CN106787281B - 一种不改变绕组排布的分数槽集中绕组变极记忆电机 - Google Patents

一种不改变绕组排布的分数槽集中绕组变极记忆电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不改变绕组排布的分数槽集中绕组变极记忆电机，包括定子和转子；定子包括定子铁心和电枢绕组，该电枢绕组采用分数槽集中绕组，按照相序依次排列；转子包括转子铁心、高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体；本发明所述的变极记忆电机在变极前后无需改变绕组连接方式，只需交换其中两相的相序即可；在变极过程中，通过在电枢绕组施加不同方向的直轴电流脉冲改变低矫顽力永磁体的磁化方向，从而实现电机极数的改变，通过变极调速可以拓宽永磁电机的速度范围，并且可以有效降低电机在高速区的铁耗，提高电机在高速区的运行效率。

Description

一种不改变绕组排布的分数槽集中绕组变极记忆电机
技术领域
本发明涉及一种不需改变绕组连接方式的分数槽集中绕组变极记忆电机，属于电机设计领域。
背景技术
变极调速技术广泛用于感应电机调速中，由于感应电机的功率密度和效率相对较低，变极永磁电机具有更有广泛的应用价值。然而，对于传统永磁电机，由于永磁材料固有属性的限制，电机内的气隙磁场基本保持恒定，其调磁相对困难。永磁记忆电机(以下简称“记忆电机”)是一种新型的可变磁通永磁电机，它采用低矫顽力铝镍钴永磁体，通过定子绕组或者磁化绕组改变永磁体的磁化状态。而变极记忆电机，不仅具有记忆电机的特点，而且通过变极控制进一步扩大该种电机的速度范围，并且在高速区显著降低电机的铁耗，从而提高电机的效率。
变极记忆电机(Pole-changing memory machine,PCMM)最初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，这种电机拓扑结构中定子部分安装两套分布式绕组，分别采用54槽8极和6极连接方式；转子部分采用32块辐条式永磁体，当磁化不同数量的永磁体时电机工作在不同极数模式。然而，由于定子采用两套电枢绕组，在不同极数模式时对应的只有一套绕组工作，另外一套绕组处于开路状态，定子槽空间利用率较低，降低电机的转矩输出能力；同时，由于没有合理设置转子永磁体数量，当电机运行模式由8极模式切换到6极模式时，无法保证磁路的对称性，从而降低电机在变极后的电磁性能。此外，由于采用单一铝镍钴永磁体设计，电机生产制造成本较高，电机的力能指标较低。
日本学者Kazuto Sakai等人将变极技术与磁阻电机概念融入永磁电机设计，提出一种新型PCMM电机。通过调控AlNiCo永磁体的磁化状态，该电机可以运行在8极模式、4极模式和4极磁阻电机模式，实现2:1:1变极。该电机定子槽安装一套48槽双层分布式整数槽绕组，转子铁心嵌入单一AlNiCo永磁体，通过施加不同的磁化电流脉冲，改变AlNiCo永磁体的磁化状态，从而实现电机三种运行模式的切换。当转子AlNiCo永磁体的磁化方向一致时，电机工作在8极模式；当每对AlNiCo永磁体与相邻的AlNiCo永磁体磁化方向相反时，电机工作在4极模式；当AlNiCo永磁体完全退磁时，该电机运行在4极磁阻电机模式。由于采用分布式整数槽绕组设计，电机端部漏抗较大，加工制造成本相对较高。
香港大学的邹国棠等将变极技术与定子永磁型电机设计方法相结合，提出两种定子永磁型PCMM拓扑，该种定子采用两套绕组，分别为电枢绕组和磁化绕组。通过在磁化绕组中通入直流电流脉冲，可以实时控制永磁体磁化方向。该类电机可以采用单一AlNiCo永磁体，该种结构具有较宽的调磁范围，而且易于实现变极；也可以采用混合永磁结构设计，可以减小永磁体用量，从而降低电机制造成本。
