一種Halbach聚磁型軸向磁場混合永磁記憶電機的製作方法
2024-03-10 07:37:15
本發明屬於電機領域，具體涉及一種Halbach聚磁型軸向磁場混合永磁記憶電機。
背景技術：
隨著稀土永磁材料性能的不斷提高，以高效率、高功率密度為顯著特徵的永磁電機得以快速發展，在航空、航天、汽車等很多工業領域獲得了廣泛應用。在各種各樣永磁電機中，軸向磁場永磁電機，又稱為盤式電機，不僅具有軸向尺寸短、體積小、結構緊湊等特點，而且由於其高轉矩密度和高效率，在很多特殊應用場合具有明顯優越性，已經成為研究的熱點，主要應用於運動控制，特別適用於軸向尺寸要求較小且有大轉矩需求的直驅場合，如電動汽車輪轂電機。
作為驅動用的永磁同步電機，希望電機工作在低速恆轉矩區時的氣隙磁場足夠高，有較高的力能指標；而電機工作在高速恆功率區時，應能使氣隙磁場削弱地足夠低，使電機有較寬的調速範圍。常規的軸向磁場永磁同步電機由於釹鐵硼等永磁材料的固有特性，電機內氣隙磁場基本保持恆定，限制了其在諸如電動汽車等寬調速直驅場合的應用。目前人們為了保持永磁電機在較寬速度範圍內恆功率運行，紛紛採用弱磁擴速技術來擴大永磁電機在高速狀態下的輸出功率。現有技術中對永磁電機實現弱磁控制的方案主要有兩種，一是通過控制器調節電樞電流，利用電樞繞組中直軸電流分量產生的去磁磁勢去抵消一部分永磁體產生的勵磁磁勢，從而達到削弱主磁通的目的；二是採用混合勵磁方案，即在傳統永磁電機的基礎上再增加一個直流勵磁線圈，在基速以上此直流線圈產生的磁動勢作為去磁磁勢，來達到削弱磁通的目的。上述方案雖然能達到削弱磁通的目的，但是需要增加控制器或直流勵磁線圈，會引起銅耗的增加，進而導致系統在高速區效率降低，並且可能會引起永磁體不可逆退磁。
因此，如何實現永磁電機的氣隙磁場可調成為近年來電機領域的一個研究熱點，一種通過改變永磁體磁化水平來實現氣隙磁場調節，被稱為真正意義上的可變磁通永磁電機。該類電機採用高剩磁、低矯頑力的永磁材料--鋁鎳鈷，利用直流脈衝繞組電流或三相定子繞組電流產生的直軸電樞磁動勢來控制其磁化強度，並且其磁化水平能被記憶住，從而實現氣隙永磁磁場的靈活調節，在不犧牲電機其他性能指標前提下，實現了寬調速範圍運行。由於該電機的調磁是直接改變永磁體的磁化狀態，而不是利用外加磁動勢來抵消，因此可以說是一種真正意義上的磁通可控的永磁電機。
東南大學林鶴雲等提出了一種軸向磁場磁通切換型表貼式永磁記憶電機，該電機雖能通過在單相脈衝繞組上施加不同電流，實現電機氣隙磁場可調，但該電機僅採用了矯頑力相對較低的鋁鎳鈷永磁體，電機的最大氣隙磁通很難達到釹鐵硼永磁電機的水平，電機力能指標不盡如人意；或者為了獲得足夠的磁通，必須採用較厚的永磁材料，而且增磁和去磁磁通又通過電機的氣隙，這就導致所需的調磁脈衝磁動勢較大，增大了繞組容量。
