CN105207438A - 一种磁场调制式定转子混合永磁记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高转矩密度的磁场调制式定转子混合永磁记忆电机，该电机包括转子和内定子，转子位于定子的外部，整体呈圆柱杯状结构，转子凸极沿半径方向内部延展，转子之间设有哈尔巴赫式交替极分布的钕铁硼永磁体；内定子包括定子轭、设置在定子轭与转子之间沿周向均匀分布的六个多齿结构的定子铁心、三相电枢绕组和脉冲调磁绕组构成，其中，每个定子铁心由多个定子齿组成，相邻定子齿之间设有可双向磁化的铝镍钴永磁体，三相电枢绕组则匝绕在相邻两个定子铁心之上，并置放在两定子铁心间形成的空槽里，单相脉冲调磁绕组设于铝镍钴永磁体两侧开有的空槽之中。本发明通过多齿定子极以及转子凸极实现定转子双侧混合永磁磁场的双向调制，以实现低速大转矩；与此同时，可以施加脉冲电流调节永磁体剩余磁化强度和磁化方向，实现电机空载气隙磁场高效调节，提高转速运行范围，因此十分适于风力直驱发电领域。

Description

一种磁场调制式定转子混合永磁记忆电机

技术领域

本发明涉及一种可调磁通直驱式永磁电机，具体涉及一种新型的磁场调制式定转子混合永磁记忆电机。

背景技术

在电机领域中，普通永磁同步电机（PMSM）由于普通永磁材料（如钕铁硼）的固有特性，电机内的气隙磁场基本保持恒定，作为电动运行时调速范围十分有限，在诸如电动汽车，航空航天等宽调速直驱场合的应用受到一定限制，故以实现永磁电机的气隙磁场的有效调节为目标的可调磁通永磁电机一直是电机研究领域的热点和难点。传统的PMSM均采用直轴电流进行弱磁调速，但是由于逆变器容量限制以及永磁不可逆去磁风险的存在而难以实现高效调磁。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周向磁场，从而改变永磁体磁化强度对气隙磁场进行调节，同时永磁体的磁密水平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。这种拓扑结构的记忆电机由写极式电机发展而来，转子由铝镍钴永磁体、非磁性夹层和转子铁心组成三明治结构。这种特殊结构能够随时对永磁体进行在线反复不可逆充去磁，同时减小交轴电枢反应对气隙磁场的影响。

然而，这种基本结构的记忆电机的转子结构存在着不足。由于永磁体处于转子，电枢绕组同时具备能量转换和磁场调节功能，因此在线调磁难度大大增加；其次，由于采用了AlNiCo永磁体，为了获足够的磁通，就必须采用足够厚度的材料。而在上述的切向式结构下，不易实现；同时，转子必须做隔磁处理，而且整个转子由多个部分紧固在轴上，降低了机械可靠性；最后，在需要宽调速驱动电机的场合，如机床和电动汽车中，采用上述结构的永磁气隙主磁通不高，电机力能指标也不能让人满意。因此许多拓扑结构的混合永磁式内置式永磁记忆电机提出，但是由于转子永磁以及铁心的磁路饱和将造成高速区电机温升和铁心损耗增大，效率受到极大影响。设有两种不同材料的永磁共同励磁，其中钕铁硼永磁提供气隙主磁场，而“V”形聚磁式铝镍钴永磁起到磁场调节器的作用

近些年来，一种新型的永磁型电机—磁场调制式电机由于其卓越的性能受到国内外学者广泛关注。该电机可以通过谐波调制产生高转矩输出，且具有效率高和结构简单可靠性高等优点。在永磁同步电机领域，磁场调制式电机已经在大型风力直驱以及电动汽车等领域具有更大的工业价值。然而，现有磁场调制电机铁心存在着磁滞损耗和涡流损耗，而且气隙磁场由钕铁硼永磁体励磁产生，难以调节，限制了其在电动汽车宽调速驱动场合的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有磁场调制电机铁心存在着磁滞损耗和涡流损耗，而且气隙磁场由钕铁硼永磁体励磁产生，难以调节。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种磁场调制式定转子混合永磁记忆电机，包括转子和定子，转子位于定子的外部，转子通过轴承与支撑轴转动连接；所述转子截面呈环状，且沿环形的圆周方向，在转子轭上等间距设置内凹的转子凸极，转子凸极的凹陷处内设置钕铁硼永磁体，钕铁硼永磁体呈哈尔巴赫式磁化交替极分布；转子凸极和钕铁硼永磁体交替分布，转子凸极数与钕铁硼永磁体极数个数相等；所述定子包括定子轭、六个定子铁心、三相电枢绕组和脉冲调磁绕组；定子铁心设置在定子轭与转子之间，且沿周向均匀分布，定子铁心沿圆周方向呈多齿分布，相邻定子齿之间设有铝镍钴永磁体，定子齿和铝镍钴永磁体交替分布，定子齿数与铝镍钴永磁体个数相等，三相电枢绕组则匝绕在相邻两个定子铁心之上，并置放在两定子铁心间形成的空槽里；单相脉冲调磁绕组设于铝镍钴永磁体两侧开有的空槽之中；电枢绕组磁场极对数=铝镍钴永磁体数-钕铁硼永磁体数；脉冲调磁绕组线圈数=铝镍钴永磁体数。

