CN114498983B - 三段式变磁路串并联可调磁通电机 - Google Patents

三段式变磁路串并联可调磁通电机 Download PDF

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Abstract

三段式变磁路串并联可调磁通电机，属于永磁电机领域，本发明针对现有可调磁通电机存在的问题。本发明包括定子铁心、定子绕组、转子铁心和转轴；转子铁心固定在转轴上，并位于定子铁心内部，电枢绕组设置在定子铁心上；还包括串并联可调磁极，所述串并联可调磁极包括一号高矫顽力永磁体、一号低矫顽力永磁体、二号低矫顽力永磁体和二号高矫顽力永磁体；转子铁心每极下设置一个V型永磁体槽和一个一字型永磁体槽，二者对称轴重合，在V型永磁体槽内靠近气隙侧对称安装一对串联的一号高矫顽力永磁体和一号低矫顽力永磁体，远离气隙侧对称安装一对二号低矫顽力永磁体，一字型永磁体槽内安装二号高矫顽力永磁体。

Description

三段式变磁路串并联可调磁通电机
技术领域
本发明涉及变磁路串并联可调磁通电机的宽调速技术，属于永磁电机领域。
背景技术
传统永磁同步电机因具有功率密度高、效率高等优点，常用于新能源汽车的驱动系统，但该类电机存在永磁磁场调节困难、扩速范围有限且弱磁扩速时效率较低等缺点。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、去磁脉冲电流改变永磁体磁化状态，从而达到扩宽电机调速范围的目的。不同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构成电机磁极可以有效提高功率密度。并联型可调磁通电机具有去磁电流小、调磁范围宽等优点，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稳定性较差，电机所需充磁电流较大，会增大电机驱动器的负担；串联型可调磁通电机的磁极稳定性较好，但也存在难以改变低矫顽力永磁体磁化状态、调速范围较小等问题。
因此，针对以上不足，需要提供一种在磁路上同时具有串联和并联关系的结构，可以综合串联和并联结构可调磁通电机的优点，利用串并联结构以兼顾永磁体工作点稳定性和磁化状态调节范围，尤其是能提供优秀的串、并联方案，以实现稳定性高、电机调磁范围宽的目的。
发明内容
针对现有可调磁通电机存在的问题，本发明提供一种三段式变磁路串并联可调磁通电机。通过将磁极分为具有不同磁路结构的三段，使电机具有变磁路结构特点，电机磁极在正向磁化状态下，一字型永磁体槽内的高矫顽力永磁体对低矫顽力永磁体主要起到正向磁化作用，可提高电机磁极稳定性；电机磁极在反向磁化状态下，一字型永磁体槽内的高矫顽力永磁体的磁通路径发生变化，经由其与低矫顽力永磁体间的铁心以及低矫顽力永磁体短路，保证了电机较宽的调磁范围。
本发明所述三段式变磁路串并联可调磁通电机，包括定子铁心1、定子绕组2、转子铁心3和转轴4；转子铁心3固定在转轴4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；
还包括串并联可调磁极，所述串并联可调磁极包括一号高矫顽力永磁体7、一号低矫顽力永磁体8、二号低矫顽力永磁体9和二号高矫顽力永磁体10；
转子铁心3每极下设置一个V型永磁体槽5和一个一字型永磁体槽6，V型永磁体槽5面向气隙侧的开口中设置一字型永磁体槽6，V型永磁体槽5和一字型永磁体槽6均沿轴向贯穿整个电机，且二者对称轴重合，在V型永磁体槽5内靠近气隙侧对称安装一对串联的一号高矫顽力永磁体7和一号低矫顽力永磁体8，远离气隙侧对称安装一对二号低矫顽力永磁体9，一字型永磁体槽6内安装二号高矫顽力永磁体10；
