CN113014009A - 永磁体串并联式变磁路可调磁通电机 - Google Patents

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Abstract

永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，属于永磁电机领域，本发明为解决串联型可调磁通电机的低矫顽力永磁体磁化状态调节困难的问题和并联型可调磁通电机的功率密度低的问题。本发明包括定子铁心、电枢绕组、转子铁心、V型永磁体槽、低矫顽力永磁体、U型永磁体槽、高矫顽力永磁体、隔磁槽和转轴；每个磁极下设置五块低矫顽力永磁体和五块高矫顽力永磁体，两块一号高矫顽力永磁体放置在V型永磁体槽的上层，槽内其余空间为一号低矫顽力永磁体，V型永磁体槽两端和尖端分别设置有隔磁槽；U型永磁体槽中沿厚度方向并列设置三块二号高矫顽力永磁体和三块二号低矫顽力永磁体，U型永磁体槽的夹角可调，U型永磁体槽两端和U型底角分别设置有隔磁槽。

Description

永磁体串并联式变磁路可调磁通电机
技术领域
本发明涉及一种永磁体串并联式变磁路可调磁通电机转子结构，属于永磁电机领域。
背景技术
传统稀土永磁同步电机具有高功率因数、高功率密度、高效率、高可靠性等优点，被广泛应用于电动汽车，轨道交通，家用电器，航空航天和国防工业等领域。传统高性能稀土永磁同步电机普遍采用钕铁硼等高矫顽力永磁体，电机气隙磁场很难调节，导致电机电动运行时，恒功率区较窄，调速范围较窄。为了获得较宽的调速范围，使永磁电机在基速以上高速运行时实现恒功率控制，需要对电机采用弱磁控制。目前普遍应用的稀土永磁电机在高速弱磁运行时存在永磁磁场调节困难、局部退磁或失磁、电机铜损大、效率低等问题。因此，在保证电机性能的前提下，研究在高速运行时，仍能高效可靠工作的永磁同步电机对永磁电机在电动汽车，轨道交通等领域的应用与发展有极大的推动作用，极具现实意义。
可调磁通永磁电机的出现可以很好地解决上述问题。可调磁通永磁电机采用低矫顽力的永磁体，通过在电枢绕组中施加脉冲电流改变转子永磁体磁化水平来实现气隙磁场调节。混合永磁型可调磁通电机根据不同种类永磁体的磁通路径之间的关系可分为并联型和串联型。串联型可调磁通电机的低矫顽力永磁体磁化状态调节困难，并联型可调磁通电机的功率密度低。
发明内容
本发明为了解决串联型可调磁通电机的低矫顽力永磁体磁化状态调节困难的问题和并联型可调磁通电机的功率密度低的问题，提出一种永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，将低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体混合放置在V型和U型永磁体槽内，使低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体的体积增加，可增大电机功率密度；将低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体在转子中的位置进行合理排布，使高矫顽力永磁体的部分磁通与低矫顽力永磁体的部分磁通相串联，高矫顽力永磁体的部分磁通与低矫顽力永磁体的部分磁通相并联，可解决串联型可调磁通电机的低矫顽力永磁体磁化状态调节困难的问题和并联型可调磁通电机的功率密度低的问题。该永磁体串并联式变磁路可调磁通电机调磁能力强，调磁电流小，调速范围宽，功率密度高，适用于电动汽车等多种应用场合。
本发明所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，包括定子铁心1、电枢绕组2、转子铁心3、V型永磁体槽4、低矫顽力永磁体、U型永磁体槽9、高矫顽力永磁体、一号隔磁槽6、二号隔磁槽7、三号隔磁槽10、四号隔磁槽11和转轴12；转子铁心3固定在转轴12上，电枢绕组2位于定子铁心1中；
每个磁极下设置五块低矫顽力永磁体和五块高矫顽力永磁体，两块一号高矫顽力永磁体8-1放置在V型永磁体槽4的上层，两块一号高矫顽力永磁体8-1以转子直轴为对称线在V型永磁体槽4内呈对称排布，V型夹角为30-170度，V型永磁体槽4内其余空间为一号低矫顽力永磁体5-1，V型永磁体槽4两端和尖端分别设置有一号隔磁槽6和二号隔磁槽7；
U型永磁体槽9中沿厚度方向并列设置三块二号高矫顽力永磁体8-2和三块二号低矫顽力永磁体5-2，U型永磁体槽9的夹角可调，U型永磁体槽9两端和U型底角分别设置有三号隔磁槽10和四号隔磁槽11。
优选地，V型永磁体槽4的两个直槽中各设置一块一号高矫顽力永磁体8-1和一块一号低矫顽力永磁体5-1，一号高矫顽力永磁体8-1位于V型内侧，一号低矫顽力永磁体5-1位于V型外侧。