综合国内外的研究现状，现有变极记忆电机的研究基本处于探索阶段，其结构设计还不够理想，电机变极前后控制复杂，特别是变极后电磁性能降低。因此，如果能针对国内外研究存在的不足，对新型变极记忆电机优化设计，则可以显著PCMM的性能，进一步推广变极永磁电机的应用。
发明内容
发明目的：提供一种不改变绕组排布的分数槽集中绕组变极记忆电机，该变极记忆电机在变极前后不需要改变绕组内部的连接方式，对于三相电机只需要交换任意两相的相序即可，五相电机绕组相序也无需改变；同时转子采用混合永磁设计，并且低矫顽力磁极数和高矫顽力永磁体磁极数相等，并具有一定的调磁能力。
技术方案：一种不改变绕组排布的分数槽集中绕组变极记忆电机，包括定子和转子；
定子包括定子铁心和电枢绕组，定子铁心包括定子轭和向中心方向凸出的定子齿，相邻的定子齿之间设有电枢槽，用于置放缠绕在定子齿上的电枢绕组，该电枢绕组采用分数槽集中绕组，按照相序依次排列；
转子包括转子铁心和内嵌于转子铁心的高矫顽力永磁体与低矫顽力永磁体，所述转子铁心包括转子轭、设置在转子铁芯上的内嵌式低矫顽力永磁体孔槽和内嵌式高矫顽力永磁体孔槽，所述低矫顽力永磁体孔槽和高矫顽力永磁体孔槽沿转子径向均匀分布。
所述变极记忆电机的定子和转子可以是同轴设置且由外到内依次套接，转子设于定子铁心的定子齿围成的空间内。
作为优选，所述低矫顽力永磁体孔槽的厚度大于高矫顽力永磁体孔槽的厚度，每种孔槽均成对出现，成对相间排列，并且两种孔槽的数量相等。
作为优选，所述低矫顽力永磁体的厚度大于高矫顽力永磁体的厚度，每种永磁体均成对出现，成对相间排列，并且两种永磁体的数量相等。
作为优选，所述定子铁心和转子铁心均由若干独立的硅钢片叠压制成。
作为优选，所述高矫顽力永磁体由钕铁硼(NdFeB)永磁材料制成，低矫顽力永磁体由铝镍钴(AlNiCo)永磁材料制成。
作为优选，所述高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体均采用“一”字形安装。
作为优选，所述电机结构满足关系：其中，P1表示变极前的极数，P2表示变极后的极数，Q为定子齿的个数，k为系数，k＝1,2,3,…，m为电机的相数。
作为优选，所述变极记忆电机的定子可以采用闭口槽、半口槽或者添加磁楔的方式，有利于避免低矫顽力永磁体的局部退磁，并提高反电动势的正弦性，降低转矩脉动，实现电机的无位置传感器运行。
一对高矫顽力永磁体组成一个高矫顽力永磁体单元，一对低矫顽力永磁体组成一个低矫顽力永磁体单元，两种永磁体单元数相等，相间排列。例如：某所述变极记忆电机包含两个高矫顽力永磁体单元与两个低矫顽力永磁体单元，它们的排列顺序为：一个高矫顽力永磁体单元、一个低矫顽力永磁体单元、一个高矫顽力永磁体单元、一个低矫顽力永磁体单元。
另外，提供一种不改变绕组排布的分数槽集中绕组变极记忆电机，包括定子和转子；
定子包括定子铁心和电枢绕组，定子铁心包括定子轭和向中心方向凸出的定子齿，相邻的定子齿之间设有电枢槽，用于置放缠绕在定子齿上的电枢绕组，该电枢绕组采用分数槽集中绕组，按照相序依次排列；
转子包括转子铁心和内嵌于转子铁心的第一永磁材料与第二永磁材料，所述转子铁心包括转子轭、设置在转子铁芯上的内嵌式第二永磁材料孔槽和内嵌式第一永磁材料孔槽，第二永磁材料孔槽和第一永磁材料孔槽沿转子径向均匀分布；所述第一永磁材料的矫顽力大于第二永磁材料的矫顽力。
所述变极记忆电机的定子和转子可以是同轴设置且由外到内依次套接，转子设于定子铁心的定子齿围成的空间内。
作为优选，所述第二永磁材料孔槽的厚度大于第一永磁材料孔槽的厚度，且均成对出现，成对相间排列，并且两种永磁体的数量相等。
作为优选，所述第二永磁材料的厚度大于第一永磁材料的厚度，每种永磁体均成对出现，成对相间排列，并且两种永磁体的数量相等。
作为优选，所述定子铁心和转子铁心均由若干独立的硅钢片叠压制成。
作为优选，所述第一永磁材料由钕铁硼(NdFeB)制成，第二永磁材料由铝镍钴(AlNiCo)制成。
作为优选，所述第一永磁材料和第二永磁材料均采用“一”字形安装。
