CN118040948A - 一种正反凸极主动切换型宽速记忆电机及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正反凸极主动切换型宽速记忆电机及其运行方法，电机包括：定子、电枢绕组和转子，电枢绕组安装在定子上，转子安装在定子内侧，转子包括转子齿、转子轭、多个一号永磁体外槽、多个二号永磁体外槽和多个空气磁障，一号永磁体外槽和二号永磁体外槽沿转子表面周向均匀布设且交替分布于转子表面；空气磁障沿转子内部周向均匀布设，每个空气磁障的开口朝向定子，且每个空气磁障设置在二号永磁体外槽的正下方；每个第一永磁体槽和第二永磁体槽均内嵌有低矫顽力永磁体。本发明通过改变永磁体槽内永磁体的磁化状态，可以实现正凸极和反凸极特性的切换，允许电机在低速时具有高转矩，高速时具有高功率和宽调速范围。

Description

一种正反凸极主动切换型宽速记忆电机及其运行方法

技术领域

本发明涉及永磁电机技术领域，具体而言，尤其涉及一种正反凸极主动切换型宽速记忆电机及其运行方法。

背景技术

永磁同步电机由于其结构简单、功率因数和效率高、易于实现精密控制等优点在电动汽车、航天航空、工业传动、家用电器等诸多领域得到了快速发展。但是，由于其转子永磁体材料属性的限制，传统永磁同步电机也存在一些缺点。通常，在传统永磁同步电机进行弱磁操作时，需要施加一个持续的定子电流，这不仅会提高电机的损耗，也增加了永磁体不可逆退磁的风险，导致电机性能下降。此外，传统永磁同步电机气隙磁密调节困难，限制了其调速范围。

可变磁通记忆电机通过定子绕组施加瞬时的充、去磁电流脉冲来改变记忆低矫顽力永磁材料的磁化状态，从而灵活调节气隙磁场，并几乎没有电励磁损耗。然而，记忆电机在高速运行时需要施加负的直轴弱磁电流分量，负的直轴弱磁电流分量会使低矫顽力永磁体发生被动去磁，降低电机运行稳定性和控制精度。

发明内容

根据上述提出传统内置式永磁同步电机的技术问题，提供一种正反凸极主动切换型宽速记忆电机及其运行方法，可以主动调节该电机的直轴和交轴磁通路径，分别实现正凸极和反凸极特性，电机在低速时采用最大转矩电流比控制方式，通过负的直轴电流分量产生高转矩，高速时施加正的直轴电流分量防止低矫顽力永磁体被动去磁，并产生正的磁阻转矩分量，同时允许电机在高速时具有高功率、高效率的特点，能够有效地拓宽电机的调速范围。

本发明采用的技术手段如下：

一种正反凸极主动切换型宽速记忆电机，包括：定子、三相电枢绕组以及转子，三相电枢绕组安装在定子上，转子安装在定子的内侧，其中：

所述转子，包括转子齿、转子轭、一号永磁体外槽、二号永磁体外槽以及空气磁障，其中：

一号永磁体外槽设置有多个，且沿所述转子表面周向均匀布设；

二号永磁体外槽设置有多个，且沿所述转子表面周向均匀布设；

一号永磁体外槽和二号永磁体外槽交替分布于所述转子表面；

空气磁障设置有多个，且沿所述转子内部周向均匀布设，每个空气磁障的开口朝向所述定子，且每个空气磁障设置在二号永磁体外槽的正下方；

每个第一永磁体槽和第二永磁体槽均内嵌有低矫顽力永磁体。

进一步地，所述一号永磁体外槽呈轴对称设置，且对称轴的轴线均经过所述转子的中心原点。

进一步地，所述二号永磁体外槽呈轴对称设置，且对称轴的轴线均经过所述转子的中心原点。

进一步地，所述一号永磁体外槽的设置数量与所述二号永磁体外槽的设置数量相同。

进一步地，在所述转子的每一极下均设置n层空气磁障，n取2～4；空气磁障呈轴对称设置，且对称轴的轴线均经过所述转子的中心原点。

进一步地，所述一号永磁体外槽、二号永磁体外槽、空气磁障以及低矫顽力永磁体均呈瓦片状，且低矫顽力永磁体分别与所述一号永磁体外槽和所述二号永磁体外槽相适配。

进一步地，所述低矫顽力永磁体均径向充退磁。

进一步地，所述三相电枢绕组为整数槽分布绕组，所述定子包括定子轭，固定连接在定子轭内侧的定子齿，相邻两个定子齿之间形成定子槽，整数槽分布绕组缠绕在定子齿上，其中定子齿和定子槽绕定子中心轴线均匀布置，同时，定子与转子之间存在气隙。

本发明还提供了一种基于所述正反凸极主动切换型宽速记忆电机的运行方法，包括：

低速时，给三相电枢绕组施加交轴去磁电流，使位于一号永磁体外槽内部的低矫顽力永磁体退磁至零磁化状态，再施加直轴充磁电流给二号永磁体外槽内的低矫顽力永磁体充磁，此时直轴电感小于交轴电感，电机为正凸极特性；

