CN113346705B - 一种表贴式低谐波混合永磁记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表贴式低谐波混合永磁记忆电机，包括定子、电枢绕组、混合永磁转子和转轴，定子包括定子齿、定子轭和定子槽，定子槽用于放置嵌固在定子齿上的电枢绕组，混合永磁转子围绕转轴外部设置，混合永磁转子包括转子铁心和多组永磁体，各组永磁体均包括第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体位于转子铁心的外表面，第二永磁体嵌于转子铁心的安装槽内，并且与第一永磁体的中部对齐；第二永磁体的极弧长度小于第一永磁体的极弧长度；第一永磁体为低矫顽力永磁体，第二永磁体为高矫顽力永磁体；同一磁极下的第一永磁体和第二永磁体构成串联磁路，磁化方向一致且均沿径向充磁。本发明具有降低反电势谐波总含量和提高电机转矩密度等优点。

Description

一种表贴式低谐波混合永磁记忆电机

技术领域

本发明主要涉及电机技术领域，具体涉及一种表贴式低谐波混合永磁记忆电机。

背景技术

永磁同步电机因其结构简单、效率高、转矩密度高、调速范围广的特点，被广泛应用于电动汽车、高速机床、家电等领域。然而，传统永磁同步电机的气隙磁场无法调节，为了拓宽永磁同步电机的调速范围，降低电机高速运行时的反电势幅值，往往采用基于磁场定向的弱磁控制。这不仅牺牲了电机在高速情况下的转矩和效率，还可能导致弱磁失败使反电势升高以及永磁体的不可逆退磁。相较于传统永磁同步电机，可变磁通记忆电机通过向定子绕组或者其他充/去磁绕组通入电流产生的磁场来改变低矫顽力永磁体的磁化水平，可以自由调节气隙磁通，具有极其出色的调速能力。记忆电机在充去磁过程中，转子结构使得永磁体各部分之间的磁化程度不一致，这不仅会影响电机的气隙磁场和反电势而且会增加电机的损耗和转矩波动。因此，开展记忆电机的反电势优化研究对于其在驱动领域的进一步发展和推广具有重要意义。

可变磁通记忆电机(以下简称记忆电机)通常采用铝镍钴或铁氧体等低矫顽力永磁材料装配磁极，可以通过短暂的直轴脉冲电流来调节永磁体的磁化状态，进而改变电机的气隙磁通。本专利申请人在表贴式记忆电机的设计优化过程中，研究发现退磁操作后，电机的反电势减小的同时，其总谐波含量会增大；进一步分析发现，在退磁过程中永磁体中心部位较两侧部位更容易退磁，如图1所示。即由于绕组分布的影响，传统表贴式记忆电机在退磁过程中，低矫顽力永磁体中间部位更容易发生退磁，从而使电机反电势的总谐波含量增大。由于表贴式记忆电机的永磁体直接与气隙接触，直轴脉冲电流容易造成永磁体去磁不均匀的情况，进而恶化气隙磁密，影响电机的反电势和转矩输出。

传统表贴式记忆电机的拓扑结构和不同退磁状态下的反电势分别如图2和图3所示。可以发现当记忆电机进行退磁操作后，其反电势的畸变程度增加，且退磁电流越大，反电势的畸变越大。

