CN111064333A - 一种有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机 - Google Patents

一种有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机，包括电枢定子、转子和永磁磁极定子，电枢定子、转子和永磁磁极定子沿轴向同轴依次设置；电枢定子包括第一定子铁心和电枢绕组，转子包括转子铁心和由非导磁材料制成的转子铁心支架，永磁磁极定子包括第二定子铁心、高矫顽力永磁体、低矫顽力永磁体和励磁绕组，电枢定子的齿数Ns以及高、低矫顽力永磁体的数量Nhcf、Nlcf满足：Ns=Nhcf=2*Nlcf；通过在励磁绕组中施加脉冲电流改变低矫顽力永磁体的磁化方向，调节轴向磁场磁通切换永磁电机的有效永磁极数，使电机的有效永磁极数为Nlcf和0。该轴向磁场磁通切换永磁电机气隙磁场调节范围宽，运行效率高。

Description

一种有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机
技术领域
本发明属于永磁同步电机领域，具体涉及一种有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机。
背景技术
轴向磁场磁通切换永磁电机具有高效率、高功率密度和良好的控制特性等优点，不仅可广泛应用于电动汽车、电动工具等电动场合，也可应用于风力发电、潮汐发电等新能源发电场合。但采用高矫顽力永磁体励磁，轴向磁场磁通切换永磁电机不易实现气隙磁场的宽范围调节，导致电动运行时，恒功率速度范围较窄；发电运行时，变速度范围内的恒压输出困难。为实现宽调速范围运行，一般采用基于直轴电流注入的弱磁控制方法。然而，该方法增加了电机在中高速轻载运行工况下的铜耗和铁耗，降低了电机效率，而且较大的弱磁电流可能导致永磁体发生退磁，危害系统可靠性。为解决上述问题，国内外研究者提出了包括混合励磁电机、机械调磁等气隙磁场调节技术。这些技术通过引入一个额外的气隙磁场调节变量，提高了轴向磁场磁通切换永磁电机的弱磁扩速能力，拓宽了恒功率速度运行范围，但同时也有一些明显的不足，如混合励磁电机采用连续电流励磁，增加了励磁损耗，降低了系统效率；而机械调磁需增加额外操动机构，不仅无法实现精确气隙磁场调节，而且降低了系统运行可靠性。因此，研究和开发一种宽调速范围、高运行效率的新结构电机具有重要的理论意义和工程应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机，该轴向磁场磁通切换永磁电机气隙磁场调节范围宽，运行效率高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机，包括电枢定子、转子和永磁磁极定子，所述电枢定子、转子和永磁磁极定子沿轴向同轴依次设置，所述转子设置于电枢定子与永磁磁极定子之间；所述电枢定子包括第一定子铁心和电枢绕组，所述转子包括转子铁心和由非导磁材料制成的转子铁心支架，所述永磁磁极定子包括第二定子铁心、高矫顽力永磁体、低矫顽力永磁体和励磁绕组，所述电枢定子的齿数Ns、高矫顽力永磁体的数量Nhcf和低矫顽力永磁体的数量Nlcf满足以下关系：Ns = Nhcf = 2*Nlcf；通过在所述励磁绕组中施加脉冲电流改变所述低矫顽力永磁体的磁化方向，调节轴向磁场磁通切换永磁电机的有效永磁极数，使轴向磁场磁通切换永磁电机的有效永磁极数为Nlcf和0。
进一步地，所述转子铁心支架为圆环盘状结构，所述转子铁心支架外周部上均匀开设有多个转子铁心槽，所述转子铁心设置于各转子铁心槽内。
进一步地，所述第一定子铁心包括定子轭和定子齿，所述定子齿朝向中间的转子，所述电枢绕组采用集中绕组，并匝绕在所述定子齿上。
