕组；电枢铁心齿设置在定子轭部与转子之间，相邻的电枢铁心齿之间形成内凹的间槽，间槽用于置放缠绕于电枢铁心齿上的电枢绕组；转子的环体沿周向间隔布置有一个以上的导磁硅钢的转子铁块，转子铁块之间采用非导磁材料套筒填充，靠近内定子侧有导磁桥用于连接相邻的转子铁块；所述的非导磁套筒内置有轴向铝制螺栓与设置在电机转轴上的转子端盖相连；内定子包括内定子铁心、钕铁硼永磁、铝镍钴永磁和集中脉冲调磁绕组；内定子铁心上内部设有凹槽；切向充磁的的钕铁硼永磁嵌在内定子外层之中，径向充磁的铝镍钴永磁分布于相邻两个凹槽之间，集中脉冲调磁绕组设于凹槽内，并跨绕在铝镍钴永磁上；所述钕铁硼永磁和铝镍钴永磁位置交错排布，两种永磁体数目保持一致，且钕铁硼永磁和铝镍钴永磁均沿内定子周向极性交替分布；所述的内定子通过内定子轴与内定子一侧端盖固定；所述的外定子齿数、钕铁硼永磁数和铝镍钴永磁数均相同，且外定子电枢齿与钕铁硼永磁放置方向保持平齐。

本发明的有益效果是：

本电机将双定子磁齿轮电机与记忆电机有机结合，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。

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。

本电机解决了传统定子励磁型记忆电机定子内励磁源较多，空间上相互牵制大，铝镍钴易产生交叉去磁和转矩密度较低的缺点，使得电机的电磁负荷在空间上得到了分离，电枢绕组空间较之传统型记忆电机得到了大大提升，因此电机的转矩密度得到了显著提升。

本电机加载运行时，电枢反应的磁路较通过“U”型定子铁心和转子铁心闭合，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。

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。

本电机解决了传统定子励磁型记忆电机定子内励磁源较多，空间上相互牵制大，铝镍钴易产生交叉去磁和转矩密度较低的缺点，使得电机的电磁负荷在空间上得到了分离，电枢绕组空间较之传统型记忆电机得到了大大提升，因此电机的转矩密度得到了显著提升。

本发明的电机采用了双定子结构，使得作用于转子上的电磁转矩增加，电机整体的转矩密度和功率密度得到了提高，具有很高的起动转矩。同时由于转子采用了杯形转子，转动惯量小，因此电机的响应快，动态性能好，且本电机可以与混合动力汽车的无级变速驱动系统有机结合，作为起发电机具有较好的工业应用前景。

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2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3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4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5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6为电机的整机结构图；

图中：1外定子、2转子、3内定子、4三相电枢绕组、5钕铁硼永磁、6铝镍钴永磁、7脉冲调磁绕组、1.1外定子铁心齿、1.2外定子轭、1.3外定子槽，2.1转子铁心块，2.2非导磁转子套筒、2.3转子导磁桥，3.1内定子铁心块，3.2内定子槽、3.3内定子转轴，8轴向铝制螺栓，9转子端盖，10内定子端盖，11机壳；图2至图5中实线表示钕铁硼永磁磁力线及方向，点虚线表示铝镍钴永磁磁力线及方向。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明专利作进一步详细的说明：

如图1-6所示，本发明公开了一种磁齿轮型双定子混合永磁记忆电机，该电机包括由外至内顺次套接并同轴设置的外定子1、转子2和内定子3；

外定子1包括电枢铁心齿1.1，环状的定子轭部1.2和电枢绕组4。电枢铁心齿1.1设置在定子轭部1.2与转子2之间，相邻的电枢铁心齿1.1之间形成间槽1.3，用于置放缠绕于电枢铁心齿1.1上的电枢绕组4；

转子2整体呈圆筒杯状，环体周向间隔布置有一个以上的导磁硅钢制作的转子铁块2.1，转子铁块2.1固定于不导磁环氧聚酯套筒2.2内；

内定子3包括开有内槽的内定子铁心3.1、钕铁硼永磁5、铝镍钴永磁6以及置于内定子3内部凹槽3.2的集中脉冲调磁绕组7，矩形平行充磁的钕铁硼永磁5嵌在内定子之间，径向充磁的铝镍钴永磁6分布于相邻两个凹槽之间3.2，集中脉冲调磁绕组7设于凹槽3.2内，并跨绕在铝镍钴永磁6上；钕铁硼永磁5、铝镍钴永磁6数目保持一致，且切向充磁的钕铁硼永磁4在周向极性交替分布，径向充磁的铝镍钴永磁3可双向充去磁，且在周向极性交替分布；

