CN110707841B - 一种聚磁式双凸极混合永磁记忆电机 - Google Patents

一种聚磁式双凸极混合永磁记忆电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚磁式双凸极混合永磁记忆电机，包括定子、转子、电枢绕组、调磁绕组和不导磁转轴，定子和转子均为凸极结构，转子固定在转轴上，定子在转子外部；转子包括转子轭和转子齿，定子包括定子轭、定子齿、第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体和第二永磁体的横截面均为扇形，第一永磁体嵌在定子轭部，沿圆周方向均匀分布，第二永磁体位于相邻的定子齿之间，第一永磁体和第二永磁体数量与定子齿的数量相同；电枢绕组和调磁绕组均缠绕在定子齿上，且分别位于第二永磁体的上方和下方。本发明解决了铝镍钴永磁体易发生自退磁的问题，并增强抗电枢反应去磁能力，实现电机气隙磁场可调，拓宽了电机的转速范围，减小了弱磁铜耗。

Description

一种聚磁式双凸极混合永磁记忆电机
技术领域
本发明涉及一种永磁记忆电机，特别是涉及一种直流调磁型聚磁式双凸极混合永磁记忆电机，属于永磁电机技术领域。
背景技术
由于永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM)具有高效率、高功率密度、强过载能力等优点，使得PMSM在航天航空、工农业生产和汽车等领域得到广泛应用。但传统的PMSM有一个很大的问题，气隙磁场无法调节。永磁体充磁后靠剩磁提供气隙磁动势，改变磁场的强弱比较困难，不像电励磁的永磁电机可以通过改变电流来改变磁动势，因此电动机在运行时调速范围受限，输出特性难以调节，故障时灭磁困难，所以实现PMSM气隙磁场可调一直是永磁电机领域中的研究热点。
为了实现气隙磁场的可调，出现了直接改变永磁体的磁化水平的“记忆电机”(Memory Machine，MM)，该电机最早在2001年由德国学者Vlado Ostovic提出。在其提出的基本结构中，电机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充去磁来改变气隙磁场。
然而，这种基本结构的记忆电机存在不足。由于永磁体位于转子上，散热困难。铝镍钴永磁体的第矫顽力特性使其易于充去磁，但为了获取足够的磁通，永磁材料需达到足够的厚度，降低了转矩密度。电枢绕组将同时具备能量转换和磁场调节两种功能，从而大大增加在线调磁难度。
因此，不断有学者研究将永磁体置于定子上，采用混合永磁来提高转矩密度，诞生了直流调磁型定子混合永磁记忆电机。但之前提出的直流调磁型定子混合永磁记忆电机还存在许多问题。比如中国文献专利号CN103051139A公开了一种磁通切换型永磁记忆电机，只采用单一的铝镍钴永磁励磁，不利于电机转矩密度的提高，并且铝镍钴永磁体呈梯形，沿充磁方向磁路短，容易发生自退磁；又如中国文献专利号CN104467334A公开了一种定子聚磁式混合永磁电机，虽然采用了混合励磁，但该电机定子有内外两层定子轭，结构复杂，而且调磁绕组放在内外两层定子轭之间的狭长空槽中，空间利用率不高。除此之外，之前提出的电机还存在电枢反应磁场对永磁体工作点的影响、高矫顽力永磁对低矫顽力永磁的磁化、不同永磁体用量的确定等问题。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种聚磁式双凸极混合永磁记忆电机，采用径向宽度较窄、圆周方向较长的扇形结构解决了低矫顽力铝镍钴永磁容易发生自退磁、受高矫顽力永磁影响的问题，采用混合永磁和并联磁路提高了转矩密度，拓宽了电机的速度运行范围。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种聚磁式双凸极混合永磁记忆电机，包括定子、转子、电枢绕组、调磁绕组和不导磁转轴，其中，定子和转子均为凸极结构，转子固定在转轴上，定子在转子外部；转子包括转子轭和转子齿，定子包括定子轭、定子齿、第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体和第二永磁体的横截面均为扇形，第一永磁体嵌在定子轭部，沿圆周方向均匀分布，第二永磁体位于相邻的定子齿之间，第一永磁体和第二永磁体数量与定子齿的数量相同；电枢绕组和调磁绕组均缠绕在定子齿上，电枢绕组位于第二永磁体的上方，调磁绕组位于第二永磁体的下方。第一永磁体和第二永磁体的磁化方向相同，两者构成并联磁路，共同励磁。
可选的，第一永磁体为钕铁硼永磁体，第二永磁体为铝镍钴永磁体，两相邻定子齿、定子轭和相邻定子齿间的铝镍钴永磁体之间形成电枢绕槽，电枢绕组位于电枢槽中，两相邻定子齿、转子和相邻定子齿间的铝镍钴永磁体之间形成调磁绕组槽，调磁绕组位于调磁绕组槽中；第一永磁体镶嵌在两定子齿间的定子轭上。
可选的，第一永磁体沿切向充磁，横截面为扇形，并且相邻两块第一永磁体的充磁方向相反，形成聚磁效应；第二永磁体呈径向宽度较窄、圆周方向较长的扇形，也沿着切向充磁。
可选的，电枢绕组采用三相双层集中绕组，调磁绕组是单层集中绕组。
可选的，第一永磁体极对数、转子齿的数量和电枢绕组的极对数满足以下公式：
Ps＝|Z-Pr|；
其中，Ps是电枢绕组的极对数，Z是第一永磁体极对数，Pr是转子齿的数量。
本发明的铝镍钴永磁体是径向宽度较窄，沿圆周方向较长的扇形，解决了铝镍钴永磁体易发生自退磁的问题，并增强抗电枢反应去磁能力。在调磁绕组中通入直流脉冲电流改变铝镍钴永磁的磁化状态，实现电机气隙磁场可调，拓宽了电机的转速范围，减小了弱磁铜耗。
