CN104795951A - 一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机，包括两个转子盘、定子和安装轴，在所述转子盘的内表面上分别粘贴有内、外两圈交替间隔排列的钕铁硼永磁体和铁心极，其中，钕铁硼永磁体轴向充磁，外圈上钕铁硼永磁体的极性一致，内圈上钕铁硼永磁体的极性与外圈上钕铁硼永磁体的极性相反，两个转子盘上相对位置的钕铁硼永磁体充磁方向相同；所述定子包括定子铁心、三相电枢绕组和单相脉冲绕组。本发明不仅具有较高的功率密度，还具备较宽的转速运行范围，适用于轴向尺寸要求较小、结构紧凑、需弱磁扩速的相关驱动场合。

Description

一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机

技术领域

本发明涉及永磁电机技术领域，特别是一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机。

背景技术

随着稀土永磁材料性能的不断提高，以高效率、高功率密度为显著特征的永磁电机得以快速发展，在航空、航天、汽车等很多工业领域获得了广泛应用。在各种各样永磁电机中，轴向磁场永磁电机，又称为盘式电机，不仅具有轴向尺寸短、体积小、结构紧凑等特点，而且由于其高转矩密度和高效率，在很多特殊应用场合具有明显优越性，已经成为研究的热点，主要应用于运动控制，特别适用于轴向尺寸要求较小且有大转矩需求的直驱场合，如电动汽车轮毂电机。

作为驱动用的永磁同步电机，希望电机工作在低速恒转矩区时的气隙磁场足够高，有较高的力能指标；而电机工作在高速恒功率区时，应能使气隙磁场削弱地足够低，使电机有较宽的调速范围。常规的轴向磁场永磁同步电机由于钕铁硼等永磁材料的固有特性，电机内气隙磁场基本保持恒定，限制了其在诸如电动汽车等宽调速直驱场合的应用。目前人们为了保持永磁电机在较宽速度范围内恒功率运行，纷纷采用弱磁扩速技术来扩大永磁电机在高速状态下的输出功率。现有技术中对永磁电机实现弱磁控制的方案主要有两种，一是通过控制器调节电枢电流，利用电枢绕组中直轴电流分量产生的去磁磁势去抵消一部分永磁体产生的励磁磁势，从而达到削弱主磁通的目的；二是采用混合励磁方案，即在传统永磁电机的基础上再增加一个直流励磁线圈，在基速以上此直流线圈产生的磁动势作为去磁磁势，来达到削弱磁通的目的。上述方案虽然能达到削弱磁通的目的，但是需要增加控制器或直流励磁线圈，会引起铜耗的增加，进而导致***在高速区效率降低，并且可能会引起永磁体不可逆退磁。

因此，如何实现永磁电机的气隙磁场可调成为近年来电机领域的一个研究热点，一种通过改变永磁体磁化水平来实现气隙磁场调节，被称为真正意义上的可变磁通永磁电机。该类电机采用高剩磁、低矫顽力的永磁材料--铝镍钴，利用直流脉冲绕组电流或三相定子绕组电流产生的直轴电枢磁动势来控制其磁化强度，并且其磁化水平能被记忆住，从而实现气隙永磁磁场的灵活调节，在不牺牲电机其他性能指标前提下，实现了宽调速范围运行。由于该电机的调磁是直接改变永磁体的磁化状态，而不是利用外加磁动势来抵消，因此可以说是一种真正意义上的磁通可控的永磁电机。

