一種高功率密度的磁通切換型混合永磁記憶電的製造方法
2023-10-04 04:19:24 1
一種高功率密度的磁通切換型混合永磁記憶電的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種高功率密度的磁通切換型混合永磁記憶電機，該電機包括定子(1)、轉子(2)和不導磁轉軸(9)，定子(1)設在轉子(2)外部，轉子(2)固定於不導磁轉軸(9)上，為凸極式；定子包括定子軛(1.1)、設置在定子軛(1.1)與轉子之間的定子鐵心(1.2)、三相電樞繞組(5)和脈衝繞組(6)，定子軛(1.1)和釘子鐵心(1.2)之間有空隙，且中分別設有兩種永磁體共同勵磁，即鋁鎳鈷永磁(3)和釹鐵硼永磁(4)。本發明通過定子混合永磁的設置以實現高功率密度，且施加脈衝電流調節永磁體剩餘磁化強度和磁化方向，實現電機空載氣隙磁場高效調節，提高轉速運行範圍。
【專利說明】一種高功率密度的磁通切換型混合永磁記憶電機【技術領域】
[0001]本發明涉及一種可調磁通永磁電機，具體涉及一種新型的磁通切換型混合永磁記憶電機，其可以提高電機功率密度和轉矩能力，並同時保證一定弱磁能力，適用於寬調速運行場合，屬於電機製造【技術領域】。
【背景技術】
[0002]在電機領域中，普通永磁同步電機(PMSM)由於普通永磁材料(如釹鐵硼)的固有特性，電機內的氣隙磁場基本保持恆定，作為電動運行時調速範圍十分有限，在諸如電動汽車，航空航天等寬調速直驅場合的應用受到一定限制，故以實現永磁電機的氣隙磁場的有效調節為目標的可調磁通永磁電機一直是電機研究領域的熱點和難點。傳統的PMSM均採用直軸電流進行弱磁調速，但是由於逆變器容量限制以及永磁不可逆去磁風險的存在而難以實現高效調磁。永磁記憶電機(以下簡稱「記憶電機」)是一種新型的磁通可控型永磁電機，它採用低矯頑力鋁鎳鈷永磁體，通過定子繞組或者直流脈衝繞組產生周向磁場，從而改變永磁體磁化強度對氣隙磁場進行調節，同時永磁體的磁密水平具有被永磁體記憶的特點，避免了電樞損耗，實現了在線高效調磁。
[0003]傳統的記憶電機由克羅埃西亞裔德國電機學者奧斯託維奇(Ostovic)教授在2001年提出。這種拓撲結構的記憶電機由寫極式電機發展而來，轉子由鋁鎳鈷永磁體、非磁性夾層和轉子鐵心組成三明治結構。這種特殊結構能夠隨時對永磁體進行在線反覆不可逆充去磁，同時減小交軸電樞反應對氣隙磁場的影響。
[0004]然而，這種基本結構的記憶電機的轉子結構存在著不足。由於永磁體處於轉子，電樞繞組同時具備能量轉換和磁場調節功能，因此在線調磁難度大大增加；其次，由於採用了AlNiCo永磁體，為了獲足夠的磁通，就必須採用足夠厚度的材料。而在上述的切向式結構下，不易實現；同時，轉子必須做隔磁處理，而且整個轉子由多個部分緊固在軸上，降低了機械可靠性；最後，在需要寬調速驅動電機的場合，如工具機和電動汽車中，採用上述結構的永磁氣隙主磁通不高，電機力能指標也不能讓人滿意。因此許多拓撲結構的混合永磁式內置式永磁記憶電機提出，但是由於轉子永磁以及鐵心的磁路飽和將造成高速區電機溫升和鐵心損耗增大，效率受到極大影響。設有兩種不同材料的永磁共同勵磁，其中釹鐵硼永磁提供氣隙主磁場，而「V」形聚磁式鋁鎳鈷永磁起到磁場調節器的作用
[0005]近些年來,一種新型的定子永磁型電機一磁通切換永磁(SwitchedFluxPermanentMagnet，以下簡稱SFPM)電機由於其卓越的性能受到國內外學者廣泛關注。SFPM電機具有高功率密度、效率高、空載磁鏈雙極性、空載感應電動勢的正弦度極高和結構簡單可靠性高等優點。在永磁同步電機領域，SFPM電機已經逐漸取代傳統的內置式和表貼式永磁電機，在航空等領域具有更大的工業價值。