优选地，一号高矫顽力永磁体8-1占用V型永磁体槽4径向截面的长边的百分比为30％～60％，占用V型永磁体槽4径向截面的短边的百分比为10％～40％。
优选地，一号高矫顽力永磁体8-1靠近V型永磁体槽4的底角或两端。
优选地，U型永磁体槽9的三个直槽中各设置一个二号高矫顽力永磁体8-2和一个二号低矫顽力永磁体5-2，二号高矫顽力永磁体8-2和二号低矫顽力永磁体5-2的长度相等。
优选地，二号高矫顽力永磁体8-2设置在U型内侧，二号低矫顽力永磁体5-2设置在U型外侧。
优选地，二号高矫顽力永磁体8-2设置在U型外侧，二号低矫顽力永磁体5-2设置在U型内侧。
优选地，一号低矫顽力永磁体5-1与一号高矫顽力永磁体8-1的充磁方向相同，充磁方向垂直于V型永磁体槽4径向截面的长边，二号低矫顽力永磁体5-2与二号高矫顽力永磁体8-2的充磁方向相同，其充磁方向垂直于U型永磁体槽9径向截面的长边，且同一磁极下的低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体充磁方向相同，相邻磁极下的永磁体充磁方向相反。
优选地，一号低矫顽力永磁体5-1、二号低矫顽力永磁体5-2、一号高矫顽力永磁体8-1和二号高矫顽力永磁体8-2的宽度和厚度根据电机转矩输出能力和调磁范围等因素优选确定。
优选地，低矫顽力永磁体采用矫顽力小于250kA/m的永磁材料。
优选地，低矫顽力永磁体采用铝镍钴永磁或铁氧体永磁。
优选地，高矫顽力永磁体采用矫顽力大于800kA/m的高磁能积永磁材料。
优选地，高矫顽力永磁体采用钕铁硼永磁。
优选地，一号隔磁槽6、二号隔磁槽7、三号隔磁槽10和四号隔磁槽11内部填充不导磁不导电的材料。
本发明的有益效果：本发明所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机可以增加高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体的用量，可增加可调磁通电机的功率密度。充磁时，由于高矫顽力永磁体的部分磁通与低矫顽力永磁体的部分磁通相串联，低矫顽力永磁体工作点稳定，充磁电流小，易实现饱和充磁。去磁时，由于高矫顽力永磁体的部分磁通与低矫顽力永磁体的部分磁通相并联，去磁电流小，易于实现低矫顽力永磁体的去磁。
附图说明
图1是本发明所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机的实施例1。
图2是本发明所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机的实施例2。
图3是本发明所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机的实施例3。
图4是本发明所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机的实施例4。
1、定子铁心；2、电枢绕组；3、转子铁心；4、V型永磁体槽；5-1、一号低矫顽力永磁体；5-2、二号低矫顽力永磁体；6、隔磁槽；7、隔磁槽；8-1、一号高矫顽力永磁体；8-2、二号高矫顽力永磁体；9、U型永磁体槽；10、隔磁槽；11、隔磁槽；12、转轴。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，不是全部实施例。基于本发明中的实施例，其他人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式一：下面结合图1-4说明本实施方式，本发明所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，包括定子铁心1、电枢绕组2、转子铁心3和转轴12；转子铁心3固定在转轴12上，电枢绕组2位于定子铁心1中。
还包括V型永磁体槽4、低矫顽力永磁体、U型永磁体槽9、高矫顽力永磁体、一号隔磁槽6、二号隔磁槽7、三号隔磁槽10和四号隔磁槽11；
每个磁极下设置五块低矫顽力永磁体和五块高矫顽力永磁体，五块低矫顽力永磁体分别为两块一号低矫顽力永磁体5-1和三块二号低矫顽力永磁体5-2，五块高矫顽力永磁体分别为两块一号高矫顽力永磁体8-1和三块二号高矫顽力永磁体8-2。
一号高矫顽力永磁体8-1位于V型内侧且靠近V型永磁体槽4槽口的两个端部，两块一号高矫顽力永磁体8-1以转子直轴为对称线在V型永磁体槽4内呈对称排布，V型夹角为30-170度，V型永磁体槽4内其余空间为一号低矫顽力永磁体5-1，V型永磁体槽4槽口的两个端部设置一号隔磁槽6，V型永磁体槽4的底角设置有二号隔磁槽7；三块二号高矫顽力永磁体8-2放置在U型永磁体槽9的上层(U型内侧)，三块二号低矫顽力永磁体5-2放置在U型永磁体槽9的下层(U型外侧)，即二者沿厚度方向并列设置，U型永磁体槽9的夹角可调，U型永磁体槽9槽口的两个端部设置三号隔磁槽10，U型永磁体槽9槽口的两个底角设置四号隔磁槽11。