有益效果：与现有技术相比，本发明技术方案的优点在于：
(1)本发明将两种永磁体、电枢绕组和调磁绕组都置于定子上，有利于永磁体的热量管理和电机散热。转子与开关磁阻电机的凸极转子相同，结构简单，鲁棒性好。
(2)本发明将钕铁硼永磁体嵌在定子轭部，沿切向充磁，并且相邻两块的充磁方向相反以形成聚磁效应，少量的永磁体可以提供较大的气隙磁密，降低了钕铁硼永磁体的用量，降低了电机的制造成本。
(3)本发明电机的铝镍钴永磁体呈径向宽度较窄、圆周方向较长的扇形，因此其沿充磁方向的长度长，垂直于充磁方向的截面积小，不易发生退磁，抗去磁能力强。
(4)本发明采用调磁绕组通入直流脉冲电流来调节铝镍钴永磁体的磁化状态，调磁绕组和电枢绕组分开，降低了在线调磁的难度。而且相比于传统的PMSM的矢量控制通过d轴电流产生去磁电枢反应磁动势来削弱永磁体磁场和电励磁变磁通电机，直流脉动电流产生的损耗可以忽略，降低了电机的弱磁损耗，提高了电机效率。
(5)本发明采用两种永磁体共同励磁，高磁能积的钕铁硼永磁可以增大气隙磁密，提高电机的转矩密度，低矫顽力的铝镍钴永磁体作为电机气隙磁密的调节器，实现了电机的磁通连续可调，拓宽了电机的转速运行范围，该电机在新能源汽车和航空航天领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的电机横截面结构图；
图2为本发明的电机的铝镍钴永磁处于增磁状态下磁力线分布图；
图3为本发明的电机的铝镍钴永磁处于弱磁状态下磁力线分布图。
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。
如图1所示，本实施例所涉及的一种聚磁式双凸极混合永磁记忆电机，包括定子1、转子2、电枢绕组3、调磁绕组4和不导磁转轴5。所述的定子1和转子2均为凸极结构，转子2固定在转轴5上，定子1在转子2的外部。所述的转子2包括转子轭2.1和转子齿2.2。所述的定子包括定子轭1.1、定子齿1.2、钕铁硼永磁体1.3、铝镍钴永磁体1.4、电枢槽1.5和调磁绕组槽1.6；两相邻定子齿1.2、定子轭1.1和相邻定子齿1.2间的铝镍钴永磁体1.4之间形成电枢绕槽1.5，电枢绕组3位于电枢槽1.5中，两相邻定子齿1.2、转子2和相邻定子齿1.2间的铝镍钴永磁体1.4之间形成调磁绕组槽1.6。
所述的钕铁硼永磁体1.3和铝镍钴永磁体1.4的横截面均为扇形。钕铁硼永磁体1.3嵌在定子轭1.1中，沿切向充磁，沿圆周方向均匀分布，并且相邻两块的钕铁硼永磁体1.3的充磁方向相反。所述的铝镍钴永磁体1.4位于相邻的定子齿1.2之间，呈径向宽度较窄、圆周方向较长的扇形，也沿着切向充磁。
所述的电枢绕组3缠绕在定子齿1.2上，位于铝镍钴永磁体上方的电枢槽1.5中，采用三相双层集中绕组。所述的调磁绕组是单层集中绕组，也缠绕在定子齿1.2上，并位于铝镍钴永磁体1.4与转子齿2.2之间的调磁绕组槽1.6内。
所述的调磁绕组4用于通入脉冲电流来改变铝镍钴永磁体1.4的磁化状态。当铝镍钴永磁体1.4处于增磁状态时，钕铁硼永磁体1.3和铝镍钴永磁体1.4的磁化方向相同，共同励磁，增大电机气隙磁密。当铝镍钴永磁体1.4处于弱磁状态时，钕铁硼永磁体1.3和铝镍钴永磁体1.4的磁化方向相反，磁通大部分在定子1中短路，降低电机气隙磁密。
所述的钕铁硼永磁体1.3的极对数、转子齿2.2的数量和电枢绕组3的极对数满足：
Ps＝|Z-Pr|；
其中，Ps是电枢绕组3的极对数，Z是钕铁硼永磁体1.3极对数，Pr是转子齿2.2的数量。
本发明公开的聚磁式双凸极混合永磁记忆电机的运行原理如下：
利用低矫顽力铝镍钴永磁体的磁化状态易于被改变的特性，通过直流脉冲电流对其充去磁以实现电机气隙磁通的可调。当铝镍钴永磁体处于增磁状态时，磁力线分布如图2所示，钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体的磁化方向相同，两者构成并联磁路，共同励磁，永磁磁通分别从钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体的N极出来，除了少量漏磁，大部分磁力线经过定子齿，穿过气隙进入转子齿，再经过转子轭部从另一转子齿出来，穿过气隙，经定子齿回到钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体的S极。由于此时相邻钕铁硼永磁体磁化方向相反，相邻铝镍钴永磁体的磁化方向也相反，聚磁效应使电机气隙磁密增大。当铝镍钴永磁体处于弱磁状态时，磁力线分布如图3所示，钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体的磁化方向相反，此时两者的磁通大部分在定子中短路，永磁磁通钕铁硼永磁体的N极出来，经过定子齿后就进入了铝镍钴永磁体的S极，只有极少量的磁通进入电机气隙，极大地降低电机气隙磁密。
由于铝镍钴永磁体设计为径向宽度窄、圆周方向长的扇形结构，在增磁与弱磁状态下都不会发生自退磁的问题，同时增强了抗电枢反应去磁的能力。相比于铝镍钴永磁体，钕铁硼永磁体的用量较少，而且两者构成并联磁路，所以铝镍钴永磁体在增磁状态下不会被钕铁硼永磁体磁化。凸极转子结构简单坚固，鲁棒性好，适合高速运行。以上设计都保证了直流脉冲电流确实能改变铝镍钴永磁体的磁化状态，为实现电机的宽调速提供了可能。