[0006] 然而，傳統SFPM電機轉子鐵心存在著磁滯損耗和渦流損耗，而且氣隙磁場由釹鐵硼永磁體勵磁產生，難以調節，限制了其在電動汽車寬調速驅動場合的應用；其次還存在端部漏磁問題，永磁體利用率不高，導致電磁兼容問題。[0007]法國學者伊曼紐爾.黃(E.Hoang)提出了混合勵磁磁通切換永磁(HybridExcitation SwitchedFluxPermanentMagnet,以下簡稱 HESFPM)電機。其特徵為:實現了氣隙磁場的可調節性，提高了永磁體利用率和功率密度，齒槽轉矩小等優點；該電機勵磁磁勢和永磁磁勢並聯，使得其弱磁能力十分突出。但是，這種電機同時存在兩個磁勢源，兩者磁通容易相互耦合、相互影響，增大了電磁特性的複雜性，且存在增大勵磁損耗、勵磁電流控制系統實現難度大等弱點。
【發明內容】
[0008]技術問題:本發明所要解決的技術問題是:提出一種高功率密度的磁通切換型混合永磁記憶電機，實現電機空載氣隙磁場高效調節，提高轉速運行範圍。
[0009]
【發明內容】
:為解決上述技術問題,本發明提供了一種高功率密度的磁通切換型混合永磁記憶電機，該電機包括定子、轉子和不導磁轉軸，定子設在轉子外部，轉子固定於不導磁轉軸上，為凸極式；
[0010]定子包括定子軛、設置在定子軛與轉子之間的定子鐵心、三相電樞繞組和脈衝繞組，定子軛和釘子鐵心之間有空隙，且分別設有兩種永磁體共同勵磁，即鋁鎳鈷永磁和釹鐵硼永磁；
[0011]定子鐵心包括若干首尾相連的定子齒，相鄰的定子齒之間有空隙，該空隙用以放置三相電樞集中繞組，三相電樞集中繞組跨繞在相鄰兩個定子齒上；矩形釹鐵硼永磁嵌在相鄰定子齒之間；
[0012]定子軛設有若干沿定子軛內表面向轉子方向延伸的突出物，該突出物與相鄰定子齒之間的空隙相對設置，相鄰的突出物之間設有空間，鋁鎳鈷永磁體內嵌在該空間內，且與定子齒相對設置，每個空間內設有兩片鋁鎳鈷永磁體，且相鄰空間的鋁鎳鈷永磁體由第一導磁橋連接；
[0013]相鄰鋁鎳鈷永磁體、定子軛以及定子鐵心的兩條鐵心邊肩角之間設有空腔，脈衝繞組設置在該空腔內並繞在鋁鎳鈷永磁體之上；鋁鎳鈷永磁體中間設有第二導磁橋。
[0014]優選的，脈衝繞組均為集中繞組，脈衝繞組纏繞在鋁鎳鈷永磁上，脈衝繞組依次首尾串聯形成單相脈衝繞組，脈衝電流方向形成交替分布。
[0015]有益效果:
[0016]1、整個電機整體結構簡單，空間利用率高，由於電機採用了定子混合永磁型結構，釹鐵硼和鋁鎳鈷永磁體、脈衝繞組、電樞繞組均置於定子，易於散熱、冷卻。而轉子僅充當導磁鐵心的作用，相對於傳統的永磁同步電機，本發明採用的轉子結構非常穩固，特別適用於聞速運打。
[0017]2、本電機採用的混合永磁的設置一方面可以保證較高的氣隙磁密，提升電機的功率密度和轉矩能力，另一方面可以實現氣隙磁場的靈活調節，有效提高電機的恆功率轉速範圍。
[0018]3、本電機採用的的電樞繞組脈衝繞組都採用集中式繞組，有效地降低了端部長度，削減電機端部效應。且電機銅耗非常小，提高電機運行效率。
[0019]4、本電機加載運行時，電樞反應的磁路較通過「U」型定子鐵心和轉子鐵心閉合，以避免電樞反應磁動勢對矯頑力較低的鋁鎳鈷永磁體產生不可逆退磁等影響，這對記憶電機實現聞效在線調磁運行十分關鍵。