电机磁极在正向磁化状态下，二号高矫顽力永磁体10与二号低矫顽力永磁体9的磁路串联，二号低矫顽力永磁体9始终受到二号高矫顽力永磁体10的正向磁化作用，同时一号高矫顽力永磁体7和一号低矫顽力永磁体8也呈串联关系，磁极整体稳定性较高；
限定二号高矫顽力永磁体10和二号低矫顽力永磁体9的尺寸满足关系式：
bm1BrHWm1≥2·bm2BrLWm2
以保证二号高矫顽力永磁体10对二号低矫顽力永磁体9起到足够的正向磁化作用；
式中：BrH为二号高矫顽力永磁体10在工作温度下的剩磁，BrL为二号低矫顽力永磁体9在工作温度下的剩磁，bm1为二号高矫顽力永磁体10工作点的磁密，bm2为二号低矫顽力永磁体9工作点的磁密，Wm1为二号高矫顽力永磁体10的宽度，Wm2为二号低矫顽力永磁体9的宽度；
同时限定V型永磁体槽5和一字型永磁体槽6之间铁心的最小宽度应满足关系式：
BsatWc_min≤bm2BrLWm2
以避免二号高矫顽力永磁体10的磁通在电机正向磁化状态下经V型永磁体槽5和一字型永磁体槽6之间的铁心短路；
式中：Bsat为转子铁心所用材料的饱和磁密，Wc_min为V型永磁体槽5和一字型永磁体槽6之间铁心的最小宽度；
电机磁极在反向磁化状态下，二号低矫顽力永磁体9被反向磁化，此时二号高矫顽力永磁体10的部分磁通经过其与二号低矫顽力永磁体9之间铁心短路，另一部分磁通则经过反向磁化的二号低矫顽力永磁体9短路，此时二号高矫顽力永磁体10与二号低矫顽力永磁体9在磁路上为并联关系，同时一号高矫顽力永磁体7和一号低矫顽力永磁体8的部分磁通被二号低矫顽力永磁体9短路，电机磁极的磁路结构发生改变，此时磁极进入气隙的磁通显著降低，实现电机气隙磁场的调节。
优选地，一号高矫顽力永磁体7、二号高矫顽力永磁体10分别垂直于永磁体宽度方向充磁，且相邻一对极的高矫顽力永磁体充磁方向相反；一号低矫顽力永磁体8、二号低矫顽力永磁体9分别垂直于永磁体宽度方向充磁，且相邻一对极的低矫顽力永磁体充磁方向相反，在同一极下，高、低矫顽力永磁体同为N极或S极。
优选地，一号高矫顽力永磁体7、二号高矫顽力永磁体10采用矫顽力大于800kA/m的永磁材料；一号低矫顽力永磁体8、二号低矫顽力永磁体9采用矫顽力小于250kA/m的永磁材料。
优选地，一号高矫顽力永磁体7、二号高矫顽力永磁体10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8、二号低矫顽力永磁体9为两段式分体结构或一体式结构，采用整块永磁体或沿轴向由多块永磁体构成。
优选地，每极下V型永磁体槽5对称轴线处、外侧磁极与转子圆周之间设置磁桥。
本发明的有益效果：本发明所述三段式变磁路串并联可调磁通电机磁极由V型永磁体和一字型永磁体构成，两种永磁体均呈轴对称分布，且二者对称轴相互重合，磁极轴对称的两部分均呈三段式结构，分别为一字型磁极中的二号高矫顽力永磁体10、V型磁极中远离气隙侧的二号低矫顽力永磁体9、以及V型磁极中靠近气隙侧串联的一号高矫顽力永磁体7和一号低矫顽力永磁体8。