CN106357076B - 一种Halbach聚磁型轴向磁场混合永磁记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Halbach聚磁型轴向磁场混合永磁记忆电机，包括第一定子盘、第二定子盘和设于两个定子盘之间的转子盘，定子盘和转子盘之间形成气隙并同轴安装于安装轴上，安装轴经轴承固定于电机外壳上，第一定子盘由定子铁芯和三相电枢绕组组成，定子铁芯包括定子轭和定子齿，相邻定子齿之间形成定子槽，三相电枢绕组缠绕在定子齿上；第二定子盘为双层Halbach复合阵列，分成上下两层，下层由多个铁芯块和多个钕铁硼永磁体间隔构成，相邻两个钕铁硼永磁体的充磁方向相反，靠近气隙的上层由多个铝镍钴永磁体和多个首尾串联的脉冲励磁绕组构成，相邻两个铝镍钴永磁体的充磁方向相反，且相邻铝镍钴永磁体之间设有间隔槽，脉冲励磁绕组缠绕在铝镍钴永磁体上。

Description

一种Halbach聚磁型轴向磁场混合永磁记忆电机

技术领域

本发明属于电机领域，具体涉及一种Halbach聚磁型轴向磁场混合永磁记忆电机。

背景技术

随着稀土永磁材料性能的不断提高，以高效率、高功率密度为显著特征的永磁电机得以快速发展，在航空、航天、汽车等很多工业领域获得了广泛应用。在各种各样永磁电机中，轴向磁场永磁电机，又称为盘式电机，不仅具有轴向尺寸短、体积小、结构紧凑等特点，而且由于其高转矩密度和高效率，在很多特殊应用场合具有明显优越性，已经成为研究的热点，主要应用于运动控制，特别适用于轴向尺寸要求较小且有大转矩需求的直驱场合，如电动汽车轮毂电机。

作为驱动用的永磁同步电机，希望电机工作在低速恒转矩区时的气隙磁场足够高，有较高的力能指标；而电机工作在高速恒功率区时，应能使气隙磁场削弱地足够低，使电机有较宽的调速范围。常规的轴向磁场永磁同步电机由于钕铁硼等永磁材料的固有特性，电机内气隙磁场基本保持恒定，限制了其在诸如电动汽车等宽调速直驱场合的应用。目前人们为了保持永磁电机在较宽速度范围内恒功率运行，纷纷采用弱磁扩速技术来扩大永磁电机在高速状态下的输出功率。现有技术中对永磁电机实现弱磁控制的方案主要有两种，一是通过控制器调节电枢电流，利用电枢绕组中直轴电流分量产生的去磁磁势去抵消一部分永磁体产生的励磁磁势，从而达到削弱主磁通的目的；二是采用混合励磁方案，即在传统永磁电机的基础上再增加一个直流励磁线圈，在基速以上此直流线圈产生的磁动势作为去磁磁势，来达到削弱磁通的目的。上述方案虽然能达到削弱磁通的目的，但是需要增加控制器或直流励磁线圈，会引起铜耗的增加，进而导致系统在高速区效率降低，并且可能会引起永磁体不可逆退磁。

因此，如何实现永磁电机的气隙磁场可调成为近年来电机领域的一个研究热点，一种通过改变永磁体磁化水平来实现气隙磁场调节，被称为真正意义上的可变磁通永磁电机。该类电机采用高剩磁、低矫顽力的永磁材料--铝镍钴，利用直流脉冲绕组电流或三相定子绕组电流产生的直轴电枢磁动势来控制其磁化强度，并且其磁化水平能被记忆住，从而实现气隙永磁磁场的灵活调节，在不牺牲电机其他性能指标前提下，实现了宽调速范围运行。由于该电机的调磁是直接改变永磁体的磁化状态，而不是利用外加磁动势来抵消，因此可以说是一种真正意义上的磁通可控的永磁电机。

东南大学林鹤云等提出了一种轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机，该电机虽能通过在单相脉冲绕组上施加不同电流，实现电机气隙磁场可调，但该电机仅采用了矫顽力相对较低的铝镍钴永磁体，电机的最大气隙磁通很难达到钕铁硼永磁电机的水平，电机力能指标不尽如人意；或者为了获得足够的磁通，必须采用较厚的永磁材料，而且增磁和去磁磁通又通过电机的气隙，这就导致所需的调磁脉冲磁动势较大，增大了绕组容量。