所述的电枢绕组4的线圈数、钕铁硼永磁5数、铝镍钴永磁6数，三者数目相同；

所述电枢铁心齿1.1数、钕铁硼永磁5数、铝镍钴永磁6数，三者数目相同；且电枢铁心齿1.1与钕铁硼永磁5放置方向保持平齐；

所述的转子铁块2.1在周向均匀分布，铁块2.1之间有非导磁材料套筒2.2填充，靠近内定子侧有导磁桥2.3用于连接转子铁块2.1，以起到增加机械强度的作用；

所述的内定子3通过内定子轴3.3与内定子一侧端盖10固定；所述的非导磁套筒2.2内置有轴向铝制螺栓8与设置在电机转轴上的转子端盖9相连；

本实施实例的记忆电机采用双边定子，可以使用多种极槽配合，但需要保证单种永磁的个数和外定子铁心齿数相等；且永磁励磁和电枢磁场分布在外内两个定子里，使得铝镍钴永磁因定子铁心饱和去磁的问题得到了有效解决，且内定子的永磁体离电枢绕组较远，使得高温去磁的风险大大降低。

本发明公开的一种磁通切换型混合永磁记忆电机的运行原理如下：

本实例的记忆电机的磁路具体为：首先从内定子的永磁的北极到内定子铁心，再穿过转子铁心极到达外定子的电枢齿，再到定子轭，最后依次通过另一相邻的定子齿，转子铁心和内定子铁心达到永磁的南极；与此同时，电机定子绕组里匝链的磁通（磁链）会根据转子铁心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，本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，由钕铁硼和铝镍钴永磁体共同提供气隙磁场，避免了励磁损耗，通过施加脉冲电流产生磁场对铝镍钴永磁体增、去磁以调节气隙磁场大小。当铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁磁通方向一致时，铝镍钴永磁产生的磁通将钕铁硼永磁磁通推向气隙，从而达成增磁的目的；而当铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁磁通方向相反时，两者磁通在定子铁心内部形成回路，即钕铁硼永磁将被铝镍钴永磁大量短路使得气隙磁场磁通密度降低，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。

由于脉冲绕组7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5提供，而铝镍钴永磁体6起到将钕铁硼永磁5产生的磁通推向气隙发挥聚磁增磁作用，或者在定子铁心内部将钕铁硼永磁5产生的磁通短路起到弱磁增速作用。实际应用中可根据所需的调磁系数，适当选取永磁体的径向厚度，以达到气隙磁场的最优化在线调节。

具体来说，当该电机的工业应用场合要求低速大转矩，如电动汽车起动爬坡，风力发电等场合时，可以通过脉冲调磁绕组对铝镍钴永磁进行充磁以增大电机的出力；另一方面，当应用场合为高速低转矩场合，如洗衣机的加速甩干，电动汽车的高速巡航，可以通过施加去磁电流脉冲让铝镍钴永磁发生反向去磁以短路钕铁硼永磁，使得气隙磁通减弱达到“弱磁增速”的效果。

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。

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 (1)

1.一种磁齿轮型双定子混合永磁记忆电机，其特征是：包括由外至内顺次套接并同轴设置的外定子（1）、转子（2）和内定子（3）；

外定子（1）包括电枢铁心齿（1.1）、环状的定子轭部（1.2）和电枢绕组（4）；电枢铁心齿（1.1）设置在定子轭部（1.2）与转子（2）之间，相邻的电枢铁心齿（1.1）之间形成内凹的间槽（1.3），间槽（1.3）用于置放缠绕于电枢铁心齿（1.1）上的电枢绕组（4）；

转子（2）的环体沿周向间隔布置有一个以上的导磁硅钢的转子铁块（2.1），转子铁块（2.1）之间采用非导磁材料套筒（2.2）填充，靠近内定子侧有导磁桥（2.3）用于连接相邻的转子铁块（2.1）；所述的非导磁套筒（2.2）内置有轴向铝制螺栓（8）与设置在电机转轴上的转子端盖（9）相连；

内定子（3）包括内定子铁心（3.1）、钕铁硼永磁（5）、铝镍钴永磁（6）和集中脉冲调磁绕组（7）；内定子铁心（3.1）上开有有凹槽（3.2）集中脉冲调磁绕组（7）设于凹槽（3.2）内，并跨绕在铝镍钴永磁（6）上；切向充磁的的钕铁硼永磁（5）嵌在内定子外层之中，径向充磁的铝镍钴永磁（6）分布于相邻两个凹槽（3.2）之间，所述钕铁硼永磁（5）和铝镍钴永磁（6）位置交错排布，两种永磁体数目保持一致，且钕铁硼永磁（5）和铝镍钴永磁（6）均沿内定子（3）周向极性交替分布；所述的内定子（3）通过内定子轴（3.3）与内定子一侧端盖（10）固定；所述的外定子齿（1.1）数、钕铁硼永磁（5）数和铝镍钴永磁（6）数均相同，且外定子电枢齿（1.1）与钕铁硼永磁（5）放置方向保持平齐。