CN115065212A - 一种新型定子分区双凸极记忆电机 - Google Patents

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褚金龙
黄欢欢
彭程
刘国俊
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Abstract

本发明提供了一种新型定子分区双凸极记忆电机，属于永磁记忆电机技术领域，包括电枢绕组、励磁绕组、低矫顽力永磁体、高矫顽力永磁体、两个具有凸极结构的定子以及一个具有凸极结构的转子铁芯，其中，一个所述定子为外定子铁芯，另一个所述定子为内定子铁芯。本发明实施例通过将铝镍钴永磁体与励磁绕组安置内定子槽内，与内定子轭的钕铁硼永磁体组成并联磁路，实现永磁磁场与电枢反应磁场解耦，铝镍钴永磁体远离作为热源的电枢绕组，有效降低发生不可逆退磁的风险，减轻了电枢绕组与励磁绕组，绕组与永磁的空间冲突，同时采用直流脉冲电流改变铝镍钴永磁体的工作点，实现电机宽范围调速功能。

Description

一种新型定子分区双凸极记忆电机
技术领域
本发明属于交通设施技术领域，具体是一种新型定子分区双凸极记忆电机。
背景技术
永磁电机具有高转矩和高效率的特点，广泛应用于工业领域，尤其是在以电动汽车为典型应用场合的调速驱动领域中，永磁同步电机正发挥着越来越重要的作用。永磁同步电机在调速运行时需要考虑电机运行速度范围，在高速区域通常采用弱磁调速的方式。传统永磁电机由于采用钕铁硼等高矫顽力的永磁体，其剩磁难以改变，调速范围受到很大限制。传统永磁电机通常采用直轴电流调速或励磁绕组调速，然而这些方法存在很多问题：调磁电流会产生额外的铜耗，降低电机的效率；较大的调磁电流产生的温升导致永磁体产生不可逆退磁；直轴电流调速调磁电流受逆变器的功率的限制，高速区会降低电机输出转矩。
2001年，德国V.Ostovi教授首次提出“可变磁通记忆电机(VFMM)”的概念，并制作了原型机进行实验验证。该电机利用一种低矫顽力的永磁体(low coercive force,LCF)的磁化特性，实现真正意义上的宽调速范围运行，这种永磁材料因矫顽力低，可以通过电流脉冲进行重复的磁化或退磁，并能够存储相应的磁化水平。因此，记忆电机的出现，表明可以通过对LCF永磁体施加不同幅值的电流脉冲，实现气隙通量的调整，该方法简单高效并且励磁损耗几乎为零。记忆电机拓宽了永磁电机的调速范围，对于记忆电机的相关研究有望为电动汽车、高速机床以及飞轮储能等应用领域，提供新型高性能的永磁电机。近二十年来，VFMM经历了快速的技术进步，并受到全球许多学者和电动汽车制造商的关注。
记忆电机的概念已经扩展到各种定子永磁电机，它们通过直流磁化线圈，对位于定子上的LCF永磁进行充磁或退磁，与交流调磁电机相比，这些直流调磁电机具有以下几个明显的优点：1)在线调磁方便，直流绕组可以简化对磁化状态的控制，不需要精确的转子定位和电流矢量控制；2)转子既没有永磁体也没有绕组，因此散热性能较好。然而，现有直流调磁记忆电机仍存在诸多问题，如：因放置励磁绕组，造成电枢绕组可用空间减少，转矩密度受损，以及定子结构复杂，使得设计与制造难度增加等等。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明实施例要解决的技术问题是提供一种新型定子分区双凸极记忆电机。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种新型定子分区双凸极记忆电机，包括电枢绕组、励磁绕组、低矫顽力永磁体、高矫顽力永磁体、两个具有凸极结构的定子以及一个具有凸极结构的转子铁芯，其中，一个所述定子为外定子铁芯，另一个所述定子为内定子铁芯，转子铁芯位于外定子铁芯和内定子铁芯之间，转子铁芯同轴连接于转轴上；
所述外定子铁心以及内定子铁心均采用凸极结构，外定子铁心以及内定子铁心的齿部采用极靴结构，外定子铁心以及内定子铁心的齿部对齐；
所述电枢绕组放置在外定子铁芯上，采用双层绕组结构，各定子齿线圈缠绕方向相同，每相线圈串联连接构成对称三相绕组；
所述励磁绕组放置在内定子铁芯上，励磁线圈缠绕在低矫顽力永磁体上，相邻定子槽绕组缠绕方向相反，所有线圈串联连接构成励磁绕组；
所述低矫顽力永磁体嵌于内定子槽中部，充磁方向沿长边充磁，相邻永磁体极性相反；