目前，对于永磁电机的反电势优化主要有四种方法：绕组结构优化、改变极弧系数、斜槽/极和削极，具体如下：

1)绕组结构优化是通过采用短距绕组、分布绕组等结构来削弱谐波电动势。选用合适的线圈节距可以降低特定谐波的短距系数，以此削弱或消除该次谐波。

由短距系数表达式

其中，k_yν为短距系数，ν为谐波次数，y₁为第一节距，τ为极距。

可知，只要选取

/>

就可以消除第ν次反电势谐波。在电机设计过程中，每极每相槽数q越大，谐波电动势的分布系数越小，从而对谐波电动势的抑制效果越好。例如，设计参数分别为24槽4极(电机A，q＝2)和36槽4极(电机B,q＝3)的两个电机，两者的短距系数分别为k_{A_y1}＝0.966、k_{A_y5}＝0.259、k_{A_y7}＝0.259，k_{B_y1}＝0.960、k_{B_y5}＝0.217、k_{B_y7}＝0.177。可见，当q增大时，谐波电动势的分布系数的降幅要大于基波电动势的降幅，因此可以改善反电势波形。然而无论是短距绕组还是分布绕组在退磁过程中产生的脉振磁动势都不是大小均匀地作用在永磁体的周向上，因此在退磁过程中，永磁体的中心部位容易发生更大程度的退磁。

2)极弧系数是指永磁体的极弧长度与极距之比，用

表示，极弧系数优化是削弱电机齿槽转矩的常用方法，其基本原理是通过调整电机的极弧系数，使气隙磁场的分布更加接近正弦。表贴式永磁电机中，对于无槽定子，永磁体磁动势的分布可表示为：

其中，F_v为v次谐波的幅值，θ为机械角度；

其中，F₀为永磁体等效磁动势的幅值，α_p为极弧系数。

其中，B_r为永磁体剩磁，μ_r为相对磁导率，h_m为永磁体厚度。

由此可见，通过改变极弧系数α_p可以降低永磁体磁动势谐波分量的幅值，进而降低气隙磁密和反电动势的总谐波含量。但是，与上述改变绕组结构方式一样，改变极弧系数依然无法解决表贴式记忆电机永磁体中心部位退磁程度更大的问题。

3)定子斜槽是抑制电机齿槽转矩的有效方法，通过使定子槽相对转子磁极倾斜一个齿槽转矩周期对应的角度，在理论上可以使得气隙磁密为一个常数，从而完全消除齿槽转矩。但是由于端部效应的存在，实际中斜槽后的电机的齿槽转矩不可能为零。斜槽对于反电势的影响则是通过轴向磁场叠加后，气隙磁密的谐波大幅降低，而基波的改变则较小。因此可以有效降低反电势的总谐波含量。转子斜极与定子斜槽的原理相同，但是与定子连续斜槽不同，转子通常采用分段斜极的方式来降低制造难度。对于记忆电机来说，斜槽/极的方法不仅会降低电机的输出能力，还会造成永磁体轴向方向的不均匀退磁。因此，这类方法在记忆电机的反电势优化中较为受限。

4)削极是通过改变永磁体或转子表面的圆弧形状来提高气隙磁密的正弦度，从而达到降低反电势谐波含量，降低转矩波动以及噪声振动。目前削极的方式主要有：正弦削极、反余弦削极和偏心削极。正弦削极和反余弦削极的原理类似，在考虑永磁体的相对磁导率与空气的相近的情况下，将表贴式永磁体设计成正弦或者反余弦形状，从而优化气隙磁密。但是这两种结构对永磁体加工设备的精度要求高，因此工程上多用偏心削极。偏心削极是通过改变永磁体上表面圆弧的偏心距离来降低气隙磁场谐波，具有实用性强、可靠性高的优点。无论是哪种削极方式，在降低反电势的谐波总含量的同时，也削弱了反电势基波，不利于电机转矩密度的提升。

另外，混合永磁磁极结构的记忆电机是在传统记忆电机中，加入稀土永磁体与原来的低矫顽力永磁组合成一个磁极的新型记忆电机。根据两种或者多种永磁体的相对位置，可以分为：串联磁路型、并联磁路型和混合磁路型三种。作为记忆电机优化设计的常用方法，混合永磁磁极结构被广泛应用于内置式可变磁通记忆电机中。然而目前混合永磁磁极结构设计主要是用来稳磁、提升记忆电机的转矩密度以及降低其磁化电流，对于反电势的优化并不明显。

