CN116317422A - 一种新型双定子磁场调制记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型双定子磁场调制记忆电机，属于混合永磁记忆电机技术领域，该电机由外到内分别为外定子、转子和内定子；外定子包括电枢铁芯齿、定子轭和电枢绕组，内定子包括带有径向磁桥的内定子铁芯、钕铁硼永磁、铝镍钴永磁以及置于内定子槽内的励磁绕组；本发明实例通过将铝镍钴永磁体与励磁绕组安置在内定子槽内，与放置在内定子轭的钕铁硼永磁体形成并联磁路，实现永磁磁场与电枢反应磁场解耦；解决了单定子永磁电机定子内励磁源多，空间上相互牵制，转矩密度较低的弱点，并通过双定子混合永磁的设置实现了高功率密度；同时采用直流脉冲电流改变铝镍钴永磁体的磁化强度和磁化方向，从而实现在线调磁能力；在内定子上增加了径向铁芯磁桥，可以减小电枢反应对铝镍钴永磁体的影响；该电机结构增大了励磁绕组空间，提高了励磁绕组匝数，减小了励磁电流，可以实现电机气隙磁场的高效调节，有效拓宽电机转速运行范围。

Description

一种新型双定子磁场调制记忆电机

技术领域

本发明涉及一种可变磁通永磁同步电机，具体涉及一种新型双定子磁场调制记忆电机。

背景技术

永磁电机由于其高功率密度和效率而被广泛用于新能源电动汽车等多个领域。电动汽车的驾驶工况决定了其牵引电机应具有较宽的转矩-转速曲线，以确保在整个操作范围的高效率。然而，为了调整传统永磁电机中的气隙磁通以扩大速度运行范围，往往需要提供连续的d轴电流，这显著增加了永磁同步电机额外的铜损和退磁风险。因此，最大限度地扩大恒功率转速范围，尽可能提高整体效率(尤其是在高速下)，是使传统永磁电机更好地满足电动汽车运行条件的主要挑战。

永磁记忆电机(以下简称“记忆电机”)是一种新型的磁通可控型永磁电机，它采用低矫顽力铝镍钴永磁体，通过定子绕组或者直流脉冲绕组产生磁场，从而改变低矫顽力永磁体磁化强度，进而对气隙磁场进行调节，同时永磁体的磁化状态具有被永磁体记忆的特点，避免了电枢损耗，实现了在线高效调磁。

传统的记忆电机由克罗地亚裔德国电机学者奥斯托维奇(Ostovic)教授在2001年提出。由于Ostovic教授提出的记忆电机只有低矫顽力永磁体，其扭矩密度相对较低，实用性不高。为了提高具有单个低矫顽力永磁体的记忆电机的输出转矩，有学者在转子中设置q轴磁通屏障，以提高磁阻转矩分量。此外，还有学者采用轮辐式内置式永磁转子，以增加记忆电机中低矫顽力永磁体的使用量，从而增加其输出扭矩。然而，与具有高矫顽力永磁体(例如钕铁硼)的记忆电机相比，低转矩密度仍然是具有单个低矫顽力永磁体记忆电机的主要问题。为了解决上述问题，包含具有低矫顽力和高矫顽力永磁体的各种混合永磁记忆电机被相继提出，它将传统永磁电机的高转矩和记忆电机的灵活磁通调节能力有机地结合在一起。在混合永磁体记忆电机中，高矫顽力永磁体提供恒定磁场，而低矫顽力永磁体在气隙磁场调节中发挥作用。

定子永磁型记忆电机与传统的永磁电机相比，在定子永磁电机中增加了直流励磁线圈，以产生瞬时的电流脉冲，从而改变低矫顽力永磁材料的磁化强度。定子永磁型记忆电机同时保持了良好的转子机械鲁棒性和易于散热的优点。然而，对于所有的具有单个定子的直流磁化记忆电机，定子中的磁负荷和电负荷之间存在严重的几何冲突，因此槽面积的减小导致转矩密度的减小。近些年来，双定子的概念被扩展到定子永磁电机。通过将传统单定子设计中位于外定子中的永磁体移动到内定子，可以显著扩大外定子中铜槽的面积，从而提高电机的转矩密度。