所述高矫顽力永磁体放置于内定子轭部，充磁方向与低矫顽力永磁体一致，低矫顽力永磁体与内定子槽、高矫顽力永磁体与转轴之间设置磁桥。
作为本发明进一步的改进方案：所述转子铁芯的齿部采用极靴结构，所述转子铁芯为倒梯形结构，转子铁芯与外定子铁心以及内定子铁心之间存在气隙。
作为本发明进一步的改进方案：所述转子铁芯由10个调磁块组成。
作为本发明进一步的改进方案：所述转子铁芯采用硅钢片叠压而成。
作为本发明再进一步的改进方案：所述励磁绕组采用脉冲电流进行充磁。
作为本发明再进一步的改进方案：所述低矫顽力永磁体采用铝镍钴永磁体。
作为本发明再进一步的改进方案：所述高矫顽力永磁体采用钕铁硼永磁体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体采用并联磁路结构，可有效减小钕铁硼对铝镍钴的影响，同时采用并联磁路结构，记忆磁体调磁范围大，具有较宽的调速范围；
2、单独设置励磁绕组，将电枢绕组与励磁绕组隔离开，减小电机的控制难度，同时也减小了逆变器的功率需求；
3、利用脉冲电流对铝镍钴进行充退磁，励磁损耗小，在去掉励磁电流时，在允许的电枢磁势下，铝镍钴永磁体可以保持在施加电流后的磁化水平，具有“记忆”特性；
4、采用钕铁硼和铝镍钴混合励磁，电机的气隙磁密较高，使得电机具有较高的功率密度与转矩密度；
5、双定子结构充分利用电机内部有限的空间，避免了励磁绕组与电枢绕组放在一起导致的转矩密度受损、定子磁通饱和，以及损耗增加和对铝镍钴永磁的不利影响；
6、为简化定转子结构，以及利用磁场调制效应增加转矩输出，定转子均采用凸极结构。
附图说明
图1为本发明的径向截面结构示意图；
图2(a)为本发明增磁运行原理图；
图2(b)为本发明增磁等效磁路图；
图3(a)为本发明弱磁运行原理图；
图3(b)为本发明弱磁等效磁路图；
图4为本发明未施加退磁电流时的磁力线分布图；
图5为本发明施加退磁电流后的磁力线分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
本实施例提供了一种新型定子分区双凸极记忆电机，如图1所示，所述记忆电机包括两个具有凸极结构的定子和一个具有凸极结构的转子铁芯3，其中定子1为外定子铁芯，定子2为内定子铁芯，转子铁芯3位于定子1和定子2之间，转子铁芯3同轴连接于转轴上。
本发明所述的定子分区双凸及记忆电机采用12s10p的槽极组合，整体结构上为由内外均为12个齿构成的定子，与处于内外定子间的转子铁芯3组成，内外定子铁芯齿部对齐。在内定子铁芯放置永磁体与调磁绕组，电枢绕组4则放置在外定子铁芯中，采用双层绕组结构，各内外定子齿线圈缠绕方向相同，每相线圈串联连接构成对称三相绕组，将低矫顽力永磁体6置于内定子槽中，充磁方向沿长边充磁，相邻永磁体极性相反，高矫顽力永磁体7置于内定子铁芯轭部，充磁方向与低矫顽力永磁体6一致，低矫顽力永磁体6与内定子槽、高矫顽力永磁体7与转轴之间设置磁桥，以减小励磁绕组对永磁体的不可逆退磁影响；励磁绕组5放置于内定子铁芯上并绕在记忆磁体周围，在实际操作中根据不同的绕向有不同的串联方式，励磁线圈缠绕在低矫顽力永磁体6上，相邻定子槽绕组缠绕方向相反，所有线圈串联连接构成励磁绕组5。双定子结构充分利用电机内部有限的空间，避免了励磁绕组5与电枢绕组4放在一起导致的转矩密度受损、定子磁通饱和，以及损耗增加和对LCF永磁的不利影响。在双凸极的基础上，将永磁体置于定子轭部，周向充磁，对比电励磁，用HCF永磁代替励磁绕组5，并与LCF永磁组成并联、聚磁型排列结构，提高了输出转矩与功率密度，省去产生恒定磁场的励磁绕组5，减少了励磁绕组带来的损耗，并且永磁位于轭部，使得槽宽增加，进一步增大励磁绕组5可用空间，有利于提升调磁能力。
所述外定子铁芯以及所述内定子铁芯采用齿部对齐结构，为改善电机的磁场分布，转子铁芯3齿均设置极靴，并将转子铁芯3设置为倒梯形结构；所述转子铁芯3由10个调磁块组成，转子铁芯3无永磁体与绕组，仅采用硅钢片叠压而成，机械强度高，制作简单，适合高速运行，转子铁芯3采用倒梯形结构，转子铁芯3外弧长度略长于转子，转子铁芯3与内外定子之间存在气隙，本发明设置内外气隙长度一致；
所述电机外定子齿缠绕电枢绕组，内定子槽放置铝镍钴永磁体与励磁绕组，励磁绕组缠绕在铝镍钴永磁体上；这样做的好处是：充分利用有限空间增大了电枢槽内面积提高了转矩，增大了励磁槽内面积增加了安匝数从而扩大了调磁范围，实现永磁与电枢在空间上的解耦抑制了交差耦合去磁现象的发生，并且励磁绕组在内定子上位置固定不需要装设集电环与电刷。