现有技术CN111769667A公开了一种串并联磁路分置磁极型记忆电机。该电机分别采用低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体的串联和并联组合来构成新型记忆电机的一对磁极结构。通过将不同混合永磁磁路设置在不同磁极的方案可解决同一磁极下空间过于拥挤的问题，提升转子空间利用率，进一步拓宽电机调磁范围，同时保证永磁工作点稳定。但是在这种转子结构中，由于永磁体分布方式不同，在充/去磁操作后，一对极下气隙磁密的分布将变得不对称，不利于反电势谐波的抑制。

现有技术CN201120573461公开了一种混合磁极永磁电机。该电机实质上是利用铁氧体的剩磁比钕铁硼更小，从而改善气隙磁密，使气隙磁场正弦化。其中与铁氧体位置对应的气隙位置的磁场主要由铁氧体产生；与钕铁硼位置对应的气隙位置的磁场主要由钕铁硼产生。上述技术方案用在记忆电机中，若磁极中间部位的钕铁硼占比很大，去磁会非常困难；若磁极中间部位的钕铁硼占比很小，电机谐波也会很大；另外上述靠近钕铁硼的铁氧体一侧在退磁过程中较其另一侧部位更容易退磁的问题仍然存在，从而使电机反电势的总谐波含量增大。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种降低电机充/退磁后的反电势谐波总含量和提高电机转矩密度的表贴式低谐波混合永磁记忆电机。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种表贴式低谐波混合永磁记忆电机，包括定子、电枢绕组、混合永磁转子和转轴，所述定子包括定子齿、定子轭和定子槽，所述定子槽用于放置嵌固在定子齿上的电枢绕组，混合永磁转子围绕转轴外部设置；其特征在于，所述混合永磁转子包括转子铁心和多组永磁体，各组永磁体形成磁极；

各组永磁体均包括第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体位于转子铁心的外表面，所述转子铁心的外表面设有安装槽，所述第二永磁体嵌于转子铁心的安装槽内，并且与第一永磁体的中部对齐；所述第二永磁体的极弧长度小于第一永磁体的极弧长度；

所述第一永磁体为低矫顽力永磁体，所述第二永磁体为高矫顽力永磁体；同一磁极下的第一永磁体和第二永磁体构成串联磁路关系，磁化方向一致且均沿径向充磁。

优选地，所述第一永磁体为铝镍钴永磁体，所述第二永磁体为钕铁硼永磁体。

优选地，所述第一永磁体和第二永磁体均呈扇形，所述第一永磁体的内表面与所述第二永磁体的外表面相贴合。

优选地，所述永磁体的数量为六组，均匀分布在所述转子铁心的圆周侧。

优选地，同一磁极下的第一永磁体的厚度大于第二永磁体的厚度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过将高矫顽力永磁体(第二永磁体)与低矫顽力永磁体(第一永磁体)构成混合永磁磁极，其中高矫顽力永磁体位于低矫顽力永磁体的中部，当电枢绕组中通入退磁电流后，第一永磁体的磁通降低，并且其中部所受的退磁磁动势最大，相较两端更容易发生退磁；由于第二永磁体的加入，可以降低第一永磁体中部的退磁程度，从而有效地保证了气隙磁场和反电势的正弦度，显著降低了表贴式记忆电机在频繁充/退磁后的反电势谐波总含量，从而降低定子铁心损耗，提高表贴式记忆电机的控制性能；另外采用混合永磁磁极结构，将低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体构成串联磁路，不仅提高了转子的空间利用率，还一定程度上提高了电机的转矩密度；另外，上述混合磁极结构简单紧凑且易于实现。