東南大學林明耀等提出了一種雙定子軸向磁場磁通切換型混合永磁記憶電機，該電機雖然能實現氣隙磁場的有效調節，但電樞繞組、單相脈衝勵磁繞組及永磁體均設置在同一定子盤上，不僅增加了兩種繞組之間的耦合，而且不利於電樞繞組的散熱。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種Halbach聚磁型軸向磁場混合永磁記憶電機，以獲得一種具備更高功率密度、磁通可控、散熱性能優異的混合永磁記憶電機。
上述目的是通過如下技術方案實現的：
一種Halbach聚磁型軸向磁場混合永磁記憶電機，包括第一定子盤、第二定子盤和設於兩個定子盤之間的轉子盤，定子盤和轉子盤之間形成氣隙並同軸安裝於安裝軸上，安裝軸經軸承固定於電機外殼上；所述第一定子盤由定子鐵芯和三相電樞繞組組成，定子鐵芯包括定子軛和定子齒，相鄰定子齒之間形成定子槽，三相電樞繞組纏繞在定子齒上；所述第二定子盤為雙層Halbach複合陣列，分成上下兩層，下層由多個鐵芯塊和多個釹鐵硼永磁體間隔構成，相鄰兩個釹鐵硼永磁體的充磁方向相反，靠近氣隙的上層由多個鋁鎳鈷永磁體和多個首尾串聯的脈衝勵磁繞組構成，相鄰兩個鋁鎳鈷永磁體的充磁方向相反，且相鄰鋁鎳鈷永磁體之間設有間隔槽，脈衝勵磁繞組纏繞在鋁鎳鈷永磁體上。
其中，第二定子盤上永磁體均採用表貼式結構，採用厭氧膠將永磁體粘貼於盤表面，製造方便，極大地減少了電機的漏磁，提高了永磁體的利用率；同時，表貼式安裝方式有利於電機永磁材料的散熱，降低熱損，進一步提高電機的運行效率。
優選地，第二定子盤上釹鐵硼永磁體的中心與第一定子盤上定子槽的中心對齊，鋁鎳鈷永磁體置於鐵芯塊上，其中心與定子齒中心對齊。
優選地，所述釹鐵硼永磁體的數量、鋁鎳鈷永磁體的數量以及定子齒的數量均相等，均為6的整數倍，優選6個。
優選地，所述轉子盤包括一個非導磁圓環和多個沿非導磁圓環周向等間距排布的轉子鐵芯齒，轉子鐵芯齒的個數為轉子盤的極對數，且轉子鐵芯齒個數＝K×釹鐵硼永磁體個數±1，K為正整數。
優選地，所述三相電樞繞組和脈衝勵磁繞組均為集中繞組。三相電樞繞組和單相脈衝勵磁繞組均採用集中繞組型式，有效地降低了端部長度，節省了銅導線材料。
優選地，所述釹鐵硼永磁體、鋁鎳鈷永磁體和鐵芯塊均為扇形。
優選地，釹鐵硼永磁體周向充磁，鋁鎳鈷永磁體軸向充磁，構成Halbach聚磁型結構。
本發明的有益效果：
1、本發明提供的電機集中了盤式永磁電機、記憶電機及Halbach型聚磁電機的優點，包含兩個不對稱的定子盤，其中第一定子結構普通，而第二定子結構中增加了鋁鎳鈷永磁體和單相脈衝勵磁繞組，通過控制脈衝電流大小和方向調節鋁鎳鈷永磁體的磁化狀態，從而可調節電機的氣隙磁場；同時，本發明電機結構上保留了盤式永磁電機結構緊湊、漏磁小的特點，製造方便，很適合應用於薄型安裝的場合，如電動汽車用輪轂驅動電機等；
2、本發明電機的三相電樞繞組單獨放置於第一定子盤，與第二定子盤上的永磁體以及脈衝勵磁繞組分開設置，有利於減少繞組互感及耦合，並且有利於電機的散熱、冷卻；
