CN110739822A - 一种并联磁路记忆电机及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并联磁路记忆电机及运行方法，定子中的励磁绕组通入瞬时交流脉冲励磁电流；转子具有高矫顽力磁钢和切向磁钢；高矫顽力磁钢的矫顽力大于切向磁钢的矫顽力；切向磁钢沿转子铁心的周向均匀内置布设；每个切向磁钢朝向气隙的顶部均设有磁障；相邻两个切向磁钢之间的转子铁心中内置布设一组高矫顽力磁钢，每组高矫顽力磁钢均呈倒V型或倒弧形，其尖顶部均朝向气隙，并接近转子铁心的外壁面或内壁面；每组高矫顽力磁钢的两个开口端各设置一个交轴磁障，每个交轴磁障的另一端与邻近的切向磁钢背离气隙端相接触；切向磁钢与邻近的高矫顽力磁钢的开口端之间设置有导磁桥。本发明能实现在线调磁，电励磁损耗很低，电机效率高。

Description

一种并联磁路记忆电机及运行方法
技术领域
本发明涉及电机设计领域，特别是一种并联磁路记忆电机及运行方法。
背景技术
永磁电机具有高转矩密度、高功率密度和高效率等优点，已在许多场合得到应用。根据永磁体位置分类，永磁电机分为转子永磁型电机和定子永磁型电机。其中，转子永磁型电机又可分为表贴式永磁电机和内置式永磁电机。由于内置式永磁电机容易获得大的凸极率和磁阻转矩分量，从而可以获得比表贴式永磁电机更好的恒功率运行能力。然而，永磁电机的弱磁是通过在电枢绕组中施加负的直轴电流分量（-i d ）来实现，永磁体有着不可逆退磁的风险，且弱磁能力有限。
由于转子直流励磁绕组的存在，电励磁同步电机的气隙磁场易于调节。但是，转子为旋转体，转子直流励磁的无刷化复杂。因此，电励磁同步电机需要额外的励磁机来实现无刷化励磁，增加了电机复杂性，功率密度低。
因此，有效结合永磁电机和电励磁电机优点的混合励磁电机应运而生。混合励磁电机具有两个磁势源（励磁绕组和永磁体），即具备电励磁电机磁场调节方便的优点，又具有永磁电机的高功率密度和高效率等优点。因此，混合励磁电机在电动汽车和航空航天等宽转速范围运行场合有着很大的应用潜力。但是，传统的混合励磁电机也继承了电励磁同步电机的无刷化励磁复杂的缺点。
交流励磁通过定子交流绕组产生于转子同步旋转的励磁磁场，能够简单方便的实现无刷化励磁。但是，在交流励磁绕组中施加持续的励磁电流必然也增加了电机的铜耗，降低了电机的效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种并联磁路记忆电机，该并联磁路记忆电机中的转子具有切向磁钢（低矫顽力）和高矫顽力磁钢。通过在励磁绕组中施加瞬时交流脉冲励磁电流（直轴电流），产生与转子同步旋转的励磁磁场，来改变转子上的低矫顽力磁钢的磁化状态，从而改变气隙磁通的大小，实现在线调磁。由于是瞬时脉冲电流，电励磁损耗很低，电机效率得到提升。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种并联磁路记忆电机，包括定子和转子，定子和转子间均有气隙。定子上绕制有电枢绕组和励磁绕组。电枢绕组和励磁绕组的极对数均等于转子的极对数p。
励磁绕组中通入瞬时交流脉冲励磁电流。
转子包括转子铁心、高矫顽力磁钢和切向磁钢。高矫顽力磁钢的矫顽力大于切向磁钢的矫顽力。
切向磁钢的数量为2p个，沿转子铁心的周向均匀内置布设。每个切向磁钢均呈条形，且均沿转子铁心的径向布设。每个切向磁钢朝向气隙的顶部均设置有磁障。
相邻两个切向磁钢之间的转子铁心中内置布设一组高矫顽力磁钢。
切向磁钢和相邻的一组高矫顽力磁钢形成一个内置磁钢极。
每组高矫顽力磁钢均呈倒V型或倒弧形，每组高矫顽力磁钢的尖顶部均朝向气隙，并接近转子铁心的外壁面或内壁面。