一号低矫顽力永磁体5-1与一号高矫顽力永磁体8-1的充磁方向相同，充磁方向垂直于V型永磁体槽4径向截面的长边，二号低矫顽力永磁体5-2与二号高矫顽力永磁体8-2的充磁方向相同，其充磁方向垂直于U型永磁体槽9径向截面的长边，且同一磁极下的低矫顽力永磁体5和高矫顽力永磁体8充磁方向相同，相邻磁极下的永磁体充磁方向相反。
一号高矫顽力永磁体8-1占用V型永磁体槽4径向截面的长边的百分比为30％～60％，占用V型永磁体槽4径向截面的短边的百分比为10％～40％。
一号低矫顽力永磁体5-1、二号低矫顽力永磁体5-2、一号高矫顽力永磁体8-1和二号高矫顽力永磁体8-2的宽度和厚度根据电机转矩输出能力和调磁范围等因素优选确定。
采用V型永磁体槽4和U型永磁体槽9可以增加永磁体用量，提高电机的功率密度。
在进行充磁时，由于高矫顽力永磁体的部分磁通与低矫顽力永磁体的部分磁通相串联，使低矫顽力永磁体的工作点稳定，电枢绕组2所施加的充磁电流脉冲较小，易实现低矫顽力永磁体的饱和充磁。在进行去磁时，由于高矫顽力永磁体的部分磁通与低矫顽力永磁体的部分磁通相并联，使电枢绕组2所施加的去磁电流脉冲较小，易于实现低矫顽力永磁体的去磁。
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，两块一号高矫顽力永磁体8-1位于V型内侧且靠近V型永磁体槽4槽的底角，两块一号高矫顽力永磁体8-1以转子直轴为对称线在V型永磁体槽4内呈对称排布，V型夹角为30-170度，V型永磁体槽4内其余空间为一号低矫顽力永磁体5-1；三块二号高矫顽力永磁体8-2放置在U型永磁体槽9的上层(U型内侧)，三块二号低矫顽力永磁体5-2放置在U型永磁体槽9的下层(U型外侧)，即二者沿厚度方向并列设置，U型永磁体槽9的夹角可调。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，两块一号高矫顽力永磁体8-1位于V型内侧且靠近V型永磁体槽4槽口的两个端部，两块一号高矫顽力永磁体8-1以转子直轴为对称线在V型永磁体槽4内呈对称排布，V型夹角为30-170度，V型永磁体槽4内其余空间为一号低矫顽力永磁体5-1；三块二号高矫顽力永磁体8-2放置在U型永磁体槽9的下层(U型外侧)，三块二号低矫顽力永磁体5-2放置在U型永磁体槽9的上层(U型内侧)，U型永磁体槽9的夹角可调。
具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，两块一号高矫顽力永磁体8-1位于V型内侧且靠近V型永磁体槽4槽的底角，两块一号高矫顽力永磁体8-1以转子直轴为对称线在V型永磁体槽4内呈对称排布，V型夹角为30-170度，V型永磁体槽4内其余空间为一号低矫顽力永磁体5-1；三块二号高矫顽力永磁体8-2放置在U型永磁体槽9的下层(U型外侧)，三块二号低矫顽力永磁体5-2放置在U型永磁体槽9的上层(U型内侧)，U型永磁体槽9的夹角可调。
具体实施方式五：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，低矫顽力永磁体5采用矫顽力小于250kA/m的永磁材料。如铝镍钴永磁或铁氧体永磁等。
具体实施方式六：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，高矫顽力永磁体8采用矫顽力大于800kA/m的高磁能积永磁。如钕铁硼永磁等。
具体实施方式七：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，低矫顽力永磁体5与高矫顽力永磁体8沿轴向由多块永磁体并列构成，这种设置方式可以有效地降低永磁体涡流损耗，提高电机效率。所述轴向设置的多块永磁体的充磁方式不变。
具体实施方式八：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，一号隔磁槽6、二号隔磁槽7、三号隔磁槽10、四号隔磁槽11内部填充碳纤维等不导磁不导电的材料，可以增加转子的机械强度。
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 (14)

1.永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，包括定子铁心(1)、电枢绕组(2)、转子铁心(3)、V型永磁体槽(4)、低矫顽力永磁体、U型永磁体槽(9)、高矫顽力永磁体、一号隔磁槽(6)、二号隔磁槽(7)、三号隔磁槽(10)、四号隔磁槽(11)和转轴(12)；转子铁心(3)固定在转轴(12)上，电枢绕组(2)位于定子铁心(1)中；
