CN113364176B - 一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机，包括同轴安装的第一转子、定子、第二转子，定子夹于第一转子和第二转子之间，定子为无磁轭结构，由十二个电枢齿和十二个中间齿组成，电枢齿上跨绕集中式电枢绕组、中间齿上跨绕集中励磁绕组构成，转子由四十个转子极、四十个铝镍钴永磁体和四十个钕铁硼永磁体组成；本发明电机为六相电机，容错性能好，可靠性高，且电机为轴向电机，体积小，提高了功率和转矩密度；铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体的排列形式，可以得到较为完美的正弦气隙磁场，减少了谐波含量；钕铁硼永磁体开有四个辅助槽，可降低永磁体的涡流损耗；铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体放置在转子上，提高了电机过载能力。

Description

一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机
技术领域
本发明属于六相轴向磁通永磁电机技术领域，具体涉及一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机。
背景技术
轴向磁通永磁电机，也称为盘式电机，最早出现是在1821年，法拉第发明的轴向磁场盘式永磁电机，也是人类历史上的第一台电机。但是限于当时的材料和工艺水平，轴向磁通永磁电机未能得到进一步发展。近年来，随着科学技术的不断进步，轴向磁通电机在制造方面的瓶颈得到了有效解决，且因为该类电机具有轴向长度短、结构简单紧凑、体积小、效率高、功率/转矩密度高和转子铁心利用率高等特点，再次引起了国内外科研机构和企业的广泛关注和深入研发。在上世纪90年代，国内外学者展开了对多相电机及其控制系统的研究，相较于三相电机，多相电机具有容错性能强，可靠性高的特点，在某相发生故障时，其余各相重构气隙磁场，依然可以在保证电机性能的条件下继续运行。混合励磁轴向磁通永磁电机，可以通过调节励磁绕组中励磁电流的大小和方向，有效改变电励磁磁场的强度和方向，进而灵活调节气隙磁场，增强电机的转矩输出能力，拓宽电机的调速范围，但是该类电机采用连续励磁电流励磁，增加了电机励磁损耗，降低了系统效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机，解决电机提升功率转矩密度、效率、容错性能与调磁能力等问题，进一步提高了轴向磁通永磁电机的功率密度、效率、可靠性与调磁能力。
本发明所采用的技术方案是：一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机，包括同轴依次安装的第一转子、定子、第二转子，第一转子、第二转子与定子之间均留有气隙；第一转子与第二转子关于转子中心对称或错开一定角度安装，每个转子外圆周上等距离设置四十个转子齿、四十个铝镍钴永磁体和四十个钕铁硼永磁体。每两个钕铁硼永磁体之间放置一个转子齿和一个铝镍钴永磁体，其中铝镍钴永磁体轴向长度短于转子齿轴向长度，且铝镍钴永磁体相较于转子齿在轴向方向上更靠近定子；钕铁硼永磁体的磁化方向沿切向方向，同一转子上相邻的两个钕铁硼永磁体的极性相反；铝镍钴永磁体的磁化方向沿轴向方向，同一转子上相邻的两个铝镍钴永磁体磁化方向相反。第一转子、第二转子相对的钕铁硼永磁体极性相反，铝镍钴永磁体极性相同。
本发明的特点还在于：