[0020]5、本電機能夠隨時對鋁鎳鈷永磁體進行在線反覆不可逆充去磁，並根據記錄的充去磁參數隨時調用以滿足運行目標，實現氣隙磁場的在線調磁，同時脈衝繞組只在非常短的時間內施加充、去磁電流。因此，相對於混合勵磁磁通切換電機,磁通切換永磁記憶電機具有很小的勵磁損耗，並且調速控制系統的複雜性相對要小，不存在電勵磁磁動勢和永磁磁勢相互影響、電機電磁特性較為複雜的情況。
[0021]5、本電機鋁鎳鈷「V」形永磁與切向充磁的釹鐵硼永磁的設置將形成聚磁效應，並使得在弱磁時，釹鐵硼磁通較大程度地被短路掉，並克服了傳統SFPM電機端部外沿釹鐵硼磁通漏磁嚴重的問題，以提高永磁體的利用率。
[0022]6、本電機既具備SFPM電機永磁磁鏈和反電動勢正弦度高、諧波含量低以及轉矩和功率密度相對於單鋁鎳鈷永磁型電機要大的特點，也繼承了記憶電機突出的弱磁擴速能力，因此非常適合航空航天、電動汽車等領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明的電機結構示意圖，其中箭頭方向表示永磁體充磁方向；
[0024]圖2a為電機增磁運行時，當脈衝磁動勢對鋁鎳鈷永磁體進行正向充磁且轉子運行到位置A時，本發明的電機磁通路徑圖；
[0025]圖2b為電機增磁運行時，當脈衝磁動勢對鋁鎳鈷永磁體進行正向充磁且轉子運行到位置B時，本發明的電機磁通路徑圖；
[0026]圖3a為電機弱磁運行時，當脈衝磁動勢對鋁鎳鈷永磁體進行反向去磁且轉子運行到位置A時，本發明的電機磁通路徑圖；
[0027]圖3b為電機弱磁運行時，當脈衝磁動勢對鋁鎳鈷永磁體進行反向去磁且轉子運行到位置B時，本發明的電機磁通路徑圖；
[0028]圖中:1定子鐵心、2轉子、3鋁鎳鈷永磁體、4釹鐵硼永磁、5三相電樞繞組、6單相脈衝繞組、7脈衝繞組空腔、8導磁橋、9非導磁轉軸、1.1定子軛、1.2 「U」形定子鐵心；圖2至圖3中實線表示釹鐵硼永磁磁力線及方向，點虛線表示鋁鎳鈷永磁磁力線及方向，長虛線表示調磁脈衝電流磁力線及方向。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖及實施方式對本發明專利作進一步詳細的說明:
[0030]本發明公開了一種高功率密度的磁通切換型混合永磁記憶電機，該電機包括定子
1、轉子2和不導磁轉軸9，定子I設在轉子2外部，轉子2固定於不導磁轉軸9上，為凸極式。
[0031]定子包括定子軛1.1、設置在定子軛1.1與轉子之間的定子鐵心1.2、三相電樞繞組5和脈衝繞組6，定子軛1.1和釘子鐵心1.2之間有空隙，且分別設有兩種永磁體共同勵磁，即鋁鎳鈷永磁3和釹鐵硼永磁4。
[0032]定子鐵心1.2包括若干首尾相連的定子齒，相鄰的定子齒之間有空隙，該空隙用以放置三相電樞集中繞組5，三相電樞集中繞組5跨繞在相鄰兩個定子齒上；矩形釹鐵硼永磁4嵌在相鄰定子齒之間。[0033]定子軛1.2設有若干沿定子軛1.2內表面向轉子方向延伸的突出物，該突出物與相鄰定子齒之間的空隙相對設置，相鄰的突出物之間設有空間，鋁鎳鈷永磁體3內嵌在該空間內，且與定子齒相對設置，每個空間內設有兩片鋁鎳鈷永磁體3，且相鄰空間的鋁鎳鈷永磁體3由第一導磁橋7連接。
[0034]相鄰鋁鎳鈷永磁體3、定子軛1.1以及定子鐵心1.2的兩條鐵心邊肩角之間設有空腔7，脈衝繞組6設置在該空腔7內並繞在鋁鎳鈷永磁體3之上；鋁鎳鈷永磁體3中間設有第二導磁橋8。
[0035]定子鐵心I內設有兩種不同材料的永磁共同勵磁，其中釹鐵硼永磁4提供氣隙主磁場，而鋁鎳鈷永磁3呈「V」形聚磁式結構，起到磁場調節器的作用。
