CN104795956A - 一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机，包括两个转子盘、定子和安装轴；定子包括定子铁心和三相电枢绕组；复合永磁磁极分别由两块轴向磁化的钕铁硼永磁体和一块切向磁化的铝镍钴永磁体组合而成；相邻的两组复合永磁磁极充磁方向相反，两个转子盘上相对位置的复合永磁磁极充磁方向相同。通过控制三相电枢绕组直轴电流矢量脉冲的幅值和方向可调节铝镍钴永磁材料的磁化强度和方向，从而使气隙磁通受控，实现宽范围弱磁调速。本发明在保障电机各项基本性能的前提下，能够实现真正意义上的弱磁调速，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
技术领域
本发明涉及永磁电机技术领域，特别是一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机。
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，应能使永磁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。该方案虽然能达到削弱磁通的目的，但是需要增加直流励磁线圈，会引起铜耗的增加，进而导致系统在高速区效率降低，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，利用三相定子绕组施加直轴脉冲电流产生的直轴电枢磁动势控制其磁化强度，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复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机，可同时满足电动汽车轮毂电机高转矩密度及弱磁扩速这两个要求，通过控制三相电枢绕组直轴电流矢量脉冲的幅值和方向可调节铝镍钴永磁材料的磁化强度和方向，从而使气隙磁通受控，实现宽范围弱磁调速。
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复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机，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；其中，所述转子盘的内表面粘贴有沿周向分布的多组复合永磁磁极。
作为本发明所述的一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机进一步优化方案，所述复合永磁磁极由两块轴向磁化的钕铁硼永磁体和一块切向磁化的铝镍钴永磁体组合而成，所述铝镍钴永磁体放置在两块钕铁硼永磁体的中间；相邻的两组复合永磁磁极充磁方向相反，两个转子盘上相对位置的复合永磁磁极充磁方向相同。
作为本发明所述的一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机进一步优化方案，所述钕铁硼永磁体、铝镍钴永磁体的形状均为扇形。
作为本发明所述的一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机进一步优化方案，所述定子包括定子铁心和三相电枢绕组；定子铁心包括定子轭和定子齿，定子齿和定子轭拼装成圆柱状，相邻的定子齿之间形成定子槽，三相电枢绕组位于定子槽中且匝绕在定子齿上。
作为本发明所述的一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机进一步优化方案，所述定子铁心呈双边对称结构，定子铁心由硅钢片制成，三相电枢绕组为非重叠集中绕组型式。
作为本发明所述的一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机进一步优化方案，所述转子盘由非导磁材料制成。
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）本发明提出的一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机，该电机集中了盘式永磁电机和记忆电机的优点，在转子磁极结构中增加了铝镍钴永磁体，通过控制三相定子绕组直轴脉冲电流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）本发明电机正常运行时，铝镍钴永磁材料具有切向磁化方向磁密，再结合相邻的轴向磁化钕铁硼永磁材料，构成Halbach聚磁型结构，产生较强气隙磁密，提高电机出力；当电机需要弱磁扩速时，施加一定大小的直轴脉冲电流对铝镍钴进行去磁，铝镍钴切向磁性减弱直至为零，而钕铁硼磁性能不受影响，此时电机变为常规的轴向磁场永磁电机，无聚磁效应，气隙磁密得到削弱，从而获得较高转速；
