CN111541313B - 一种混合磁极零序调磁记忆电机及其调磁方法 - Google Patents

Abstract

一种混合磁极零序调磁记忆电机及其调磁方法，电机包括定子铁心、钕铁硼永磁体、电枢绕组、铝镍钴永磁体、转子和电机转轴，定子铁心包括定子轭部、定子铁心齿、定子钕铁硼齿和定子铝镍钴齿，沿定子轭部内周上依次周期排布有定子铝镍钴齿、定子铁心齿、定子铝镍钴齿、定子铁心齿、定子钕铁硼齿、定子铁心齿、定子钕铁硼齿和定子铁心齿，电枢绕组匝绕在定子铁心齿上，钕铁硼永磁体镶嵌在定子钕铁硼齿上，铝镍钴永磁体表贴在定子铝镍钴齿上；转子在定子内部，转轴位于转子内部，转子绕转轴旋转。本发明实现了电枢绕组与调磁绕组共用，实现零序调磁，进而实现电机的磁通调节。

Description

一种混合磁极零序调磁记忆电机及其调磁方法

技术领域

本发明涉及可调磁通永磁记忆电机技术，特别是涉及一种混合磁极零序调磁记忆电机及其调磁方法。

背景技术

传统永磁同步电机（PMSM）由于所用的钕铁硼(NdFeB)的固有特性，电机气隙磁场恒定，只能通过d轴弱磁来进行控制。但是加入d轴电流之后，d轴电流无法提供转矩，故而导致电机在弱磁区效率低下；且同时由于永磁磁场很强，故而传统的永磁电机的做电动运行时调速范围十分有限，因此在电动汽车，航空航天等宽调速直驱场合的应用受到一定限制。

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，它采用低矫顽力的永磁体（如铝镍钴等），该类永磁体能够记忆磁密水平，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，进而实现磁通的调节。

德国学者奥斯托维奇教授在2001年提出记忆电机。原型记忆电机的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充去磁，进而实现磁通的灵活调节。但是，该类永磁体的剩磁低，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；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等缺点。

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，该种电机必须要另外配置一套用于调节铝镍钴永磁磁密的绕组，占据了绕组空间，使得该种电机的功率密度减小。

发明内容

发明目的：本发明的一个目的是提供一种新型磁通偏置型零序调磁混合永磁记忆电机。

本发明的另一个目的是提供一种所述电机的调磁方法。

技术方案：本发明的电机包括电枢绕组、定子、转子和转轴。定子分为N个单元（单元数可根据电机尺寸和需求自由选择），每个单元都完全相同；径向充磁的铝镍钴永磁表贴在定子齿上，切向充磁的钕铁硼永磁镶嵌在定子齿上，且每个定子单元铁心极性分布均为“NSSS”分布；电枢绕组匝绕在定子铁心齿上，避免电枢反应影响铝镍钴工作点，同时电枢绕组采用开绕组的形式，产生零序电流实现铝镍钴永磁的在线充去磁；凸极转子包括转子铁心和转子齿。增磁运行时，铝镍钴永磁与钕铁硼永磁共同为绕组提供磁通；而弱磁运行时，铝镍钴永磁与钕铁硼永磁在电机内部短路，减少磁链。本发明实现了电枢绕组与调磁绕组共用，实现零序调磁，进而实现电机的磁通调节。具体的：

本发明的混合磁极零序调磁记忆电机，包括定子铁心、钕铁硼永磁体、电枢绕组、铝镍钴永磁体、转子和电机转轴，定子铁心包括定子轭部、定子铁心齿、定子钕铁硼齿和定子铝镍钴齿，沿定子轭部内周上依次周期排布有定子铝镍钴齿、定子铁心齿、定子铝镍钴齿、定子铁心齿、定子钕铁硼齿、定子铁心齿、定子钕铁硼齿和定子铁心齿，电枢绕组匝绕在定子铁心齿上，钕铁硼永磁体镶嵌在定子钕铁硼齿上，铝镍钴永磁体表贴在定子铝镍钴齿上；转子在定子内部，转轴位于转子内部，转子绕转轴旋转。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、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，适用于高速运行。

上述的铝镍钴永磁体均沿径向充磁，且极性相同；钕铁硼永磁体切向充磁，相邻两个极性相反。该电机在增磁状态下，钕铁硼永磁和铝镍钴永磁共同提供磁链磁通；在弱磁状态时，铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体在电机内部短路，减少了主磁通，从而实现了调磁。

上述的电枢绕组作为电枢绕组和作为调磁绕组。该电枢绕组为集中绕组，有效的降低了端部长度，削减电机端部效应。电机的电枢绕组采用开绕组设置，可以直接通入带有零序分量的电流，减少了调磁绕组的使用，使得该种电机的槽面积变相增加，可以放置更多的绕组，增加电机的功率密度。

