CN111555484A - 一种双层绕组的Halbach永磁记忆电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双层绕组的Halbach永磁记忆电机，定子槽被槽楔沿径向分割为扇形结构的上层槽和圆弧酒杯形的下层槽，且分别布设上下层为同相的电枢绕组，Halbach永磁体单元是由不同矫顽力永磁体组成，转子铁芯的转子槽中布设励磁绕组，并且对其通入脉冲电流来改变低矫顽力永磁体的磁化状态，从而调节气隙磁场，弥补了永磁电机磁场不易调节的不足，拓宽磁场的调节范围。电机正常运行时，相邻定子槽的上下层绕组采用错开的方式连接；当绕组发生故障，若故障绕组与左右相邻的绕组均为同相绕组，则采用故障绕组同槽不同层绕组替代故障绕组；若故障绕组与左右相邻的绕组存在不同相，则不同相绕组和故障绕组均被同槽不同层绕组替代。

Description

一种双层绕组的Halbach永磁记忆电机
技术领域
本发明涉及一种双层绕组的Halbach永磁记忆电机，属于永磁电机技术领域。
背景技术
Halbach永磁同步电机由于具有体积小、转矩/功率大、效率高等优点，被广泛的应用于电动汽车、机器人、风力发电等各种领域。但是由于其采用普通永磁材料(如钕铁硼)的固有特性，电机内的气隙磁场基本保持恒定，作为电动运行时调速范围十分有限，在如航空航天等宽调速直驱场合的应用受到一定限制。为了解决这一问题，Ostovic V等人提出采用低矫顽力永磁的记忆电机(又称变磁通永磁电机)。但是受限于低矫顽力永磁较低的磁性能，往往需要采用复杂的铁心结构保证低矫顽力永磁正常工作，以提供足够强的气隙磁场，这大大增加了电机的加工难度，降低了电机的机械可靠性。同时，例如工业机器人等对于电机工作要求精度、可靠性高的场合，电机的容错性能也至关重要。因此，需要设计新型的Halbach永磁记忆电机满足其容错性能和调磁性能的要求。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种双层绕组的Halbach永磁记忆电机，解决永磁同步电机气隙磁场不易调节、调速范围有限的问题，同时降低电机成本、增强电机的容错性。
技术方案：一种双层绕组的Halbach永磁记忆电机，包括定子和转子；所述定子包括沿圆周均匀分布的若干定子槽、定子齿和定子轭；所述定子槽被槽楔分隔成径向截面为扇形结构的上层槽和径向截面为圆弧酒杯形的下层槽，所述上层槽和下层槽分别布设上下层同相的电枢绕组，电机正常运行时，相邻定子槽的上下层电枢绕组采用错开的方式连接；当电枢绕组发生故障，若故障绕组与左右相邻的电枢绕组均为同相绕组，则采用故障绕组同槽不同层的电枢绕组替代故障绕组；若故障绕组与左右相邻的电枢绕组存在不同相，则不同相绕组和故障绕组均被同槽不同层的电枢绕组替代；
所述转子包括转子铁芯，所述转子铁芯内沿圆周设有若干闭口转子槽，形成沿圆周设置的转子齿，转子槽内缠绕有励磁绕组；所述转子的表面沿圆周布设有若干Halbach永磁体单元，所述Halbach永磁体单元由5块径向截面为扇形的永磁体块组成，中间的一块永磁体采用铝镍钴材料，其余四块永磁体采用钕铁硼材料，并且中间的一块永磁体的磁化角为90度，其余四块永磁体镜像成对，镜像的一对永磁体块磁化角相同；对所述励磁绕组通入脉冲电流来改变铝镍钴永磁体的磁化状态，从而调节气隙磁场。
进一步的，所述Halbach永磁体单元中，中间的一块永磁体永磁体块采用铝镍钴Alnico9，其余四块采用钕铁硼N40UH。
有益效果：本发明所提出的双层绕组的Halbach永磁记忆电机，其定子槽槽型不仅便于绕组缠绕，而且可减小外定子齿磁密、避免电机运行中此处过热问题；双层电枢绕组的结构，在正常工况时上、下层交错运行方式，既减小了相间短路的风险，又确保电机能够继续正常工作，提高了电机的容错性和稳定性。
电机永磁体采用不同矫顽力Halbach永磁体阵列结构，中间的一块永磁体采用铝镍钴材料，其余四块采用钕铁硼材料。这种结构，由于Halbach永磁体阵列的单侧聚磁特性，以及高矫顽力的永磁体块，为电机提供了较强的恒定磁场；另外利用低矫顽力永磁的磁滞特性的记忆，通过对转子励磁绕组施加不同幅值的脉冲电流，使低矫顽力永磁工作于不同的磁化水平，从而调节气隙磁场，实现较宽的磁通调节范围。
附图说明
图1为一种双层绕组的Halbach永磁记忆电机的径向截面结构示意图；
图2为图1中1/4模型结构以及电枢绕组示意图；
图3为Halbach永磁体单元结构示意图；
图4为正常工况时以A、C相为例的电机电枢绕组连接示意图；
图5为电枢绕组C21发生故障时电机电枢绕组连接图；
图6为电枢绕组A31发生故障时电机电枢绕组连接图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1和图2所示，一种双层绕组的Halbach永磁记忆电机，包括定子1、转子3以及转轴4。定子1包括沿圆周均匀分布的若干定子槽5、定子齿11和定子轭12。定子槽5被槽楔7分隔成径向截面为扇形结构的上层槽6和径向截面为圆弧酒杯形的下层槽8，上层槽6和下层槽8分别布设上下层同相的电枢绕组10，该槽型不仅便于绕组缠绕，而且可减小外定子齿磁密、避免电机运行中此处过热问题。
