CN112769307A - 一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机 - Google Patents

Abstract

一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，涉及可变磁通永磁体记忆电机领域。本发明是为了解决传统记忆电机转矩性能低，无法解决电机高效运行效率区域减小的问题。本发明第一永磁体组包括横截面为矩形、且材料不同的两个第一永磁体，两个第一永磁体呈“V”字形设置，每个第一永磁体充磁方向均与其短边长度方向平行、且两个第一永磁体的充磁方向镜像对称，第二永磁体组包括横截面为梯形、且材料不同的两个第二永磁体，两个第二永磁体镜像对称设置、二者构成一个五边形，两个第二永磁体充磁方向均为梯形下底的长度方向，两个第二永磁体相贴的边沿转子铁心径向设置。本发明适用于动态可调磁通及动态可调转矩性能的变速运行场合中。

Description

一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机

技术领域

本发明属于可变磁通永磁体记忆电机领域。

背景技术

在传统的永磁记忆电机当中，转子永磁体每极采用单一种类对称分布的永磁体拓扑结构和分布。在电机需要调速运行时，随着电枢电流频率的升高，电机转子内的永磁磁场相对于定子电枢绕组旋转产生的绕组反电势也将同时升高；随着所需调节的电机转速进一步增加，电枢绕组上的反电势也将进一步增加，最终导致电枢绕组两端的电压会接近并最终超过电机电源上搭配的电力电子器件的电压承受能力，无法再通过变频来实现对电机的调速效果。为了进一步提高电机的调速范围，需要采用传统的弱磁扩速技术，改变电源频率的同时施加电流脉冲改变记忆电机内转子上的永磁体磁化程度，能够在调速过程中降低永磁磁场相对于定子运动所产生的反电势值。

但由于弱磁扩速技术使用在传统的记忆电机上时，在降低了气隙磁密的同时，电机在高速运行时转矩性能也随之大幅下降，此时传统记忆电机的转矩性能相较于一般永磁电机在高速状态下有明显不足；进而导致了传统记忆电机的转矩与速度的可运行范围大大减小，从而导致传统记忆电机的可运行的效率区域也大幅减小。传统记忆电机在提供了可调磁通的方案后，并没有解决自身关于弱磁后的转矩性能下降以及高效运行效率区域减小的问题。

发明内容

本发明是为了解决利用弱磁扩速技术提高电机调速范围时，会使传统记忆电机转矩性能下降，仍旧无法解决电机高效运行效率区域减小的问题，现提供一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机。

一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，包括：2n个永磁体单元、转轴、转子铁心和定子铁心，n为正整数，转子铁心同轴套接在转轴的外圆周上，定子铁心同轴套接在转子铁心的外圆周上，定子铁心的内圆周面上设有多个定子齿，定子齿之间设有绕组，转子铁心沿其轴向开有2n个永磁体孔，2n个永磁体孔沿转子铁心周向均匀排布，2n个永磁体单元分别嵌固在2n个永磁体孔中，相邻两个永磁体单元中相邻两个永磁体的充磁方向相反；

每个永磁体单元均包括：第一永磁体组和第二永磁体组，第一永磁体组包括横截面为矩形、且材料不同的两个第一永磁体，两个第一永磁体呈“V”字形设置，每个第一永磁体充磁方向均与其短边长度方向平行、且两个第一永磁体的充磁方向镜像对称，第二永磁体组包括横截面为梯形、且材料不同的两个第二永磁体，两个第二永磁体下底相贴并呈镜像对称设置、使得二者构成一个五边形，两个第二永磁体充磁方向均为梯形下底的长度方向，两个第二永磁体相贴的边沿转子铁心径向设置，第二永磁体组位于第一永磁体组“V”字形的开口处，第一永磁体组“V”字形的尖端朝向转子铁心的主轴，相邻两个永磁体单元中相邻的两个第一永磁体材料不同，同一个永磁体单元中相邻的第一永磁体和第二永磁体材料不同。

进一步的，上述第二永磁体中梯形的上底与下底长度之比范围为1/3～1/1.5，优选的，第二永磁体中梯形的上底与下底长度之比为1/2。

进一步的，上述两个第一永磁体的材料分别为钕铁硼和铝镍钴，两个第二永磁体的材料分别为钕铁硼和铝镍钴。

进一步的，上述两个第一永磁体构成的“V”字形夹角范围为70°～90°，优选的，两个第一永磁体构成的“V”字形夹角为80°。

进一步的，上述每个永磁体单元还包括呈“V”字形设置的两个聚磁隔磁空气槽，聚磁隔磁空气槽沿转子铁心轴向开通，“V”字形的尖端朝向转子铁心的主轴、开口朝向第一永磁体组的尖端。

进一步的，上述以相邻两个永磁体单元的对称轴为q轴，两个聚磁隔磁空气槽所构成“V”字形的边与其相邻的q轴夹角范围为50°～70°，优选的，两个聚磁隔磁空气槽所构成“V”字形的边与其相邻的q轴夹角为60°。

