CN109950992A - 分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机，属于永磁电机领域，本发明为解决现有永磁电机调磁过程中存在的问题。本发明方案：包括定子铁心、电枢绕组、转子铁心、转轴、低矫顽力永磁体、高矫顽力永磁体、第一隔磁槽、第二隔磁槽和第三隔磁槽；转子铁心气隙侧嵌入永磁体形成P对磁极，每个磁极下设置一块低矫顽力永磁体和两块高矫顽力永磁体；每个磁极下的转子直轴与低矫顽力永磁体的中心线重合，两块高矫顽力永磁体对称设置在低矫顽力永磁体的两侧；低矫顽力永磁体两端均设置第一隔磁槽；高矫顽力永磁体的靠近低矫顽力永磁体的一端设置第二隔磁槽，高矫顽力永磁体的背离低矫顽力永磁体的一端设置第三隔磁槽。

Description

分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机

技术领域

本发明属于永磁电机领域，涉及一种可调磁通永磁电机结构。

背景技术

传统稀土永磁同步电机具有高功率因数、高功率密度、高效率、高可靠性等优点，被广泛应用于电动汽车，轨道交通，家用电器，航空航天和国防工业等领域。传统高性能稀土永磁同步电机普遍采用钕铁硼等高矫顽力永磁体，电机气隙磁场很难调节，导致电机电动运行时，恒功率区较窄，调速范围较窄。为了获得较宽的调速范围，使永磁电机在基速以上高速运行时实现恒功率控制，需要对电机采用弱磁控制。目前普遍应用的稀土永磁电机在高速弱磁运行时存在永磁磁场调节困难、局部退磁或失磁、电机铜损大、效率低等问题。因此，在保证电机性能的前提下，研究在高速运行时，仍能高效可靠工作的永磁同步电机对永磁电机在电动汽车，轨道交通等领域的应用与发展有极大的推动作用，极具现实意义。

发明内容

本发明目的是为了解决现有永磁电机调磁过程中存在的问题，提供了一种分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机。

本发明所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机包括定子铁心1、电枢绕组2、转子铁心3和转轴11；转子铁心3固定在转轴11上，电枢绕组2设置于定子铁心1中，定子铁心1和转子铁心3之间存在径向气隙；

还包括低矫顽力永磁体5、高矫顽力永磁体7、第一隔磁槽6、第二隔磁槽9和第三隔磁槽10；

转子铁心3气隙侧嵌入永磁体形成P对磁极，每个磁极下设置一块低矫顽力永磁体5和两块高矫顽力永磁体7；每个磁极下的转子直轴与低矫顽力永磁体5的中心线重合，两块高矫顽力永磁体7对称设置在低矫顽力永磁体5的两侧；

低矫顽力永磁体5两端均设置第一隔磁槽6；高矫顽力永磁体7的靠近低矫顽力永磁体5的一端设置第二隔磁槽9，高矫顽力永磁体7的背离低矫顽力永磁体5的一端设置第三隔磁槽10。

优选地，低矫顽力永磁体5嵌入低矫顽力永磁体槽4中，高矫顽力永磁体7嵌入高矫顽力永磁体槽8中；低矫顽力永磁体槽4和高矫顽力永磁体槽8均为轴向贯穿转子铁心3的空槽，且靠近转子铁心3气隙侧。

优选地，高矫顽力永磁体7与低矫顽力永磁体5之间的夹角为170～180度。

优选地，高矫顽力永磁体7与低矫顽力永磁体5之间的夹角为180度，两块高矫顽力永磁体7呈一字型对称设置。

优选地，低矫顽力永磁体5和高矫顽力永磁体7为平行充磁，低矫顽力永磁体5的充磁方向为沿该磁极直轴方向；且同一磁极下的低矫顽力永磁体5和高矫顽力永磁体7的极性相同，相邻两个磁极下的低矫顽力永磁体5和高矫顽力永磁体7的极性相反。

优选地，第一隔磁槽6、第二隔磁槽9和第三隔磁槽10中任一个隔磁槽的径向截面为矩形或梯形，当为梯形时，该隔磁槽在转子气隙侧形成磁桥。

优选地，低矫顽力永磁体5采用矫顽力小于250kA/m的永磁材料。如铝镍钴永磁或铁氧体永磁等。

优选地，高矫顽力永磁体7采用矫顽力大于800kA/m的高磁能积永磁材料。如钕铁硼永磁等。

优选地，低矫顽力永磁体5与高矫顽力永磁体7为整块永磁体，或沿轴向由多块永磁体拼成。这种设置方式可以有效地降低永磁体涡流损耗，提高电机效率。所述轴向设置的多块永磁体的充磁方式不变。