电机磁极在正向磁化状态下，二号高矫顽力永磁体10与二号低矫顽力永磁体9在磁路上为串联关系，即二号低矫顽力永磁体9始终受到二号高矫顽力永磁体10的正向磁化作用，同时一号高矫顽力永磁体7和一号低矫顽力永磁体8也呈串联关系，磁极整体稳定性较高；电机磁极在反向磁化状态下，二号低矫顽力永磁体9被反向磁化，此时二号高矫顽力永磁体10的部分磁通会经过其与二号低矫顽力永磁体9之间铁心短路，部分磁通则经过反向磁化的二号低矫顽力永磁体9短路，此时二号高矫顽力永磁体10与二号低矫顽力永磁体9在磁路上为并联关系，同时一号高矫顽力永磁体7和一号低矫顽力永磁体8的部分磁通也会被二号低矫顽力永磁体9短路，电机磁极的磁路结构发生改变，此时磁极进入气隙的磁通显著降低，达到了调节电机气隙磁场的目的。V型磁极中靠近气隙侧设置高矫顽力永磁体可以提高磁极在负载运行时抗电枢反应去磁的能力，一字型磁极采用高矫顽力永磁体，可提高二号高低矫顽力永磁体9在正向磁化状态下的工作点，其在二号低矫顽力永磁体9反向磁化时，大部分磁通在转子内部短路，保证了电机较宽的调磁范围。
附图说明
图1是本发明的三段式变磁路串并联可调磁通电机。
图2是永磁体相关尺寸标示图。
图3是本发明的三段式变磁路串并联可调磁通电机在正向饱和磁化状态下的空载磁力线分布图。
图4是本发明的三段式变磁路串并联可调磁通电机反向饱和磁化状态下的空载磁力线分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述三段式变磁路串并联可调磁通电机，包括定子铁心1、定子绕组2、转子铁心3和转轴4；转子铁心3固定在转轴4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；
还包括串并联可调磁极，所述串并联可调磁极包括一号高矫顽力永磁体7、一号低矫顽力永磁体8、二号低矫顽力永磁体9和二号高矫顽力永磁体10；
转子铁心3每极下设置一个V型永磁体槽5和一个一字型永磁体槽6，V型永磁体槽5面向气隙侧的开口中设置一字型永磁体槽6，V型永磁体槽5和一字型永磁体槽6均沿轴向贯穿整个电机，且二者对称轴重合，在V型永磁体槽5内靠近气隙侧对称安装一对串联的一号高矫顽力永磁体7和一号低矫顽力永磁体8，远离气隙侧对称安装一对二号低矫顽力永磁体9，一字型永磁体槽6内安装二号高矫顽力永磁体10；
本发明电机在正向饱和磁化状态下的空载磁力线分布图如图3所示，此时三段永磁体的磁通共同进入气隙，电机磁极在正向磁化状态下，二号高矫顽力永磁体10与二号低矫顽力永磁体9的磁路串联，二号低矫顽力永磁体9始终受到二号高矫顽力永磁体10的正向磁化作用，同时一号高矫顽力永磁体7和一号低矫顽力永磁体8也呈串联关系，磁极整体稳定性较高；
限定二号高矫顽力永磁体10和二号低矫顽力永磁体9的尺寸满足关系式：
bm1BrHWm1≥2·bm2BrLWm2
以保证二号高矫顽力永磁体10对二号低矫顽力永磁体9起到足够的正向磁化作用；
式中：BrH为二号高矫顽力永磁体10在工作温度下的剩磁，BrL为二号低矫顽力永磁体9在工作温度下的剩磁，bm1为二号高矫顽力永磁体10工作点的磁密，bm2为二号低矫顽力永磁体9工作点的磁密，Wm1为二号高矫顽力永磁体10的宽度，参见图2，该宽度方向为切向，Wm2为二号低矫顽力永磁体9的宽度，参见图2，该宽度方向为V型永磁体槽5中二号低矫顽力永磁体9所在直槽的走向；
该不等式的左式为二号高矫顽力永磁体10的磁通，右式为V型磁极中二号低矫顽力永磁体9的磁通，令二号高矫顽力永磁体10的磁通量大于二号低矫顽力永磁体9，可以保证在电机正向磁化状态下，二号低矫顽力永磁体9因受到较强的正向磁化作用而具有较高的负载稳定性。
同时限定V型永磁体槽5和一字型永磁体槽6之间铁心的最小宽度应满足关系式：
BsatWc_min≤bm2BrLWm2
以避免二号高矫顽力永磁体10的磁通在电机正向磁化状态下经V型永磁体槽5和一字型永磁体槽6之间的铁心短路；
