CN109995211A - 一种定子同极型混合永磁记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子同极型混合永磁记忆电机，包括电枢绕组、定子、充去磁绕组、转子和转轴。定子包括定子轭部、定子铁心、定子齿、铝镍钴、钕铁硼及铁心极；径向充磁的铝镍钴和铁心极镶嵌在定子轭与定子铁心之间，切向充磁的钕铁硼永磁镶嵌在定子齿上，且同一定子极上的混合永磁呈“n”型聚磁式分布，且极性均为“SNS”分布；电枢绕组设置在定子上，充去磁绕组匝绕在铝镍钴永磁上；凸极转子包括转子铁心和转子齿。增磁运行时，铝镍钴与钕铁硼永磁形成聚磁效应以提供气隙主磁通；而弱磁运行时，钕铁硼磁势将被铝镍钴在定子铁心内部大量短路。本发明通过定子同极型混合永磁的聚磁型设置以提高电机功率密度，且施加脉冲电流调节铝镍钴磁化状态和方向，实现电机空载气隙磁场高效调节。

Description

一种定子同极型混合永磁记忆电机

技术领域

本发明涉及一种可调磁通永磁记忆电机技术，属于可调磁通永磁电机技术领域。

背景技术

传统永磁同步电机（PMSM）由于所用的稀土永磁材料（如钕铁硼）的固有特性，电机气隙磁场很难改变，作电动运行时调速范围十分有限，故而在电动汽车，航空航天等宽调速直驱场合的应用受到一定限制。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。记忆电机是一种新型磁通可控型永磁电机，它采用低矫顽力的铝镍钴永磁体，该永磁体具有磁密水平能够被记忆的特点，通过在定子绕组或者直流脉冲绕组中添加脉冲电流来改变永磁体磁化强度，进而实现对气隙磁场的调节。

克罗地亚裔德国电机学者奥斯托维奇教授在2001年提出记忆电机。原型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。这种特殊结构能够随时对永磁体进行反复的不可逆的充去磁，同时减小交轴电枢反应对气隙磁场的影响。

然而，这种原型记忆电机转子存在不足。该原型记忆电机由于转子上放置永磁体，电枢绕组必须同时具备能量转换和磁场调节两种功能，从而使得在线调磁难度大大增加；由于采用铝镍钴永磁体，该永磁体的剩磁低，故而要获取足够的磁通，永磁材料必须要有足够的厚度，但在上述切向式结构下很难实现；整个转子是由多个部分组成，共同紧固在轴上，机械可靠性有所降低；在需要宽调速的应用场合中（如机床和电动汽车），采用该种永磁气隙主磁通不高的电机会导致电机力能指标不足。

因此众多学者相继提出了多种拓扑结构的混合永磁内置式永磁记忆电机，转子内部设有两种不同材料的永磁体—钕铁硼永磁和铝镍钴永磁，其中钕铁硼永磁提供主气隙磁场，而铝镍钴永磁起磁场调节的作用。但是由于转子永磁以及铁心磁路饱和现象，效率大受影响。

近些年来，作为开关磁阻电机的衍生体，双凸极、磁通反向和磁通切换永磁电机等定子永磁型电机由于其高功率密度和良好的鲁棒性等优点受到国内外学者广泛关注，在航空等领域具有更大的工业价值。

定子永磁型混合励磁电机实现了气隙磁场的可调节性，提高了永磁体利用率和功率密度，减小了齿槽转矩，但是，这种电机同时存在两个磁势源，两者磁通容易相互藕合、相互影响，增大了电磁特性的复杂性，且存在励磁损耗大、励磁电流控制系统实现难度大等弱点。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种高功率密度和调磁性能突出的记忆电机。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种定子同极型混合永磁记忆电机，包括定子、转子和电机转轴，定子设置在转子外部，电机转轴位于转子内，所述转子包括转子齿和转子铁心，所述定子包括外层的定子轭部、中层的定子铁心以及内层的定子齿，所述定子轭部与定子铁心之间设置有若干个铝镍钴永磁体，若干个铝镍钴永磁体沿定子的径向一周分布，每个铝镍钴永磁体上绕有一个充去磁绕组；所述定子齿位于充去磁绕组与转子之间，定子齿内设置有两根平行的钕铁硼永磁体，钕铁硼永磁体的一端朝向转子，另一端朝向充去磁绕组和铝镍钴永磁体之间的区域，每个定子齿上均绕有电枢绕组。