东南大学林明耀等提出了一种双定子轴向磁场磁通切换型混合永磁记忆电机，该电机虽然能实现气隙磁场的有效调节，但电枢绕组、单相脉冲励磁绕组及永磁体均设置在同一定子盘上，不仅增加了两种绕组之间的耦合，而且不利于电枢绕组的散热。

发明内容

本发明的目的是提供一种Halbach聚磁型轴向磁场混合永磁记忆电机，以获得一种具备更高功率密度、磁通可控、散热性能优异的混合永磁记忆电机。

上述目的是通过如下技术方案实现的：

一种Halbach聚磁型轴向磁场混合永磁记忆电机，包括第一定子盘、第二定子盘和设于两个定子盘之间的转子盘，定子盘和转子盘之间形成气隙并同轴安装于安装轴上，安装轴经轴承固定于电机外壳上；所述第一定子盘由定子铁芯和三相电枢绕组组成，定子铁芯包括定子轭和定子齿，相邻定子齿之间形成定子槽，三相电枢绕组缠绕在定子齿上；所述第二定子盘为双层Halbach复合阵列，分成上下两层，下层由多个铁芯块和多个钕铁硼永磁体间隔构成，相邻两个钕铁硼永磁体的充磁方向相反，靠近气隙的上层由多个铝镍钴永磁体和多个首尾串联的脉冲励磁绕组构成，相邻两个铝镍钴永磁体的充磁方向相反，且相邻铝镍钴永磁体之间设有间隔槽，脉冲励磁绕组缠绕在铝镍钴永磁体上。

其中，第二定子盘上永磁体均采用表贴式结构，采用厌氧胶将永磁体粘贴于盘表面，制造方便，极大地减少了电机的漏磁，提高了永磁体的利用率；同时，表贴式安装方式有利于电机永磁材料的散热，降低热损，进一步提高电机的运行效率。

优选地，第二定子盘上钕铁硼永磁体的中心与第一定子盘上定子槽的中心对齐，铝镍钴永磁体置于铁芯块上，其中心与定子齿中心对齐。

优选地，所述钕铁硼永磁体的数量、铝镍钴永磁体的数量以及定子齿的数量均相等，均为6的整数倍，优选6个。

优选地，所述转子盘包括一个非导磁圆环和多个沿非导磁圆环周向等间距排布的转子铁芯齿，转子铁芯齿的个数为转子盘的极对数，且转子铁芯齿个数＝K×钕铁硼永磁体个数±1，K为正整数。

优选地，所述三相电枢绕组和脉冲励磁绕组均为集中绕组。三相电枢绕组和单相脉冲励磁绕组均采用集中绕组型式，有效地降低了端部长度，节省了铜导线材料。

优选地，所述钕铁硼永磁体、铝镍钴永磁体和铁芯块均为扇形。

优选地，钕铁硼永磁体周向充磁，铝镍钴永磁体轴向充磁，构成Halbach聚磁型结构。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的电机集中了盘式永磁电机、记忆电机及Halbach型聚磁电机的优点，包含两个不对称的定子盘，其中第一定子结构普通，而第二定子结构中增加了铝镍钴永磁体和单相脉冲励磁绕组，通过控制脉冲电流大小和方向调节铝镍钴永磁体的磁化状态，从而可调节电机的气隙磁场；同时，本发明电机结构上保留了盘式永磁电机结构紧凑、漏磁小的特点，制造方便，很适合应用于薄型安装的场合，如电动汽车用轮毂驱动电机等；

2、本发明电机的三相电枢绕组单独放置于第一定子盘，与第二定子盘上的永磁体以及脉冲励磁绕组分开设置，有利于减少绕组互感及耦合，并且有利于电机的散热、冷却；

3、本发明电机的转子盘结构简单，既无永磁材料，也无绕组，仅由铁芯块均匀排列而成，特别适用于高速运行；

4、本发明电机采用钕铁硼永磁和铝镍钴永磁两种类型的永磁材料作为电机的主励磁源，可根据电机的调速范围要求确定两种永磁材料的用量关系；通过控制单相脉冲励磁绕组电流的大小，能在线调节铝镍钴永磁材料的磁化强度和工作点，从而实现电机的增弱磁控制，使电机具有宽广的调速范围和低速大转矩性能。