转子3包括转子铁芯，转子铁芯内沿圆周设有若干闭口转子槽9，形成沿圆周设置的转子齿14，转子槽9内缠绕有励磁绕组13。转子3的表面沿圆周布设有20块Halbach永磁体单元2，如图3所示，每块Halbach永磁体单元2由5块径向截面为扇形的永磁体块组成，中间的一块永磁体2-1采用低矫顽力的铝镍钴Alnico9，其余四块永磁体2-2、2-3、2-4和2-5采用矫顽力较高的钕铁硼N40UH。并且中间的一块永磁体2-1的磁化角为90度，其余四块永磁体2-1、2-2、2-3、2-4和2-5镜像成对，镜像的一对永磁体块磁化角相同。将5块永磁体块体2-1、2-2、2-3、2-4和2-5磁化角分别记为α、β1、β2、γ1、γ2，由公式1表示。
Figure BDA0002523439100000031
转子3以及Halbach永磁体单元2与转轴4连接在一起且同步旋转。这种组合的Halbach永磁体单元结构不仅可以通过高矫顽力的永磁体和Halbach的单侧聚磁特性，提供了较强的恒定磁场；而且因为采用低矫顽力永磁体，其具有磁滞特性的记忆，通过对转子励磁绕组施加不同幅值的脉冲电流，使低矫顽力永磁体块2-1工作于不同的磁化水平，从而调节气隙磁场，弥补了永磁电机不易调节的不足，拓宽了调速范围。
更具体的，当励磁绕组13注入正的瞬时脉冲电流，铝镍钴永磁体2-1被正向磁化，与剩下的4块钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体的磁化走向一致，使得气隙磁通增加，从而实现增磁；当励磁绕组注入负的瞬时脉冲电流，铝镍钴永磁体2-1被反向磁化，与剩下的4块钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体的磁化走向相反，降低电机气隙磁密。从节约成本的角度出发，这种结构也有效地降低电机稀土永磁体用量。
本发明电机正常运行时，相邻定子槽的上下层电枢绕组采用错开的方式连接，当电枢绕组发生故障，若故障绕组与左右相邻的电枢绕组均为同相绕组，则采用故障绕组同槽不同层的电枢绕组替代故障绕组；若故障绕组与左右相邻的电枢绕组存在不同相，则不同相绕组和故障绕组均被同槽不同层的电枢绕组替代。
如图2和图4所示，电机定子槽5的上层槽6和下层槽8内分别嵌有上下同相的电枢绕组10。正常工况的电机电枢绕组运行方式以A相和C相绕组为例，为了避免相间短路，相邻定子槽5的上下层绕组采用错开的方式连接。当绕组发生故障，如图5情况所示，C21此时发生故障，相邻的C12、C32与C21相位相同，则选用该绕组同槽不同层绕组C22替代故障绕组C21，形成新的通电回路。若故障绕组与左右相邻的绕组存在不同相，如图6情况所示，A31此时发生故障，相邻的A22与C12中，存在相位不同的C12，则不同相绕组C12和故障绕组A31均被其各自同槽不同层绕组C11和A32替代，确保电机能够继续正常工作。该双层绕组的设计，提高了电机的容错性和稳定性。
需要说明的是，本发明的定子槽双层绕组结构，还可将基本的层数进行整数倍扩充，得到3层、4层等结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种双层绕组的Halbach永磁记忆电机，其特征在于，包括定子(1)和转子(3)；所述定子(1)包括沿圆周均匀分布的若干定子槽(5)、定子齿(11)和定子轭(12)；所述定子槽(5)被槽楔(7)分隔成径向截面为扇形结构的上层槽(6)和径向截面为圆弧酒杯形的下层槽(8)，所述上层槽(6)和下层槽(8)分别布设上下层同相的电枢绕组(10)，电机正常运行时，相邻定子槽(5)的上下层电枢绕组采用错开的方式连接；当电枢绕组发生故障，若故障绕组与左右相邻的电枢绕组均为同相绕组，则采用故障绕组同槽不同层的电枢绕组替代故障绕组；若故障绕组与左右相邻的电枢绕组存在不同相，则不同相绕组和故障绕组均被同槽不同层的电枢绕组替代；
所述转子(3)包括转子铁芯，所述转子铁芯内沿圆周设有若干闭口转子槽(9)，形成沿圆周设置的转子齿(14)，转子槽(9)内缠绕有励磁绕组(13)；所述转子(3)的表面沿圆周布设有若干Halbach永磁体单元(2)，所述Halbach永磁体单元(2)由5块径向截面为扇形的永磁体块组成，中间的一块永磁体采用铝镍钴材料，其余四块永磁体采用钕铁硼材料，并且中间的一块永磁体的磁化角为90度，其余四块永磁体镜像成对，镜像的一对永磁体块磁化角相同；对所述励磁绕组(13)通入脉冲电流来改变铝镍钴永磁体的磁化状态，从而调节气隙磁场。
2.根据权利要求1所述的双层绕组的Halbach永磁记忆电机，其特征在于，所述Halbach永磁体单元(2)中，中间的一块永磁体块采用铝镍钴Alnico9，其余四块采用钕铁硼N40UH。
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