上述的定子铁心、钕铁硼永磁体、电枢绕组和铝镍钴永磁体共同组成电机定子；电机定子为由N个完全相同极性的定子单元组成的环形阵列结构，所有定子单元均包括依次设置的定子铝镍钴齿、定子铁心齿、定子铝镍钴齿、定子铁心齿、定子钕铁硼齿、定子铁心齿和定子钕铁硼齿，且相邻两个定子单元之间设有一个定子铁心齿，所有定子单元的极性均为“NSSS”分布。该模块化的方式便于加工，另外根据电机的尺寸和需求，单元数可以自由选取，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。铝镍钴永磁体由于放置在定子铝镍钴齿上，两边放置电枢绕组，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，保证铝镍钴永磁工作点的稳定。

本发明所述电机的调磁方法，通过向电枢绕组之中施加零序电流，依据磁阻最小原则，强磁场会穿过铝镍钴永磁体，从而改变铝镍钴永磁体的磁化水平，由于铝镍钴永磁体具有“记忆”功能，使得电机内铝镍钴永磁体的磁化水平（也就是励磁磁动势幅值）获得改变，进而改变电机的工作状态。在调磁时，在电枢绕组内，非常短的时间内施加充、去磁电流，故而相对于混合励磁电机，记忆电机具有很小的励磁损耗。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（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、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。电机的电枢绕组采用开绕组设置，可以直接通入带有零序分量的电流，减少了调磁绕组的使用，使得该种电机的槽面积变相增加，可以放置更多的绕组，增加电机的功率密度。

（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铝镍钴齿上，两边放置电枢绕组，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，保证铝镍钴永磁工作点的稳定。

本电机能够在线对铝镍钻永磁进行反复充去磁，实现绕组所匝绕磁链的变化；在调磁时，在电枢绕组内，非常短的时间内施加充、去磁电流，故而相对于混合励磁电机，记忆电机具有很小的励磁损耗。

（6）本电机的定子可以分为N个单元（根据电机的尺寸和需求，单元数可以自由选取，本发明实施例只展示由三个单元的电机），N个单元具有相同的极性分布，极性皆为NSSS分布，模块化的方式便于加工。该电机在增磁状态下，钕铁硼永磁和铝镍钴永磁共同提供磁链磁通；在弱磁状态时，铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体在电机定子内部短路，使得磁通大量通过带有铝镍钴永磁的齿，减少了绕组主磁通，从而实现了调磁。

附图说明

图1为本发明的电机横截面结构示意图，其中箭头方向表示永磁体充磁方向；

图2（a）为当脉冲磁动势对铝镍钴永磁体进行充磁时，本发明电机的磁通路径图；

图2（b）为当脉冲磁动势对铝镍钴永磁体进行去磁时，本发明电机的磁通路径图；

图3为当脉冲磁动势对铝镍钴永磁体进行充磁和去磁时，本发明电机的A相绕组空载反电势波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下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。

如图1所示，本发明所述混合永磁记忆电机，包括定子铁心1、钕铁硼永磁体2、电枢绕组3、铝镍钴永磁体4、转子5和电机转轴6，所述定子铁心1包括定子轭部1.1、定子铁心齿1.2、定子钕铁硼齿1.3和定子铝镍钴齿1.4，定子铁心1、钕铁硼（NdFeB）永磁体2、电枢绕组3和铝镍钴（AlNiCo）永磁体4共同组成电机定子；电枢绕组3匝绕在定子铁心齿1.2上，钕铁硼（NdFeB）永磁体2镶嵌在定子钕铁硼齿1.3上，实现聚磁式的结构；铝镍钴（AlNiCo）永磁体4表贴在定子铝镍钴齿1.4上；定子铝镍钴（AlNiCo）齿与定子铁心齿实现了定子交替极，进而实现了该种表贴+聚磁内嵌+定子铁心齿的混合，实现了混合磁极；转子5在定子内部，由转子齿5.1和转子铁心5.2组成；转轴6位于转子内部，转子绕转轴旋转。

该电机定子可以看成由三个完全相同极性的定子单元环形阵列组成，即由图1中的结构相同的单元一、单元二和单元三环形阵列组成（根据电机的尺寸和需求，单元数可以自由选取，本实施例中只展示由三个单元的电机），所有定子单元的极性均为“NSSS”分布。如图1所示，定子单元中依次设有定子铝镍钴齿1.4、定子铁心齿1.2、定子铝镍钴齿1.4、定子铁心齿1.2、定子钕铁硼齿1.3、定子铁心齿1.2和定子钕铁硼齿1.3，且相邻两个定子单元之间设有一个定子铁心齿1.2。

