CN105529865B - 分数槽集中绕组记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分数槽集中绕组记忆电机，该分数槽集中绕组记忆电机包括：定子，定子的外轮廓形成为圆形，定子内设有多个沿其周向间隔开布置的定子齿，相邻两个定子齿之间限定出定子槽，相邻两个定子齿的内端相连形成为定子轭部；转子，转子套设在定子的外周，转子上设有转子飞轮和多个磁极，定子槽与磁极的个数比为3:4；转轴，转轴插设在定子内圈；绕组，绕组绕设在定子上。根据本发明实施例的分数槽集中绕组记忆电机，通过将转子设在定子的外周并将槽极比设定为3:4，使得分数槽集中绕组记忆电机具有较优的磁通密度，且便于利用脉冲电流在线调磁，改善了航空重油活塞发动机的起动性能和发电性能。

Description

分数槽集中绕组记忆电机

技术领域

本发明涉及航空技术领域，尤其涉及一种分数槽集中绕组记忆电机。

背景技术

在航空领域，尤其是在无人机与通航领域，航空重油活塞发动机有着广阔的前景。由于航空重油活塞发动机低温起动性能差，运行过程中振动噪音大，功重比提高困难等原因，制约了航空重油活塞发动机性能的进一步提升。考虑到起动机和发电机在工作时间上的非重叠性，以及航空重油活塞发动机的飞轮体积大、质量重，严重制约了其功重比的提高，因此可以将起动机、发电机和惯性飞轮整合成一个电机(ISG飞轮电机)。

由于航空重油活塞发动机的固有特点，要求在起动过程中(0—800rpm)，电机能提供较大的扭矩；当发动机达到稳定状态以后，电机切换成发电机状态，在宽转速范围(800—4000rpm)对飞行器上的电气设备恒压供电。虽然很多学者做出了很多研究，但传统的ISG电机还是存在持续电流增磁/弱磁效率低下，发电机故障灭磁困难，以及难以综合兼顾大扭矩、小起动电流、轻电源等问题。后来德国电机学者奥斯托维奇(Ostovic)教授在2001年提出的记忆电机的概念，国内外很多学者在此方面做了研究，大多是针对双凸极记忆电机，研究了记忆电机的各种特性，这具有很好的借鉴意义。

基于以上背景技术，本发明结合了ISG飞轮电机和记忆电机的优点，很好地改善了航空重油活塞发动机的起动性能和发电性能。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种分数槽集中绕组记忆电机，该分数槽集中绕组记忆电机具有较优的磁通密度，且便于在线调磁，改善了航空重油活塞发动机的起动性能和发电性能。

根据本发明实施例的分数槽集中绕组记忆电机包括：定子，所述定子的外轮廓形成为圆形，所述定子内设有多个沿其周向间隔开布置的定子齿，相邻两个所述定子齿之间限定出定子槽，相邻两个所述定子齿的内端相连形成为定子轭部；转子，所述转子套设在所述定子的外周，所述转子包括转子飞轮和多个磁极，所述定子槽与所述磁极的个数比为3:4；转轴，所述转轴插设在所述定子内圈；绕组，所述绕组绕设在所述定子上。

根据本发明实施例的分数槽集中绕组记忆电机，通过将转子设在定子的外周并将槽极比设定为3:4，使得分数槽集中绕组记忆电机具有较优的磁通密度，且便于利用脉冲电流进行在线调磁，改善了航空重油活塞发动机的起动性能和发电性能。

根据本发明实施例的分数槽集中绕组记忆电机，还具有如下附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述磁极包括第一永磁极和第二永磁极，所述第一永磁极和所述第二永磁极沿所述转子飞轮的周向交替分布地设在所述转子飞轮的内周壁上。

根据本发明的一个实施例，相邻的所述第一永磁极和所述第二永磁极之间设有不导磁介质。

根据本发明的一个实施例，相邻的所述第一永磁极和所述第二永磁极之间设有弧形空槽，所述弧形空槽内填充有所述不导磁介质。

根据本发明的一个实施例，所述不导磁介质为空气。

根据本发明的一个实施例，所述转子还包括：隔磁桥，所述隔磁桥设在所述弧形空槽与所述定子之间。

根据本发明的一个实施例，所述第一永磁极为铝镍钴永磁极，所述第二永磁极为钕铁硼永磁极。

根据本发明的一个实施例，所述定子槽为3n个，所述第一永磁极和所述第二永磁极分别为2n个，其中n为正整数。

根据本发明的一个实施例，所述绕组为三相电枢绕组。

根据本发明的一个实施例，所述分数槽集中绕组记忆电机在线调磁过程中输入两次脉冲电流。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的分数槽集中绕组记忆电机的结构示意图；