本发明中，整个电机整体结构简单，只含有一个气隙，具有较大的电磁转换效率，空间利用率高；由于电机采用了定转子混合永磁型结构，钕铁硼和铝镍钴永磁体分别置于转子和定子，相对于传统的单端口永磁同步电机，本发明可以通过定转子双向空间磁场调制机理实现低速大转矩输出；此外，采用混合永磁的设置一方面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，另一方面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；定子铁心沿圆周方向呈多齿分布，可以对转子侧永磁磁场起到空间磁场调制的作用；只有在定子齿数与铝镍钴永磁体个数相等的情况下，才能保证脉冲绕组铝镍钴永磁有效的充去磁，并发挥对转子侧产生有效磁场调制作用；只有在转子凸极数与钕铁硼永磁体极数个数相等的情况下，才能保证转子凸极发挥对定子侧产生有效磁场调制作用；电枢绕组磁场极对数=铝镍钴永磁体数-钕铁硼永磁体数，是为了使得定转子的双调制永磁磁场与电枢磁场产生了有效的耦合，并产生电磁转矩；脉冲调磁绕组线圈数=铝镍钴永磁体数，方能使得各个独立的脉冲磁场对铝镍钴永磁体进行有效的充去磁，并对气隙磁场起到有效的调节。本电机加载运行时，电枢反应的磁路较通过定子齿，定子铁心极，转子齿以及转子轭闭合，有效避免了电枢反应磁动势对矫顽力较低的铝镍钴永磁体产生不可逆退磁等影响，这对记忆电机实现高效在线调磁运行十分关键；转子上采用哈尔巴赫聚磁式永磁式结构，为电机提供主磁场，有效提高了电机的功率密度；定子侧能够随时对铝镍钴永磁体进行在线反复不可逆充去磁，并根据记录的充去磁参数随时调用以满足运行目标，实现气隙磁场的在线调磁，同时脉冲绕组只在非常短的时间内施加充、去磁电流；且当两永磁体磁化方向一致时，气隙磁场增强，电机转矩能力提高；当两永磁体磁化方向相反时，气隙磁场减弱，电机弱磁能力增强；定子铁心由一个以上的定子齿组成，多齿状的结构可以对转子侧永磁磁场起到空间磁场调制的作用；转子凸极沿着转子的圆周均匀设置，可以对定子侧永磁磁场起到空间磁场调制的作用。

优选的，电枢绕组和脉冲绕组都采用集中式绕组。集中式绕组有效地降低了端部长度，削减电机端部效应，且电机铜耗非常小，提高电机运行效率。

本发明的有益效果：

通过多齿定子极以及转子凸极实现定转子双侧混合永磁磁场的双向调制，以实现低速大转矩；与此同时，可以施加脉冲电流调节永磁体剩余磁化强度和磁化方向，实现电机空载气隙磁场高效调节，提高转速运行范围，因此十分适于风力直驱发电领域。

附图说明

图1为本发明的电机结构示意图。

图2为本发明的电机磁通路径图（电机增磁运行时）。

图3为本发明的电机磁通路径图（电机弱磁运行时）。

图中：1转子、2定子铁心、3钕铁硼永磁、4铝镍钴永磁、5三相电枢绕组、6脉冲调磁绕组、1.1转子凸极齿、1.2转子轭、2.1定子轭、2.2定子齿、2.3多极定子齿、2.4电枢绕组槽、2.5脉冲调磁绕组槽；图1中的箭头方向表示永磁体充磁方向；图2至图3中实线表示钕铁硼永磁磁力线及方向，点虚线表示铝镍钴永磁磁力线及方向。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明专利作进一步详细的说明：