作为优选，所述电机结构满足关系：其中，P1表示变极前的极数，P2表示变极后的极数，Q为定子齿的个数，k为系数，k＝1,2,3,…，m为电机的相数。
作为优选，所述变极记忆电机的定子可以采用闭口槽、半口槽或者添加磁楔的方式，有利于避免第二永磁材料的局部退磁，并提高反电动势的正弦性，降低转矩脉动，实现电机的无位置传感器运行。
一对第一永磁体组成一个第一永磁体单元，一对第二永磁体组成一个第二永磁体单元，两种永磁体单元数相等，相间排列。例如：某所述变极记忆电机包含两个第一永磁体单元与两个第二永磁体单元，它们的排列顺序为：一个第一永磁体单元、一个第二永磁体单元、一个第一永磁体单元、一个第二永磁体单元。
本发明所述的变极记忆电机在变极前后无需改变绕组连接方式，只需交换其中两相的相序即可；在变极过程中，通过在电枢绕组施加不同方向的直流电流脉冲改变低矫顽力永磁体的磁化方向，从而实现电机极数的改变，通过变极调速可以拓宽永磁电机的速度范围，并且可以有效降低电机在高速区的铁耗，提高电机在高速区的运行效率。
本发明同样适用于外转子结构、轴向型结构、直线型结构或者爪极转子结构等变极记忆电机。
有益效果：
1.整个电机整体结构简单，由于定子绕组为分数槽集中绕组，可以简化绕组连接方式，并且变极前后不需改变绕组内部连接方式，显著简化电机的外围控制电路，降低电机制造成本；定转子结构相对简单，便于工业大规模生产。
2.本电机采用内嵌式永磁结构，将两种不同特性的永磁体内嵌于转子铁心，这样可以有效避免低矫顽力永磁体的局部退磁，扩大电机的调磁范围，极大地增强电机整体机械强度，并相对减少永磁体材料的用量。
3.本电机采用两种不同属性的永磁体，低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体，并且相同特性的永磁体成对出现，并且相间排列，提高电机的力能指标。
4.本电机能够随时对低矫顽力永磁体进行在线反复磁化，实现在线变极，并且具有良好的调磁特性，磁化损耗可以忽略不计，通过变极控制使电机具备较宽的转速运行范围，有效降低电机在高速时的铁耗，非常适合应用于家用电器和电动汽车等领域。
附图说明
图1a为三相3槽可实现2:1(4/2极)变极记忆电机结构示意图。
图1b为图1a对应的转子铁心结构示意图。
图1c为图1a对应的电机工作在4极模式时的两种不同永磁体的磁化方向示意图。
图1d为图1a对应的电机工作在2极模式时的两种不同永磁体的磁化方向示意图。
图2为五相可以实现2:1变极的分数槽集中绕组记忆电机结构示意图。
图3为三相9槽可实现2:1(12/6极)变极记忆电机结构示意图。
图4为三相12槽可实现2:1(16/8极)变极记忆电机结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
具体实施方式一：
如图1a所示，三相分数槽集中绕组2:1(4/2极)变极记忆电机，定子铁心1含有三个定子齿，依次缠绕A、B和C三相电枢绕组2，该电枢绕组采用分数槽集中绕组，两个相邻定子齿之间设有置放分数槽集中绕组的电枢槽；转子与定子同轴，被定子铁心的三个定子齿所包围，转子内置两个高矫顽力钕铁硼(NdFeB)永磁体4和两个低矫顽力铝镍钴(AlNiCo)永磁体5；低矫顽力铝镍钴(AlNiCo)永磁体的厚度大于高矫顽力钕铁硼(NdFeB)永磁体的厚度，四个永磁体沿转子径向均匀分布，且每块永磁体均采用“一”字形安装，形成一个四边形，且相同特性的永磁体相邻排列，并以4极模式为基本运行模式。
如图1b所示，为电机转子铁心横截面图，转子铁心3包括转子轭、两个大小尺寸一致的高矫顽力永磁体孔槽3.2和两个大小尺寸一致的低矫顽力永磁体孔槽3.1；四个内嵌式孔槽沿转子径向均匀分布，形成一个四边形，低矫顽力永磁体孔槽的厚度大于高矫顽力永磁体孔槽的厚度；通过在转子铁心开槽，采用内置式永磁体拓扑结构，对永磁体添加极靴，改善电机电磁性能。