[0036]增磁時，即鋁鎳鈷永磁3和釹鐵硼永磁4磁場方向一致時，在定子內部呈聚磁式結構以增強氣隙主磁通；而弱磁時，即鋁鎳鈷永磁3和釹鐵硼永磁4磁場在定子內部短路，以減弱氣隙主磁通。
[0037]相鄰「U」形定子的導磁鐵心邊和釹鐵硼永磁4構成電樞齒以纏繞三相電樞繞組。
[0038]釹鐵硼永磁4沒有完全填充「U」形定子的導磁鐵心邊間形成的空腔，以形成定子虛槽以實現提高釹鐵硼永磁4利用率，提升調磁範圍和減少轉矩脈動的目的。
[0039]脈衝繞組6均為集中繞組，脈衝繞組6纏繞在鋁鎳鈷永磁3上，脈衝繞組5依次首尾串聯形成單相脈衝繞組，脈衝電流方向形成交替分布。所述的兩種永磁體和電樞繞組都安裝在定子，冷卻容易；且轉子上既無永磁體又無電樞繞組，結構工藝簡單，符合車用電機高速運行的要求。「U」形定子鐵心單元由矽鋼片疊制而成，且各定子鐵心尺寸相同，衝片製造工藝相對簡單。
[0040]所述的脈衝繞組為集中繞組，纏繞在永磁體之上，脈衝繞組依次首尾串聯形成單相脈衝繞組，脈衝電流方向形成交替分布。本電機通過施加脈衝電流調節徑向充磁的鋁鎳鈷永磁體剩餘磁化強度，實現電機空載氣隙磁場可調，提高電機的弱磁能力和轉速運行範圍。
[0041]所述的永磁體採取特殊的鋁鎳鈷永磁體，該永磁材料具有矯頑力低、剩磁高的特點，採用鑄造型製造工藝，溫度穩定性高。永磁磁勢與脈衝繞組磁勢構成串聯磁路。徑向充磁的設計能保證施加脈衝電流的磁場能較大程度地對其進行充、去磁，從而實現電機氣隙磁場可調，提高電機轉速運行範圍和弱磁能力。
[0042]所述的脈衝繞組空腔採用「倒梯形」的外形；脈衝勵磁磁力線經定子鐵心、鋁鎳鈷永磁體和轉子鐵心閉合，較多的轉子極數將儘量減少轉子位置對脈衝繞組充去磁效率的影響，並保證脈衝電流對鋁鎳鈷永磁體具有較好的調磁效果。
[0043]本發明公開的一種磁通切換型混合永磁記憶電機的運行原理如下:
[0044]電機定子繞組裡匝鏈的磁通(磁鏈)會根據轉子的不同位置切換方向，因此會感應出正弦波形、雙極性的反電動勢，轉子連續旋轉時，定子繞組中匝鏈的磁通方向呈周期性改變，實現機電能量轉換。由於定、轉子齒形成的凸極效應以及定、轉子齒數的不對等交錯特性，磁通切換混合永磁記憶電機實質上是一種新型磁阻感應式永磁電機。
[0045]最關鍵的是，磁通切換型混合永磁記憶電機的脈衝繞組在平時正常運行處於開路狀態，由釹鐵硼和鋁鎳鈷永磁體共同提供氣隙磁場，避免了勵磁損耗，通過施加脈衝電流產生磁場對鋁鎳鈷永磁體增、去磁以調節氣隙磁場大小。當鋁鎳鈷永磁體與釹鐵硼永磁磁通方向一致時，鋁鎳鈷永磁產生的磁通將釹鐵硼永磁磁通推向氣隙，從而達成增磁的目的；而當鋁鎳鈷永磁體與釹鐵硼永磁磁通方向相反時，兩者磁通在定子鐵心內部形成迴路，即釹鐵硼永磁將被鋁鎳鈷永磁大量短路使得氣隙磁場磁通密度降低，從而實現電動運行時弱磁增速的效果，並且拓寬電機作為電動機運行時的恆功率運行範圍。
[0046]如附圖1所示，本發明一種高功率密度的磁通切換型混合永磁記憶電機，其特徵在於:定子I設在轉子2外部，轉子2固定於不導磁轉軸9上，為凸極式；
[0047]定子包括「U」形定子鐵心1.2、三相電樞繞組5、脈衝繞組6和定子軛1.1組成，且內設有兩種永磁體共同勵磁，即3鋁鎳鈷永磁和4釹鐵硼永磁；其中每個定子單元中的鋁鎳鈷永磁體3呈兩片式「V」形排列，內嵌在定子鐵心裡，並將其分為定子軛1.1和「U」形定子鐵心1.2兩部分，兩部分由「V」形永磁體兩側邊中部形成的導磁橋8連接；而矩形4釹鐵硼永磁嵌在相鄰「U」形定子鐵心1.2之間；「U」形定子鐵心1.2內部的空腔用以放置三相電樞集中繞組5，三相電樞集中繞組5跨繞在相鄰兩個「U」形定子鐵心單元1.2的兩條鐵心邊與沿周向充磁的4釹鐵硼永磁構成的三明治式電樞齒上；
