CN112436633B - 三段式v型串并联组合磁极可调磁通电机 - Google Patents

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Abstract

三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机，属于永磁电机领域，本发明为解决现有技术不能兼顾串并联型可调磁通电机优点的问题。本发明在转子铁心每个磁极下设置一个V型永磁体槽，V型永磁体槽由两个一字型槽体对称设置构成，所述一字型槽体为三段式结构，且沿长度方向从外至内由外槽体、中间槽体和内槽体依次连通构成，所述外槽体由一号高矫顽力永磁体槽和一号低矫顽力永磁体槽沿厚度方向并列连通构成，所述内槽体由二号高矫顽力永磁体槽和二号低矫顽力永磁体槽沿厚度方向并列连通构成；在高矫顽力永磁体槽内高矫顽力永磁体，在低矫顽力永磁体槽内放置低矫顽力永磁体。

Description

三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机
技术领域
本发明涉及一种永磁电机的宽调速技术，属于永磁电机领域。
背景技术
永磁同步电机因其高功率密度、高效率的优点，而成为新能源汽车的常用驱动电机，但是该类电机具有永磁磁场调节困难、弱磁扩速时效率低等缺点。针对上述问题，学者们提出了一种永磁磁场可调的可调磁通电机，这种电机可以通过施加d轴充、去磁电流脉冲改变永磁体磁化状态，从而到达扩宽电机调速范围的目的。相比于只采用一种低矫顽力永磁体的可调磁通电机，采用高矫顽力和低矫顽力永磁体组合磁极结构的电机可以有效提高功率密度。并联型可调磁通电机因具有去磁电流脉冲小、磁极组合形式多样等优点而得到了广泛研究，但其高矫顽力永磁体对低矫顽力永磁体的去磁作用使得低矫顽力永磁体工作稳定性差，电机所需正向磁化电流幅值较大，增大了电机驱动器的负担。串联型可调磁通电机具有抗退磁能力较强，一定程度降低成本的优点，但也存在难以改变低矫顽力永磁体磁化状态，调磁、调速效果不明显的问题。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术不能兼顾串并联型可调磁通电机优点的问题，提供了一种三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机。
本发明所述三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机，包括定子铁心1、电枢绕组2、转子铁心3和转轴16；转子铁心3固定在转轴16上，并位于定子铁心1内部，电枢绕组2设置在定子铁心1上；
在转子铁心3每个磁极下设置一个V型永磁体槽，V型永磁体槽由两个一字型槽体对称设置构成，所述一字型槽体为三段式结构，且沿长度方向从外至内由外槽体14、中间槽体8和内槽体15依次连通构成，所述外槽体14由一号高矫顽力永磁体槽4和一号低矫顽力永磁体槽6沿厚度方向并列连通构成，所述内槽体15由二号高矫顽力永磁体槽10和二号低矫顽力永磁体槽12沿厚度方向并列连通构成；
一号高矫顽力永磁体槽4内放置一号高矫顽力永磁体5，二号高矫顽力永磁体槽10内放置二号高矫顽力永磁体11；一号低矫顽力永磁体槽6内放置一号低矫顽力永磁体7，二号低矫顽力永磁体槽12内放置二号低矫顽力永磁体13，中间槽体8内放置三号低矫顽力永磁体9。
优选地，V型永磁体槽沿轴向贯穿整个电机。