附图说明

图1为传统表贴式记忆电机的永磁体磁感应强度分布图；其中(a)为退磁前；(b)为退磁后。

图2为传统表贴式记忆电机横截面结构示意图。

图3为传统表贴式记忆电机在不同退磁电流下的反电势波形图。

图4为本发明的记忆电机在具体实施例中的横截面结构示意图。

图5为本发明中未施加退磁电流时的空载磁力线分布图。

图6为本发明中施加10A退磁电流后的空载磁力线分布图。

图7为本发明的记忆电机在不同退磁电流下的反电势波形图。

图8为本发明的记忆电机与传统表贴式记忆电机的额定转矩对比图。

图例说明：1、定子；1.1、定子齿；1.2、定子轭；1.3、定子槽；2、电枢绕组；3、混合永磁转子；3.1、第一永磁体；3.2、第二永磁体；3.3、转子铁心；4、转轴。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图4所示，本实施例的表贴式低谐波混合永磁记忆电机，包括定子1、电枢绕组2、混合永磁转子3和转轴4，定子1包括定子齿1.1、定子轭1.2和定子槽1.3，定子槽1.3用于放置嵌固在定子齿1.1上的电枢绕组2，混合永磁转子3围绕转轴4外部设置；混合永磁转子3包括转子铁心3.3和多组永磁体，各组永磁体形成混合磁极结构；各组永磁体均包括第一永磁体3.1和第二永磁体3.2，第一永磁体3.1位于转子铁心3.3的外表面，转子铁心3.3的外表面设有安装槽，第二永磁体3.2嵌于转子铁心3.3的安装槽内，并且与第一永磁体3.1的中部对齐(即第一永磁体3.1的中心线与第二永磁体3.2的中心线重合)；第二永磁体3.2的极弧长度小于第一永磁体3.1的极弧长度(其中极弧长度为各永磁体外表面的弧长)；第一永磁体3.1为低矫顽力永磁体，第二永磁体3.2为高矫顽力永磁体；同一磁极下的第一永磁体3.1和第二永磁体3.2构成串联磁路关系，磁化方向一致且均沿转子铁芯3.3的径向充磁。

本发明通过将高矫顽力永磁体(第二永磁体3.2)与低矫顽力永磁体(第一永磁体3.1)构成混合永磁磁极，其中高矫顽力永磁体位于低矫顽力永磁体的中部，当电枢绕组2中通入退磁电流后，第一永磁体3.1的磁通降低，并且其中部所受的退磁磁动势最大(相较两端更容易发生退磁)；通过第二永磁体3.2的加入，降低第一永磁体3.1中部的退磁程度，从而有效地保证了气隙磁场和反电势的正弦度，显著降低了表贴式记忆电机在频繁充/退磁后的反电势谐波总含量，从而降低定子铁心损耗，提高表贴式记忆电机的控制性能；另外采用混合永磁磁极结构，将低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体构成串联磁路，不仅提高了转子的空间利用率，一定程度上提高了电机的转矩密度；另外，上述混合磁极结构简单紧凑且易于实现。

在一具体实施例中，第一永磁体3.1为铝镍钴永磁体，磁化状态容易改变，作为调节气隙磁通的主要磁势源；第二永磁体3.2为钕铁硼永磁体(稀土材料)，磁化状态不容易改变，作为调节气隙磁通的恒定磁势源。当然，在其它实施例中，第一永磁体3.1也可以铁氧体等低矫顽力永磁材料，第二永磁体3.2也可以采用钐钴等高矫顽力永磁材料。

在一具体实施例中，第一永磁体3.1和第二永磁体3.2均呈扇形(如瓦片形)，第一永磁体3.1的内表面与第二永磁体3.2的外表面相贴合，其中第二永磁体3.2的外圆弧长度小于第一永磁体3.1的内圆弧长度，其厚度小于第一永磁体3.1的厚度。当然，在其它实施例中，第一永磁体3.1和第二永磁体3.2也可以采用其它形状以及安装方式。