式中：Bsat为转子铁心所用材料的饱和磁密，Wc_min为V型永磁体槽5和一字型永磁体槽6之间铁心的最小宽度，该宽度为一字型永磁体槽6与V型永磁体槽5中任一直槽的最小距离；
该不等式的左式为V型永磁体槽5和一字型永磁体槽6之间铁心宽度最小区域饱和时的磁通，右式为二号低矫顽力永磁体9的磁通，令二号低矫顽力永磁体9产生的磁通大于V型永磁体槽5和一字型永磁体槽6之间铁心宽度最小区域饱和时的磁通，可以保证电机在正向磁化状态下，二号低矫顽力永磁体9的磁通流经V型永磁体槽5和一字型永磁体槽6之间铁心时，铁心因达到饱和而磁阻增大，削弱了其对二号高矫顽力永磁体10的短路作用。
参见图4为本发明的三段式变磁路串并联可调磁通电机反向饱和磁化状态下的空载磁力线分布图，电机磁极在反向磁化状态下，二号低矫顽力永磁体9被反向磁化，此时二号高矫顽力永磁体10的部分磁通经过其与二号低矫顽力永磁体9之间铁心短路，另一部分磁通则经过反向磁化的二号低矫顽力永磁体9短路，此时二号高矫顽力永磁体10与二号低矫顽力永磁体9在磁路上为并联关系，同时一号高矫顽力永磁体7和一号低矫顽力永磁体8的部分磁通被二号低矫顽力永磁体9短路，电机磁极的磁路结构发生改变，此时磁极进入气隙的磁通显著降低，实现电机气隙磁场的调节。
一号高矫顽力永磁体7、二号高矫顽力永磁体10分别垂直于永磁体宽度方向充磁，且相邻一对极的高矫顽力永磁体充磁方向相反；一号低矫顽力永磁体8、二号低矫顽力永磁体9分别垂直于永磁体宽度方向充磁，且相邻一对极的低矫顽力永磁体充磁方向相反，在同一极下，高、低矫顽力永磁体同为N极或S极。
一号高矫顽力永磁体7、二号高矫顽力永磁体10采用矫顽力大于800kA/m的永磁材料；一号低矫顽力永磁体8、二号低矫顽力永磁体9采用矫顽力小于250kA/m的永磁材料。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，一号高矫顽力永磁体7、一号低矫顽力永磁体8、二号低矫顽力永磁体9和二号高矫顽力永磁体10的设置方式：
一号高矫顽力永磁体7、二号高矫顽力永磁体10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8、二号低矫顽力永磁体9为两段式分体结构或一体式结构，采用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8、二号低矫顽力永磁体9既可以是独立的两块永磁体，也可以是整块永磁体的两部分。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，每极下V型永磁体槽5对称轴线处、外侧磁极与转子圆周之间设置磁桥。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (6)

1.三段式变磁路串并联可调磁通电机，其特征在于，包括定子铁心(1)、定子绕组(2)、转子铁心(3)和转轴(4)；转子铁心(3)固定在转轴(4)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，还包括串并联可调磁极，所述串并联可调磁极包括一号高矫顽力永磁体(7)、一号低矫顽力永磁体(8)、二号低矫顽力永磁体(9)和二号高矫顽力永磁体(10)；