如图1-3所示，本发明公开了一种磁场调制式定转子混合永磁记忆电机，该电机包括转子1和定子2，转子1位于定子2的外部，转子1通过轴承与支撑轴转动连接；转子1上，哈尔巴赫式磁化交替极分布的钕铁硼永磁体3沿圆周方向等间距的嵌放在转子轭1.2上，转子的截面呈环状，转子的整体呈圆柱杯状结构，转子凸极1.1沿环状的半径方向内凹陷，凹陷处即钕铁硼永磁体3的放置位置。

定子2包括定子轭2.1、设置在定子轭2.1与转子1之间沿周向均匀分布的六个多齿结构的定子铁心2.2、三相电枢绕组5和脉冲调磁绕组6；其中，每个定子铁心2.2由多个定子齿2.3组成，相邻定子齿2.3之间设有可双向磁化的铝镍钴永磁体4，三相电枢绕组则匝绕在相邻两个定子铁心2.2之上，并置放在两定子铁心2.2间形成的空槽2.4里；单相脉冲调磁绕组6设于铝镍钴永磁体4两侧开有的空槽2.5之中。

上述的定转子双侧均设有径向磁化的永磁体，双侧的永磁体和铁心极均为交替极分布；其中，钕铁硼永磁体3为哈尔巴赫式磁化，铝镍钴永磁体4可在径向双向磁化；当两永磁体磁化方向一致时，气隙磁场增强，电机转矩能力提高；当两永磁体磁化方向相反时，气隙磁场减弱，电机弱磁能力增强。

上述的每个定子铁心2.2沿圆周方向呈多齿分布，可以对转子侧永磁磁场起到空间磁场调制的作用，并且定子齿2.3数与铝镍钴永磁体4个数相等。

上述的每个转子凸极1.2沿圆周方向均匀，可以对定子侧永磁磁场起到空间磁场调制的作用，并且转子凸极数1.3与钕铁硼永磁极数3个数相等。

上述的每个定子2上设有两套绕组，即三相电枢绕组5和单相脉冲调磁绕组6；其中，电枢绕组5磁场极对数=铝镍钴永磁体4数-钕铁硼永磁体3数；脉冲调磁绕组6线圈数=铝镍钴永磁体4数。

定子2的铁心和转子1分别内设有两种不同材料的永磁体共同励磁，其中钕铁硼永磁体3提供气隙主磁场，而铝镍钴永磁体4起到磁场调节器的作用。

增磁时，即铝镍钴永磁体4和钕铁硼永磁体3磁场方向一致时，气隙主磁通增强；而弱磁时，即铝镍钴永磁体4和钕铁硼永磁体3磁场沿定子多齿和转子极内部短路，增大了电机漏磁，大大降低了电枢绕组有效匝链磁通。

钕铁硼永磁体3没有完全填充转子铁心，而与两侧的转子凸极1.1形成交替极结构；为定子2多齿构成的虚拟极（定子齿2.2）和铝镍钴永磁体4也构成了交替极结构，定转子两侧的铁心极（即转子凸极1.1和定子齿2.2）的存在可以为主气隙磁场提供闭合通路。与此同时，定子形成的多齿结构可以实现减少转矩脉动的目的。

脉冲绕组6均为集中绕组，脉冲绕组6缠绕在铝镍钴永磁3上，脉冲绕组6依次首尾串联形成单相脉冲绕组，脉冲电流方向形成交替分布。所述的两种永磁体和电枢绕组都安装在定子上，冷却容易；电机仅含有一个气隙，较之磁齿轮复合电机结构工艺简单，符合车用电机高速运行的要求。定子铁心1单元由硅钢片叠制而成，且各定子铁心尺寸相同，冲片制造工艺相对简单。本电机通过施加脉冲电流调节径向充磁的铝镍钴永磁体剩余磁化强度，实现电机空载气隙磁场可调，提高电机的弱磁能力和转速运行范围。

所述的永磁体采取特殊的铝镍钴永磁体4，该永磁材料具有矫顽力低、剩磁高的特点，采用铸造型制造工艺，温度稳定性高。永磁磁势与脉冲绕组磁势构成串联磁路。径向充磁的设计能保证施加脉冲电流的磁场能较大程度地对其进行充、去磁，从而实现电机气隙磁场可调，提高电机转速运行范围和弱磁能力。