[0048]相鄰鋁鎳鈷永磁體3、定子軛1.1以及「U」形定子鐵心單元I的兩條鐵心邊肩角之間設有空腔7，脈衝繞組6設置在該空腔7內並繞在永磁體之上；兩片鋁鎳鈷永磁體3中間設有導磁橋8，以達到較好的弱磁效果。
[0049]由於脈衝繞組5施加的是瞬時電流脈衝，產生一個瞬時磁場，故脈衝磁勢不會明顯影響氣隙磁場，氣隙磁場主要由釹鐵硼永磁4提供，而鋁鎳鈷永磁體3起到將釹鐵硼永磁4產生的磁通推向氣隙發揮聚磁增磁作用，或者在定子鐵心內部將釹鐵硼永磁4產生的磁通短路起到弱磁增速作用。實際應用中可根據所需的調磁係數，適當選取永磁體的徑向厚度，以達到氣隙磁場的最優化在線調節。
[0050]具體來說，當該電機的工業應用場合要求低速大轉矩，如電動汽車起動爬坡，風力發電等場合時，可以通過脈衝調磁繞組對鋁鎳鈷永磁進行充磁以增大電機的出力(如圖2a和2b所示)；另一方面，當應用場合為高速低轉矩場合，如洗衣機的加速甩幹，電動汽車的高速巡航，可以通過施加去磁電流脈衝讓鋁鎳鈷永磁發生反向去磁以短路釹鐵硼永磁(如圖3a和3b所示)，使得氣隙磁通減弱達到「弱磁增速」的效果。
[0051]本發明的分析同樣適用於外轉子磁通切換型混合永磁記憶電機，以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:本電機的轉子可以採用斜槽方式，有利於提高反電動勢的正弦性，實現電機的無位置傳感器運行。
[0052]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種高功率密度的磁通切換型混合永磁記憶電機，該電機包括定子(I)、轉子(2)和不導磁轉軸(9)，其特徵在於:定子(I)設在轉子(2)外部，轉子(2)固定於不導磁轉軸(9)上，為凸極式； 定子包括定子軛(1.1)、設置在定子軛(1.1)與轉子之間的定子鐵心(1.2)、三相電樞繞組(5)和脈衝繞組(6)，定子軛(1.1)和釘子鐵心(1.2)之間有空隙，且中分別設有兩種永磁體共同勵磁，即鋁鎳鈷永磁(3)和釹鐵硼永磁(4)； 定子鐵心(1.2)包括若干首尾相連的定子齒，相鄰的定子齒之間有空隙，該空隙用以放置三相電樞集中繞組(5)，三相電樞集中繞組(5)跨繞在相鄰兩個定子齒上；矩形釹鐵硼永磁(4)嵌在相鄰定子齒之間； 定子軛(1.2)設有若干沿定子軛(1.2)內表面向轉子方向延伸的突出物，該突出物與相鄰定子齒之間的空隙相對設置，相鄰的突出物之間設有空間，鋁鎳鈷永磁體(3)內嵌在該空間內，且與定子齒相對設置，每個空間內設有兩片鋁鎳鈷永磁體(3)，且相鄰空間的鋁鎳鈷永磁體(3)由第一導磁橋(7)連接； 相鄰鋁鎳鈷永磁體(3)、定子軛(1.1)以及定子鐵心(1.2)的兩條鐵心邊肩角之間設有空腔(7)，脈衝繞組(6)設置在該空腔(7)內並繞在鋁鎳鈷永磁體(3)之上；鋁鎳鈷永磁體(3)中間設有第二導磁橋(8)。
2.根據權利要求1所述的高功率密度的磁通切換型混合永磁記憶電機，其特徵在於:脈衝繞組(6)均為集 中繞組，脈衝繞組(6)纏繞在鋁鎳鈷永磁(3)上，脈衝繞組(5)依次首尾串聯形成單相脈衝繞組，脈衝電流方向形成交替分布。
【文檔編號】H02K21/44GK103973062SQ201410241364
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】林鶴雲, 陽輝, 房淑華, 黃允凱 申請人:東南大學