每组高矫顽力磁钢的两个开口端各设置一个交轴磁障，每个交轴磁障的另一端与邻近的切向磁钢背离气隙端相接触。
切向磁钢与邻近的高矫顽力磁钢的开口端之间设置有导磁桥。
每个切向磁钢均为低矫顽力磁钢或低矫顽力磁钢与高矫顽力磁钢的组合。
高矫顽力磁钢和切向磁钢中的每块磁钢均由若干段磁钢节段拼接形成。
一种并联磁路记忆电机的运行方法，包括如下步骤。
步骤1，并联磁势形成：励磁绕组中通入瞬时交流脉冲励磁电流，产生与转子同步旋转的交流脉冲励磁磁场，并形成如下所述的两种并联磁势。
并联磁势一：每个内置磁钢极中的切向磁钢和高矫顽力磁钢共同产生每极磁通，且互不阻碍，切向磁钢和高矫顽力磁钢的磁势呈并联关系。
并联磁势二：由于高矫顽力磁钢和交轴磁障的存在，励磁绕组产生的脉冲励磁主磁通经过导磁桥和低矫顽力磁钢形成回路； 因而，脉冲励磁磁势与高矫顽力磁钢的磁势呈并联关系，利于改变磁化状态。
步骤2，在线调磁：步骤1产生的交流脉冲励磁磁场，通过导磁桥和切向磁钢中的低矫顽力磁钢，形成磁通回路，从而在线改变低矫顽力磁钢的磁化状态，进而改变气隙磁通的大小，实现在线调磁。
步骤2中，在线调磁的具体方法为：当在励磁绕组中注入负的瞬时直轴脉冲电流，切向磁钢中的低矫顽力磁钢会被反向磁化，导致气隙磁通会被弱掉，从而实现弱磁；反之，若在励磁绕组中注入正的瞬时直轴脉冲电流，切向磁钢中的低矫顽力磁钢会被正向磁化，使得气隙磁通增加，从而实现增磁；因此，电枢绕组的感应电动势能通过控制励磁绕组中的脉冲直轴励磁电流的大小和方向得到有效调节。
步骤3，产生输出转矩：在调磁以外的工作时间，将励磁绕组当作功率绕组使用；在励磁绕组中通入连续的交轴电流与转子产生的气隙磁场相互作用，进而产生输出转矩。
步骤1中，高矫顽力磁钢与交轴磁障相接，因而，不仅能够提供磁通，还能够充当磁障的作用，充分利用磁障的空间。
步骤1中，每组高矫顽力磁钢均呈倒V型或倒弧形，每组高矫顽力磁钢的尖顶部均朝向气隙，并接近转子铁心的外壁面或内壁面。每组高矫顽力磁钢的两个开口端各设置一个交轴磁障，每个交轴磁障的另一端与邻近的切向磁钢背离气隙端相接触，能降低电枢反应对交流脉冲励磁磁场及永磁磁场的影响，提高电机的输出能力。
步骤1中，每个切向磁钢靠近气隙的顶部设置有磁障，能进一步降低电枢反应的影响。
高矫顽力磁钢和切向磁钢均采用平行充磁。
本发明具有如下有益效果：
1、转子中具有切向磁钢（低矫顽力）和高矫顽力磁钢。通过在励磁绕组中施加瞬时交流脉冲励磁电流（直轴电流），产生与转子同步旋转的励磁磁场，来改变转子上的低矫顽力磁钢的磁化状态，从而改变气隙磁通的大小，实现在线调磁。由于是瞬时脉冲电流，电励磁损耗很低，电机效率得到提升。
2、本发明电机采用无刷交流励磁，且交流励磁绕组和电枢绕组都位于定子上，内置磁钢位于转子上。
3、交轴磁障的设置，能降低电枢反应对交流励磁磁场及永磁磁场的影响，提高电机的输出能力。由于高矫顽力磁钢与交轴磁障一样，位于交轴磁路中；因此，高矫顽力磁钢不仅能够提供稳定的磁通（利于提高电机的功率密度），还能够充当磁障的作用，充分利用了磁障的空间。
4、导磁桥的设置，为交流脉冲励磁磁场提供低磁阻路径，利于交流脉动励磁电流改变低矫顽力磁钢的磁化状态。
5、在调磁（施加脉冲电流）以外的工作时间，励磁绕组也可以当功率绕组使用。即通入连续的转矩电流分量（交轴电流）与转子气隙磁密相互作用来产生输出转矩。
6、励磁绕组中通入瞬时交流脉冲励磁电流（直轴电流），产生与转子同步旋转的交流脉冲励磁磁场，并形成两种并联磁势，利于改变磁化状态。
附图说明
图1是本发明一种并联磁路记忆电机的结构示意图。
其中有：
11.定子；12.电枢绕组；13.励磁绕组；