本发明运行原理如下：

电机定子多齿结构与传统磁场调制式电机类似，可以起到对转子永磁励磁磁场产生谐波调制，除了传统的主谐波以外，调制产生的低次谐波转速较快，，因此绕组里匝链的谐波磁通（磁链）会可以感生出较大的反电势实现机电能量转换；而另一方面，转子齿形成的凸极效应产生的磁阻不均匀效应可以对定子侧的铝镍钴永磁产生的励磁磁场产生空间磁场调制，与上述同理可发生有效转矩输出，因此，该电机可以实现双向磁场调制，大大提升了电机的转矩密度。

最关键的是，磁通切换型混合永磁记忆电机的脉冲绕组在平时正常运行处于开路状态，由钕铁硼和铝镍钴永磁体共同提供气隙磁场，避免了励磁损耗，通过施加脉冲电流产生磁场对铝镍钴永磁体增、去磁以调节气隙磁场大小。当铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁磁通方向一致时，铝镍钴永磁产生的磁通将钕铁硼永磁磁通推向气隙，从而达成增磁的目的；而当铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁磁通方向相反时，两者磁通在定转子铁心内部形成漏磁回路，即钕铁硼永磁将被铝镍钴永磁大量短路使得主气隙磁场磁通密度降低，从而实现电动运行时弱磁增速的效果，并且拓宽电机作为电动机运行时的恒功率运行范围。

由于脉冲绕组5施加的是瞬时电流脉冲，产生一个瞬时磁场，故脉冲磁势不会明显影响气隙磁场，气隙磁场主要由钕铁硼永磁4提供，而铝镍钴永磁体3起到将钕铁硼永磁4产生的磁通推向气隙发挥聚磁增磁作用，或者在铁心内部将钕铁硼永磁4产生的磁通短路起到弱磁增速作用。实际应用中可根据所需的调磁系数，适当选取永磁体的径向厚度，以达到气隙磁场的最优化在线调节。

具体来说，如图2所示，当该电机的工业应用场合要求低速大转矩，如电动汽车起动爬坡，风力发电等场合时，可以通过脉冲调磁绕组对铝镍钴永磁进行充磁以增大电机的出力

如图3所示，另一方面，当应用场合为高速低转矩场合，如洗衣机的加速甩干，电动汽车的高速巡航，可以通过施加去磁电流脉冲让铝镍钴永磁发生反向去磁以短路钕铁硼永磁，使得气隙磁通减弱达到“弱磁增速”的效果。

Claims (2)

1.一种磁场调制式定转子混合永磁记忆电机，包括转子（1）和定子（2），转子（1）位于定子（2）的外部，转子（1）通过轴承与支撑轴转动连接；其特征是：

所述转子（1）截面呈环状，且沿环形的圆周方向，在转子轭（1.2）上等间距设置内凹的转子凸极（1.1），转子凸极（1.1）的凹陷处内设置钕铁硼永磁体（3），钕铁硼永磁体（3）呈哈尔巴赫式磁化交替极分布；转子凸极（1.1）和钕铁硼永磁体（3）交替分布，转子凸极（1.1）数与钕铁硼永磁体（3）极数个数相等；

所述定子（2）包括定子轭（2.1）、六个定子铁心（2.2）、三相电枢绕组（5）和脉冲调磁绕组（6）；定子铁心（2.2）设置在定子轭（2.1）与转子（1）之间，且沿周向均匀分布，定子铁心（2.2）沿圆周方向呈多齿分布，相邻定子齿（2.3）之间设有铝镍钴永磁体（4），定子齿（2.3）和铝镍钴永磁体（4）交替分布，定子齿（2.3）数与铝镍钴永磁体（4）个数相等，三相电枢绕组则匝绕在相邻两个定子铁心（2.2）之上，并置放在两定子铁心（2.2）间形成的空槽（2.4）里；单相脉冲调磁绕组（6）设于铝镍钴永磁体（4）两侧开有的空槽（2.5）之中；

电枢绕组（5）磁场极对数=铝镍钴永磁体（4）数-钕铁硼永磁体（3）数；脉冲调磁绕组（6）线圈数=铝镍钴永磁体（4）数。

2.根据权利要求1所述的磁场调制式定转子混合永磁记忆电机，其特征在于：电枢绕组和脉冲绕组都采用集中式绕组。