CN109412293A - 一种混联磁路记忆电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混联磁路记忆电机，包括混合永磁转子、定子、电枢绕组和转轴，电枢绕组设置在定子上，定子设置在混合永磁转子外部，混合永磁转子包括转子铁心、第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体以及三角形磁障，第一永磁体呈一字形径向均布于转子铁心，两个第一永磁体之间设置三角形磁障，第二永磁体和第三永磁体构成V形混合永磁，V形混合永磁对称布置在三角形磁障两侧，第一永磁体与第二永磁体构成串联磁路。本发明可以解决传统内置式永磁记忆电机中，串联型调磁范围窄和并联型交叉耦合去磁严重的问题，以提高电机转矩密度，且可拓宽电机的全工况高效运行范围。

Description

一种混联磁路记忆电机
技术领域
本发明涉及一种永磁记忆电机，特别是涉及一种混联磁路记忆电机，属于电机技术领域。
背景技术
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM)由于采用较高磁能积的传统稀土永磁材料(如钕铁硼)具有高功率密度、高效率、运行可靠和强过载能力等优势，是电机学科的重要发展方向。得益于稀土永磁材料及电力电子技术的发展，PMSM在中小功率领域大量取代电励磁电机，进而在航空航天、国防、工农业生产以及日常生活的各个领域得到了大规模应用。
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。永磁记忆电机(以下简称“记忆电机”)是一种新型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，同时永磁体具有磁密水平能够被记忆的特点。
传统的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共同组成三明治结构。这种特殊结构能够随时实现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。现有研究大多集中在交流调磁型混合永磁记忆电机上，即将NdFeB和AlNiCo永磁共同置于转子上，定子绕组兼具功率控制和调磁两种功能。研究表明，单一永磁型的转矩密度可达到传统表贴式永磁电机的水平，因此较适于电动汽车这种对于动力要求较高的应用场合；但混合永磁记忆电机目前存在的主要问题是：并联磁路型电枢反应易引起AlNiCo永磁意外去磁；而串联型充磁磁动势需通过两种永磁体，增大了所需满磁化电流以及逆变器的容量，且调磁范围较窄。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种混联磁路记忆电机，解决单一的串联磁路型记忆电机存在调磁范围窄和满磁化电流以及逆变器的容量过大等问题，而单一的并联磁路型记忆电机存在铝镍钴永磁体带负载运行过程中退磁严重，转矩密度低等问题。
本发明技术方案如下：一种混联磁路记忆电机，包括混合永磁转子、定子、电枢绕组和转轴，所述电枢绕组设置在定子上，所述定子设置在混合永磁转子外部，所述混合永磁转子包括转子铁心、第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体以及三角形磁障，所述转子铁心设置于所述转轴外部，所述三角形磁障设置于转子铁心内部，三角形磁障等分分布于所述转子铁心的周向，所述转子铁心内部位于相邻的所述三角形磁障之间设有两个V形槽和一个一字形槽，所述一字形槽呈转子铁心的径向设置，所述第一永磁体设置于所述一字形槽内，所述V形槽设置于所述一字形槽的两侧，所述V形槽的开口背离所述一字形槽并朝向所述定子设置，所述V形槽中距离所述定子较近的一侧槽内设置第二永磁体，所述V形槽中距离所述定子较远的一侧槽内设置第三永磁体，所述第一永磁体的矫顽力大于第三永磁体的矫顽力，所述第二永磁体的矫顽力大于第三永磁体的矫顽力。
进一步的，所述第二永磁体和第三永磁体构成V形并联混合永磁结构，所述V形并联混合永磁结构对称布置在三角形磁障两侧，所述第一永磁体与第二永磁体在磁路上呈串联关系。
进一步的，所述一字形槽设置于相邻两个三角形磁障的对称轴位置，位于所述一字形槽两侧的V形槽以所述一字形槽为对称轴对称布置。