21.转子铁心；22.高矫顽力磁钢；221.交轴磁障；222.导磁桥；23.切向磁钢；231.磁障。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种并联磁路记忆电机，包括定子11和转子，定子和转子间均有气隙。其中，转子既可以为内转子，也可以为外转子。
本发明以三相内转子电机m=3，N s =36，p=3为例，进行详细说明如下。其中，电机相数m=3，定子槽数N s =36，转子极对数p=3。
定子的定子槽中绕制有电枢绕组12和励磁绕组13。电枢绕组和励磁绕组的极对数均等于转子的极对数p，也即为3。 电枢绕组和励磁绕组在定子槽中的位置优选可以互换。
电枢绕组和励磁绕组均为交流绕组，其中，励磁绕组中通入瞬时交流脉冲励磁电流，也称直轴电流。
电枢绕组和励磁绕组的相数可以相等，也可以不等。本实施例中，优选相等，均为3。
本电机即可电动运行，也可发电运行。因采用同样的相数，故而做电动机使用时，本发明可以将电枢绕组和励磁绕组合并为一套总电枢绕组，通过控制总电枢绕组中的瞬时交流励磁脉冲电流分量（直轴电流）来进行调磁，利用其连续的转矩电流分量（交轴电流）来产生转矩。
本发明中，三相电枢绕组分别为A、B、C，其中，A相可由A1-A6线圈串联而成，也可由A1-A2、A3-A4、A5-A6分别串联后再并联；三相交流励磁绕组分别为X、Y、Z，图中只画出X相绕组，X、Y、Z相按逆时针依次相差120°。
转子包括转子铁心21、高矫顽力磁钢22和切向磁钢23。
定子和转子铁心均优选采用导磁材料。
高矫顽力磁钢的矫顽力大于切向磁钢的矫顽力，但低矫顽力磁钢的磁导率明显大于高矫顽力磁钢，也即低矫顽力磁阻的磁阻小，其磁化状态容易被励磁磁场改变。
由于低矫顽力磁钢的磁化状态比高矫顽力的便于改变。于是，通过脉冲励磁绕组产生的瞬时磁场来改变低矫顽力磁钢的磁化状态， 从而改变气隙磁场，实现在线实时调磁。然而，高矫顽力磁钢则产生恒定的磁场，不易发生退磁，也就不易被其它的磁场所磁化。
切向磁钢的数量为2p个，也即为6个，沿转子铁心的周向均匀内置布设。每个切向磁钢均呈条形，且均沿转子铁心的径向布设。
本实施例中，每个切向磁钢均优选为低矫顽力磁钢，高矫顽力磁钢的矫顽力大于低矫顽力磁钢的矫顽力。
作为替换，每个切向磁钢均为低矫顽力磁钢与高矫顽力磁钢的组合。也即每个切向磁钢朝向气隙的一端为低矫顽力磁钢，背离气隙的一端为高矫顽力磁钢。
每个切向磁钢朝向气隙的顶部均设置有磁障231，能降低电枢反应的影响。
相邻两个切向磁钢之间的转子铁心中内置布设一组高矫顽力磁钢。
高矫顽力磁钢和切向磁钢均为内置磁钢，都内嵌在转子铁心中，有利于高速运行。
切向磁钢和相邻的一组高矫顽力磁钢形成一个内置磁钢极，本实施例中，具有6个内置磁钢极。
切向磁钢位于相邻两个转子磁极的中心线上。
高矫顽力磁钢和切向磁钢中的每块磁钢均优选由若干段磁钢节段拼接形成，从而降低磁钢的涡流损耗。
每组高矫顽力磁钢均呈倒V型或倒弧形，每组高矫顽力磁钢的尖顶部均朝向气隙，并接近转子铁心的外壁面或内壁面。也即每组高矫顽力磁钢的尖顶部不设置导磁桥。
每组高矫顽力磁钢的两个开口端各设置一个交轴磁障221，以降低电枢反应对交流励磁磁场及永磁磁场的影响，提高电机的输出能力。
每个交轴磁障的另一端与邻近的切向磁钢背离气隙端相接触。也即切向磁钢的背离气隙端未设置导磁桥。
切向磁钢与邻近的高矫顽力磁钢的开口端之间设置有导磁桥222，为交流脉冲励磁磁场提供低磁阻路径，利于交流脉动励磁电流改变低矫顽力磁钢的磁化状态。也正因为导磁桥的存在，低矫顽力磁钢被磁化后，其磁势与高矫顽力磁钢的磁势呈并联关系，有利于提高磁钢利用率。
由于高矫顽力磁钢与交轴磁障都位于交轴磁路中；因此，高矫顽力磁钢不仅能够提供磁通，还能够充当磁障的作用，充分利用了磁障的空间。