然而，现有的双定子记忆电机仍存在一些问题，混合永磁型记忆电机由于需要考虑到高矫顽力永磁对于低矫顽力永磁的无意退磁作用，降低了电机的转矩密度。且现有的记忆电机对于低矫顽力永磁体的直流磁化电流普遍较高，这对于逆变器容量和电源功率是一大挑战。

发明内容

针对上述技术中存在的问题，本发明提供了一种新型双定子磁场调制记忆电机。

为实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种新型双定子磁场调制记忆电机，其特征在于：由外至内依次包括具有凸极结构的外定子铁芯、电枢绕组、具有磁齿轮效应的凸极转子、带有径向磁桥结构的内定子铁芯、铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体、励磁绕组，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；

所述外定子铁芯采用凸极结构，外定子铁芯主要由电枢铁芯齿和定子轭部构成，外定子铁芯齿部采用极靴结构，且电枢铁芯齿置于外定子轭部和转子之间；

所述电枢绕组放置于外定子电枢铁芯齿之间形成的凹槽内，采用双层式集中绕组结构，每相有四个线圈，线圈均串联构成对称的三相绕组；

所述转子具有磁齿轮效应，转子沿周向间隔布置有一个以上的导磁硅钢的转子铁块，转子铁块之间采用非导磁材料套筒填充，所述的非导磁套筒内置有轴向铝制螺栓，螺栓与设置在电机转轴上的端盖相连；

所述内定子铁芯上开有凹槽，凹槽之间为径向导磁桥，内定子内部设有一圈导磁环，内定子通过内定子轴与内定子一侧端盖固定；

所述铝镍钴为低矫顽力永磁体，其嵌于每个凹槽之间，与内定子铁芯径向磁桥交替排布于凹槽之间，所有铝镍钴永磁体均沿径向充磁；

所述钕铁硼为高矫顽力永磁体，其嵌于外定子铁芯最外层，每个钕铁硼永磁体与外定子电枢铁芯齿对齐，数量为铝镍钴永磁体的一倍，充磁方向沿周向充磁，相邻钕铁硼永磁体极性相反；

所述励磁绕组放置于内定子凹槽内，跨接于每个铝镍钴永磁体上，各励磁线圈缠绕方向均相同，所有线圈串联连接构成励磁绕组。

作为本发明进一步的改进方案：所述转子铁芯为倒梯形结构，转子铁芯与内外定子铁芯之间存在相等长度的气隙。

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，转子铁芯由11个转子铁块组成。

作为本发明进一步的改进方案：所述励磁绕组采用直流脉冲电流进行在线调磁。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本电机将双定子磁场调制电机与记忆电机有机结合，整体结构简单，空间利用率高，由于电机采用了定子混合永磁型结构，钕铁硼和铝镍钴永磁体、励磁绕组、电枢绕组均置于定子上，易于散热、冷却，而转子仅充当导磁铁芯的作用。

本电机采用的混合永磁的配置，高矫顽力永磁可以保证较高的气隙磁密，提升电机的功率密度和转矩能力，低矫顽力永磁可以实现气隙磁场的灵活调节，有效提高电机的恒功率转速范围。

本电机解决了传统定子永磁型记忆电机定子内磁动势源较多，空间上相互牵制，铝镍钴容易无意退磁和转矩密度低的缺点，使得电机的电磁负荷在空间上得到了分离，电枢绕组空间较之传统型记忆电机得到了大大提升，因此电机的转矩密度得到了显著提升。

本电机负载工况下，电枢反应的磁路会通过铝镍钴两旁的径向磁桥和转子铁芯闭合，大大降低了电枢反应磁动势对低矫顽力铝镍钴永磁体产生的不可逆退磁等影响，这对记忆电机实现高效在线调磁运行十分关键。