作为进一步的优选方案，相邻两个充去磁绕组之间设置有一个铁心极，所述铁心极位于定子轭部和定子铁心之间，所述铝镍钴永磁体的数量和定子齿的数量相同。

作为进一步的优选方案，相邻两个铝镍钴永磁体的充磁方向相同。

作为进一步的优选方案，相邻两个充去磁绕组之间还设置有一个铝镍钴永磁体，所述铝镍钴永磁体上也绕有充去磁绕组，所述铝镍钴永磁体的数量是定子齿的数量的两倍。

作为进一步的优选方案，相邻两个铝镍钴永磁体的充磁方向相反。

作为进一步的优选方案，相邻两个充去磁绕组之间的间距相同，相邻两个定子齿之间的间距相同。

作为进一步的优选方案，所述两根钕铁硼永磁体以及与其对应的铝镍钴永磁体呈“SNS”极性分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、整个电机整体结构简单，空间利用率高，电机采用了定子混合永磁型结构，钕铁硼和铝镍钴永磁体、充去磁绕组、电枢绕组均置于定子上，易于散热冷却。而转子由纯铁心构成，仅充当导磁铁心的作用，且鲁棒性良好，故而本发明特别适用于高速运行。

2、本电机采用的电枢绕组和充去磁绕组均为集中绕组，有效的降低了端部长度，削减电机端部效应。电机的充去磁绕组中通的是脉冲电流，故而电机铜耗非常小，降低了电励磁损耗。

3、本电机采用混合永磁的设置，既可以保证较高的气隙磁密，又可以实现气隙磁场的灵活调节，拓宽了电机恒功率区运行范围。

4、铝镍钴永磁体由于放置在定子轭与定子铁心之间，当该电机在带载运行时，电枢反应的磁场基本在定子铁心中，故而可以避免电枢反应对铝镍钴永磁体的影响，进而保证记忆电机能够实现高效调磁。

5、本电机能够随时在线对铝镍钻永磁体进行反复不可逆充去磁，从而实现气隙磁场的在线调磁。在调磁时，脉冲绕组只在非常短的时间内施加充、去磁电流，故而相对于混合励磁磁通切换电机，混合永磁磁通切换记忆电机具有很小的励磁损耗，并且调速控制系统的复杂性相对要小，不存在电励磁磁势和永磁磁势相互影响、电机电磁特性较为复杂的情况。

6、本电机中铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体呈“三明治”结构，且所有定子齿全部相同，极性皆为SNS分布，便于加工。该电机在增磁状态下，共同提供气隙主磁通；在弱磁状态时，铝镍钴永磁体短路钕铁硼永磁体，使永磁磁场主要集中在定子内部，从而降低气隙主磁通。

附图说明

图1为本发明的电机具有铁心极的横截面结构图，其中箭头方向表示永磁体充磁方向；

图2为本发明的电机具无铁心极的横截面结构图，其中箭头方向表示永磁体充磁方向；

图3为本发明的电机的当脉冲磁动势对铝镍钴永磁体进行充磁时的磁通路径图；

图4为本发明的电机的当脉冲磁动势对铝镍钴永磁体进行去磁时的磁通路径图；

图5为本发明的电机的当脉冲磁动势对铝镍钴永磁体进行充磁和去磁时，电机的A相绕组空载反电势波形。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。

实施例一：

本发明技术方案如下：一种定子同极型混合永磁记忆电机，包括定子1、转子2和电机转轴7，定子1设置在转子2外部，电机转轴7位于转子2内，所述转子2包括转子齿21和转子铁心22，所述定子1包括外层的定子轭部11、中层的定子铁心12以及内层的定子齿13，所述定子轭部11与定子铁心12之间设置有若干个铝镍钴永磁体4，若干个铝镍钴永磁体4沿定子1的径向一周分布，每个铝镍钴永磁体4上绕有一个充去磁绕组3；所述定子齿13位于充去磁绕组3与转子2之间，定子齿13内设置有两根平行的钕铁硼永磁体5，钕铁硼永磁体5的一端朝向转子2，另一端朝向充去磁绕组3和铝镍钴永磁体4之间的区域，每个定子齿13上均绕有电枢绕组6。

所述相邻两个充去磁绕组3之间设置有一个铁心极8，所述铁心极8位于定子轭部11和定子铁心12之间，充去磁绕组3的数量与定子齿13和铁心极8的数量相同。

相邻充去磁绕组3中的铝镍钴永磁体4的充磁方向相同。

实施例二：

本发明技术方案如下：一种定子同极型混合永磁记忆电机，包括定子1、转子2和电机转轴7，定子1设置在转子2外部，电机转轴7位于转子2内，所述转子2包括转子齿21和转子铁心22，所述定子1包括外层的定子轭部11、中层的定子铁心12以及内层的定子齿13，所述定子轭部11与定子铁心12之间设置有若干个铝镍钴永磁体4，若干个铝镍钴永磁体4沿定子1的径向一周分布，每个铝镍钴永磁体4上绕有一个充去磁绕组3；所述定子齿13位于充去磁绕组3与转子2之间，其中，充去磁绕组3的数量是是定子齿13的数量的两倍，每隔一个充去磁绕组3设置一个定子齿13，定子齿13内设置有两根平行的钕铁硼永磁体5，钕铁硼永磁体5的一端朝向转子2，另一端朝向充去磁绕组3和铝镍钴永磁体4之间的区域，每个定子齿13上均绕有电枢绕组6，且本实施例中，未设置铁心极8。