高矫顽力磁钢和切向磁钢均优选采用平行充磁。
在图1中，相邻两组高矫顽力磁钢（也称交轴磁钢）的磁化方向相反，相邻两个切向磁钢的磁化方向沿周向相反，每个切向磁钢磁化方向均能够改变。每组交轴磁钢，以气隙方向为参考，交轴磁钢中组成倒V型的两块磁钢的充磁方向相同。
每个内置磁钢极充磁方向的原则是：在一个极下的气隙磁通需相同，且低矫顽力磁钢的磁化状态是可以被改变的，也即通过改变低矫顽力磁钢的充磁方向，进而提高每极下的磁通或降低每极下的磁通。
当切向磁钢为低矫顽力磁钢与高矫顽力磁钢的组合时，仅切向磁钢中的低矫顽力磁钢的磁化方向是实时改变的。
一种并联磁路记忆电机的运行方法，包括如下步骤。
步骤1，并联磁势形成：励磁绕组中通入瞬时交流脉冲励磁电流（直轴电流），产生与转子同步旋转的交流脉冲励磁磁场，并形成如下所述的两种并联磁势。
并联磁势一：每个内置磁钢极中的切向磁钢和高矫顽力磁钢共同产生每极磁通。
每组高矫顽力磁钢均优选呈倒V型或倒弧形，每组高矫顽力磁钢的尖顶部均朝向气隙，并接近转子铁心的外壁面或内壁面。每组高矫顽力磁钢的两个开口端各设置一个交轴磁障，每个交轴磁障的另一端与邻近的切向磁钢背离气隙端相接触，能降低电枢反应对交流脉冲励磁磁场及永磁磁场的影响，提高电机的输出能力。
高矫顽力磁钢与交轴磁障相接，因而，不仅能够提供磁通，还能够充当磁障的作用，充分利用磁障的空间。与交轴磁障相接的高矫顽力磁钢，位于交轴磁路上，且是个大磁阻，可以和交轴磁障一起来抑制电枢反应的影响，从而简化了磁障设计。
上述励磁绕组中由于通入的是瞬时交流脉冲励磁电流，电励磁损耗很低，利于提高电机效率。在提高磁钢利用率的同时，励磁绕组产生的磁通不经过永磁体，这既避免了电励磁引起的不可逆退磁，又利于磁场调节。
切向磁钢的磁通是通过导磁桥和气隙和定子铁心形成回路。因为高矫顽力磁钢是个大磁阻，且其底部还有交轴磁障。因此，切向磁钢产生的主磁通 不经过高矫顽力磁钢和交轴磁障。
切向磁钢可以是整块低矫顽力磁钢，也可以是高矫顽力磁钢和低矫顽力磁钢组合的磁钢。而只有低矫顽力磁钢的磁化状态才能被改变。
因而，每个内置磁钢极中的切向磁钢和高矫顽力磁钢产生的磁通互不阻碍，切向磁钢和高矫顽力磁钢的磁势呈并联关系。
进一步，每个切向磁钢靠近气隙的顶部设置有磁障，能进一步降低电枢反应的影响。
并联磁势二：由于高矫顽力磁钢和交轴磁障的存在，励磁绕组产生的脉冲励磁主磁通经过导磁桥和低矫顽力磁钢形成回路； 因而，脉冲励磁磁势与高矫顽力磁钢的磁势呈并联关系，利于改变磁化状态。
步骤2，在线调磁：步骤1产生的交流脉冲励磁磁场，通过导磁桥和切向磁钢中的低矫顽力磁钢，形成磁通回路，从而在线改变低矫顽力磁钢的磁化状态，进而改变气隙磁通的大小，实现在线调磁。
上述在线调磁的具体方法为：当在励磁绕组中注入负的瞬时直轴脉冲电流，切向磁钢中的低矫顽力磁钢会被反向磁化，导致气隙磁通会被弱掉，从而实现弱磁；反之，若在励磁绕组中注入正的瞬时直轴脉冲电流，切向磁钢中的低矫顽力磁钢会被正向磁化，使得气隙磁通增加，从而实现增磁；因此，电枢绕组的感应电动势能通过控制励磁绕组中的脉冲直轴励磁电流的大小和方向得到有效调节。
步骤3，产生输出转矩：在调磁（直轴电流）以外的工作时间，将励磁绕组当作功率绕组使用。在励磁绕组中通入连续的交轴电流与转子产生的气隙磁场相互作用，进而产生输出转矩。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种并联磁路记忆电机，包括定子和转子，定子和转子间均有气隙；定子上绕制有电枢绕组和励磁绕组；电枢绕组和励磁绕组的极对数均等于转子的极对数p；其特征在于：