优选地，第一隔磁槽6、第二隔磁槽9和第三隔磁槽10内部填充非导磁或非导电材料。可以增加转子的机械强度。非导磁材料优选方案为碳纤维。

本发明的有益效果：本发明所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机可以提高并联磁路型可调磁通电机的功率密度。每个磁极下的两块高矫顽力永磁体与低矫顽力永磁体为并联型磁通路径，由于高矫顽力永磁体与低矫顽力永磁体之间设置有隔磁槽，在进行充去磁时，减小了高矫顽力永磁体对低矫顽力永磁体产生的影响，同时增加了施加在低矫顽力永磁体上的电枢充去磁磁势的直轴分量，调磁电流小，更容易实现饱和充去磁，电机的调速范围更宽。由于在低矫顽力永磁体两端设置隔磁槽，同一磁极下的低矫顽力永磁体在转子内的漏磁减少，使电机的功率密度增加。由于在高矫顽力永磁体两端设置隔磁槽，同一磁极下的高矫顽力永磁体在转子内的漏磁减少，同时使相邻两个磁极间高矫顽力永磁体短路产生的漏磁减少，使电机的功率密度增加。

附图说明

图1是本发明所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机的实施例1结构示意图；

图2是本发明所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机的实施例2结构示意图；

图3是本发明所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机的实施例3结构示意图；

图4是本发明所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机的实施例4结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明电机为混合永磁型可调磁通电机，且磁通路径为并联型。将同一磁极下的低矫顽力永磁体5沿切向放置，高矫顽力永磁体7放置在低矫顽力永磁体5两侧，同一磁极下的低矫顽力永磁体5和高矫顽力永磁体7放置成一字型或近似一字型，低矫顽力永磁体5和高矫顽力永磁体7在转子铁心3的气隙侧设置，永磁体漏磁减少，可增大功率密度；将低矫顽力永磁体5和高矫顽力永磁体7在转子中的位置进行合理排布，并设置隔磁槽，提高电机的调磁能力、调速范围、功率密度。该分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机调磁能力强，调磁电流小，调速范围宽，功率密度高，适用于电动汽车等多种应用场合。

按照第一隔磁槽6、第二隔磁槽9和第三隔磁槽10的形状提供以下四个实施例。

实施例1：参见图1，所述电机包括定子铁心1、电枢绕组2、转子铁心3、转轴11、低矫顽力永磁体5、高矫顽力永磁体7、第一隔磁槽6、第二隔磁槽9和第三隔磁槽10；转子铁心3固定在转轴11上，电枢绕组2设置于定子铁心1中，定子铁心1和转子铁心3之间存在径向气隙；

转子铁心3气隙侧嵌入永磁体形成P对磁极，每个磁极下设置一块低矫顽力永磁体5和两块高矫顽力永磁体7；每个磁极下的转子直轴与低矫顽力永磁体5的中心线重合，两块高矫顽力永磁体7对称设置在低矫顽力永磁体5的两侧；

低矫顽力永磁体5两端均设置第一隔磁槽6；高矫顽力永磁体7的靠近低矫顽力永磁体5的一端设置第二隔磁槽9，高矫顽力永磁体7的背离低矫顽力永磁体5的一端设置第三隔磁槽10。

第一隔磁槽6、第二隔磁槽9和第三隔磁槽10的径向截面都为矩形。设置矩形隔磁槽可以减少低矫顽力永磁体5和高矫顽力永磁体7由自身短路产生的漏磁。

在进行充磁时，由于高矫顽力永磁体7通过低矫顽力永磁体5的漏磁较少，几乎不影响低矫顽力永磁体5的工作点，电枢绕组2所施加的充磁电流脉冲较小，易实现低矫顽力永磁体5的饱和充磁。在进行去磁时，由于高矫顽力永磁体7的磁通与低矫顽力永磁体5的磁通相并联，使电枢绕组2所施加的去磁电流脉冲较小，易于实现低矫顽力永磁体5的饱和去磁。

实施例2：参见图2，第一隔磁槽6、第二隔磁槽9的径向截面都为梯形，第三隔磁槽10的径向截面为矩形；将第一隔磁槽6、第二隔磁槽9设置为梯形的目的是在转子气隙侧形成磁桥，限制通过该磁桥的磁通量，不仅可以减少低矫顽力永磁体5和高矫顽力永磁体7由自身短路产生的漏磁，而且减小了高矫顽力永磁体7对低矫顽力永磁体5产生的影响，同时增加了施加在低矫顽力永磁体5上的电枢充去磁磁势的直轴分量，更容易实现饱和充去磁，电机的调速范围更宽。

实施例3：参见图3和图4，第一隔磁槽6、第二隔磁槽9的径向截面都为矩形，第三隔磁槽10的径向截面为梯形；将第三隔磁槽10设置为梯形的目的是在转子气隙侧形成磁桥，限制通过该磁桥的磁通量，不仅可以减少高矫顽力永磁体7由自身短路产生的漏磁，而且减小了相邻的两个磁极间不同极性的高矫顽力永磁体7短路产生的漏磁，提高气隙磁密，电机的功率密度增加。