本电机能够随时对铝镍钴永磁体进行反复充退磁，实现气隙磁场的在线调节，同时脉冲绕组只在非常短的时间内有励磁损耗，并且调速控制系统的复杂性比交流调磁型电机小。

本电机铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体采用并联磁路结构，但是相较于以往的双定子记忆电机，改变了并联的形式，采用一个铝镍钴和两个钕铁硼组成一个单元，扩大每个铝镍钴的使用量，在不降低转矩密度的前提下，扩大了励磁绕组的设计面积，大大降低了充退磁电流脉冲。

本发明的电机采用了双定子结构，使得作用于转子上的电磁转矩增加，电机整体的转矩密度和功率密度得到了提高，具有很高的起动转矩。同时由于转子采用了杯型转子，转动惯量小，因此电机的响应快，动态性能好，具有较好的工业应用前景。

附图说明

图1为本发明的电机结构示意图，其中箭头方向表示永磁体的磁化方向；

图2为电机增磁运行时且转子运行到位置A时，本发明的电机磁通路径图；

图3为电机增磁运行时且转子运行到位置B时，本发明的电机磁通路径图；

图4为电机弱磁运行时且转子运行到位置A时，本发明的电机磁通路径图；

图5为电机弱磁运行时且转子运行到位置B时，本发明的电机磁通路径图；

图6为本发明未施加退磁电流时的磁力线分布图；

图7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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本实施例提供了一种新型双定子磁场调制记忆电机，如图1-图7所示，由外至内依次包括具有凸极结构的外定子铁芯1、电枢绕组4、具有磁齿轮效应的凸极转子3、带有径向磁桥结构8的内定子铁芯2、铝镍钴永磁体6、钕铁硼永磁体7、励磁绕组5，转子铁芯3位于外定子铁芯1和内定子铁芯2之间，转子铁芯3同轴连接于转轴上。

本发明所述的新型双定子磁场调制记忆电机外定子铁芯1采用凸极结构，外定子铁芯1主要由电枢铁芯齿和定子轭部构成，外定子铁芯齿部采用极靴结构，且电枢铁芯齿置于外定子轭部和转子3之间。电枢绕组4放置于外定子电枢铁芯齿之间形成的凹槽内，采用双层式集中绕组结构，每相有四个线圈，线圈均串联构成对称的三相绕组。所述转子3具有磁齿轮效应，转子沿周向间隔布置有一个以上的导磁硅钢的转子铁块，转子铁块之间采用非导磁材料套筒填充，所述的非导磁套筒内置有轴向铝制螺栓，螺栓与设置在电机转轴上的端盖相连。内定子铁芯2上开有凹槽，凹槽之间为径向导磁桥，内定子内部设有一圈导磁环，内定子通过内定子轴与内定子一侧端盖固定。所述铝镍钴6为低矫顽力永磁体，其嵌于每个凹槽之间，与内定子铁芯径向磁桥8交替排布于凹槽之间，所有铝镍钴永磁体6均沿径向充磁。钕铁硼7为高矫顽力永磁体，其嵌于外定子铁芯1最外层，每个钕铁硼永磁体7与外定子电枢铁芯齿对齐，数量为铝镍钴永磁体6的一倍，充磁方向沿周向充磁，相邻钕铁硼永磁体极性相反。所述励磁绕组5放置于内定子凹槽内，跨接于每个铝镍钴永磁体6上，各励磁线圈缠绕方向均相同，所有线圈串联连接构成励磁绕组5。

所述转子铁芯3为倒梯形结构，转子铁芯3与内外定子铁芯之间存在相等长度的气隙；所述转子铁芯3采用硅钢片叠压而成，转子铁芯3由11个转子铁块组成；所述励磁绕组5采用直流脉冲电流进行在线调磁。

本实施实例的记忆电机采用双定子结构，可以使用多种极槽配合，但需要保证钕铁硼永磁体的个数与外定子齿数相等；且电枢磁场和永磁励磁磁场分别配置在外内两个定子中，使得铝镍钴永磁因定子铁芯饱和无意退磁的问题得到了有效解决，且内定子上的永磁体离电枢绕组较远，高温导致的不可逆退磁风险大大降低。