励磁绕组中通入瞬时交流脉冲励磁电流；
转子包括转子铁心、高矫顽力磁钢和切向磁钢；高矫顽力磁钢的矫顽力大于切向磁钢的矫顽力；
切向磁钢的数量为2p个，沿转子铁心的周向均匀内置布设；每个切向磁钢均呈条形，且均沿转子铁心的径向布设；每个切向磁钢朝向气隙的顶部均设置有磁障；
相邻两个切向磁钢之间的转子铁心中内置布设一组高矫顽力磁钢；
切向磁钢和相邻的一组高矫顽力磁钢形成一个内置磁钢极；
每组高矫顽力磁钢均呈倒V型或倒弧形，每组高矫顽力磁钢的尖顶部均朝向气隙，并接近转子铁心的外壁面或内壁面；
每组高矫顽力磁钢的两个开口端各设置一个交轴磁障，每个交轴磁障的另一端与邻近的切向磁钢背离气隙端相接触；
切向磁钢与邻近的高矫顽力磁钢的开口端之间设置有导磁桥。
2.根据权利要求1所述的并联磁路记忆电机，其特征在于：每个切向磁钢均为低矫顽力磁钢或低矫顽力磁钢与高矫顽力磁钢的组合。
3.根据权利要求1所述的并联磁路记忆电机，其特征在于：高矫顽力磁钢和切向磁钢中的每块磁钢均由若干段磁钢节段拼接形成。
4.一种并联磁路记忆电机的运行方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，并联磁势形成：励磁绕组中通入瞬时交流脉冲励磁电流，产生与转子同步旋转的交流脉冲励磁磁场，并形成如下所述的两种并联磁势：
并联磁势一：每个内置磁钢极中的切向磁钢和高矫顽力磁钢共同产生每极磁通，且互不阻碍，切向磁钢和高矫顽力磁钢的磁势呈并联关系；
并联磁势二：由于高矫顽力磁钢和交轴磁障的存在，励磁绕组产生的脉冲励磁主磁通经过导磁桥和低矫顽力磁钢形成回路； 因而，脉冲励磁磁势与高矫顽力磁钢的磁势呈并联关系，利于改变磁化状态；
步骤2，在线调磁：步骤1产生的交流脉冲励磁磁场，通过导磁桥和切向磁钢中的低矫顽力磁钢，形成磁通回路，从而在线改变低矫顽力磁钢的磁化状态，进而改变气隙磁通的大小，实现在线调磁。
5.根据权利要求4所述的并联磁路记忆电机的运行方法，其特征在于：步骤2中，在线调磁的具体方法为：当在励磁绕组中注入负的瞬时直轴脉冲电流，切向磁钢中的低矫顽力磁钢会被反向磁化，导致气隙磁通会被弱掉，从而实现弱磁；反之，若在励磁绕组中注入正的瞬时直轴脉冲电流，切向磁钢中的低矫顽力磁钢会被正向磁化，使得气隙磁通增加，从而实现增磁；因此，电枢绕组的感应电动势能通过控制励磁绕组中的脉冲直轴励磁电流的大小和方向得到有效调节。
6.根据权利要求4所述的并联磁路记忆电机的运行方法，其特征在于：步骤3，产生输出转矩：在调磁以外的工作时间，将励磁绕组当作功率绕组使用；在励磁绕组中通入连续的交轴电流与转子产生的气隙磁场相互作用，进而产生输出转矩。
7.根据权利要求4所述的并联磁路记忆电机的运行方法，其特征在于：步骤1中，高矫顽力磁钢与交轴磁障相接，因而，不仅能够提供磁通，还能够充当磁障的作用，充分利用磁障的空间。
8.根据权利要求4所述的并联磁路记忆电机的运行方法，其特征在于：步骤1中，每组高矫顽力磁钢均呈倒V型或倒弧形，每组高矫顽力磁钢的尖顶部均朝向气隙，并接近转子铁心的外壁面或内壁面；每组高矫顽力磁钢的两个开口端各设置一个交轴磁障，每个交轴磁障的另一端与邻近的切向磁钢背离气隙端相接触，能降低电枢反应对交流脉冲励磁磁场及永磁磁场的影响，提高电机的输出能力。
9.根据权利要求8所述的并联磁路记忆电机的运行方法，其特征在于：步骤1中，每个切向磁钢靠近气隙的顶部设置有磁障，能进一步降低电枢反应的影响。
10.根据权利要求4所述的并联磁路记忆电机的运行方法，其特征在于：高矫顽力磁钢和切向磁钢均采用平行充磁。
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