定子为无磁轭结构，整个定子铁心由二十四个定子齿组成，其中十二个定子齿较宽，另外十二个定子齿较窄一些，且沿圆周间隔排列。将十二个较宽的定子齿称为电枢齿，十二个较窄的定子齿称为中间齿，每个电枢齿上缠绕集中式电枢绕组，每个中间齿上缠绕集中式励磁绕组。
第一转子与第二转子上的铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体按照间隔且不同充磁方向规律进行排列，其中根据铝镍钴永磁体低矫顽力与高剩磁的特点，可进行充去磁，以实现六相轴向磁通永磁电机可变磁通的功能。
定子圆周上每相对两个集中电枢绕组串联构成一相电枢绕组，六相电枢绕组分别顺次序串联或并联构成整个电机的A相、B相、C相、D相、E相及F相电枢绕组。
钕铁硼永磁体的宽度宽于转子齿宽度，铝镍钴永磁体的轴向长度短于转子齿的轴向长度。
第一转子、定子、第二转子均为轴向拓扑结构，且彼此之间留有气隙。
定子齿采用非晶合金材料，沿着定子圆盘中心卷绕成盘式结构。
本发明的有益效果是：
(1)本发明电机为六相结构，可以保证在电机故障后继续平稳运行，具有较强的容错性能，可靠性高；
(2)采用轴向拓扑，轴向长度短、结构紧凑、体积小，极大缩短了电机主磁路，有独特的聚磁效应，功率/转矩密度高；
(3)铝镍钴和钕铁硼永磁体位于转子，定子磁路不易饱和，提高了电机的过载能力；
(4)钕铁硼和铝镍钴永磁体沿圆周间隔且不同充磁方向排列，可以减小气隙磁场谐波含量，使气隙磁场更加正弦化，进一步提高了电机功率/转矩密度和效率。且因为间隔且不同充磁方向规律排列的永磁体产生的磁场具有较为明显的单边性，可以使得工作气隙中的磁场显著增强，非工作区域中的磁场减弱，提高了电机转矩输出能力；
(5)通过给励磁绕组施加充去磁电流，能够实现气隙磁场调节，可提供大转矩和满足高速运行的要求，且调磁效率高；
(6)定子铁心采用无磁轭结构，增加了集中式电枢绕组和集中式励磁绕组的空间，极大的改善了电机的带载能力与效率。且励磁磁场与永磁磁场呈并联关系，钕铁硼永磁体工作点受电枢反应磁场和励磁磁场的扰动很小，可有效避免永磁体退磁和短路问题；
(7)本发明所采用的间隔且不同充磁方向规律排列的阵列并不是传统的整块磁化强度呈正弦变化的永磁体或是分块矩形阵列，而是采用的不等宽不等厚，且主磁体开有辅助槽的部分分段间隔排列，开有辅助槽的永磁体结构具有减小永磁体涡流损耗和降低电磁转矩波动的优点；
(8)由双转子和单定子组成的双气隙对称结构，可平衡轴向磁拉力；
(9)当本发明电机运行在抽水/发电调相状态时，通过整流逆变装置调节有功和无功功率，满足系统无功需求，稳定电压，改善电网品质。
附图说明
图1是本发明一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机结构示意图；
图2是本发明中转子结构示意图；
图3是本发明一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机永磁运行原理图；
图4是本发明一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机增磁运行原理图；
图5是本发明一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机弱磁运行原理图。