进一步地，所述第二定子铁心中开设有高矫顽力永磁体槽、低矫顽力永磁体槽和励磁绕组槽，所述高矫顽力永磁体槽朝向中间的转子，并与定子齿的中心对齐，所述低矫顽力永磁体槽设置于第二定子铁心的轭部，所述励磁绕组槽位于低矫顽力永磁体槽的两侧；所述高矫顽力永磁体设置于高矫顽力永磁体槽内，相邻两高矫顽力永磁体充磁方向相反，所述低矫顽力永磁体设置于低矫顽力永磁体槽内，所述励磁绕组设置于励磁绕组槽内，并匝绕在低矫顽力永磁体上，所述低矫顽力永磁体的数量与励磁绕组的数量相等。
进一步地，所述高矫顽力永磁体采用NdFeB材料制成，所述低矫顽力永磁体采用AlNiCo材料制成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机，实现电机的宽速度范围和高效率运行，解决了现有轴向磁场磁通切换永磁电机气隙磁场调节范围较窄的不足。与其他轴向磁场磁通切换永磁电机相比，本发明具有较宽的气隙磁场调节范围，且结构简单，易于实现，具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的爆炸视图。
图2是本发明实施例中电机的有效永磁极数增加原理图。
图3是本发明实施例中电机的有效永磁极数降低原理图。
图4是本发明实施例中电机的有效永磁极数增加时的工作原理图。
图5是本发明实施例中电机的有效永磁极数降低时的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机，如图1所示，包括电枢定子1、转子2和永磁磁极定子3，所述电枢定子1、转子2和永磁磁极定子3沿轴向同轴依次设置，所述转子2设置于电枢定子1与永磁磁极定子3之间。
所述电枢定子1包括第一定子铁心11和电枢绕组12。所述第一定子铁心11包括定子轭111和定子齿112，所述定子齿112朝向中间的转子2，所述电枢绕组12采用集中绕组，并匝绕在所述定子齿112上。
所述转子2包括转子铁心21和由非导磁材料制成的转子铁心支架22。在本实施例中，所述转子铁心支架22为圆环盘状结构，所述转子铁心支架22外周部上均匀开设有多个转子铁心槽，所述转子铁心21设置于各转子铁心槽内。
所述永磁磁极定子3包括第二定子铁心31、高矫顽力永磁体32、低矫顽力永磁体33和励磁绕组34。在本实施例中，所述第二定子铁心31中开设有高矫顽力永磁体槽、低矫顽力永磁体槽和励磁绕组槽，所述高矫顽力永磁体槽朝向中间的转子，并与定子齿的中心对齐，所述低矫顽力永磁体槽设置于第二定子铁心的轭部，所述励磁绕组槽位于低矫顽力永磁体槽的两侧；所述高矫顽力永磁体设置于高矫顽力永磁体槽内，相邻两高矫顽力永磁体充磁方向相反，所述低矫顽力永磁体设置于低矫顽力永磁体槽内，所述励磁绕组设置于励磁绕组槽内，并匝绕在低矫顽力永磁体上，所述低矫顽力永磁体的数量与励磁绕组的数量相等。
所述电枢定子1的齿数Ns、高矫顽力永磁体32的数量Nhcf和低矫顽力永磁体33的数量Nlcf满足以下关系：Ns = Nhcf = 2*Nlcf；通过在所述励磁绕组中施加脉冲电流改变所述低矫顽力永磁体的磁化方向，调节轴向磁场磁通切换永磁电机的有效永磁极数，使轴向磁场磁通切换永磁电机的有效永磁极数为Nlcf和0。
在本实施例中，所述高矫顽力永磁体32采用NdFeB材料制成，所述低矫顽力永磁体33采用AlNiCo材料制成。所述电枢定子的齿数为12，高矫顽力永磁体的数量为12，低矫顽力永磁体的数量为6。通过在励磁绕组中施加脉冲电流，改变低矫顽力永磁体的磁化方向，使轴向磁场磁通切换永磁电机的有效永磁极数为6和0。
在本实施例中，所述有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机采用由两片NdFeB 和一片 AlNiCo 构成的 “U” 型永磁磁极结构，AlNiCo 磁化方向决定了电机的有效永磁极数。如图2所示，当AlNiCo与相邻的两片NdFeB磁化方向相同时，所述轴向磁场磁通切换永磁电机的有效永磁极数增加，气隙合成磁通增加，适合电机的低速重载工况运行；反之，如图3所示，所述轴向磁场磁通切换永磁电机的有效永磁极数减小，气隙合成磁通减弱，适合电机的高速轻载工况运行。