实施例4：第一隔磁槽6、第二隔磁槽9和第三隔磁槽10的径向截面都为梯形，该实施例同时具有实施例2和3的优点，进一步减少漏磁，提高气隙磁密，增加电机功率密度。

下面根据高矫顽力永磁体7与低矫顽力永磁体5之间的夹角给出以下两个实施例。

实施例5：参见图1和图2，高矫顽力永磁体7与低矫顽力永磁体5之间的夹角为180，同一磁极下的高矫顽力永磁体7与低矫顽力永磁体5放置成一字型。在电枢绕组2中施加正的直轴脉冲电流，可以实现低矫顽力永磁体5的正向饱和充磁，低矫顽力永磁体5和高矫顽力永磁体7的磁通并联，共同产生气隙磁通。在电枢绕组2中施加负的直轴脉冲电流，可以实现低矫顽力永磁体5的反向饱和充磁，低矫顽力永磁体5的大部分磁通和高矫顽力永磁体7的部分磁通在转子内短路，气隙磁密基波幅值降低，三次谐波幅值增加，电枢绕组2采用星型绕组后可以消除气隙磁密三次谐波对线电压的影响，可极大地降低电机运行所需的电压，在逆变器容量一定的情况下，可极大地提高电机的转速范围，实现高效的宽速运行。

实施例6：参见图3和图4，高矫顽力永磁体7与低矫顽力永磁体5之间的夹角可调，并调至图示位置，同一磁极下的两块高矫顽力永磁体7与低矫顽力永磁体5放置成近似一字型，P对磁极下的多块永磁体构成近圆形，夹角的改变的目的是增加气隙磁密的基波幅值，并改善气隙磁密的波形，电机的功率密度增加。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机，包括定子铁心(1)、电枢绕组(2)、转子铁心(3)和转轴(11)；转子铁心(3)固定在转轴(11)上，电枢绕组(2)设置于定子铁心(1)中，定子铁心(1)和转子铁心(3)之间存在径向气隙；

其特征在于，还包括低矫顽力永磁体(5)、高矫顽力永磁体(7)、第一隔磁槽(6)、第二隔磁槽(9)和第三隔磁槽(10)；

转子铁心(3)气隙侧嵌入永磁体形成P对磁极，每个磁极下设置一块低矫顽力永磁体(5)和两块高矫顽力永磁体(7)；每个磁极下的转子直轴与低矫顽力永磁体(5)的中心线重合，两块高矫顽力永磁体(7)对称设置在低矫顽力永磁体(5)的两侧；

低矫顽力永磁体(5)两端均设置第一隔磁槽(6)；高矫顽力永磁体(7)的靠近低矫顽力永磁体(5)的一端设置第二隔磁槽(9)，高矫顽力永磁体(7)的背离低矫顽力永磁体(5)的一端设置第三隔磁槽(10)。

2.根据权利要求1所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机，其特征在于，还包括低矫顽力永磁体槽(4)和高矫顽力永磁体槽(8)，低矫顽力永磁体(5)嵌入低矫顽力永磁体槽(4)中，高矫顽力永磁体(7)嵌入高矫顽力永磁体槽(8)中；低矫顽力永磁体槽(4)和高矫顽力永磁体槽(8)均为轴向贯穿转子铁心(3)的空槽，且靠近转子铁心(3)气隙侧。

3.根据权利要求1所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机，其特征在于，高矫顽力永磁体(7)与低矫顽力永磁体(5)之间的夹角为170～180度。

4.根据权利要求1或3所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机，其特征在于，高矫顽力永磁体(7)与低矫顽力永磁体(5)之间的夹角为180度，两块高矫顽力永磁体(7)呈对称设置。

5.根据权利要求1所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机，其特征在于，低矫顽力永磁体(5)和高矫顽力永磁体(7)为平行充磁，低矫顽力永磁体(5)的充磁方向为沿该磁极直轴方向；且同一磁极下的低矫顽力永磁体(5)和高矫顽力永磁体(7)的极性相同，相邻两个磁极下的低矫顽力永磁体(5)和高矫顽力永磁体(7)的极性相反。

6.根据权利要求1所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机，其特征在于，第一隔磁槽(6)、第二隔磁槽(9)和第三隔磁槽(10)中任一个隔磁槽的径向截面为矩形或梯形，当为梯形时，该隔磁槽在转子气隙侧形成磁桥。

7.根据权利要求1所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机，其特征在于，低矫顽力永磁体(5)采用矫顽力小于250kA/m的永磁材料。

8.根据权利要求1所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机，其特征在于，高矫顽力永磁体(7)采用矫顽力大于800kA/m的高磁能积永磁材料。

9.根据权利要求1所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机，其特征在于，低矫顽力永磁体(5)与高矫顽力永磁体(7)为整块永磁体，或沿轴向由多块永磁体拼成。

10.根据权利要求1所述分离式组合磁极混合永磁可调磁通永磁同步电机，其特征在于，第一隔磁槽(6)、第二隔磁槽(9)和第三隔磁槽(10)内部填充非导磁或非导电材料。