图2a是根据本发明一个实施例的铝镍钴永磁极第一次输入脉冲电流进行在线调磁的示意图，不妨假设，初始状态铝镍钴永磁极的剩磁密度为零；

图2b是根据本发明一个实施例的铝镍钴永磁极第一次脉冲电流调磁后的示意图；

图2c是根据本发明一个实施例的铝镍钴永磁极第二次输入脉冲电流进行在线调磁的示意图；

图2d是根据本发明一个实施例的铝镍钴永磁极两次脉冲电流调磁后的调磁效果示意图；

图3是根据本发明一个实施例的分数槽集中绕组记忆电机增磁运行时脉冲电流和磁通路径的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的铝镍钴永磁极一阶磁滞回线与气隙相关线性图；

图5是根据本发明一个实施例的分数槽集中绕组记忆电机弱磁运行时脉冲电流和磁通路径的示意图；

图6a是根据本发明一个实施例的分数槽集中绕组记忆电机在发电机运行模式下遇到意外情况，故障灭磁运行，利用脉冲电流对铝镍钴磁铁反向完全去磁时，脉冲电流和脉冲电流形成的磁通路径示意图；

图6b是根据本发明一个实施例的分数槽集中绕组记忆电机利用脉冲电流对铝镍钴磁铁反向完全去磁，抵消掉钕铁硼磁动势，使得气隙磁通为零时的永磁磁通路径示意图；

图7是根据本发明一个实施例的分数槽集中绕组记忆电机与气缸的安装示意图。

附图标记：

分数槽集中绕组记忆电机100；

定子10；定子齿11；定子槽12；定子轭部13；

转子20；磁极21；转子飞轮22；第一永磁极23；第二永磁极24；隔磁桥25；转轴30；

不导磁介质50；

弧形空槽60；

绕组70；

脉冲电流80；

磁通路径90；

气隙d；

气缸200。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图具体描述根据本发明实施例的分数槽集中绕组记忆电机100。

如图1所示，分数槽集中绕组记忆电机100大体可以包括：定子10、转子20、转轴30和绕组70。

具体地，定子10的外轮廓形成为圆形，定子10内设有多个沿其周向间隔开布置的定子齿11。相邻两个定子齿11之间限定出定子槽12。相邻两个定子齿11的内端相连形成为定子轭部13。转子20套设在定子10的外周，转子20上包括转子飞轮22和多个磁极21，定子槽12与磁极21的个数比为3:4，以下简称为槽极比。转轴30插设在在定子10内圈。绕组70绕设在定子10上。

发明人研究发现，槽极比太大，则每个磁极21分配到的定子齿11截面积太大，降低了气隙d的磁通密度；槽极比太小，则完成所有磁极21的在线均匀调磁需要更多的循环。综合考虑磁通密度与在线调磁的便利性，槽极比为3/4是较优的选择。

由此，根据本发明实施例的分数槽集中绕组记忆电机100，通过将转子20设在定子10的外周并将槽极比设定为3:4，使得分数槽集中绕组记忆电机100具有较优的磁通密度，且便于利用脉冲电流在线调磁，改善了航空重油活塞发动机的起动性能和发电性能。

在本发明的一些实施例中，转子20可以包括：第一永磁极23和第二永磁极24。

具体地，如图1所示，转子飞轮22设在定子10的外周。第一永磁极23和第二永磁极24沿转子飞轮22的周向交替分布地设在转子飞轮22的内周壁上。由于转子飞轮22惯量/质量比大，可以取代航空重油活塞发动机的飞轮22部件，减少航空重油活塞发动机的质量，提高航空重油活塞发动机的功重比，且可以存储航空重油活塞发动机的动能，起到减振作用。

在本发明的一些具体实施例中，定子槽为3n个，第一永磁极23和第二永磁极24分别为2n个,其中n为正整数。例如，定子槽12的个数可以为6，第一磁极23和第二磁极24的个数分别为4个，或者定子槽12的个数可以为9，第一磁极23和第二磁极24的个数分别为6个。可以理解的是，上述实施例仅是示意性的，并不是对本发明的限制。