东南大学林鹤云等提出了一种轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机，该电机虽能通过在单相脉冲绕组上施加不同电流，实现电机气隙磁场可调，但该电机仅采用了矫顽力相对较低的铝镍钴永磁体，电机的最大气隙磁通很难达到钕铁硼永磁电机的水平，电机力能指标不尽如人意；或者为了获得足够的磁通，必须采用较厚的永磁材料，而且增磁和去磁磁通又通过电机的气隙，这就导致所需的调磁脉冲磁动势较大，增大了绕组容量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机，提供了一种具备更高功率密度和磁通可控的混合永磁记忆电机，该电机不仅满足了电动汽车轮毂电机弱磁扩速的要求，而且能同时获得较高的力能指标。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机，包括两个转子盘、定子和安装轴，两个转子盘对称设置在定子的两侧，定子和两个转子盘同轴安装在安装轴上；其特征在于，在所述转子盘的内表面上分别粘贴有内、外两圈交替间隔排列的钕铁硼永磁体和铁心极，其中，钕铁硼永磁体轴向充磁，外圈上钕铁硼永磁体的极性一致，内圈上钕铁硼永磁体的极性与外圈上钕铁硼永磁体的极性相反，两个转子盘上相对位置的钕铁硼永磁体充磁方向相同。

作为本发明所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机进一步优化方案，所述定子包括定子铁心、三相电枢绕组和单相脉冲绕组；定子铁心呈双边对称，定子铁心包括定子轭和定子齿，定子齿与定子轭一起拼装成圆柱状，相邻的定子齿之间形成定子槽；三相电枢绕组和单相脉冲绕组位于定子槽中且匝绕在定子齿上。

作为本发明所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机进一步优化方案，所述定子铁心是由硅钢片制成。

作为本发明所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机进一步优化方案，所述定子齿上间隔固定了铝镍钴永磁体，形成了交替排列的定子永磁齿和定子铁心齿，三相电枢绕组匝绕在定子铁心齿上，单相脉冲绕组匝绕在定子永磁齿上。

作为本发明所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机进一步优化方案，所述铝镍钴永磁体的磁化状态由单相脉冲绕组的脉冲电流大小和方向决定。

作为本发明所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机进一步优化方案，所述铝镍钴永磁体呈扇形状且为轴向充磁。

作为本发明所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机进一步优化方案，所述三相电枢绕组和单相脉冲绕组均采用非重叠集中绕组型式。

作为本发明所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机进一步优化方案，所述钕铁硼永磁体和铁心极的数量相同。

作为本发明所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机进一步优化方案，所述转子盘是由非导磁材料制成。

作为本发明所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机进一步优化方案，所述钕铁硼永磁体和铁心极的形状均呈扇形，在转子盘上的同一径向方向分别是钕铁硼永磁体和铁心极。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明提出的电机集中了盘式永磁电机和记忆电机的优点，在定子结构中增加了铝镍钴永磁体和单相脉冲绕组，通过控制脉冲电流大小和方向调节铝镍钴永磁体的磁化状态，从而调节电机的气隙磁场；同时，本发明电机结构上保留了盘式永磁电机结构紧凑、漏磁小的特点，制造方便，很适合应用于薄型安装的场合，如电动汽车用轮毂驱动电机等；

（2）本发明转子盘内表面分成内外两圈，按规律粘贴高性能钕铁硼永磁体和铁心极，相比于单一采用较低矫顽力的铝镍钴永磁体的记忆电机，电机的最大气隙磁通及转矩密度得到大大提高；

（3）本发明转子盘表面铁心极为脉冲电流提供了一个低磁阻磁通路径，从而使得钕铁硼永磁体不受该磁场影响；

（4）本发明电机的三相电枢绕组和单相脉冲绕组均采用集中绕组型式，有效地降低了端部长度，节省了铜导线材料；

（5）本发明转子及定子上永磁体均采用表贴式结构，采用厌氧胶将永磁体粘贴于盘表面，制造方便，极大地减少了电机的漏磁，提高了永磁体的利用率；同时，表贴式安装方式有利于电机永磁材料的散热，降低热损，进一步提高电机的运行效率。