进一步的，所述V形槽中距离所述定子较近的一侧槽平行于所述一字形槽设置，所述V形槽中距离所述定子较远的一侧槽垂直于相邻两个一字形槽的对称轴设置。
进一步的，所述第一永磁体与一字形槽设有间隙，所述间隙位于第一永磁体靠近所述转轴的一侧。
进一步的，所述第一永磁体和第二永磁体以转子铁心的圆周切向方向充磁，所述第三永磁体以平行于相邻两个一字形槽的对称轴方向充磁方向充磁。
进一步的，相邻的所述第一永磁体的充磁方向相反，相邻的所述三角形磁障之间的第二永磁体的充磁方向与第一永磁体的充磁方向相同，相邻的所述三角形磁障之间的两个第三永磁体的充磁方向相反。
进一步的，所述三角形磁障的横截面呈等腰三角形，所述等腰三角形的顶角朝向所述定子设置。
进一步的，所述三角形磁障数量为偶数个。
进一步的，所述第一永磁体为钕铁硼永磁体，所述第二永磁体为钕铁硼永磁体，所述第三永磁体为铝镍钴永磁体。
本发明所提供的技术方案的优点在于：
1、本发明V形槽内设置的第二永磁体和第三永磁体构成并联磁路，第二永磁体切向充磁，第三永磁体径向双向磁化，实现气隙磁场的灵活在线调节；而一字形槽内的第一永磁体切向充磁，第一永磁体和第二永磁体在磁路上呈串联关系，第一永磁体对第三永磁体起到提升其工作点的稳磁效果；
2、本发明由于混合转子上同时具有串联型和并联型两种不同的永磁磁路，两磁路可实现优势互补；串联磁路可实现AlNiCo永磁的稳磁作用，并提高电机转矩密度，并联磁路可保证弱磁时，永磁磁场大部分在转子内部短路，提升在线调磁范围；使得传统交流调磁型记忆电机中的串并联磁路型存在的固有顽疾以及双方优缺点难以权衡等问题得到了有效解决；
3、利用短时脉冲电流进行调磁，几乎无励磁铜耗，且低矫顽力永磁可在线反复充去磁；
4、驱动调磁控制策略仍可以借鉴传统矢量控制技术，控制器简单，易于实现；
5、定转子冲片与传统PMSM类似，结构较简单，均易于制造，电机成本不高。
附图说明
图1为本发明的电机横截面结构图.
图2为本发明的电机的第三永磁体正向磁化时磁力线分布图。
图3为本发明的电机的第三永磁体反向磁化时磁力线分布图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。
请结合图1所示，本实施例所涉及的混联磁路记忆电机，包括定子1、混合永磁转子2和非导磁转轴5。定子1设置在混合永磁转子2外部，定子包括定子铁心齿1.1、定子轭1.2和设在定子铁心齿1.1上的电枢绕组4，定子铁心齿1.1设置在定子轭1.2与混合永磁转子2之间，相邻的定子铁心齿1.1间形成空腔1.3，用于放置缠绕在定子铁心齿1.1上的三相电枢绕组4。定子1与混合永磁转子2之间留有气隙3。
混合永磁转子2包括转子铁心2.1、第一永磁体2.3、第二永磁体2.2、第三永磁体2.4以及三角形磁障2.5，转子铁心2.1设置于非导磁转轴5外部。三角形磁障2.5设置于转子铁心2.1内部，其横截面呈等腰三角形，等腰三角形的顶角朝向定子设置。三角形磁障2.5的总数量为偶数个，本实施例为四个，并等分分布于转子铁心2.1的周向。转子铁心2.1内部位于相邻的三角形磁障2.5之间设有两个V形槽2.6和一个一字形槽2.7，一字形槽2.7设置于相邻两个三角形磁障2.5的对称轴位置，位于一字形槽2.7两侧的V形槽2.6以一字形槽2.7为对称轴对称布置，总体上混合永磁转子2为中心对称形式。
第一永磁体2.3和第二永磁体2.2为钕铁硼永磁体，第三永磁体2.4为铝镍钴永磁体。一字形槽2.7呈转子铁心2.1的径向设置，第一永磁体2.3设置于一字形槽2.7内。第一永磁体2.3与一字形槽2.7设有间隙，间隙位于第一永磁体2.3靠近非导磁转轴5的一侧。V形槽2.6设置于一字形槽2.7的两侧，V形槽2.6中距离定子1较近的一侧槽平行于一字形槽2.7设置，V形槽2.6中距离定子1较远的一侧槽垂直于相邻两个一字形槽2.7的对称轴设置。V形槽2.6的开口背离一字形槽2.7并朝向定子设置。第二永磁体2.2设置在V形槽2.6中距离定子1较近的一侧槽内，第三永磁体2.4设置在V形槽2.6中距离定子1较远的一侧槽内。第二永磁体2.2和第三永磁体2.4构成V形并联混合永磁结构，V形并联混合永磁结构对称布置在三角形磁障2.5两侧，第一永磁体2.3与第二永磁体2.2在磁路上呈串联关系。第一永磁体2.3和第二永磁体2.2以转子铁心2.1的圆周切向方向充磁，第三永磁体2.4以平行于相邻两个一字形槽2.7的对称轴方向充磁方向充磁。相邻的第一永磁体2.3的充磁方向相反，相邻的三角形磁障2.5之间的第二永磁体2.2的充磁方向与第一永磁体2.3的充磁方向相同，相邻的三角形磁障2.5之间的两个第三永磁体2.4的充磁方向相反。