铝镍钴（AlNiCo）永磁体4表贴在定子铝镍钴齿1.4上，共有6块，所有铝镍钴永磁体4均沿径向充磁，且极性相同；所述钕铁硼永磁体2内嵌在定子钕铁硼齿1.3上，共有6块，钕铁硼永磁体2切向充磁，相邻两个极性相反。

该电机电枢绕组3既可以作为电枢绕组，又可以作为调磁绕组。

所述的两种永磁体（钕铁硼永磁体2和铝镍钴永磁体4）和电枢绕组3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。

本电机采用的电枢绕组为集中绕组，有效的降低了端部长度，削减电机端部效应。电机的电枢绕组采用开绕组设置，可以直接通入带有零序分量的电流，减少了调磁绕组的使用，使得该种电机的槽面积变相增加，可以放置更多的绕组，增加电机的功率密度。

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；径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。

所述电机的调磁方法，通过向电枢绕组之中施加零序电流，依据磁阻最小原则，强磁场会穿过铝镍钴永磁体，从而改变铝镍钴永磁体的磁化水平，由于铝镍钴永磁体具有“记忆”功能，使得电机内永磁体的磁化水平（也就是励磁磁动势幅值）获得改变，进而改变电机的工作状态。如图2所示，可以看到有大量的磁通通过铝镍钴永磁体所在的齿，变为漏磁通，减少了电枢绕组中通过的磁通量，改变了电机的性能。如图3所示，电机从充磁状态到去磁状态，电机的反电势有较大的下降，表明电机具有良好的调磁性能。

所述本电机的定子可以分为N个单元（单元数可根据电机尺寸和需求自由选择），N个单元具有相同的极性分布，极性皆为NSSS分布，模块化的方式便于加工。该电机在增磁状态下，钕铁硼永磁和铝镍钴永磁共同提供磁链磁通；在弱磁状态时，铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体在电机内部短路，减少了主磁通，从而实现了调磁。

本发明公开的新型磁通偏置型零序调磁混合永磁记忆电机运行原理如下：

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，该新型磁通偏置型零序调磁混合永磁记忆电机实质上是一种可变磁阻永磁电机。

最关键的是，本发明的电枢绕组既能做电枢绕组，又能做调磁绕组，将原来调磁绕组的空间给与了电枢绕组，增加了电枢绕组匝数，提高了电机的功率密度。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磁通偏置型零序调磁混合永磁记忆电机电机，以上所述仅是本发明的优选实施方式。

Claims (5)

1.一种混合磁极零序调磁记忆电机，其特征在于：包括定子铁心(1)、钕铁硼永磁体(2)、电枢绕组(3)、铝镍钴永磁体(4)、转子(5)和电机转轴(6)，定子铁心包括定子轭部(1.1)、定子铁心齿(1.2)、定子钕铁硼齿(1.3)和定子铝镍钴齿(1.4)，沿定子轭部内周上依次周期排布有定子铝镍钴齿、定子铁心齿、定子铝镍钴齿、定子铁心齿、定子钕铁硼齿、定子铁心齿、定子钕铁硼齿和定子铁心齿，电枢绕组匝绕在定子铁心齿上，钕铁硼永磁体镶嵌在定子钕铁硼齿上，铝镍钴永磁体表贴在定子铝镍钴齿上；转子在定子内部，转轴位于转子内部，转子绕转轴旋转。

2.根据权利要求1所述的一种混合磁极零序调磁记忆电机，其特征在于：铝镍钴永磁体均沿径向充磁，且极性相同；钕铁硼永磁体切向充磁，相邻两个极性相反。

3.根据权利要求1所述的一种混合磁极零序调磁记忆电机，其特征在于：电枢绕组作为电枢绕组和作为调磁绕组。

4.根据权利要求1所述的一种混合磁极零序调磁记忆电机，其特征在于：定子铁心、钕铁硼永磁体、电枢绕组和铝镍钴永磁体共同组成电机定子；电机定子为由N个完全相同极性的定子单元组成的环形阵列结构，所有定子单元均包括依次设置的定子铝镍钴齿、定子铁心齿、定子铝镍钴齿、定子铁心齿、定子钕铁硼齿、定子铁心齿和定子钕铁硼齿，且相邻两个定子单元之间设有一个定子铁心齿，所有定子单元的极性均为“NSSS”分布。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述混合磁极零序调磁记忆电机的调磁方法，其特征在于：通过向电枢绕组之中施加零序电流，依据磁阻最小原则，强磁场会穿过铝镍钴永磁体，从而改变铝镍钴永磁体的磁化水平，由于铝镍钴永磁体具有“记忆”功能，使得电机内铝镍钴永磁体的磁化水平获得改变，导致整个电机的励磁磁动势水平获得改变，进而改变电机的工作状态。

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