如图4所示，当AlNiCo与相邻的两片NdFeB磁化方向相同时，随着转子的周期性转动，分别在图4（a）和图4（b）所处的转子位置时，永磁磁场匝链到电枢绕组中的磁链为双极性，所述轴向磁场磁通切换永磁电机的有效永磁极数增加，气隙合成磁通增加。
如图5所示，当AlNiCo与相邻的两片NdFeB磁化方向相反时，随着转子的周期性转动，分别在图5（a）和图5（b）所处的转子位置时，永磁磁场匝链到电枢绕组中的磁链为双极性，所述轴向磁场磁通切换永磁电机的有效永磁极数减小，气隙合成磁通减弱。
本发明提供的有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机具有以下特点：（1）增大了电磁负荷设计的自由度，进一步提升了电机转矩密度，降低了有效永磁极数调节所需脉冲电流幅值；（2）相邻两低矫顽力永磁体之间的磁通路径，降低了电枢绕组对励磁绕组及励磁绕组之间的耦合，一方面保持励磁绕组自感和互感幅值几乎不随负载变化，便于电机的驱动和不同有效永磁极数模式运行；另一方面在不同有效永磁极数模式切换时，避免了低矫顽力永磁体在有效永磁极数调节过程中的意外去磁问题；（3）低矫顽力永磁体和励磁绕组位置固定，易于改变电机的有效永磁极数，而且励磁磁路和电枢磁路的解耦，在不同有效永磁极数模式切换过程中所产生的转矩脉动较小；（4）永磁体和电枢绕组分别位于两个定子上，减少了电枢发热对永磁体的去磁影响；（5）仅需建立低矫顽力永磁体在正反向饱和磁化状态下的脉冲电流和永磁磁链关系，方便电机设计和控制。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机，其特征在于，包括电枢定子、转子和永磁磁极定子，所述电枢定子、转子和永磁磁极定子沿轴向同轴依次设置，所述转子设置于电枢定子与永磁磁极定子之间；所述电枢定子包括第一定子铁心和电枢绕组，所述转子包括转子铁心和由非导磁材料制成的转子铁心支架，所述永磁磁极定子包括第二定子铁心、高矫顽力永磁体、低矫顽力永磁体和励磁绕组，所述电枢定子的齿数Ns、高矫顽力永磁体的数量Nhcf和低矫顽力永磁体的数量Nlcf满足以下关系：Ns = Nhcf = 2*Nlcf；通过在所述励磁绕组中施加脉冲电流改变所述低矫顽力永磁体的磁化方向，调节轴向磁场磁通切换永磁电机的有效永磁极数，使轴向磁场磁通切换永磁电机的有效永磁极数为Nlcf和0。
2.根据权利要求1所述的一种有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机，其特征在于，所述转子铁心支架为圆环盘状结构，所述转子铁心支架外周部上均匀开设有多个转子铁心槽，所述转子铁心设置于各转子铁心槽内。
3.根据权利要求1所述的一种有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机，其特征在于，所述第一定子铁心包括定子轭和定子齿，所述定子齿朝向中间的转子，所述电枢绕组采用集中绕组，并匝绕在所述定子齿上。
4.根据权利要求3所述的一种有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机，其特征在于，所述第二定子铁心中开设有高矫顽力永磁体槽、低矫顽力永磁体槽和励磁绕组槽，所述高矫顽力永磁体槽朝向中间的转子，并与定子齿的中心对齐，所述低矫顽力永磁体槽设置于第二定子铁心的轭部，所述励磁绕组槽位于低矫顽力永磁体槽的两侧；所述高矫顽力永磁体设置于高矫顽力永磁体槽内，相邻两高矫顽力永磁体充磁方向相反，所述低矫顽力永磁体设置于低矫顽力永磁体槽内，所述励磁绕组设置于励磁绕组槽内，并匝绕在低矫顽力永磁体上，所述低矫顽力永磁体的数量与励磁绕组的数量相等。
5.根据权利要求4所述的一种有效永磁极数可调的轴向磁场磁通切换永磁电机，其特征在于，所述高矫顽力永磁体采用NdFeB材料制成，所述低矫顽力永磁体采用AlNiCo材料制成。
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