优选地，一号高矫顽力永磁体槽4和二号高矫顽力永磁体槽10同时靠近V型永磁体槽内侧，一号低矫顽力永磁体槽6和二号低矫顽力永磁体槽12同时靠近V型永磁体槽外侧；
或一号高矫顽力永磁体槽4和二号高矫顽力永磁体槽10同时靠近V型永磁体槽外侧，一号低矫顽力永磁体槽6和二号低矫顽力永磁体槽12同时靠近V型永磁体槽内侧。
优选地，每磁极下V型永磁体槽的对称轴线处、V型磁极与转子圆周之间均设置磁桥。
优选地，V型永磁体槽的内张角范围为100°~160°。
优选地，一字型槽体的外槽体14、中间槽体8和内槽体15的厚度依次变大。
优选地，一号低矫顽力永磁体7、二号低矫顽力永磁体13和三号低矫顽力永磁体9采用矫顽力小于250kA/m的永磁材料，一号高矫顽力永磁体5和二号高矫顽力永磁体11采用矫顽力大于800kA/m的永磁材料。
优选地，一号低矫顽力永磁体7、二号低矫顽力永磁体13、三号低矫顽力永磁体9、一号高矫顽力永磁体5和二号高矫顽力永磁体11均为整块永磁体，或沿轴向由多块永磁体构成。
优选地，一号低矫顽力永磁体7、二号低矫顽力永磁体13、三号低矫顽力永磁体9、一号高矫顽力永磁体5和二号高矫顽力永磁体11均沿一字型槽体的厚度方向平行充磁；
正常工作状态下，同一磁极下的所有永磁体充磁方向相同，沿一字型槽体厚度方向指向V型内部或外部；相邻磁极下的永磁体充磁方向相反。
优选地，电机励磁方式包括：
电机正常工作时，磁路串联的一号高矫顽力永磁体5和一号低矫顽力永磁体7、磁路串联的二号高矫顽力永磁体11和二号低矫顽力永磁体13、与前述二者磁路并联的三号低矫顽力永磁体9的磁通共同进入气隙；
电枢绕组施加弱d轴去磁电流时，一号低矫顽力永磁体7、二号低矫顽力永磁体13和三号低矫顽力永磁体9的工作点降低，一号高矫顽力永磁体5对串联磁路中的一号低矫顽力永磁体7充磁以提高其工作点，二号高矫顽力永磁体11对串联磁路中的二号低矫顽力永磁体13充磁以提高其工作点，进而实现一号低矫顽力永磁体7和二号低矫顽力永磁体13的工作点高于三号低矫顽力永磁体9的工作点；
电枢绕组施加强d轴去磁电流时，一号低矫顽力永磁体7、二号低矫顽力永磁体13和三号低矫顽力永磁体9的工作点进一步降低，直至低矫顽力永磁体9去磁至反向磁化状态；一号高矫顽力永磁体5和一号低矫顽力永磁体7的磁通、二号高矫顽力永磁体11和二号低矫顽力永磁体13的磁通均有部分磁通进入气隙，部分磁通与反向磁化的三号低矫顽力永磁体9的磁通形成回路。
本发明的有益效果：本发明所诉三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机能兼顾串、并联两种结构型电机的优点，既能提高并联组合磁极可调磁通电机低矫顽力永磁体工作点稳定性，降低电机充磁电流脉冲，又能改善串联型可调磁通电机的调磁、调速效果。
本发明所诉三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机在正常运行时，串并联组合式的高矫顽力永磁体与低矫顽力永磁体的磁通共同进入气隙，V型永磁体槽靠近对称轴线的内槽体中放置磁路串联的较大厚度的高、低矫顽力永磁体，保证电机正向磁化状态下气隙磁密较高，且一定程度地降低其对中间低矫顽力永磁体的去磁作用，同时本身具有一定的调磁能力；中间槽体放置低矫顽力永磁体，作为可调磁极，用于实现调磁功能，当被脉冲电流反向磁化后可将两侧磁极的部分磁通短路，从而降低气隙磁密，实现调磁效果；V型永磁体槽靠近气隙侧的外槽体中放置磁路串联的较小厚度的高、低矫顽力永磁体，增强该位置抗交轴电枢反应去磁的能力。