该结构的变极记忆电机的工作原理如下：在变极过程中，通过在电枢绕组施加不同方向的直流电流脉冲改变低矫顽力永磁体的磁化方向，从而实现电机极数的改变。如图1c所示，低矫顽力永磁体的磁化方向与相邻的高矫顽力永磁体的磁化方向相反，图中箭头所示，当铝镍钴(AlNiCo)永磁体的极性与相邻的钕铁硼(NdFeB)永磁体的极性相反时，电机运行在4极模式；如图1d所示，低矫顽力永磁体的磁化方向与相邻的高矫顽力永磁体的磁化方向相同，图中箭头所示，当铝镍钴(AlNiCo)永磁体的极性与相邻的钕铁硼(NdFeB)永磁体的极性相同时，电机运行在2极模式；相应地交换电枢绕组B、C两相的相序，便可保证电机正常运行。
对于该种电机拓扑，满足关系：其中，P1表示变极前的极数，P2表示变极后的极数，Q为定子齿的个数，k＝1,2,3,…，对于3槽，4/2极，k＝1，对于三相电机相数满足m＝3。
具体实施方式二：
如图2所示，为五相分数槽集中绕组2:1(8/4极)变极记忆电机，定子铁心1含有十个定子齿，并依次缠绕A、B、C、D和E五相电枢绕组2，该电枢绕组采用分数槽集中绕组，两个相邻定子齿之间设有置放分数槽集中绕组的电枢槽；转子与定子同轴，被定子铁心的十个定子齿所包围，转子内置四个高矫顽力钕铁硼(NdFeB)永磁体4和四个低矫顽力铝镍钴(AlNiCo)永磁体5，低矫顽力铝镍钴(AlNiCo)永磁体的厚度大于高矫顽力钕铁硼(NdFeB)永磁体的厚度，八个永磁体沿转子径向均匀分布，且每块永磁体均采用“一”字形安装，形成一个八边形，且相同特性的永磁体成对相间排列，并以8极模式为基本运行模式。
该结构的变极记忆电机的工作原理如下：在变极过程中，通过在电枢绕组施加不同方向的直流电流脉冲改变低矫顽力永磁体的磁化方向，从而实现电机极数的改变。当铝镍钴(AlNiCo)永磁体的极性与相邻的钕铁硼(NdFeB)永磁体的极性相反时，电机运行在8极模式；当铝镍钴(AlNiCo)永磁体的极性与相邻的钕铁硼(NdFeB)永磁体的极性相同时，电机运行在4极模式；在变极前后，既不需改变绕组排布，也无需交换绕组相序，便可使电机正常运行。
对于该种电机拓扑，满足关系：其中P1表示变极前的极数，P2表示变极后的极数，Q为定子齿的个数，k＝1,2,3,…，对于10槽，8/4极，k＝2，对于五相电机相数满足m＝5。
具体实施方式三：
如图3所示，为三相分数槽集中绕组2:1(12/6极)变极记忆电机，定子铁心1含有九个定子齿，并依次缠绕A、B和C三相电枢绕组2，该电枢绕组采用分数槽集中绕组，两个相邻定子齿之间设有置放分数槽集中绕组的电枢槽；转子与定子同轴，被定子铁心的九个定子齿所包围，转子内置六个高矫顽力钕铁硼(NdFeB)永磁体4和六个低矫顽力铝镍钴(AlNiCo)永磁体5，低矫顽力铝镍钴(AlNiCo)永磁体的厚度大于高矫顽力钕铁硼(NdFeB)永磁体的厚度，十二个永磁体沿转子径向均匀分布，且每块永磁体均采用“一”字形安装，形成一个十二边形，且相同特性的永磁体成对相间排列，并以12极模式为基本运行模式。
该结构的变极记忆电机的工作原理如下：在变极过程中，通过在电枢绕组施加不同方向的直流电流脉冲改变低矫顽力永磁体的磁化方向，从而实现电机极数的改变。当铝镍钴(AlNiCo)永磁体的极性与相邻的钕铁硼(NdFeB)永磁体的极性相反时，电机运行在12极模式；当铝镍钴(AlNiCo)永磁体的极性与相邻的钕铁硼(NdFeB)永磁体的极性相同时，电机运行在6极模式；相应地交换电枢绕组B、C两相的相序，便可保证电机正常运行。
对于该种电机拓扑，满足关系：其中P1表示变极前的极数，P2表示变极后的极数，Q为定子齿的个数，k＝1,2,3,…，对于9槽，12/6极，k＝3，对于三相电机相数满足m＝3。
具体实施方式四：