在本发明的再一个具体实施例中，相邻的第一永磁极23和第二永磁极24之间设有不导磁介质50。例如，相邻的第一永磁极23和第二永磁极24之间设有弧形空槽60，弧形空槽60内填充有不导磁介质50。由此，可以起到隔磁作用，用于改善分数槽集中绕组记忆电机100的磁路。

其中，第一永磁极23和第二永磁极24采用内置于转子20的内圈。例如，在本发明的一个具体实施例中，定子槽12的个数为6个，第一永磁极23和第二永磁极24的个数分别为4个。4个第一永磁极23和4个第二永磁极24交替排列组成串联式磁路结构。

可选地，不导磁介质50为空气。空气可以有效隔绝第一永磁极23和第二永磁极24，保证分数槽集中绕组记忆电机100具有良好的磁路。

进一步地，转子20还可以包括：隔磁桥25。隔磁桥25设在弧形空槽60与定子10之间。隔磁桥25不仅起到隔磁作用，还增强了转子20结构的机械强度。

在本发明的另一个些实施例中，第一永磁极23可以为铝镍钴永磁极23，第二永磁极24可以为钕铁硼永磁24极。4个钕铁硼磁极23和4个铝镍钴磁极24交替排列组成串联式磁路结构分布在转子20的内圈。

此外，根据本发明实施例的分数槽集中绕组记忆电机100结构属于永磁同步类型，铝镍钴永磁极23的矫顽力低，钕铁硼永磁极24的矫顽力高，由此，可以对铝镍钴永磁极23和钕铁硼永磁极24进行在线调磁，使得气隙d的磁通具有很高密度并且可调。

在本发明的一个具体实施例中，绕组70可以为三相电枢绕组70。绕组70采用集中式绕组，减少端部长度，降低铜损，提高分数槽集中绕组记忆电机100的能量转换效率。

在本发明的再一个具体实施例中，分数槽集中绕组记忆电机100在线调磁过程中输入两次脉冲电流80。相对于整数槽电机一次完成充去磁，减少了对充去磁电路压力。

现结合图2a、2b、2c和2d详细描述分数槽集中绕组记忆电机100如何实现所有铝镍钴永磁极23的在线均匀调磁。假设充去磁前铝镍钴永磁极23的剩磁密度为零，在t1时刻，转子20与定子10相对位置如图2(a)所示，通过充去磁电路对AB两相通入脉冲电流80,这时与AB相对应的铝镍钴永磁极23被磁化为N极，被磁化为N极的铝镍钴永磁极23占总的铝镍钴永磁极23数目的一半，磁化效果如图2(b)所示，磁化时间△t所占比例很小，不影响分数槽集中绕组记忆电机100的正常运转；当分数槽集中绕组记忆电机100转过90°时，该分数槽集中绕组记忆电机100又转动到和图2(a)类似的位置，此时与AB相对应的是另一半未充磁的铝镍钴永磁极23，在这个位置提供脉冲电流80进行第二次充去磁动作，如图2(c)所示，充去磁效果如图2(d)所示。

下面参照图3至图7描述根据本发明实施例的分数槽集中绕组记忆电机100工作过程，该分数槽集中绕组记忆电机100具有起动机运行模式和发电机运行模式。

起动机运行模式，航空重油活塞发动机低温起动性能差，可以通过提高分数槽集中绕组记忆电机100的气隙d的磁场密度以大扭矩带动航空重油活塞发动机起动。在脉冲电流80的磁化作用下，铝镍钴永磁极23正向饱和充磁，当分数槽集中绕组记忆电机100输入最大正向脉冲电流时，分数槽集中绕组记忆电机100处在最佳工作点，其中，该状态下形成的磁通路径如图3所述，铝镍钴永磁极一阶磁滞回线如图4所示。气隙d的磁密则达到最大值(不考虑磁场饱和畸变)，则分数槽集中绕组记忆电机100此刻提供给航空重油活塞发动机最大的起动扭矩。

分数槽集中绕组记忆电机100高速运转时，考虑到反电势饱和畸变问题，需要减弱气隙d的磁密达到弱磁扩速效果。利用脉冲电流80对铝镍钴永磁极23进行反向去磁，去磁电流大小根据航空重油活塞发动机工况，由具体控制算法决定。提供反向脉冲电流80，脉冲电流80形成图5所示的磁通路径90，去掉脉冲电流80后，铝镍钴磁极23剩磁密度较少，所能提供的磁动势减弱，达到了削弱气隙d磁密的目的，反向脉冲电流80并没有改变铝镍钴磁极23方向，只改变了磁动势大小。