附图说明

图1为本发明电机的三维结构示意图；

图2为转子在图示位置时铝镍钴永磁体完全充磁时磁通路径图，箭头大小代表磁通幅值；

图3为转子在图示位置时铝镍钴永磁体部分充磁时磁通路径图，箭头大小代表磁通幅值；

图4为转子在图示位置时电机内磁通路径图，实线为钕铁硼永磁体产生的恒定磁通的闭合磁路，虚线为磁化状态受脉冲励磁绕组控制的铝镍钴永磁体产生的可控磁通的闭合磁路；

图中：1、第一定子盘；2、第二定子盘；3、转子盘；4、定子铁芯；4.1、定子齿；4.2、定子槽；5、三相电枢绕组；6、钕铁硼永磁体；7、铁芯块；8、铝镍钴永磁体；9、脉冲励磁绕组；10、非导磁圆环；11、转子铁芯齿。

具体实施方式

下面结合附图具体介绍本发明的技术方案。

如图1所示的一种Halbach聚磁型轴向磁场混合永磁记忆电机，包括第一定子盘1、第二定子盘2和设于两个定子盘之间的转子盘3，定子盘和转子盘之间形成气隙并同轴安装于安装轴上，安装轴经轴承固定于电机外壳上；所述第一定子盘1由定子铁芯4和三相电枢绕组5组成，定子铁芯4包括定子轭和定子齿4.1，相邻定子齿4.1之间形成定子槽4.2，三相电枢绕组5缠绕在定子齿4.1上；所述第二定子盘2为双层Halbach复合阵列，分成上下两层，下层由多个铁芯块7和多个钕铁硼永磁体6间隔构成，相邻两个钕铁硼永磁体6的充磁方向相反，靠近气隙的上层由多个铝镍钴永磁体8和多个首尾串联的脉冲励磁绕组9构成，相邻两个铝镍钴永磁体8的充磁方向相反，且相邻铝镍钴永磁体8之间设有间隔槽，脉冲励磁绕组9缠绕在铝镍钴永磁体8上。

其中，第二定子盘2上钕铁硼永磁体6的中心与第一定子盘1上定子槽4.2的中心对齐，铝镍钴永磁体8置于铁芯块7上，其中心与定子齿4.1中心对齐。所述钕铁硼永磁体6的数量、铝镍钴永磁体8的数量以及定子齿4.1的数量均相等。所述转子盘3包括一个非导磁圆环10和多个沿非导磁圆环10周向等间距排布的转子铁芯齿11，转子铁芯齿11的个数为转子盘3的极对数，且转子铁芯齿个数＝K×钕铁硼永磁体个数±1，K为正整数。所述三相电枢绕组5和脉冲励磁绕组9均为集中绕组，有效地降低了端部长度，节省了铜导线材料。所述钕铁硼永磁体6、铝镍钴永磁体8和铁芯块7均为扇形，通过反电动势波形正弦性或最高转矩密度等优化设计目标来确定每个部分的扇形角度。

第二定子盘上永磁体均采用表贴式结构，采用厌氧胶将永磁体粘贴于盘表面，制造方便，极大地减少了电机的漏磁，提高了永磁体的利用率；同时，表贴式安装方式有利于电机永磁材料的散热，降低热损，进一步提高电机的运行效率。

工作原理：

如图2所示，当电机额定运行时，通过给脉冲励磁绕组施加正向额定直流脉冲磁化电流，铝镍钴永磁体具有并保持较高轴向磁化水平，第二定子盘下层钕铁硼永磁体产生恒定的周向磁场，与铝镍钴永磁体的轴向磁场构成Halbach聚磁结构；此时磁力线从钕铁硼永磁体出发，经过铝镍钴永磁体、气隙、转子铁芯齿，到达第一定子盘上三相电枢绕组，产生最大的气隙磁场；

如图3所示，当轻载或者电机高速运转时，通过给脉冲励磁绕组施加正向50％额定直流脉冲磁化电流，降低铝镍钴永磁体的磁化水平，即铝镍钴永磁体产生的磁通减少，甚至将铝镍钴永磁体磁性降为零，此时气隙磁通仅仅由钕铁硼永磁体周向磁场产生，大大降低气隙磁场。因此通过施加不同的直流脉冲磁化电流可在线调节气隙磁场，磁场调节范围大、损耗小，提高了电机弱磁能力和恒功率运行效率。