三段永磁体槽厚度不同且由内向外依次递减，既对永磁体的装配起定位作用，又可以固定永磁体防止其沿槽长边方向窜动；而且使每对极下的气隙磁密呈对称三段阶梯分布，提高了其正弦性。
将V型永磁体槽的张角限制在合理范围内，既避免电机的极弧系数过小，致使磁极间铁心短路大部分充磁/去磁磁通，影响调磁效果；又可以避免相邻不同极下永磁体距离过小，保证了电机凸极性，可以更好地利用磁阻转矩，提高电机的转矩密度。
每极下V型永磁体槽对称轴线处、V型磁极与转子圆周之间设置磁桥，以保证电机转子的机械强度。
附图说明
图1是本发明所述三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机的结构示意图；
图2是一个磁极下槽体结构示意图；
图3是正向磁化时的各永磁体的磁化状态示意图；
图4是弱去磁电流反向磁化时的各永磁体的磁化状态示意图；
图5是强去磁电流反向磁化时的各永磁体的磁化状态示意图；
图6是中间磁极正向饱和磁化状态磁力线分布图；
图7是中间磁极反向饱和磁化状态磁力线分布图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机，包括定子铁心1、电枢绕组2、转子铁心3和转轴16；转子铁心3固定在转轴16上，并位于定子铁心1内部，电枢绕组2设置在定子铁心1上；
在转子铁心3每个磁极下设置一个V型永磁体槽，V型永磁体槽由两个一字型槽体对称设置构成，所述一字型槽体为三段式结构，且沿长度方向从外至内由外槽体14、中间槽体8和内槽体15依次连通构成，所述外槽体14由一号高矫顽力永磁体槽4和一号低矫顽力永磁体槽6沿厚度方向并列连通构成，所述内槽体15由二号高矫顽力永磁体槽10和二号低矫顽力永磁体槽12沿厚度方向并列连通构成；
一号高矫顽力永磁体槽4内放置一号高矫顽力永磁体5，二号高矫顽力永磁体槽10内放置二号高矫顽力永磁体11；一号低矫顽力永磁体槽6内放置一号低矫顽力永磁体7，二号低矫顽力永磁体槽12内放置二号低矫顽力永磁体13，中间槽体8内放置三号低矫顽力永磁体9。
V型永磁体槽沿轴向贯穿整个电机。
每磁极下V型永磁体槽的对称轴线处、V型磁极与转子圆周之间均设置磁桥。
V型永磁体槽的内张角范围为100°~160°。
一字型槽体的外槽体14、中间槽体8和内槽体15的厚度依次变大。
一号低矫顽力永磁体7、二号低矫顽力永磁体13和三号低矫顽力永磁体9采用矫顽力小于250kA/m的永磁材料，一号高矫顽力永磁体5和二号高矫顽力永磁体11采用矫顽力大于800kA/m的永磁材料。
一号低矫顽力永磁体7、二号低矫顽力永磁体13、三号低矫顽力永磁体9、一号高矫顽力永磁体5和二号高矫顽力永磁体11均为整块永磁体，或沿轴向由多块永磁体构成。
一号低矫顽力永磁体7、二号低矫顽力永磁体13、三号低矫顽力永磁体9、一号高矫顽力永磁体5和二号高矫顽力永磁体11均沿一字型槽体的厚度方向平行充磁；
正常工作状态下，同一磁极下的所有永磁体充磁方向相同，沿一字型槽体厚度方向指向V型内部或外部；相邻磁极下的永磁体充磁方向相反。
本实施方式中同一磁极下的高、低矫顽力永磁体具有混合励磁磁路，一号高矫顽力永磁体5和一号低矫顽力永磁体7磁路串联，二号高矫顽力永磁体11和二号低矫顽力永磁体13磁路串联，三号低矫顽力永磁体9与前述二者磁路并联。
电机励磁方式包括：
电机正常工作时，磁路串联的一号高矫顽力永磁体5和一号低矫顽力永磁体7、磁路串联的二号高矫顽力永磁体11和二号低矫顽力永磁体13、与前述二者磁路并联的三号低矫顽力永磁体9的磁通共同进入气隙；