在一具体实施例中，永磁体的数量为六组，均匀分布在转子铁心3.3的圆周侧。当然，在其它实施例中，也可以采用其它合适数量的磁极。

如图5和图6所示，本实施例的混合永磁记忆电机的运行原理为：永磁磁通首先从嵌在转子铁心3.3的第二永磁体3.2的北极出发，经过转子铁心3.3表面的第一永磁体3.1，然后两种永磁体的磁通叠加后同方向流动，经过气隙，到达定子齿1.1，再穿过定子轭1.2，到达另一处定子齿1.1，再次经过气隙，接着穿过相邻磁极的两个永磁体后，回到第二永磁体3.2的南极。当电枢绕组2中通入退磁电流后，第一永磁体3.1的磁通降低，并且其中部所受的退磁磁动势的最大，相较两端更容易发生退磁。由于第二永磁体3.2的加入，可以降低第一永磁体3.1中部的退磁程度，有效地保证了气隙磁场和反电势的正弦度。

如图3所示，随着退磁电流的增大，传统表贴式记忆电机的反电势谐波总含量逐渐增大。如图7所示，采用本发明设计的混合永磁记忆电机在相同退磁电流情况下，反电势谐波总含量得到了有效降低。具体数值如表1所示。

表1.本发明的记忆电机与传统表贴式记忆电机在不同退磁电流下的反电势谐波总含量对比

如图8所示，在2.4A的额定电流激励下，传统表贴式记忆电机的平均转矩为9.7Nm，本发明的记忆电机的平均转矩为10.5Nm。采用本发明设计的混合永磁记忆电机在额定电流下，平均转矩提高了8.25％。

本发明采用串联磁路型混合永磁磁极结构，利用一小块高矫顽力永磁体贴合在低矫顽力永磁体的中部，来减小低矫顽力永磁体中间部位的退磁程度，从而改善气隙磁场，降低反电势的畸变率。

本发明不仅可以使电机的反电势在全局范围得到优化，还可以提高电机的转矩密度，适用范围广，谐波抑制效果好，对于表贴式记忆电机的反电势优化具有重要指导意义。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种表贴式低谐波混合永磁记忆电机，包括定子(1)、电枢绕组(2)、混合永磁转子(3)和转轴(4)，所述定子(1)包括定子齿(1.1)、定子轭(1.2)和定子槽(1.3)，所述定子槽(1.3)用于放置嵌固在定子齿(1.1)上的电枢绕组(2)，混合永磁转子(3)围绕转轴(4)外部设置；其特征在于，所述混合永磁转子(3)包括转子铁心(3.3)和多组永磁体，各组永磁体形成磁极；

各组永磁体均包括第一永磁体(3.1)和第二永磁体(3.2)，第一永磁体(3.1)位于转子铁心(3.3)的外表面，所述转子铁心(3.3)的外表面设有安装槽，所述第二永磁体(3.2)嵌于转子铁心(3.3)的安装槽内，并且与第一永磁体(3.1)的中部对齐；所述第二永磁体(3.2)的极弧长度小于第一永磁体(3.1)的极弧长度；

所述第一永磁体(3.1)为低矫顽力永磁体，所述第二永磁体(3.2)为高矫顽力永磁体；同一磁极下的第一永磁体(3.1)和第二永磁体(3.2)构成串联磁路关系，磁化方向一致且均沿径向充磁；

所述第一永磁体(3.1)和第二永磁体(3.2)均呈扇形，所述第一永磁体(3.1)的内表面与所述第二永磁体(3.2)的外表面相贴合。

2.根据权利要求1所述的表贴式低谐波混合永磁记忆电机，其特征在于，所述第一永磁体(3.1)为铝镍钴永磁体，所述第二永磁体(3.2)为钕铁硼永磁体。

3.根据权利要求1或2所述的表贴式低谐波混合永磁记忆电机，其特征在于，所述永磁体的数量为六组，均匀分布在所述转子铁心(3.3)的圆周侧。

4.根据权利要求1或2所述的表贴式低谐波混合永磁记忆电机，其特征在于，同一磁极下的第一永磁体(3.1)的厚度大于第二永磁体(3.2)的厚度。

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