附图说明

图1是本发明的电机实施例的三维结构示意图：其中，（a）为第一转子盘，（b）为定子，（c）为第二转子盘。

图2是本发明电机的运行状态平面展开图。

图中的附图标记解释为：1-转子盘，2-钕铁硼永磁体，3-铁心极，4-定子铁心，5-定子永磁齿，6-定子铁心齿，7-三相电枢绕组，8-单相脉冲绕组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1是本发明的电机实施例的三维结构示意图：图1中的（a）为第一转子盘，设置在定子的一侧，图1中的（b）为定子，图1中的（c）为第二转子盘，设置在定子的另一侧。一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机，包括两个转子盘1、定子和安装轴，两个转子盘对称设置在定子的两侧，定子和两个转子盘同轴安装在安装轴上；在所述转子盘的内表面上分别粘贴有内、外两圈交替间隔排列的钕铁硼永磁体2和铁心极3，即是在所述转子盘的内表面上是由圆心向圆周方向依次粘贴有内、外两圈交替间隔排列的钕铁硼永磁体和铁心极，其中，钕铁硼永磁体轴向充磁，外圈上钕铁硼永磁体的极性一致，内圈上钕铁硼永磁体的极性与外圈上钕铁硼永磁体的极性相反，两个转子盘上相对位置的钕铁硼永磁体充磁方向相同。

所述定子包括定子铁心4、三相电枢绕组和单相脉冲绕组；定子铁心呈双边对称，定子铁心包括定子轭和定子齿，定子齿与定子轭一起拼装成圆柱状，相邻的定子齿之间形成定子槽；三相电枢绕组7和单相脉冲绕组8位于定子槽中且匝绕在定子齿上。

所述定子铁心是由硅钢片制成。

所述定子齿上间隔固定了铝镍钴永磁体，形成了交替排列的定子永磁齿5和定子铁心齿6，三相电枢绕组匝绕在定子铁心齿上，单相脉冲绕组匝绕在定子永磁齿上。

所述铝镍钴永磁体的磁化状态由单相脉冲绕组的脉冲电流大小和方向决定。所述单相脉冲绕组的脉冲电流大小和方向决定了铝镍钴永磁体的磁化状态，从而控制了电机气隙合成磁场的强弱。

所述铝镍钴永磁体呈扇形状且为轴向充磁。

作为优选，所述三相电枢绕组和单相脉冲绕组均采用非重叠集中绕组型式，绕组端接部分更短，用量少，铜耗少，而且该种绕组型式构造简单，加工方便。

所述钕铁硼永磁体和铁心极的数量相同。

所述转子盘是由非导磁材料制成。

所述钕铁硼永磁体和铁心极的形状均呈扇形，在转子盘上的同一径向方向分别是钕铁硼永磁体和铁心极。

所述定子设置在两个转子盘之间，构成轴向双气隙电机，定子与转子盘同轴安装，构成外转子盘内定子的三盘式结构；所述两个转子盘的结构相同，并且关于所述定子对称设置；所述转子盘内表面分成两圈：内外两圈，分别粘贴有8块扇形钕铁硼永磁体和8块扇形铁心极；所述钕铁硼永磁体轴向充磁，永磁体与铁心极之间留有空隙，间隔排列，外圈的永磁体极性均一样，内圈的永磁体极性与之相反，两个转子上相对的两个永磁体充磁方向相同。

所述定子铁心包括定子轭和定子齿，16个定子齿上间隔固定了8块扇形状铝镍钴永磁体，形成了8个定子永磁齿和8个定子铁心齿交替排列的规律，相邻的定子永磁齿和定子铁心齿之间形成定子槽；所述三相电枢绕组和单相脉冲绕组位于定子槽中，三相电枢绕组匝绕在定子铁心齿上，单相脉冲绕组匝绕在定子铁心齿上。

其中：转子盘1采用非导磁材料制成，内表面分成内外两圈，共固定了16块钕铁硼永磁体2和16块铁心极3，均呈扇形状，中间留有间隙，间隔排列，即同在内圈（或外圈）的8块钕铁硼永磁体2和8块铁心极3间隔排列，同一径向方向的内圈和外圈分别固定钕铁硼永磁体2和铁心极3。钕铁硼永磁体轴向充磁，外圈8块钕铁硼永磁体充磁方向一致，内圈8块钕铁硼永磁体充磁方向与外圈相反，两个转子上相对的两个钕铁硼永磁体充磁方向相同。