进一步的，上述每个永磁体单元还包括两个横截面为三角形的空气槽，两个空气槽为别位于两个第二永磁体外侧。

本发明所述的一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，在施加充磁与退磁电流后，随着永磁体磁化状态的改变，能够同时明显的改变电机内单个磁极的d轴与q轴所在的空间矢量方向指向，即具有动态可调的变轴偏移能力。在弱磁过程中，随着磁极的中心q轴与磁极边缘d轴的逆时针方向偏移，永磁磁极所处的最大运行电流角会逐渐接近当下转子结构的磁阻转矩最大运行电流角，实现轴偏移的补偿转矩效果，从而提升了传统记忆电机在弱磁运行时的总体电磁转矩大小，解决了传统记忆电机弱磁后转矩性能极剧下降以及可运行效率区域减小的问题。

本发明适用于需要电机实现动态可调磁通及动态可调转矩性能的变速运行场合中。

附图说明

图1为本发明所述的一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机的截面示意图；

图2为一个永磁体单元的示意图；

图3为未施加退磁电流时d、q轴分布图；

图4为施加100A退磁电流后d、q轴位置与初始d、q轴位置对比分布图，其中a表示施加100A退磁电流后的q轴，b表示初始q轴，c表示施加100A退磁电流后的d轴，d表示初始d轴；

图5为施加160A退磁电流后d、q轴位置与初始d、q轴位置对比分布图，其中e表示施加160A退磁电流后的q轴，b表示初始q轴，f表示施加160A退磁电流后的d轴，d表示初始d轴；

图6为传统的记忆电机与动态可偏轴记忆电机在不同调磁电流作用下的转矩转速特性曲线对比图。

具体实施方式

如图6所示，在电机低速运行时，电机需要输出高转矩，在此区间工作时，可变磁化状态的铝镍钴永磁体处于完全磁化状态，能够提供足够的气隙磁场，达到输出高转矩的要求。而在电机高速运行时，仍需电机在此运行状态下提供足够的输出转矩。但在传统的记忆电机提高转速的同时，供电频率随之上升，电机的反电势逐渐增大，为保证电源端电力电子器件的电压平衡需要改变永磁体的磁化状态，减小气隙磁场，传统的记忆电机在弱磁后虽然降低了气隙磁场的大小，但输出转矩的能力也下降较大。

为了解决上述问题，本实施方式提出一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，具体如下：

具体实施方式一：参照图1至图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，包括：2n个永磁体单元、转轴4、转子铁心5和定子铁心6，n为正整数。

转子铁心5同轴套接在转轴4的外圆周上，定子铁心6同轴套接在转子铁心5的外圆周上，定子铁心6的内圆周面上设有多个定子齿，定子齿之间设有绕组3，转子铁心5沿其轴向开有2n个永磁体孔，2n个永磁体孔沿转子铁心5周向均匀排布，2n个永磁体单元分别嵌固在2n个永磁体孔中，相邻两个永磁体单元中相邻两个永磁体的充磁方向相反。

每个永磁体单元均包括：第一永磁体组、第二永磁体组、两个聚磁隔磁空气槽7和两个空气槽8。

第一永磁体组包括两个横截面为矩形的第一永磁体。两个第一永磁体分别为钕铁硼永磁体1和铝镍钴永磁体2，两个第一永磁体呈“V”字形设置，每个第一永磁体充磁方向均与其短边长度方向平行、且两个第一永磁体的充磁方向镜像对称。

第二永磁体组包括两个横截面为梯形的第二永磁体。两个第二永磁体分别为钕铁硼永磁体1和铝镍钴永磁体2，两个第二永磁体下底相贴并呈镜像对称设置、使得二者构成一个五边形，两个第二永磁体充磁方向均为梯形下底的长度方向，两个第二永磁体相贴的边沿转子铁心5径向设置。

第二永磁体组位于第一永磁体组“V”字形的开口处，第一永磁体组“V”字形的尖端朝向转子铁心5的主轴。相邻两个永磁体单元中相邻的两个第一永磁体材料不同，同一个永磁体单元中相邻的第一永磁体和第二永磁体材料不同。

聚磁隔磁空气槽7沿转子铁心5轴向开通，两个聚磁隔磁空气槽7呈“V”字形设置，“V”字形的尖端朝向转子铁心5的主轴、开口朝向第一永磁体组的尖端。

以相邻两个永磁体单元的对称轴为q轴，两个聚磁隔磁空气槽7所构成“V”字形的边与其相邻的q轴夹角范围为50°～70°，优选的夹角为60°。

两个空气槽8的横截面为三角形，两个空气槽8为别位于两个第二永磁体外侧。

进一步的，第二永磁体中梯形的上底与下底长度之比范围为1/3～1/1.5，优选的比值为1/2。

进一步的，两个第一永磁体构成的“V”字形夹角范围为70°～90°，优选的夹角为80°。

本实施方式采用混合不同形状矩形和梯形永磁体和不同种类铝镍钴与铷铁硼永磁体的特殊排布方式。以两个第一永磁体的对称轴为d轴。由于铝镍钴具有矫顽力小且退磁曲线非线性的特点，因此，通过d轴脉冲电流可轻松调节铝镍钴永磁体2的磁化状态和运行工作点。