转子铁心(3)每极下设置一个V型永磁体槽(5)和一个一字型永磁体槽(6)，V型永磁体槽(5)面向气隙侧的开口中设置一字型永磁体槽(6)，V型永磁体槽(5)和一字型永磁体槽(6)均沿轴向贯穿整个电机，且二者对称轴重合，在V型永磁体槽(5)内靠近气隙侧对称安装一对串联的一号高矫顽力永磁体(7)和一号低矫顽力永磁体(8)，远离气隙侧对称安装一对二号低矫顽力永磁体(9)，一字型永磁体槽(6)内安装二号高矫顽力永磁体(10)；
电机磁极在正向磁化状态下，二号高矫顽力永磁体(10)与二号低矫顽力永磁体(9)的磁路串联，二号低矫顽力永磁体(9)始终受到二号高矫顽力永磁体(10)的正向磁化作用，同时一号高矫顽力永磁体(7)和一号低矫顽力永磁体(8)也呈串联关系，磁极整体稳定性较高；
限定二号高矫顽力永磁体(10)和二号低矫顽力永磁体(9)的尺寸满足关系式：
bm1BrHWm1≥2·bm2BrLWm2
以保证二号高矫顽力永磁体(10)对二号低矫顽力永磁体(9)起到足够的正向磁化作用；
式中：BrH为二号高矫顽力永磁体(10)在工作温度下的剩磁，BrL为二号低矫顽力永磁体(9)在工作温度下的剩磁，bm1为二号高矫顽力永磁体(10)工作点的磁密，bm2为二号低矫顽力永磁体(9)工作点的磁密，Wm1为二号高矫顽力永磁体(10)的宽度，Wm2为二号低矫顽力永磁体(9)的宽度；
同时限定V型永磁体槽(5)和一字型永磁体槽(6)之间铁心的最小宽度应满足关系式：
BsatWc_min≤bm2BrLWm2
以避免二号高矫顽力永磁体(10)的磁通在电机正向磁化状态下经V型永磁体槽(5)和一字型永磁体槽(6)之间的铁心短路；
式中：Bsat为转子铁心所用材料的饱和磁密，Wc_min为V型永磁体槽(5)和一字型永磁体槽(6)之间铁心的最小宽度；
电机磁极在反向磁化状态下，二号低矫顽力永磁体(9)被反向磁化，此时二号高矫顽力永磁体(10)的部分磁通经过其与二号低矫顽力永磁体(9)之间铁心短路，另一部分磁通则经过反向磁化的二号低矫顽力永磁体(9)短路，此时二号高矫顽力永磁体(10)与二号低矫顽力永磁体(9)在磁路上为并联关系，同时一号高矫顽力永磁体(7)和一号低矫顽力永磁体(8)的部分磁通被二号低矫顽力永磁体(9)短路，电机磁极的磁路结构发生改变，此时磁极进入气隙的磁通显著降低，实现电机气隙磁场的调节。
2.根据权利要求1所述三段式变磁路串并联可调磁通电机，其特征在于，一号高矫顽力永磁体(7)、二号高矫顽力永磁体(10)分别垂直于永磁体宽度方向充磁，且相邻一对极的高矫顽力永磁体充磁方向相反；一号低矫顽力永磁体(8)、二号低矫顽力永磁体(9)分别垂直于永磁体宽度方向充磁，且相邻一对极的低矫顽力永磁体充磁方向相反，在同一极下，高、低矫顽力永磁体同为N极或S极。
3.根据权利要求1所述三段式变磁路串并联可调磁通电机，其特征在于，一号高矫顽力永磁体(7)、二号高矫顽力永磁体(10)采用矫顽力大于800kA/m的永磁材料；一号低矫顽力永磁体(8)、二号低矫顽力永磁体(9)采用矫顽力小于250kA/m的永磁材料。
4.根据权利要求1所述三段式变磁路串并联可调磁通电机，其特征在于，一号高矫顽力永磁体(7)、二号高矫顽力永磁体(10)均为整块永磁体，或沿轴向由多块永磁体构成。
5.根据权利要求1所述三段式变磁路串并联可调磁通电机，其特征在于，一号低矫顽力永磁体(8)、二号低矫顽力永磁体(9)为两段式分体结构或一体式结构，沿轴向由多块永磁体构成或采用整块永磁体。
6.根据权利要求1所述三段式变磁路串并联可调磁通电机，其特征在于，每极下V型永磁体槽(5)对称轴线处、外侧磁极与转子圆周之间设置磁桥。
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