3、本發明電機的轉子盤結構簡單，既無永磁材料，也無繞組，僅由鐵芯塊均勻排列而成，特別適用於高速運行；
4、本發明電機採用釹鐵硼永磁和鋁鎳鈷永磁兩種類型的永磁材料作為電機的主勵磁源，可根據電機的調速範圍要求確定兩種永磁材料的用量關係；通過控制單相脈衝勵磁繞組電流的大小，能在線調節鋁鎳鈷永磁材料的磁化強度和工作點，從而實現電機的增弱磁控制，使電機具有寬廣的調速範圍和低速大轉矩性能。
附圖說明
圖1為本發明電機的三維結構示意圖；
圖2為轉子在圖示位置時鋁鎳鈷永磁體完全充磁時磁通路徑圖，箭頭大小代表磁通幅值；
圖3為轉子在圖示位置時鋁鎳鈷永磁體部分充磁時磁通路徑圖，箭頭大小代表磁通幅值；
圖4為轉子在圖示位置時電機內磁通路徑圖，實線為釹鐵硼永磁體產生的恆定磁通的閉合磁路，虛線為磁化狀態受脈衝勵磁繞組控制的鋁鎳鈷永磁體產生的可控磁通的閉合磁路；
圖中：1、第一定子盤；2、第二定子盤；3、轉子盤；4、定子鐵芯；4.1、定子齒；4.2、定子槽；5、三相電樞繞組；6、釹鐵硼永磁體；7、鐵芯塊；8、鋁鎳鈷永磁體；9、脈衝勵磁繞組；10、非導磁圓環；11、轉子鐵芯齒。
具體實施方式
下面結合附圖具體介紹本發明的技術方案。
如圖1所示的一種Halbach聚磁型軸向磁場混合永磁記憶電機，包括第一定子盤1、第二定子盤2和設於兩個定子盤之間的轉子盤3，定子盤和轉子盤之間形成氣隙並同軸安裝於安裝軸上，安裝軸經軸承固定於電機外殼上；所述第一定子盤1由定子鐵芯4和三相電樞繞組5組成，定子鐵芯4包括定子軛和定子齒4.1，相鄰定子齒4.1之間形成定子槽4.2，三相電樞繞組5纏繞在定子齒4.1上；所述第二定子盤2為雙層Halbach複合陣列，分成上下兩層，下層由多個鐵芯塊7和多個釹鐵硼永磁體6間隔構成，相鄰兩個釹鐵硼永磁體6的充磁方向相反，靠近氣隙的上層由多個鋁鎳鈷永磁體8和多個首尾串聯的脈衝勵磁繞組9構成，相鄰兩個鋁鎳鈷永磁體8的充磁方向相反，且相鄰鋁鎳鈷永磁體8之間設有間隔槽，脈衝勵磁繞組9纏繞在鋁鎳鈷永磁體8上。
其中，第二定子盤2上釹鐵硼永磁體6的中心與第一定子盤1上定子槽4.2的中心對齊，鋁鎳鈷永磁體8置於鐵芯塊7上，其中心與定子齒4.1中心對齊。所述釹鐵硼永磁體6的數量、鋁鎳鈷永磁體8的數量以及定子齒4.1的數量均相等。所述轉子盤3包括一個非導磁圓環10和多個沿非導磁圓環10周向等間距排布的轉子鐵芯齒11，轉子鐵芯齒11的個數為轉子盤3的極對數，且轉子鐵芯齒個數＝K×釹鐵硼永磁體個數±1，K為正整數。所述三相電樞繞組5和脈衝勵磁繞組9均為集中繞組，有效地降低了端部長度，節省了銅導線材料。所述釹鐵硼永磁體6、鋁鎳鈷永磁體8和鐵芯塊7均為扇形，通過反電動勢波形正弦性或最高轉矩密度等優化設計目標來確定每個部分的扇形角度。
第二定子盤上永磁體均採用表貼式結構，採用厭氧膠將永磁體粘貼於盤表面，製造方便，極大地減少了電機的漏磁，提高了永磁體的利用率；同時，表貼式安裝方式有利於電機永磁材料的散熱，降低熱損，進一步提高電機的運行效率。