本实施方式相比于其他传统永磁体记忆电机的优势在于：

由于永磁体的特殊形状及特别排布和聚磁隔磁空气槽的独特设置，在改变铝镍钴永磁体2工作点和磁化状态的同时能够明显有效的改变每极的永磁磁场分布；在退磁电流作用后，沿切向方向厚度不同的内置径向式放置的梯形永磁体改变了其中的磁化强度分布，并辅助“V”字形设置的矩形永磁体形成新的磁极中心，同时聚磁隔磁空气槽起到避免跨极磁路短路以及辅助新的磁极磁场形成，改变了每极的磁场中心与边缘的位置分布；实现了每极永磁磁场相对于轴心总体向逆时针方向旋转偏移一定的角度，从而达到磁极的d轴和q轴空间位置明显变化偏移的效果，实现了永磁磁极所处的最大运行电流角逐渐接近当下转子结构的磁阻转矩最大运行电流角，形成轴偏移的补偿转矩效果，从而一定程度上提升了由于气隙磁密降低而同时降低的电磁转矩，解决了传统记忆电机弱磁后转矩性能极剧下降的问题，并扩大了传统永磁记忆电机的转矩速度运行范围和可运行效率的区域大小。

本实施方式中具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机的三种磁化状态和d、q轴位置对比变化分别如图3、图4和图5所示，由于本实施方式所述电机的每一个磁回路在三种磁化状态下由不同的永磁体组合搭配而成，相当于在更改了铝镍钴永磁体的磁化状态后改变了每极磁极的磁路方向和位置，并在空间上表现为磁极d轴和q轴的偏移，实现了永磁转矩最大运行电流角逐渐接近当下结构固定的磁阻转矩的最大运行电流角，从而补偿了电机在高速弱磁下状态下的转矩性能。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，包括：2n个永磁体单元、转轴(4)、转子铁心(5)和定子铁心(6)，n为正整数，

转子铁心(5)同轴套接在转轴(4)的外圆周上，定子铁心(6)同轴套接在转子铁心(5)的外圆周上，定子铁心(6)的内圆周面上设有多个定子齿，定子齿之间设有绕组(3)，转子铁心(5)沿其轴向开有2n个永磁体孔，2n个永磁体孔沿转子铁心(5)周向均匀排布，2n个永磁体单元分别嵌固在2n个永磁体孔中，相邻两个永磁体单元中相邻两个永磁体的充磁方向相反，

其特征在于，每个永磁体单元均包括：第一永磁体组和第二永磁体组，

第一永磁体组包括横截面为矩形、且材料不同的两个第一永磁体，两个第一永磁体呈“V”字形设置，每个第一永磁体充磁方向均与其短边长度方向平行、且两个第一永磁体的充磁方向镜像对称，

第二永磁体组包括横截面为梯形、且材料不同的两个第二永磁体，两个第二永磁体下底相贴并呈镜像对称设置、使得二者构成一个五边形，两个第二永磁体充磁方向均为梯形下底的长度方向，两个第二永磁体相贴的边沿转子铁心(5)径向设置，

第二永磁体组位于第一永磁体组“V”字形的开口处，第一永磁体组“V”字形的尖端朝向转子铁心(5)的主轴，

相邻两个永磁体单元中相邻的两个第一永磁体材料不同，同一个永磁体单元中相邻的第一永磁体和第二永磁体材料不同。

2.根据权利要求1所述的一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，其特征在于，第二永磁体中梯形的上底与下底长度之比范围为1/3～1/1.5。

3.根据权利要求2所述的一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，其特征在于，第二永磁体中梯形的上底与下底长度之比为1/2。

4.根据权利要求1所述的一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，其特征在于，两个第一永磁体的材料分别为钕铁硼和铝镍钴，两个第二永磁体的材料分别为钕铁硼和铝镍钴。

5.根据权利要求1所述的一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，其特征在于，两个第一永磁体构成的“V”字形夹角范围为70°～90°。

6.根据权利要求5所述的一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，其特征在于，两个第一永磁体构成的“V”字形夹角为80°。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，其特征在于，每个永磁体单元还包括呈“V”字形设置的两个聚磁隔磁空气槽(7)，聚磁隔磁空气槽(7)沿转子铁心(5)轴向开通，“V”字形的尖端朝向转子铁心(5)的主轴、开口朝向第一永磁体组的尖端。

8.根据权利要求7所述的一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，其特征在于，以相邻两个永磁体单元的对称轴为q轴，两个聚磁隔磁空气槽(7)所构成“V”字形的边与其相邻的q轴夹角范围为50°～70°。

9.根据权利要求8所述的一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，其特征在于，两个聚磁隔磁空气槽(7)所构成“V”字形的边与其相邻的q轴夹角为60°。

10.根据权利要求1、2、3、4、5、6、8或9所述的一种具有动态可调变轴偏移能力的不对称永磁记忆电机，其特征在于，每个永磁体单元还包括两个横截面为三角形的空气槽(8)，两个空气槽(8)为别位于两个第二永磁体外侧。

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