图中，1.第一转子，2.定子，3.第二转子，4.钕铁硼永磁体，5.转子齿，6.铝镍钴永磁体，7.定子齿，8.集中电枢绕组，9.集中励磁绕组，10.第一气隙，11.第二气隙，12.铝铁硼永磁体，13.第二转子转子齿，14.钕铁硼永磁体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机。如图1所示，采用双转子/单定子轴向拓扑结构，包括同轴依次安装的第一转子1、定子2、第二转子3，第一转子1、第二转子3均与定子2之间均留有气隙，第一转子1与第二转子3关于定子2对称，由双转子和单定子组成的双气隙对称结构，可平衡轴向磁拉力，定子2外圆周上设置十二个集中式电枢绕组8和十二个集中式励磁绕组9，定子电枢齿上缠绕一组集中式电枢绕组8，定子中间齿上缠绕一组集中式励磁绕组9。第一转子1、第二转子3均由四十个铝镍钴永磁体6、四十个钕铁硼永磁体4、四十个转子齿5组成，钕铁硼永磁体4沿切向方向充磁，同一个转子上相邻的两个钕铁硼永磁体4充磁极性相反，铝镍钴永磁体6沿轴向方向充磁，且同一个转子上相邻的两个铝镍钴永磁体6充磁极性相反，第一转子、第二转子相对的钕铁硼永磁体4极性相反，铝镍钴永磁体6极性相同。第一转子1、第二转子3上的钕铁硼永磁体4和铝镍钴永磁体6均按照间隔且不同充磁方向规律进行排列，可以有效地降低气隙磁场中的谐波含量，得到较为完美的正弦气隙磁场。
定子2为无磁轭结构，可以有效减低铁芯损耗，提高电机效率，定子由二十四个定子齿组成，其中十二个定子齿较窄另外十二个定子齿较宽，且沿圆周间隔排列。下面我们将十二个较窄的定子齿称为中间齿，十二个较宽的定子齿称为电枢齿。在每个电枢齿上面缠绕集中式电枢绕组8，在每个中间齿上面缠绕集中式励磁绕组9，集中式绕制可缩短端部连接、降低铜耗。
定子圆周上每相对两个集中式电枢绕组8串联构成一相电枢绕组，六相电枢绕组分别顺次序串联或并联构成整个电机的A相、B相、C相、D相、E相、F相电枢绕组，多相电机具有较强的容错性能，提升了电机的可靠性。
定子齿7采用非晶合金材料，沿着定子圆盘中心卷绕成盘式结构，提高电机功率密度和转矩密度，增强电机转矩输出能力。
如图2所示，转子齿5和铝镍钴永磁体6处于两个钕铁硼永磁体4之间，钕铁硼永磁体4开有四个辅助槽，辅助槽的作用主要为降低永磁体的涡流损耗。其中铝镍钴永磁体6因其具有低矫顽力，高剩磁的特性，可以通过对集中式励磁绕组9施加充去磁电流，改变铝镍钴永磁体6的磁化状态，调节气隙磁场。
如图3所示，当集中励磁绕组9中没有施加充去磁电流时，气隙磁场由钕铁硼永磁体4和铝镍钴永磁体6提供，电机运行在永磁励磁模式。第一转子1的铝铁硼永磁体6和集中励磁绕组9的一个定子齿7相对。根据钕铁硼永磁体4的磁化方向，永磁磁通从钕铁硼永磁体4穿出，穿过转子齿5进入铝铁硼永磁体6，穿过第一气隙10，进入定子齿7，之后穿出，经过第二气隙11，进入第二转子3的铝铁硼永磁体12，穿出后经过第二转子转子齿13，进入第二转子3的钕铁硼永磁体，穿过钕铁硼永磁体后，经过第二气隙11，进入定子电枢齿，之后穿过第一气隙10、第一转子1的另外一个铝镍钴永磁体和转子齿后，回到第一转子1的钕铁硼永磁体4形成一个回路。
如图4所示，实线为永磁磁通路径，虚线为集中励磁绕组施加充去磁电流所产生的磁通回路。当定子2的励磁绕组9中通入正向瞬时励磁电流，此时由励磁绕组所产生的磁场会对第一转子1和第二转子3的铝镍钴永磁体进行充磁，使得电机的磁场强度增大，增强了气隙磁场，达到增磁的效果，无论电机运行在发电还是抽水状态，都能够提高电机带载能力，满足负荷要求。
如图5，当定子2的励磁绕组9中通入反向瞬时励磁电流，励磁绕组所产生的磁场会对第一转子1和第二转子3的铝镍钴永磁体进行消磁，使得电机的磁场强度减弱，电机运行在弱磁模式。当电机运行在发电状态时，可以增大输出电压，抽水状态时，可以拓宽调速范围，提高水能利用率。此外永磁体位于转子，定子铁心磁路不易饱和，容易实现增磁与弱磁，具有宽调磁范围特点。