高速时，在三相电枢绕组中施加直轴去磁电流，使位于二号永磁体外槽内部的低矫顽力永磁体退磁至零磁化状态，再施加交轴充磁电流给一号永磁体外槽内的低矫顽力永磁体充磁，此时直轴电感大于交轴电感，电机为负凸极特性。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的正反凸极主动切换型宽速记忆电机，高速时将记忆电机的正凸极特性改变为反凸极特性，施加正的直轴弱磁电流分量防止低矫顽力永磁体被动去磁，提高低矫顽力永磁体工作点的稳定性。

3、本发明提供的正反凸极主动切换型宽速记忆电机，由于空气磁障的存在，使直轴电感和交轴电感差值增大，施加较小的直轴电流分量即可得到较高的磁阻转矩，提高了电机的输出转矩。

4、本发明提供的正反凸极主动切换型宽速记忆电机，利用短时的电流脉冲进行调磁，几乎没有调磁损耗，且低矫顽力永磁体可在线反复调磁。

5、本发明提供的正反凸极主动切换型宽速记忆电机，结构简单，易于制造。

基于上述理由本发明可在永磁电机等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的电机横截面结构示意图。

图2是本发明实例的电机低速运行时永磁磁场的磁路图。

图3是本发明实例的电机高速运行时永磁磁场的磁路图。

图中：1、定子；11、定子轭；12、定子齿；13、定子槽；2、电枢绕组；3、转子；31、转子齿；32、转子轭；33、一号永磁体外槽；34、二号永磁体外槽；35、空气磁障。

具体实施方式

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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1示，本发明提供了一种直轴-交轴可交替型记忆电机，包括：定子1、三相电枢绕组2以及转子3，三相电枢绕组2安装在定子1上，转子3安装在定子1的内侧，其中：

所述转子3，包括转子齿31、转子轭32、一号永磁体外槽33、二号永磁体外槽34以及空气磁障35，其中：

一号永磁体外槽33设置有多个，且沿所述转子3表面周向均匀布设；

二号永磁体外槽34设置有多个，且沿所述转子3表面周向均匀布设；

一号永磁体外槽33和二号永磁体外槽34交替分布于所述转子3表面；

空气磁障35设置有多个，且沿所述转子3内部周向均匀布设，每个空气磁障35的开口朝向所述定子1，且每个空气磁障35设置在二号永磁体外槽34的正下方；

每个第一永磁体槽33和第二永磁体槽34均内嵌有低矫顽力永磁体。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述一号永磁体外槽33呈轴对称设置，且对称轴的轴线均经过所述转子3的中心原点。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述二号永磁体外槽34呈轴对称设置，且对称轴的轴线均经过所述转子3的中心原点。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述一号永磁体外槽33的设置数量与所述二号永磁体外槽34的设置数量相同。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，在所述转子3的每一极下均设置n层空气磁障35，n取2～4；空气磁障35呈轴对称设置，且对称轴的轴线均经过所述转子3的中心原点。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述一号永磁体外槽33、二号永磁体外槽34、空气磁障35以及低矫顽力永磁体均呈瓦片状，且低矫顽力永磁体分别与所述一号永磁体外槽33和所述二号永磁体外槽34相适配。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述低矫顽力永磁体均径向充退磁。

本发明实施例还提供了一种正反凸极主动切换型宽速记忆电机的运行方法，包括：

电机在低速运行时，永磁磁场的磁路图如图2所示，给三相电枢绕组2施加交轴去磁电流，使位于一号永磁体外槽33内部的永磁体退磁至零磁化状态，然后施加直轴充磁电流给二号永磁体外槽34内的永磁体充磁，磁场仅由二号永磁体外槽34内的永磁体产生，电机直轴方向与二号永磁体槽34的轴线方向一致，永磁磁通的磁路由二号永磁体外槽34内的永磁体的N极依次到达气隙、定子齿12、定子轭11、定子齿12、气隙、二号永磁体外槽34内的永磁体的S极、空气磁障33，再通过转子轭回到二号永磁体外槽34内的永磁体的N极形成闭合回路。

由于转子旋转，上述磁场会随转子旋转；同时定子通入三相电流能够形成与转子相等转速的旋转磁场，定、转子磁场的相互作用产生永磁转矩，推动转子恒定旋转。直轴为二号永磁体外槽34的轴线，交轴为一号永磁体外槽33的轴线，直轴电感小于交轴电感。电机采用最大转矩电流比的控制方式，通过负的直轴电流分量产生高转矩，由于空气磁障的存在，极大程度增加了转子交、直轴磁路的差异性，导致交直轴电感差值较大，产生较高的磁阻转矩分量，从而使电机在低速时具有较高的转矩。

随着电机速度的提高，永磁磁场的磁路图如图3所示，在三相电枢绕组2中施加直轴去磁电流，使位于二号永磁体外槽34内部的永磁体退磁至零磁化状态，然后施加交轴充磁电流给一号永磁体外槽33内的永磁体充磁，磁场仅由一号永磁体外槽33内的永磁体产生，电机直轴方向与一号永磁体槽33的轴线方向一致，永磁磁通的磁路由一号永磁体外槽33内的永磁体的N极依次到达气隙、定子齿12、定子轭11、定子齿12、气隙、一号永磁体外槽33内的永磁体的S极，再通过转子轭回到一号永磁体外槽33内的永磁体的N极形成闭合回路。