本发明公开的一种新型双定子磁场调制记忆电机的运行原理如下：通过对励磁绕组施加瞬时直流脉冲电流，可以改变铝镍钴永磁体的磁场强度和磁化方向，由于铝镍钴永磁体对于所在磁化状态具有记忆功能，可以维持在施加脉冲电流后的磁化水平。首先从内定子的永磁的北极到内定子铁芯，再穿过转子铁芯到达外定子的电枢铁芯齿，再到外定子轭，最后依次通过另一相邻的定子齿、转子铁芯和内定子铁芯到达永磁的南极；与此同时，电机外定子电枢绕组中的匝链磁通会根据转子铁芯的不同位置切换方向，因此能够感应出正弦波形、双极性的反电动势，转子连续旋转时，定子绕组中匝链磁链的磁通方向呈现周期性变化，实现机电能量的转换。

图6为本发明电机增磁状态下的空载磁力线分布图，图7为本发明电机弱磁状态下的空载磁力线分布图，从图中可以明显发现，增磁状态时，外定子磁力线更多；弱磁状态下，由于铝镍钴永磁体磁化方向的改变，更多的永磁磁动势在内定子中形成短路；这进一步验证了电机磁路模型的正确性，说明该拓扑可以通过调节低矫顽力永磁体的磁化状态拓宽电机的运行范围，适用于需要宽调速的场合。

具体来说，当该电机的工业应用场合要求低速大扭矩，如电动汽车起动爬坡、风力发电等场合时，可以通过在线的直流励磁脉冲电流使得铝镍钴永磁体为增磁状态；而当电机应用场合为高速低扭矩时，如洗衣机的快速甩干功能、电动汽车的高速巡航，可以对低矫顽力永磁体施加退磁电流，削弱气隙磁通密度，实现“弱磁增速″的效果。本发明实现了真正的宽调速功能。

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 (4)

1.一种新型双定子磁场调制记忆电机，其特征在于：由外至内依次包括具有凸极结构的外定子铁芯、电枢绕组、具有磁齿轮效应的凸极转子、带有径向磁桥结构的内定子铁芯、铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体、励磁绕组，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；

所述外定子铁芯采用凸极结构，外定子铁芯主要由电枢铁芯齿和定子轭部构成，外定子铁芯齿部采用极靴结构，且电枢铁芯齿置于外定子轭部和转子之间；

所述电枢绕组放置于外定子电枢铁芯齿之间形成的凹槽内，采用双层式集中绕组结构，每相有四个线圈，线圈均串联构成对称的三相绕组；

所述转子具有磁齿轮效应，转子沿周向间隔布置有一个以上的导磁硅钢的转子铁块，转子铁块之间采用非导磁材料套筒填充，所述的非导磁套筒内置有轴向铝制螺栓，螺栓与设置在电机转轴上的端盖相连；

所述内定子铁芯上开有凹槽，凹槽之间为径向导磁桥，内定子内部设有一圈导磁环，内定子通过内定子轴与内定子一侧端盖固定；

所述铝镍钴为低矫顽力永磁体，其嵌于每个凹槽之间，与内定子铁芯径向磁桥交替排布于凹槽之间，所有铝镍钴永磁体均沿径向充磁；

所述钕铁硼为高矫顽力永磁体，其嵌于外定子铁芯最外层，每个钕铁硼永磁体与外定子电枢铁芯齿对齐，数量为铝镍钴永磁体的一倍，充磁方向沿周向充磁，相邻钕铁硼永磁体极性相反；

所述励磁绕组放置于内定子凹槽内，跨接于每个铝镍钴永磁体上，各励磁线圈缠绕方向均相同，所有线圈串联连接构成励磁绕组。

2.根据权利要求1所述一种新型双定子磁场调制记忆电机，其特征在于，所述转子铁芯为倒梯形结构，转子铁芯与内外定子铁芯之间存在相等长度的气隙。

3.根据权利要求2所述一种新型双定子磁场调制记忆电机，其特征在于，所述转子铁芯采用硅钢片叠压而成，转子铁芯由11个转子铁块组成。

4.根据权利要求1所述一种新型双定子磁场调制记忆电机，其特征在于，所述励磁绕组采用直流脉冲电流进行在线调磁。

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