通过上述方式，本发明一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机，解决了现有技术中存在的磁场调制型轴向磁通永磁电机过载能力低的问题；电机采用六相结构，在某相发生故障时，其余各相重构气隙磁场，依然可以在保证电机性能的条件下继续运行，容错性能强，可靠性高；轴向拓扑结构结构紧凑、长度短、体积小，极大缩短了电机主磁路；且轴向控制灵活，具有独特的聚磁效应；永磁按照间隔且不同充磁方向规律进行排列，可以容易得到较为理想的正弦气隙磁场，减少谐波含量，使得工作区域的气隙磁场更加正弦，提高电机效率；钕铁硼永磁体开有辅助槽，可以有效减小永磁体的涡流损耗；铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体位于转子，定子磁路不易饱和；采用“记忆电机”的励磁模式，相较于电励磁电机，减少了电励磁绕组中的铜损耗，提高了电机效率，并且可以灵活方便地实现电机的增磁和弱磁运行模式，既可提供大转矩，也可以实现高速要求；通过灵活调节励磁脉冲电流和电枢电流，可提高恒功率运行区的范围，解决了永磁电机输出电压难于调节和电机故障保护等问题，同时在励磁过程中几乎没有电励磁损耗，提升了电机效率。；定子采用无磁轭结构，有效减小了电机定子的涡流损耗，进一步提升了电机效率；中间齿上缠绕励磁绕组使得励磁磁场与永磁磁场是并联关系，永磁体工作点受电枢反应磁场和励磁磁场的扰动很小，可有效避免永磁体退磁和短路问题；由双转子和单定子组成的双气隙对称结构，可平衡轴向磁拉力。

Claims (3)

1.一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机，其特征在于，包括同轴依次安装的第一转子(1)、定子(2)、第二转子(3)；第一转子(1)、第二转子(3)与定子(2)之间均留有气隙，所述第一转子(1)与第二转子(3)关于定子(2)的中心对称或错开一定角度；每个转子的外圆周上设置四十个钕铁硼永磁体(4)、四十个铝镍钴永磁体(6)和四十个转子齿(5)，每个铝镍钴永磁体(6)和转子齿(5)处于两个钕铁硼永磁体(4)之间，钕铁硼永磁体(4)的宽度宽于转子齿(5)的宽度；钕铁硼永磁体(4)沿切向方向充磁，同一转子上相邻的两个钕铁硼永磁体(4)极性相反，铝镍钴永磁体(6)沿轴向方向充磁，同一转子上相邻的两个铝镍钴永磁体(6)极性相反；
所述定子(2)为无磁轭结构，由二十四个定子齿(7)组成，其中十二个较宽的定子齿为电枢齿，电枢齿上跨绕有集中式电枢绕组(8)，另外十二个较窄的定子齿为中间齿，中间齿上跨绕有集中式励磁绕组(9)；
第一转子(1)和第二转子(3)相对的钕铁硼永磁体(4)极性相反，铝镍钴永磁体(6)极性相同；
所述钕铁硼永磁体(4)两侧各开有两个辅助槽，且钕铁硼永磁体(4)和铝镍钴永磁体(6)为不等宽不等厚结构，第一转子(1)和第二转子(3)上的钕铁硼永磁体(4)和铝镍钴永磁体(6)按照间隔且不同充磁方向规律排序；
所述集中式励磁绕组(9)通过施加充去磁电流，改变铝镍钴永磁体(6)的磁化状态，调节气隙磁场；
所述第一转子(1)、定子(2)、第二转子(3)均为轴向拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机，其特征在于，定子圆周上每相对两个集中电枢绕组(8)串联构成一相电枢绕组，六相电枢绕组分别顺次序串联或并联构成整个电机的A相、B相、C相、D相、E相、F相电枢绕组。
3.根据权利要求1所述的一种用于抽水蓄能的六相轴向磁通永磁电机，其特征在于，定子齿(7)采用非晶合金材料，沿着定子圆盘中心卷绕成盘式结构。
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