以上两个实施例中，相邻两个充去磁绕组3中的铝镍钴永磁体4的充磁方向相反；相邻两个充去磁绕组3之间的间距相同，相邻两个定子齿13之间的间距相同。

进一步的，以上两个实施例中，两根钕铁硼永磁体5分别为左钕铁硼永磁体51和右钕铁硼永磁体52，左钕铁硼永磁体51、铝镍钴永磁体4和右钕铁硼永磁体52呈“SNS”极性分布，即左钕铁硼永磁体51、铝镍钴永磁体4、右钕铁硼永磁体52三者相向的一侧均为N极，相互背离的一侧为S极。

所述的两种永磁体和电枢绕组都放置在定子上，散热方便，冷却容易；转子由纯铁心构成，便于散热，且鲁棒性良好，结构工艺简单，符合电机的高速运行。定子由硅钢片叠压而成，结构相对简单，进而制造简单。

所述电枢绕组和充去磁绕组均为集中绕组，有效的降低了端部长度，削减电机端部效应；所述的充去磁绕组中通的是脉冲电流，故而电机铜耗非常小，降低了电励磁损耗。

所述的铝镍钴永磁体具有矫顽力低、剩磁高的特点，采用铸造型制造工艺，温度稳定性高。永磁磁势与脉冲绕组磁势构成串联磁路。周周半径朝向充磁的设计能保证施加脉冲电流的磁场能较大程度地对其进行充、去磁，从而实现电机气隙磁场可调，提高电机转速运行范围和弱磁能力。

本发明公开的局部磁路并联型内置式混合永磁记忆电机的运行原理如下：

电机定子绕组中匝链的磁通会根据转子的不同位置改变幅值，因此会感应出双极性的反电动势；转子连续旋转时，定子绕组中匝链的磁通呈周期性变化，从而实现了的电机的机电能量转换。由于定、转子齿形成的凸极效应以及定、转子齿数的不对等交错特性，该新型定子同极型混合永磁磁通切换电机实质上是一种新型磁阻感应式永磁电机。

最关键的是，本发明的定子同极型记忆电机的脉冲绕组在平时正常运行处于开路状态，不存在励磁损耗。本发明由铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体共同提供气隙磁场，由于铝镍钴永磁体的“记忆”功能，在施加脉冲电流对铝镍钴永磁体进行充去磁之后，铝镍钴永磁会记住新的磁密水平，改变了电机的气隙磁场，从而实现了电机气隙磁场的灵活可控性，拓宽了电机作为电动机运行时的恒功率运行范围。

本发明的分析同样适用于外转子内定子同极型混合永磁记忆电机,以上所述仅是本发明的优选实施方式。

以上仅为本发明较佳的实施方式，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。

Claims (7)

1.一种定子同极型混合永磁记忆电机，包括定子（1）、转子（2）和电机转轴（7），定子（1）设置在转子（2）外部，电机转轴（7）位于转子（2）内，所述转子（2）包括转子齿（21）和转子铁心（22），其特征在于：所述定子（1）包括外层的定子轭部（11）、中层的定子铁心（12）以及内层的定子齿（13），所述定子轭部（11）与定子铁心（12）之间设置有若干个铝镍钴永磁体（4），若干个铝镍钴永磁体（4）沿定子（1）的径向一周分布，每个铝镍钴永磁体（4）上绕有一个充去磁绕组（3）；所述定子齿（13）位于充去磁绕组（3）与转子（2）之间，定子齿（13）内设置有两根平行的钕铁硼永磁体（5），钕铁硼永磁体（5）的一端朝向转子（2），另一端朝向充去磁绕组（3）和铝镍钴永磁体（4）之间的区域，每个定子齿（13）上均绕有电枢绕组（6）。

2.根据权利要求1所述的一种定子同极型混合永磁记忆电机，其特征在于：相邻两个充去磁绕组（3）之间设置有一个铁心极（8），所述铁心极（8）位于定子轭部（11）和定子铁心（12）之间，所述铝镍钴永磁体（4）的数量和定子齿（13）的数量相同。

3.根据权利要求2所述的一种定子同极型混合永磁记忆电机，其特征在于：相邻两个铝镍钴永磁体（4）的充磁方向相同。

4.根据权利要求1所述的一种定子同极型混合永磁记忆电机，其特征在于：相邻两个充去磁绕组（3）之间还设置有一个铝镍钴永磁体（4），所述铝镍钴永磁体（4）上也绕有充去磁绕组（3），所述铝镍钴永磁体（4）的数量是定子齿（13）的数量的两倍。

5.根据权利要求4所述的一种定子同极型混合永磁记忆电机，其特征在于：相邻两个铝镍钴永磁体（4）的充磁方向相反。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种定子同极型混合永磁记忆电机，其特征在于：相邻两个充去磁绕组（3）之间的间距相同，相邻两个定子齿（13）之间的间距相同。

7.根据权利要求1所述的一种定子同极型混合永磁记忆电机，其特征在于：所述两根钕铁硼永磁体（5）以及与其对应的铝镍钴永磁体（4）呈“SNS”极性分布。