电枢绕组施加弱d轴去磁电流时，一号低矫顽力永磁体7、二号低矫顽力永磁体13和三号低矫顽力永磁体9的工作点降低，一号高矫顽力永磁体5对串联磁路中的一号低矫顽力永磁体7充磁以提高其工作点，二号高矫顽力永磁体11对串联磁路中的二号低矫顽力永磁体13充磁以提高其工作点，进而实现一号低矫顽力永磁体7和二号低矫顽力永磁体13的工作点高于三号低矫顽力永磁体9的工作点；
电枢绕组施加强d轴去磁电流时，一号低矫顽力永磁体7、二号低矫顽力永磁体13和三号低矫顽力永磁体9的工作点进一步降低，直至低矫顽力永磁体9去磁至反向磁化状态；一号高矫顽力永磁体5和一号低矫顽力永磁体7的磁通、二号高矫顽力永磁体11和二号低矫顽力永磁体13的磁通均有部分磁通进入气隙，部分磁通与反向磁化的三号低矫顽力永磁体9的磁通形成回路。
本发明电机具有串并联结构特点，V型磁体槽靠近对称轴线的内槽体15中放置串联的较大厚度的高、低矫顽力永磁体10、12，本身具有一定的调磁能力，并保证电机正向磁化状态下气隙磁密较高；还能一定程度地降低其对中间三号低矫顽力永磁体9的去磁作用，中间槽体8放置三号低矫顽力永磁体9，其作为可调磁极，用于实现调磁功能，当被脉冲电流反向磁化后可将两侧磁极的磁通短路，从而降低气隙磁密，实现调磁效果；V型永磁体槽靠近气隙侧的外槽体中放置串联的较小厚度的高、低矫顽力永磁体4、6，增强该位置抗交轴电枢反应去磁的能力。将V型永磁体槽的张角限制在合理范围内，既避免电机的极弧系数过小，致使大部分充磁/去磁磁通被磁极间铁心短路，影响调磁效果；又可以避免相邻不同极下V型永磁体距离过小，保证了电机凸极性，可以更好地利用磁阻转矩，提高电机的转矩密度。整体呈并联结构的磁体分布保证了中间低矫顽力永磁体的磁化状态的调节范围较宽，便于电机有较大的速度调节范围；而两侧的串联磁极也降低了高矫顽力永磁体对中间低矫顽力永磁体的去磁作用，避免了低矫顽力永磁体的工作稳定性差的问题。每极下V型槽对称轴线处、V型磁极与转子圆周之间设置磁桥，以保证电机转子的机械强度；每个V型永磁体槽分为厚度不同且由内向外依次递减的三段，既对永磁体的装配起定位作用，又可以固定永磁体防止其沿槽长边方向窜动；而且使每对极下的气隙磁密呈对称三段阶梯分布，提高了其正弦性。
本发明电机由于具有串并联结构，其调磁过程兼具串联结构与并联结构的特点，电机正常工作时，串并联组合式的高矫顽力永磁体与低矫顽力永磁体的磁通共同进入气隙，如图3所示，图中箭头方向表示永磁体的充磁方向，箭头大小表示永磁体工作点的高低；当通过电机电枢绕组施加较小的d轴去磁电流脉冲时，可将低矫顽力永磁体的工作点降低，如图4所示，由于去磁电流较小，每个一字型永磁体槽内的三个低矫顽力永磁体均未被去磁至反向磁化状态，而由于一、二号低矫顽力永磁体7、13分别受到与其串联的一、二号高矫顽力永磁体5、11的充磁作用，其工作点降低的程度要小于中间的三号低矫顽力永磁体9，即此时一、二号低矫顽力永磁体7、13工作点高于三号低矫顽力永磁体9，而由于每个一字型永磁体槽内的低矫顽力永磁体工作点均有所降低，此时电机气隙磁密会有所下降，且所施加的去磁脉冲电流越大，气隙磁密越低；当施加足够大的d轴去磁电流脉冲时，可将中间的三号低矫顽力永磁体9去磁至反向磁化状态，如图5所示，此时一、二号低矫顽力永磁体7、13的工作点会进一步降低，但是由于受到与其串联的一、二号高矫顽力永磁体5、11的充磁作用，一、二号低矫顽力永磁体7、13不会被去磁至反向磁化状态，反向磁化的三号低矫顽力永磁体9对于两侧与其并联的磁极起到短路作用，即两对串联的永磁体所产生的部分磁通会直接流经三号低矫顽力永磁体9形成回路（而不进入电机气隙），剩余部分磁通才进入电机气隙，此时电机的气隙磁密被进一步降低。当需要提高电机气隙磁密时，则可以通过电枢绕组施加d轴充磁电流脉冲实现，其调节过程与上述去磁过程相似。