当分数槽集中绕组记忆电机100切换到发电机模式运行时，一旦发生了线路故障等严重问题，需要瞬间停止发电，则使得气隙d的磁密为零时故障灭磁的实现手段。给该分数槽集中绕组记忆电机100提供最大反向脉冲电流80，使得铝镍钴永磁极23反向饱和磁化，脉冲电流80和形成的磁通路径90如图6(a)所示，磁化后效果如图6(b)所示，此刻铝镍钴永磁极23被磁化为S极，形成的外部磁场和钕铁硼永磁极24相互抵消，达到气隙d的磁通密度为零。

可以理解的是，由于转子飞轮22具有较大惯量，可以存储航空重油活塞发动机的动能，起到减振作用。该分数槽集中绕组记忆电机100可以作为主动飞轮或主动阻尼器，可以在起动机运行模式和发电机运行模式之间自由切换，在航空重油活塞发动机扭矩异常时可以大扭矩储能发电，小扭矩电动助推，并在航空重油活塞发动机制动时作为制动器，进行能量回馈。分数槽集中绕组记忆电机100与气缸200安装示方式如图7所示。

在发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种应用于航空领域的分数槽集中绕组记忆电机，其特征在于，包括:

定子，所述定子的外轮廓形成为圆形，所述定子内设有多个沿其周向间隔开布置的定子齿，相邻两个所述定子齿之间限定出定子槽，相邻两个所述定子齿的内端相连形成为定子轭部；

转子，所述转子套设在所述定子的外周，所述转子包括转子飞轮和多个磁极，所述磁极包括：2n个铝镍钴永磁极和2n个铷铁硼永磁极，所述铝镍钴永磁极和所述铷铁硼永磁极设在所述转子飞轮的内周壁上且沿所述转子飞轮的周向交替分布地；

所述转子飞轮设在所述转子的轭部，所述定子槽与所述磁极的个数比为3:4；

转轴，所述转轴插设在所述定子内圈；

绕组，所述绕组绕设在所述定子上，所述绕组包括:A相、B相和C相绕组；

分数槽集中绕组记忆电机在线均匀调磁过程如下，

假设充去磁前铝镍钴永磁极的剩磁密度为零，在t1时刻，其中n个铝镍钴永磁极转子与AB相绕组相对，通过充去磁电路对AB两相通入脉冲电流进行第一次充去磁动作,这时与AB相对应的铝镍钴永磁极被磁化为N极，磁化时间为△t所占；当分数槽集中绕组记忆电机转过90°时，另外n个镍钴永磁极转子与AB相绕组相对，通过充去磁电路对AB两相再次通入脉冲电流进行第二次充去磁动作，完成在线调磁过程。

2.根据权利要求1所述的应用于航空领域的分数槽集中绕组记忆电机，其特征在于，相邻的所述铝镍钴永磁极和所述铷铁硼永磁极之间设有不导磁介质。

3.根据权利要求2所述的应用于航空领域的分数槽集中绕组记忆电机，其特征在于，相邻的所述铝镍钴永磁极和所述铷铁硼永磁极之间设有弧形空槽，所述弧形空槽内填充有所述不导磁介质。

4.根据权利要求2所述的应用于航空领域的分数槽集中绕组记忆电机，其特征在于，所述不导磁介质为空气。

5.根据权利要求3所述的应用于航空领域的分数槽集中绕组记忆电机，其特征在于，所述转子还包括：隔磁桥，所述隔磁桥设在所述弧形空槽与所述定子之间。

6.根据权利要求1所述的应用于航空领域的分数槽集中绕组记忆电机，其特征在于，该分数槽集中绕组记忆电机具有起动机运行模式和发电机运行模式，

在启动机运行模式下，输入正向脉冲电流，以向铝镍钴永磁极正向饱和充磁，在正向脉冲电流达到最大值时，分数槽集中绕组记忆电机处于最佳工作点并向航空重油活塞发动机提供最大的启动扭矩；

在航空重油活塞发动机达到稳定状态的情况，切换至发电机运行模式下，停止输入电流。

7.根据权利要求6所述的应用于航空领域的分数槽集中绕组记忆电机，其特征在于，当分数槽集中绕组记忆电机切换到发电机模式运行时，在出现线路故障的情况，给该分数槽集中绕组记忆电机提供最大反向脉冲电流，使得铝镍钴永磁极反向饱和磁化，此刻铝镍钴永磁极被磁化为S极，形成的外部磁场和钕铁硼永磁极相互抵消，达到气隙d的磁通密度为零。