如图4所示，在电机的运行过程中，第二定子盘内的扇形钕铁硼永磁体产生恒定方向磁场，如图4中实线回路所示，恒定磁通从第二定子盘周向磁化的钕铁硼永磁体出发，经过定子铁心极、气隙、转子铁芯齿、气隙、第一定子盘、气隙、转子铁芯齿、气隙回到第二定子盘钕铁硼永磁体，形成一个闭合回路；而第二定子盘铁芯块上粘贴的铝镍钴永磁体的磁化状态受匝绕在上面的单相脉冲励磁绕组的电流大小和方向所控制，如图4中虚线回路所示，可控磁通从定子铝镍钴永磁体出发，经过气隙、转子铁芯齿、气隙、第一定子盘、气隙、转子铁芯齿、气隙回到铝镍钴永磁体形成一个可控磁通闭合磁路。在轻载或需要高速运行时，通过给脉冲励磁绕组施加较小直流脉冲磁化电流降低铝镍钴永磁体的磁化水平，进而达到弱磁扩速的效果。

本发明提供的电机集中了盘式永磁电机、记忆电机及Halbach型聚磁电机的优点，包含两个不对称的定子盘，其中第一定子结构普通，而第二定子结构中增加了铝镍钴永磁体和单相脉冲励磁绕组，通过控制脉冲电流大小和方向调节铝镍钴永磁体的磁化状态，从而可调节电机的气隙磁场；同时，本发明电机结构上保留了盘式永磁电机结构紧凑、漏磁小的特点，制造方便，很适合应用于薄型安装的场合，如电动汽车用轮毂驱动电机等；本发明电机的三相电枢绕组单独放置于第一定子盘，与第二定子盘上的永磁体以及脉冲励磁绕组分开设置，有利于减少绕组互感及耦合，并且有利于电机的散热、冷却；本发明电机的转子盘结构简单，既无永磁材料，也无绕组，仅由铁芯块均匀排列而成，特别适用于高速运行；本发明电机采用钕铁硼永磁和铝镍钴永磁两种类型的永磁材料作为电机的主励磁源，可根据电机的调速范围要求确定两种永磁材料的用量关系；通过控制单相脉冲励磁绕组电流的大小，能在线调节铝镍钴永磁材料的磁化强度和工作点，从而实现电机的增弱磁控制，使电机具有宽广的调速范围和低速大转矩性能。

上述实施例的作用仅在于说明本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和保护范围。

Claims (1)

1.一种Halbach聚磁型轴向磁场混合永磁记忆电机，包括第一定子盘、第二定子盘和设于两个定子盘之间的转子盘，两个定子盘和转子盘之间形成气隙并同轴安装于安装轴上，安装轴经轴承固定于电机外壳上，其特征在于：所述第一定子盘由定子铁芯和三相电枢绕组组成，定子铁芯包括定子轭和定子齿，相邻定子齿之间形成定子槽，三相电枢绕组缠绕在定子齿上；所述第二定子盘为双层Halbach复合阵列，分成内、外两层，外层由多个铁芯块和多个钕铁硼永磁体相间隔排列构成，相邻两个钕铁硼永磁体的充磁方向相反，内层设有多个铝镍钴永磁体和多个首尾串联的脉冲励磁绕组，相邻两个铝镍钴永磁体的充磁方向相反，且相邻铝镍钴永磁体之间设有间隔槽，脉冲励磁绕组缠绕在铝镍钴永磁体上；

其中：

第二定子盘上钕铁硼永磁体的中心与第一定子盘上定子槽的中心对齐，铝镍钴永磁体置于铁芯块上，其中心与定子齿中心对齐；

所述钕铁硼永磁体的数量、铝镍钴永磁体的数量以及定子齿的数量均相等，均为6的整数倍；

所述转子盘包括一个非导磁圆环和多个沿非导磁圆环周向等间距排布的转子铁芯齿，转子铁芯齿的个数为转子盘的极对数，且转子铁芯齿个数=K×钕铁硼永磁体个数±1，K为正整数；

所述三相电枢绕组和脉冲励磁绕组均为集中绕组；

所述钕铁硼永磁体、铝镍钴永磁体和铁芯块均为扇形；

所述钕铁硼永磁体周向充磁，铝镍钴永磁体轴向充磁，构成Halbach聚磁型结构。