所述铝镍钴永磁体放置于内定子槽中间位置，采用周向充磁，铝镍钴永磁体与相同转子角度处钕铁硼充磁方向一致，并与钕铁硼永磁体构成并联磁路结构，采用并联磁路结构，可有效减小钕铁硼对铝镍钴的影响，记忆磁体调磁范围大，具有较宽的调速范围；
所述励磁绕组5采用脉冲电流对铝镍钴永磁体进行充磁，根据永磁体初始充磁方向，相邻内定子槽励磁线圈缠绕方向相反，所有励磁线圈串联构成励磁绕组，为保证尽可能多的放置励磁线圈，调整永磁体位置，使得位于永磁体两侧的内定子槽面积相等；考虑到铝镍钴永磁体的充去磁难度，在钕铁硼永磁体处设置导磁桥，减小调磁回路磁阻，方便采用较小电流实现较大的调磁范围；
在一个实施例中，所述转轴采用非磁性材料制成。
图2(b)所示为电机增磁运行等效磁路图，图2(b)中φHCF为铝镍钴产生的磁链，φLCF为钕铁硼产生的磁链，Rg1、Rg2为等效气隙的磁阻，Rml为铝镍钴的等效内阻，Rmh为钕铁硼的等效内阻，FLCF为铝镍钴的等效磁动势，FHCF为钕铁硼的等效磁动势，当电机工作在增磁状态时，脉冲电流对铝镍钴正向充磁，铝镍钴永磁体磁场方向与钕铁硼磁场方向一致，此时电机的永磁磁链φm＝φHCF+φLCF；当电机工作在弱磁状态时，脉冲电流对铝镍钴反向充磁，铝镍钴永磁体磁场方向与钕铁硼磁场方向相反，此时电机的永磁磁链φm＝φHCF-φLCF，电机弱磁运行等效磁路图如图3(b)所示；
图4为增磁状态下的磁力线分布图，图5为弱磁状态下的磁力线分布图，从图中可以看出，增磁状态时，外定子磁力线明显多于弱磁状态，外定子磁密也明显更高，从而验证磁路模型的正确性，说明该拓扑结构具有较强的调磁能力。
本发明所述的电机的工作原理简述如下：通过对励磁绕组5施加瞬时脉冲电流，可以改变铝镍钴永磁体的磁化状态，由于铝镍钴永磁体具有记忆特性，可以维持在施加脉冲电流后的磁化水平。当电机工作在额定运行状态下，铝镍钴工作在最高磁化水平处，此时气隙磁密由铝镍钴和钕铁硼共同提供；当电机需要弱磁增速时，对铝镍钴施加去磁电流，以降低电机的气隙磁密，实现电机的高速运行。通过对励磁绕组5施加不同的脉冲电流可改变铝镍钴的磁化状态，实现在线调磁，可满足电机的不同运行工况。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种新型定子分区双凸极记忆电机，其特征在于，包括电枢绕组、励磁绕组、低矫顽力永磁体、高矫顽力永磁体、两个具有凸极结构的定子以及一个具有凸极结构的转子铁芯，其中，一个所述定子为外定子铁芯，另一个所述定子为内定子铁芯，转子铁芯位于外定子铁芯和内定子铁芯之间，转子铁芯同轴连接于转轴上；
所述外定子铁心以及内定子铁心均采用凸极结构，外定子铁心以及内定子铁心的齿部采用极靴结构，外定子铁心以及内定子铁心的齿部对齐；
所述电枢绕组放置在外定子铁芯上，采用双层绕组结构，各定子齿线圈缠绕方向相同，每相线圈串联连接构成对称三相绕组；
所述励磁绕组放置在内定子铁芯上，励磁线圈缠绕在低矫顽力永磁体上，相邻定子槽绕组缠绕方向相反，所有线圈串联连接构成励磁绕组；
所述低矫顽力永磁体嵌于内定子槽中部，充磁方向沿长边充磁，相邻永磁体极性相反；
所述高矫顽力永磁体放置于内定子轭部，充磁方向与低矫顽力永磁体一致，低矫顽力永磁体与内定子槽、高矫顽力永磁体与转轴之间设置磁桥。
2.根据权利要求1所述的一种新型定子分区双凸极记忆电机，其特征在于，所述转子铁芯的齿部采用极靴结构，所述转子铁芯为倒梯形结构，转子铁芯与外定子铁心以及内定子铁心之间存在气隙。
3.根据权利要求2所述的一种新型定子分区双凸极记忆电机，其特征在于，所述转子铁芯由10个调磁块组成。
4.根据权利要求3所述的一种新型定子分区双凸极记忆电机，其特征在于，所述转子铁芯采用硅钢片叠压而成。
5.根据权利要求1所述的一种新型定子分区双凸极记忆电机，其特征在于，所述励磁绕组采用脉冲电流进行充磁。
6.根据权利要求1所述的一种新型定子分区双凸极记忆电机，其特征在于，所述低矫顽力永磁体采用铝镍钴永磁体。
7.根据权利要求1所述的一种新型定子分区双凸极记忆电机，其特征在于，所述高矫顽力永磁体采用钕铁硼永磁体。
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