其中：定子铁心4由硅钢片制成，由定子齿与定子轭一起拼装成圆柱状，定子齿向转子方向凸出；16个定子齿上间隔固定了8块扇形铝镍钴永磁体，形成了8个定子永磁齿5和8个定子铁心齿6，交替排列。相邻的定子齿之间形成定子槽，定子三相电枢集中绕组7和单相脉冲绕组8均放于定子槽中，三相电枢绕组7匝绕在定子铁心齿6上，单相脉冲绕组8匝绕在定子永磁齿5上。

上述结构的永磁记忆电机工作原理如下：

如图2所示，在电机运行过程中，转子盘1内表面粘贴的钕铁硼永磁体2产生恒定方向磁场，如图2中实线闭合回线所示，恒定磁通从转子盘外圈（N极）永磁体出发，经过气隙、定子齿、定子轭、定子齿、气隙，回到转子盘内圈（S极），如此形成一个闭合磁路；而定子永磁齿5上粘贴的铝镍钴永磁体磁化状态受匝绕在定子齿上的单相脉冲绕组8的电流大小和方向所控制，如图2中虚线闭合回线所示，可控磁通从定子铝镍钴永磁体出发，经过定子轭、相邻定子铝镍钴永磁体、气隙、转子内圈铁心极、转子外圈铁心极、气隙，回到铝镍钴永磁体，如此形成一个可控磁通的闭合磁路。当通过对单相脉冲绕组施加正向脉冲电流，对铝镍钴永磁体充磁，使其磁化方向和钕铁硼永磁体磁场方向一致时，电机达到最大的气隙磁密；在轻载或需要高速运行时，施加反方向脉冲电流对铝镍钴永磁体去磁乃至反向充磁，以降低甚至抵消钕铁硼永磁体产生的磁通，进而达到弱磁扩速的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机，包括两个转子盘、定子和安装轴，两个转子盘对称设置在定子的两侧，定子和两个转子盘同轴安装在安装轴上；其特征在于，在所述转子盘的内表面上分别粘贴有内、外两圈交替间隔排列的钕铁硼永磁体和铁心极，其中，钕铁硼永磁体轴向充磁，外圈上钕铁硼永磁体的极性一致，内圈上钕铁硼永磁体的极性与外圈上钕铁硼永磁体的极性相反，两个转子盘上相对位置的钕铁硼永磁体充磁方向相同。

2.根据权利要求1所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机，其特征在于，所述定子包括定子铁心、三相电枢绕组和单相脉冲绕组；定子铁心呈双边对称，定子铁心包括定子轭和定子齿，定子齿与定子轭一起拼装成圆柱状，相邻的定子齿之间形成定子槽；三相电枢绕组和单相脉冲绕组位于定子槽中且匝绕在定子齿上。

3.根据权利要求2所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机，其特征在于，所述定子铁心是由硅钢片制成。

4.根据权利要求2所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机，其特征在于，所述定子齿上间隔固定了铝镍钴永磁体，形成了交替排列的定子永磁齿和定子铁心齿，三相电枢绕组匝绕在定子铁心齿上，单相脉冲绕组匝绕在定子永磁齿上。

5.根据权利要求4所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机，其特征在于，所述铝镍钴永磁体的磁化状态由单相脉冲绕组的脉冲电流大小和方向决定。

6.根据权利要求4所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机，其特征在于，所述铝镍钴永磁体呈扇形状且为轴向充磁。

7.根据权利要求2所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机，其特征在于，所述三相电枢绕组和单相脉冲绕组均采用非重叠集中绕组型式。

8.根据权利要求1所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机，其特征在于，所述钕铁硼永磁体和铁心极的数量相同。

9.根据权利要求1所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机，其特征在于，所述转子盘是由非导磁材料制成。

10.根据权利要求1所述的一种磁通可控的轴向磁场混合永磁记忆电机，其特征在于，所述钕铁硼永磁体和铁心极的形状均呈扇形，在转子盘上的同一径向方向分别是钕铁硼永磁体和铁心极。