工作原理：
如圖2所示，當電機額定運行時，通過給脈衝勵磁繞組施加正向額定直流脈衝磁化電流，鋁鎳鈷永磁體具有並保持較高軸向磁化水平，第二定子盤下層釹鐵硼永磁體產生恆定的周向磁場，與鋁鎳鈷永磁體的軸向磁場構成Halbach聚磁結構；此時磁力線從釹鐵硼永磁體出發，經過鋁鎳鈷永磁體、氣隙、轉子鐵芯齒，到達第一定子盤上三相電樞繞組，產生最大的氣隙磁場；
如圖3所示，當輕載或者電機高速運轉時，通過給脈衝勵磁繞組施加正向50％額定直流脈衝磁化電流，降低鋁鎳鈷永磁體的磁化水平，即鋁鎳鈷永磁體產生的磁通減少，甚至將鋁鎳鈷永磁體磁性降為零，此時氣隙磁通僅僅由釹鐵硼永磁體周向磁場產生，大大降低氣隙磁場。因此通過施加不同的直流脈衝磁化電流可在線調節氣隙磁場，磁場調節範圍大、損耗小，提高了電機弱磁能力和恆功率運行效率。
如圖4所示，在電機的運行過程中，第二定子盤內的扇形釹鐵硼永磁體產生恆定方向磁場，如圖4中實線迴路所示，恆定磁通從第二定子盤周向磁化的釹鐵硼永磁體出發，經過定子鐵心極、氣隙、轉子鐵芯齒、氣隙、第一定子盤、氣隙、轉子鐵芯齒、氣隙回到第二定子盤釹鐵硼永磁體，形成一個閉合迴路；而第二定子盤鐵芯塊上粘貼的鋁鎳鈷永磁體的磁化狀態受匝繞在上面的單相脈衝勵磁繞組的電流大小和方向所控制，如圖4中虛線迴路所示，可控磁通從定子鋁鎳鈷永磁體出發，經過氣隙、轉子鐵芯齒、氣隙、第一定子盤、氣隙、轉子鐵芯齒、氣隙回到鋁鎳鈷永磁體形成一個可控磁通閉合磁路。在輕載或需要高速運行時，通過給脈衝勵磁繞組施加較小直流脈衝磁化電流降低鋁鎳鈷永磁體的磁化水平，進而達到弱磁擴速的效果。
本發明提供的電機集中了盤式永磁電機、記憶電機及Halbach型聚磁電機的優點，包含兩個不對稱的定子盤，其中第一定子結構普通，而第二定子結構中增加了鋁鎳鈷永磁體和單相脈衝勵磁繞組，通過控制脈衝電流大小和方向調節鋁鎳鈷永磁體的磁化狀態，從而可調節電機的氣隙磁場；同時，本發明電機結構上保留了盤式永磁電機結構緊湊、漏磁小的特點，製造方便，很適合應用於薄型安裝的場合，如電動汽車用輪轂驅動電機等；本發明電機的三相電樞繞組單獨放置於第一定子盤，與第二定子盤上的永磁體以及脈衝勵磁繞組分開設置，有利於減少繞組互感及耦合，並且有利於電機的散熱、冷卻；本發明電機的轉子盤結構簡單，既無永磁材料，也無繞組，僅由鐵芯塊均勻排列而成，特別適用於高速運行；本發明電機採用釹鐵硼永磁和鋁鎳鈷永磁兩種類型的永磁材料作為電機的主勵磁源，可根據電機的調速範圍要求確定兩種永磁材料的用量關係；通過控制單相脈衝勵磁繞組電流的大小，能在線調節鋁鎳鈷永磁材料的磁化強度和工作點，從而實現電機的增弱磁控制，使電機具有寬廣的調速範圍和低速大轉矩性能。
上述實施例的作用僅在於說明本發明的實質性內容，但並不以此限定本發明的保護範圍。本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的實質和保護範圍。