由于转子旋转，上述磁场会随转子旋转；同时定子通入三相电流能够形成与转子相等转速的旋转磁场，定、转子磁场的相互作用产生永磁转矩，推动转子恒定旋转。同时，对于磁阻部分，直轴为一号永磁体外槽33的轴线，交轴为第二永磁体槽34的轴线，直轴电感大于交轴电感，施加正的直轴电流即可产生正的磁阻转矩分量，正的直轴电流分量防止低矫顽力永磁体被动去磁。由于空气磁障的存在，极大程度增加了转子交、直轴磁路的差异性，导致交直轴电感差值较大，产生较高的转矩，有效地拓宽电机的调速范围，使电机在高速时具有较高的功率。

综上所述，本发明在原有记忆电机拓扑结构的基础上，通过改变永磁体的磁化状态实现正反凸极的转换，电机在高速时施加正的直轴电流分量防止低矫顽力永磁体被动去磁，提高了低矫顽力永磁体工作点的稳定性，拓宽了调速范围，实现了电机在低速时高转矩、高速时高功率运行。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种正反凸极主动切换型宽速记忆电机，其特征在于，包括：定子(1)、三相电枢绕组(2)以及转子(3)，三相电枢绕组(2)安装在定子(1)上，转子(3)安装在定子(1)的内侧，其中：

所述转子(3)，包括转子齿(31)、转子轭(32)、一号永磁体外槽(33)、二号永磁体外槽(34)以及空气磁障(35)，其中：

一号永磁体外槽(33)设置有多个，且沿所述转子(3)表面周向均匀布设；

二号永磁体外槽(34)设置有多个，且沿所述转子(3)表面周向均匀布设；

一号永磁体外槽(33)和二号永磁体外槽(34)交替分布于所述转子(3)表面；

空气磁障(35)设置有多个，且沿所述转子(3)内部周向均匀布设，每个空气磁障(35)的开口朝向所述定子(1)，且每个空气磁障(35)设置在二号永磁体外槽(34)的正下方；

每个第一永磁体槽(33)和第二永磁体槽(34)均内嵌有低矫顽力永磁体。

2.根据权利要求1所述的正反凸极主动切换型宽速记忆电机，其特征在于，所述一号永磁体外槽(33)呈轴对称设置，且对称轴的轴线均经过所述转子(3)的中心原点。

3.根据权利要求1所述的正反凸极主动切换型宽速记忆电机，其特征在于，所述二号永磁体外槽(34)呈轴对称设置，且对称轴的轴线均经过所述转子(3)的中心原点。

4.根据权利要求1所述的正反凸极主动切换型宽速记忆电机，其特征在于，所述一号永磁体外槽(33)的设置数量与所述二号永磁体外槽(34)的设置数量相同。

5.根据权利要求1所述的正反凸极主动切换型宽速记忆电机，其特征在于，在所述转子(3)的每一极下均设置n层空气磁障(35)，n取2～4；空气磁障(33)呈轴对称设置，且对称轴的轴线均经过所述转子(3)的中心原点。

6.根据权利要求1所述的正反凸极主动切换型宽速记忆电机，其特征在于，所述一号永磁体外槽(33)、二号永磁体外槽(34)、空气磁障(35)以及低矫顽力永磁体均呈瓦片状，且低矫顽力永磁体分别与所述一号永磁体外槽(33)和所述二号永磁体外槽(34)相适配。

7.根据权利要求1所述的正反凸极主动切换型宽速记忆电机，其特征在于，所述低矫顽力永磁体均径向充退磁。

8.根据权利要求1所述的正反凸极主动切换型宽速记忆电机，其特征在于，所述三相电枢绕组(2)为整数槽分布绕组，所述定子(1)包括定子轭(11)，固定连接在定子轭(11)内侧的定子齿(12)，相邻两个定子齿(12)之间形成定子槽(13)，整数槽分布绕组缠绕在定子齿(12)上，其中定子齿(12)和定子槽(13)绕定子中心轴线均匀布置，同时，定子(1)与转子(3)之间存在气隙。

9.一种基于权利要求1-8中任意一项权利要求所述正反凸极主动切换型宽速记忆电机的运行方法，其特征在于，包括：

低速时，给三相电枢绕组(2)施加交轴去磁电流，使位于一号永磁体外槽(33)内部的低矫顽力永磁体退磁至零磁化状态，再施加直轴充磁电流给二号永磁体外槽(34)内的低矫顽力永磁体充磁，此时直轴电感小于交轴电感，电机为正凸极特性；

高速时，在三相电枢绕组(2)中施加直轴去磁电流，使位于二号永磁体外槽(34)内部的低矫顽力永磁体退磁至零磁化状态，再施加交轴充磁电流给一号永磁体外槽(33)内的低矫顽力永磁体充磁，此时直轴电感大于交轴电感，电机为反凸极特性。