Claims (3)

1.一种聚磁式双凸极混合永磁记忆电机，其特征在于：包括定子、转子、电枢绕组、调磁绕组和不导磁转轴，其中，定子和转子均为凸极结构，转子固定在转轴上，定子在转子外部；转子包括转子轭和转子齿，定子包括定子轭、定子齿、第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体和第二永磁体的横截面均为扇形，第一永磁体嵌在定子轭部，沿圆周方向均匀分布，第二永磁体位于相邻的定子齿之间，第一永磁体和第二永磁体数量与定子齿的数量相同；电枢绕组和调磁绕组均缠绕在定子齿上，电枢绕组位于第二永磁体的上方，调磁绕组位于第二永磁体的下方；
第一永磁体为钕铁硼永磁体，第二永磁体为铝镍钴永磁体，两相邻定子齿、定子轭和相邻定子齿间的铝镍钴永磁体之间形成电枢绕槽，电枢绕组位于电枢槽中，两相邻定子齿、转子和相邻定子齿间的铝镍钴永磁体之间形成调磁绕组槽，调磁绕组位于调磁绕组槽中；第一永磁体镶嵌在两定子齿间的定子轭上；
第一永磁体沿切向充磁，横截面为扇形，并且相邻两块第一永磁体的充磁方向相反，形成聚磁效应；第二永磁体呈径向宽度较窄、圆周方向较长的扇形，也沿着切向充磁。
2.根据权利要求1所述的一种聚磁式双凸极混合永磁记忆电机，其特征在于：电枢绕组采用三相双层集中绕组，调磁绕组是单层集中绕组。
3.根据权利要求1所述的一种聚磁式双凸极混合永磁记忆电机，其特征在于：第一永磁体极对数、转子齿的数量和电枢绕组的极对数满足以下公式：
Ps＝|Z-Pr|；
其中，Ps是电枢绕组的极对数，Z是第一永磁体极对数，Pr是转子齿的数量。
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