CN111181341A - 一种有效永磁极数可调的双凸极永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有效永磁极数可调的双凸极永磁电机，包括电枢定子、转子、永磁磁极定子和安装轴，永磁磁极定子、转子和电枢定子沿径向由内向外同轴安装于安装轴上；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、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：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，调节双凸极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。该双凸极永磁电机气隙磁场调节范围宽，广域高效。

Description

一种有效永磁极数可调的双凸极永磁电机
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双凸极永磁电机。
背景技术
驱动电机作为电动汽车的关键部件，其性能优劣直接关系到整车的系统效率和续航里程。相较于交流感应电机和开关磁阻电机等电动汽车驱动电机，永磁同步电机具有更高的效率和功率密度，成为丰田、Tesla、比亚迪、吉利等国内外电动汽车厂商使用最广泛的驱动电机。但是，永磁同步电机驱动系统采用高矫顽力永磁体励磁，存在着气隙磁场不易调节、恒功率速度范围有限等问题，成为制约电动汽车发展和推广应用的技术瓶颈。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双凸极永磁电机，该双凸极永磁电机气隙磁场调节范围宽，广域高效。
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双凸极永磁电机，包括电枢定子、转子、永磁磁极定子和安装轴，所述转子设置于电枢定子与永磁磁极定子之间，所述永磁磁极定子、转子和电枢定子沿径向由内向外同轴安装于安装轴上；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，调节双凸极永磁电机的有效永磁极数，使双凸极永磁电机的有效永磁极数为Nlcf和0。
进一步地，所述转子铁心支架上沿周部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，相邻定子齿之间具有定子槽，所述定子齿指向中间的转子，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与定子槽的中心对齐，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双凸极永磁电机，通过在励磁绕组中施加脉冲电流改变低矫顽力永磁体磁化方向，调节电机的有效永磁极数，实现电机的宽速度范围和高效率运行，克服了现有永磁电机气隙磁场调节范围较窄的问题。与基于直轴电流注入的弱磁控制方法和混合励磁永磁电机等气隙磁场调节方法相比，本发明的双凸极永磁电机既具有较宽的气隙磁场调节范围，又具有较高的恒功率速度范围，能够满足电动汽车高性能电机驱动系统要求，具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的正视图。
图2是本发明实施例的正视图（删除电枢绕组和励磁绕组）。
图3是本发明实施例的爆炸视图。
图4是本发明实施例中电机的有效永磁极数增加原理图。
图5是本发明实施例中电机的有效永磁极数降低原理图。
图6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7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双凸极永磁电机，如图1、2、3所示，包括电枢定子1、转子2、永磁磁极定子3和安装轴4，所述转子2设置于电枢定子1与永磁磁极定子3之间，所述永磁磁极定子3、转子2和电枢定子1沿径向由内向外同轴安装于安装轴4上。
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，相邻定子齿112之间具有定子槽113，所述定子齿112指向中间的转子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上沿周部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。
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35，所述高矫顽力永磁体槽与定子槽的中心对齐，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35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，调节双凸极永磁电机的有效永磁极数，使双凸极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，使双凸极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双凸极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4所示，当AlNiCo与相邻的两片NdFeB磁化方向相同时，所述双凸极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5所示，所述双凸极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6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6（a）和图6（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单极性，所述双凸极永磁电机的有效永磁极数增加，气隙合成磁通增加。
如图7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7（a）和图7（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单极性，所述双凸极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双凸极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切换；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分离的定子上，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双凸极永磁电机，其特征在于，包括电枢定子、转子、永磁磁极定子和安装轴，所述转子设置于电枢定子与永磁磁极定子之间，所述永磁磁极定子、转子和电枢定子沿径向由内向外同轴安装于安装轴上；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，调节双凸极永磁电机的有效永磁极数，使双凸极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双凸极永磁电机，其特征在于，所述转子铁心支架上沿周部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双凸极永磁电机，其特征在于，所述第一定子铁心包括定子轭和定子齿，相邻定子齿之间具有定子槽，所述定子齿指向中间的转子，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双凸极永磁电机，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与定子槽的中心对齐，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双凸极永磁电机，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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