如图4所示，为三相分数槽集中绕组2:1(16/8极)变极记忆电机，定子铁心1含有十二个定子齿，并依次缠绕A、B和C三相电枢绕组2，该电枢绕组采用分数槽集中绕组，两个相邻定子齿之间设有置放分数槽集中绕组的电枢槽；转子与定子同轴，被定子铁心的十二个定子齿所包围，转子内置八个高矫顽力钕铁硼(NdFeB)永磁体4和八个低矫顽力铝镍钴(AlNiCo)永磁体5，低矫顽力铝镍钴(AlNiCo)永磁体的厚度大于高矫顽力钕铁硼(NdFeB)永磁体的厚度，十六个永磁体沿转子径向均匀分布，且每块永磁体均采用“一”字形安装，形成一个十六边形，且相同特性的永磁体成对相间排列，并以16极模式为基本运行模式。
该结构的变极记忆电机的工作原理如下：在变极过程中，通过在电枢绕组施加不同方向的直流电流脉冲改变低矫顽力永磁体的磁化方向，从而实现电机极数的改变。当铝镍钴(AlNiCo)永磁体的极性与相邻的钕铁硼(NdFeB)永磁体的极性相反时，电机运行在16极模式；当铝镍钴(AlNiCo)永磁体的极性与相邻的钕铁硼(NdFeB)永磁体的极性相同时，电机运行在8极模式；相应地交换电枢绕组B、C两相相序，便可保证电机正常运行。
对于该种电机拓扑，满足关系：其中P1表示变极前的极数，P2表示变极后的极数，Q为定子齿的个数，k＝1,2,3,…，对于12槽，16/8极，k＝4，对于三相电机相数满足m＝3。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：本类型电机的定子可以采用闭口槽、半口槽或者添加磁楔等方式，有利于避免低矫顽力永磁体的局部退磁，并提高反电动势的正弦性，降低转矩脉动，实现电机的无位置传感器运行。本发明同样适用于外转子结构、轴向型结构、直线型结构或者爪极转子结构等变极记忆电机。

Claims (7)

1.一种不改变绕组排布的分数槽集中绕组变极记忆电机，其特征在于，包括定子和转子；
定子包括定子铁心(1)和电枢绕组(2)，定子铁心包括定子轭和向中心方向凸出的定子齿，相邻的定子齿之间设有电枢槽，用于置放缠绕在定子齿上的电枢绕组，该电枢绕组采用分数槽集中绕组，按照相序依次排列；
转子包括转子铁心(3)和内嵌于转子铁心的高矫顽力永磁体(4)与低矫顽力永磁体(5)，所述转子铁心包括转子轭、设置在转子铁芯上的内嵌式低矫顽力永磁体孔槽(3.1)和内嵌式高矫顽力永磁体孔槽(3.2)，所述低矫顽力永磁体孔槽和高矫顽力永磁体孔槽沿转子径向均匀分布；
电机结构满足关系：其中，P1表示变极前的极数，P2表示变极后的极数，Q为定子齿的个数，m为电机的相数，k为系数，k＝1,2,3,…。
2.根据权利要求1所述的一种不改变绕组排布的分数槽集中绕组变极记忆电机，其特征在于，所述低矫顽力永磁体孔槽的厚度大于高矫顽力永磁体孔槽的厚度，每种孔槽均成对出现，成对相间排列，并且两种孔槽的数量相等。
3.根据权利要求2所述的一种不改变绕组排布的分数槽集中绕组变极记忆电机，其特征在于，所述低矫顽力永磁体的厚度大于高矫顽力永磁体的厚度，每种永磁体均成对出现，成对相间排列，并且两种永磁体的数量相等。
4.根据权利要求1所述的一种不改变绕组排布的分数槽集中绕组变极记忆电机，其特征在于，所述定子铁心和转子铁心均由若干独立的硅钢片叠压制成。
5.根据权利要求1所述的一种不改变绕组排布的分数槽集中绕组变极记忆电机，其特征在于，所述高矫顽力永磁体由钕铁硼永磁材料制成，低矫顽力永磁体由铝镍钴永磁材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种不改变绕组排布的分数槽集中绕组变极记忆电机，其特征在于，所述高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体均采用“一”字形安装。
7.根据权利要求1所述的一种不改变绕组排布的分数槽集中绕组变极记忆电机，其特征在于，所述变极记忆电机的定子为闭口槽、半口槽或者添加磁楔的方式。
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