本实施方式电机结构及调磁方式使其调磁能力有很大的提高，调磁能力由电机的调磁系数K来表征，调磁系数越大，电机的调磁能力越强，即在反向饱和磁化时，高矫顽力永磁体磁通被低矫顽力永磁体短路得越多。针对不同的应用需求，电机的调磁系数K可取不同的取值，本实施方式电机的调磁系数K可取值在0.5~1之间，非常优秀。
对于三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机，其调磁系数K表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中：B rH为一、二号高矫顽力永磁体5、11在工作温度下的剩磁，B rL为一、二号低矫顽力永磁体7、13在工作温度下的剩磁，B sat为转子铁心所用材料的饱和磁密，b m1为一号高矫顽力永磁体5的工作点，b m2为三号低矫顽力永磁体9的工作点，b m3为二号高矫顽力永磁体11的工作点，W m1为一号高矫顽力永磁体5沿一字型槽体长度方向的宽度，W m2为三号低矫顽力永磁体9沿一字型槽体长度方向的宽度，W m3为二号高矫顽力永磁体11沿一字型槽体长度方向的宽度，W b1和W b2分别为V型槽对称轴线处磁桥和磁极与转子圆周之间磁桥的宽度。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，磁路串联的两对永磁体的布局方式分以下两种：
第一种布局方式：一号高矫顽力永磁体槽4和二号高矫顽力永磁体槽10同时靠近V型永磁体槽内侧，一号低矫顽力永磁体槽6和二号低矫顽力永磁体槽12同时靠近V型永磁体槽外侧；
第二种布局方式：一号高矫顽力永磁体槽4和二号高矫顽力永磁体槽10同时靠近V型永磁体槽外侧，一号低矫顽力永磁体槽6和二号低矫顽力永磁体槽12同时靠近V型永磁体槽内侧。
这两种都可以，第一种布局方式的磁密更大些。

Claims (8)

1.三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机，其特征在于，包括定子铁心（1）、电枢绕组（2）、转子铁心（3）和转轴（16）；转子铁心（3）固定在转轴（16）上，并位于定子铁心（1）内部，电枢绕组2设置在定子铁心（1）上；
其特征在于，在转子铁心（3）每个磁极下设置一个V型永磁体槽，V型永磁体槽由两个一字型槽体对称设置构成，所述一字型槽体为三段式结构，且沿长度方向从外至内由外槽体（14）、中间槽体（8）和内槽体（15）依次连通构成，所述外槽体（14）由一号高矫顽力永磁体槽（4）和一号低矫顽力永磁体槽（6）沿厚度方向并列连通构成，所述内槽体（15）由二号高矫顽力永磁体槽（10）和二号低矫顽力永磁体槽（12）沿厚度方向并列连通构成；
一号高矫顽力永磁体槽（4）内放置一号高矫顽力永磁体（5），二号高矫顽力永磁体槽（10）内放置二号高矫顽力永磁体（11）；一号低矫顽力永磁体槽（6）内放置一号低矫顽力永磁体（7），二号低矫顽力永磁体槽（12）内放置二号低矫顽力永磁体（13），中间槽体（8）内放置三号低矫顽力永磁体（9）；
一字型槽体的外槽体（14）、中间槽体（8）和内槽体（15）的厚度依次变大；
电机励磁方式包括：
电机正常工作时，磁路串联的一号高矫顽力永磁体（5）和一号低矫顽力永磁体（7）、磁路串联的二号高矫顽力永磁体（11）和二号低矫顽力永磁体（13）、与前述二者磁路并联的三号低矫顽力永磁体（9）的磁通共同进入气隙；