其特征在于，每个磁极下设置五块低矫顽力永磁体和五块高矫顽力永磁体，两块一号高矫顽力永磁体(8-1)放置在V型永磁体槽(4)的上层，两块一号高矫顽力永磁体(8-1)以转子直轴为对称线在V型永磁体槽(4)内呈对称排布，V型夹角为30-170度，V型永磁体槽(4)内其余空间为一号低矫顽力永磁体(5-1)，V型永磁体槽(4)两端和尖端分别设置有一号隔磁槽(6)和二号隔磁槽(7)；
U型永磁体槽(9)中沿厚度方向并列设置三块二号高矫顽力永磁体(8-2)和三块二号低矫顽力永磁体(5-2)，U型永磁体槽(9)的夹角可调，U型永磁体槽(9)两端和U型底角分别设置有三号隔磁槽(10)和四号隔磁槽(11)。
2.根据权利要求1所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，其特征在于，V型永磁体槽(4)的两个直槽中各设置一块一号高矫顽力永磁体(8-1)和一块一号低矫顽力永磁体(5-1)，一号高矫顽力永磁体(8-1)位于V型内侧，一号低矫顽力永磁体(5-1)位于V型外侧。
3.根据权利要求2所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，其特征在于，一号高矫顽力永磁体(8-1)占用V型永磁体槽(4)径向截面的长边的百分比为30％～60％，占用V型永磁体槽(4)径向截面的短边的百分比为10％～40％。
4.根据权利要求3所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，其特征在于，一号高矫顽力永磁体(8-1)靠近V型永磁体槽(4)的底角或两端。
5.根据权利要求1所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，其特征在于，U型永磁体槽(9)的三个直槽中各设置一个二号高矫顽力永磁体(8-2)和一个二号低矫顽力永磁体(5-2)，二号高矫顽力永磁体(8-2)和二号低矫顽力永磁体(5-2)的长度相等。
6.根据权利要求5所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，其特征在于，二号高矫顽力永磁体(8-2)设置在U型内侧，二号低矫顽力永磁体(5-2)设置在U型外侧。
7.根据权利要求5所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，其特征在于，二号高矫顽力永磁体(8-2)设置在U型外侧，二号低矫顽力永磁体(5-2)设置在U型内侧。
8.根据权利要求1～7任一权利要求所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，其特征在于，一号低矫顽力永磁体(5-1)与一号高矫顽力永磁体(8-1)的充磁方向相同，充磁方向垂直于V型永磁体槽(4)径向截面的长边，二号低矫顽力永磁体(5-2)与二号高矫顽力永磁体(8-2)的充磁方向相同，其充磁方向垂直于U型永磁体槽(9)径向截面的长边，且同一磁极下的低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体充磁方向相同，相邻磁极下的永磁体充磁方向相反。
9.根据权利要求1所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，其特征在于，一号低矫顽力永磁体(5-1)、二号低矫顽力永磁体(5-2)、一号高矫顽力永磁体(8-1)和二号高矫顽力永磁体(8-2)的宽度和厚度根据电机转矩输出能力和调磁范围等因素优选确定。
10.根据权利要求1所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，其特征在于，低矫顽力永磁体采用矫顽力小于250kA/m的永磁材料。
11.根据权利要求10所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，其特征在于，低矫顽力永磁体采用铝镍钴永磁或铁氧体永磁。
12.根据权利要求1所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，其特征在于，高矫顽力永磁体采用矫顽力大于800kA/m的高磁能积永磁材料。
13.根据权利要求12所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，其特征在于，高矫顽力永磁体采用钕铁硼永磁。
14.根据权利要求1所述永磁体串并联式变磁路可调磁通电机，其特征在于，一号隔磁槽(6)、二号隔磁槽(7)、三号隔磁槽(10)和四号隔磁槽(11)内部填充不导磁不导电的材料。
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