请结合图2和图3所示，本发明公开的混联磁路记忆电机的运行原理如下：
永磁磁通首先从一字型放置的第一永磁体2.3的北极出发，一部分磁通穿过第二永磁体2.2后，途经转子铁心2.1，经过气隙，到达定子铁心齿，再穿过定子轭，以相同的路径回到第一永磁体2.3的南极；而另一部分磁通到达第三永磁体2.4的南极，考虑第三永磁体2.4此时的磁化方向，若如图2所示，第三永磁体2.4沿径向顺第一永磁体2.3与第二永磁体2.2间磁通方向充磁，此时第三永磁体2.4处于增磁状态，三块永磁体磁通叠加后同方向流动；若如图3所示，第三永磁体2.4沿径向逆第一永磁体2.3与第二永磁体2.2间磁通方向充磁，此时第三永磁体2.4处于弱磁状态，其大部分磁通将与第二永磁体2.2的磁通在转子2内部短路。与此同时，电机电枢绕组4通入与转子2转速一致的三相交流电流，定转子2形成的旋转磁场相互作用，从而实现机电能量转换。所增加的三角形磁障2.5可以有效减小交轴电感，并同时减弱钕铁硼永磁对铝镍钴永磁的交叉耦合去磁效应，稳定铝镍钴永磁的工作点。

Claims (10)

1.一种混联磁路记忆电机，包括混合永磁转子、定子、电枢绕组和转轴，所述电枢绕组设置在定子上，所述定子设置在混合永磁转子外部，其特征在于，所述混合永磁转子包括转子铁心、第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体以及三角形磁障，所述转子铁心设置于所述转轴外部，所述三角形磁障设置于转子铁心内部，三角形磁障等分分布于所述转子铁心的周向，所述转子铁心内部位于相邻的所述三角形磁障之间设有两个V形槽和一个一字形槽，所述一字形槽呈转子铁心的径向设置，所述第一永磁体设置于所述一字形槽内，所述V形槽设置于所述一字形槽的两侧，所述V形槽的开口背离所述一字形槽并朝向所述定子设置，所述V形槽中距离所述定子较近的一侧槽内设置第二永磁体，所述V形槽中距离所述定子较远的一侧槽内设置第三永磁体，所述第一永磁体的矫顽力大于第三永磁体的矫顽力，所述第二永磁体的矫顽力大于第三永磁体的矫顽力。
2.根据权利要求1所述的混联磁路记忆电机，其特征在于，所述第二永磁体和第三永磁体构成V形并联混合永磁结构，所述V形并联混合永磁结构对称布置在三角形磁障两侧，所述第一永磁体与第二永磁体在磁路上呈串联关系。
3.根据权利要求1所述的混联磁路记忆电机，其特征在于，所述一字形槽设置于相邻两个三角形磁障的对称轴位置，位于所述一字形槽两侧的V形槽以所述一字形槽为对称轴对称布置。
4.根据权利要求1所述的混联磁路记忆电机，其特征在于，所述V形槽中距离所述定子较近的一侧槽平行于所述一字形槽设置，所述V形槽中距离所述定子较远的一侧槽垂直于相邻两个一字形槽的对称轴设置。
5.根据权利要求1所述的混联磁路记忆电机，其特征在于，所述第一永磁体与一字形槽设有间隙，所述间隙位于第一永磁体靠近所述转轴的一侧。
6.根据权利要求1所述的混联磁路记忆电机，其特征在于，所述第一永磁体和第二永磁体以转子铁心的圆周切向方向充磁，所述第三永磁体以平行于相邻两个一字形槽的对称轴方向充磁。
7.根据权利要求6所述的混联磁路记忆电机，其特征在于，相邻的所述第一永磁体的充磁方向相反，相邻的所述三角形磁障之间的第二永磁体的充磁方向与第一永磁体的充磁方向相同，相邻的所述三角形磁障之间的两个第三永磁体的充磁方向相反。
8.根据权利要求1所述的混联磁路记忆电机，其特征在于，所述三角形磁障的横截面呈等腰三角形，所述等腰三角形的顶角朝向所述定子设置。
9.根据权利要求1所述的混联磁路记忆电机，其特征在于，所述三角形磁障数量为偶数个。
10.根据权利要求1所述的混联磁路记忆电机，其特征在于，所述第一永磁体为钕铁硼永磁体，所述第二永磁体为钕铁硼永磁体，所述第三永磁体为铝镍钴永磁体。
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