电枢绕组施加弱d轴去磁电流时，一号低矫顽力永磁体（7）、二号低矫顽力永磁体（13）和三号低矫顽力永磁体（9）的工作点降低，一号高矫顽力永磁体（5）对串联磁路中的一号低矫顽力永磁体（7）充磁以提高其工作点，二号高矫顽力永磁体（11）对串联磁路中的二号低矫顽力永磁体（13）充磁以提高其工作点，进而实现一号低矫顽力永磁体（7）和二号低矫顽力永磁体（13）的工作点高于三号低矫顽力永磁体（9）的工作点；
电枢绕组施加强d轴去磁电流时，一号低矫顽力永磁体（7）、二号低矫顽力永磁体（13）和三号低矫顽力永磁体（9）的工作点进一步降低，直至低矫顽力永磁体9去磁至反向磁化状态；一号高矫顽力永磁体（5）和一号低矫顽力永磁体（7）的磁通、二号高矫顽力永磁体（11）和二号低矫顽力永磁体（13）的磁通均有部分磁通进入气隙，部分磁通与反向磁化的三号低矫顽力永磁体（9）的磁通形成回路。
2.根据权利要求1所述三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机，其特征在于，V型永磁体槽沿轴向贯穿整个电机。
3.根据权利要求1所述三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机，其特征在于，一号高矫顽力永磁体槽（4）和二号高矫顽力永磁体槽（10）同时靠近V型永磁体槽内侧，一号低矫顽力永磁体槽（6）和二号低矫顽力永磁体槽（12）同时靠近V型永磁体槽外侧；
或一号高矫顽力永磁体槽（4）和二号高矫顽力永磁体槽（10）同时靠近V型永磁体槽外侧，一号低矫顽力永磁体槽（6）和二号低矫顽力永磁体槽（12）同时靠近V型永磁体槽内侧。
4.根据权利要求1所述三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机，其特征在于，每磁极下V型永磁体槽的对称轴线处、V型磁极与转子圆周之间均设置磁桥。
5.根据权利要求1所述三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机，其特征在于，V型永磁体槽的内张角范围为100°~160°。
6.根据权利要求1所述三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机，其特征在于，一号低矫顽力永磁体（7）、二号低矫顽力永磁体（13）和三号低矫顽力永磁体（9）采用矫顽力小于250kA/m的永磁材料，一号高矫顽力永磁体（5）和二号高矫顽力永磁体（11）采用矫顽力大于800kA/m的永磁材料。
7.根据权利要求1所述三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机，其特征在于，一号低矫顽力永磁体（7）、二号低矫顽力永磁体（13）、三号低矫顽力永磁体（9）、一号高矫顽力永磁体（5）和二号高矫顽力永磁体（11）均为整块永磁体，或沿轴向由多块永磁体构成。
8.根据权利要求1至7任一权利要求所述三段式V型串并联组合磁极可调磁通电机，其特征在于，一号低矫顽力永磁体（7）、二号低矫顽力永磁体（13）、三号低矫顽力永磁体（9）、一号高矫顽力永磁体（5）和二号高矫顽力永磁体（11）均沿一字型槽体的厚度方向平行充磁；
正常工作状态下，同一磁极下的所有永磁体充磁方向相同，沿一字型槽体厚度方向指向V型内部或外部；相邻磁极下的永磁体充磁方向相反。
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