（3）本发明电机的三相电枢绕组采用集中绕组型式，有效地降低了端部长度，节省了铜导线材料；
（4）本发明转子盘内表面粘贴有高磁性能钕铁硼永磁体，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；
（5）本发明转子盘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；
（6）本发明复合磁极两种永磁体的极弧系数影响着气隙磁密和弱磁倍数，通过合理分配两种永磁材料尺寸，可获得最佳弱磁效果及最优电机性能。
附图说明
图1是本发明的电机实施例的复合永磁磁极转子结构示意图。
图2是本发明电机的正常运行状态平面展开图。
图3是本发明电机的弱磁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-铝镍钴永磁体，4-定子铁心，5-定子齿，6-安装轴。
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：
如图1所示是本发明的电机实施例的复合永磁磁极转子结构示意图，一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机，包括两个转子盘1、定子和安装轴6，两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；其中，所述转子盘的内表面粘贴有沿周向分布的多组复合永磁磁极。
所述复合永磁磁极由两块轴向磁化的钕铁硼永磁体2和一块切向磁化的铝镍钴永磁体3组合而成，所述铝镍钴永磁体放置在两块轴向磁化的钕铁硼永磁体的中间；相邻的两组复合永磁磁极充磁方向相反，两个转子盘上相对位置的复合永磁磁极充磁方向相同。
所述钕铁硼永磁体、铝镍钴永磁体的形状均为扇形。
所述定子包括定子铁心4和三相电枢绕组；定子铁心包括定子轭和定子齿5，定子齿和定子轭拼装成圆柱状，相邻的定子齿之间形成定子槽，三相电枢绕组位于定子槽中且匝绕在定子齿上。
所述定子铁心呈双边对称结构，三相电枢绕组为非重叠集中绕组型式。
所述定子铁心由硅钢片制成，所述转子盘由高机械强度的非导磁材料制成。
该电机为双转子单定子结构的轴向双气隙永磁同步电机。其中，两个转子采用结构相同的盘式结构，包括转子盘1、复合永磁磁极；定子为双边对称的凸极圆柱型结构，包括定子铁心和三相电枢绕组。
其中：转子盘1采用高机械强度非导磁材料制成，内表面上按规律粘贴有24块扇形永磁磁极，包括12块轴向磁化的钕铁硼永磁体2和12块切向磁化的铝镍钴永磁体3，两种不同材料永磁磁极间隔排列，相邻的钕铁硼永磁磁极充磁方向相反，两个转子盘上相对的永磁磁极充磁方向相同。
其中：定子铁心4由硅钢片制成，由定子齿5与定子轭一起拼装成圆柱状，定子齿5向转子方向凸出，相邻的定子齿5之间形成定子槽，定子三相电枢绕组位于定子槽中，匝绕在定子齿5上。三相电枢绕组采用非重叠集中绕组型式，该绕组型式具有端接部分短、加工方便的优点；三相绕组对称放置，设有引出线，用以施加三相交流电。
上述结构的永磁同步电机工作原理如下：
如图2所示，电机正常运行时，铝镍钴永磁体3具有切向磁化方向磁密，再结合相邻的轴向磁化钕铁硼永磁材料，构成Halbach永磁聚磁型结构，此时电机具有较强气隙磁密，电机出力高；
如图3所示，当电机需要弱磁扩速时，在三相电枢绕组上施加一定大小的直轴脉冲电流对铝镍钴进行去磁，铝镍钴切向磁性减弱直至为零，而钕铁硼磁性能不受影响，此时电机变为常规的轴向磁场永磁电机，无聚磁效应，削弱了气隙磁密，进而达到弱磁扩速的效果。
所述钕铁硼永磁体具有很高的剩磁密度和矫顽磁力，可保证电机较强的气隙磁密；所述铝镍钴永磁体具有很高的剩磁密度但很低的矫顽磁力，容易被外部磁场磁化。所述的转子盘由高机械强度的非磁性材料制成，所述的定子设置在两个对称转子盘之间构成轴向双气隙电机，定子包括定子铁心和三相电枢绕组；定子铁心呈双边对称结构，由定子齿和定子轭一起拼装成圆柱状，且定子铁心由硅钢片制成，相邻的定子齿之间形成定子槽；
所述三相电枢绕组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。所述铝镍钴永磁体的磁化状态受三相电枢绕组的直轴脉冲电流所产生的直轴电枢磁动势所控制。所述钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体的尺寸，可通过优化设计，使两种永磁体在磁性能上合理配合，从而达到高转矩密度和宽调速范围的双重优化目标。
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 (6)
1.一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机，其特征在于，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；其中，所述转子盘的内表面粘贴有沿周向分布的多组复合永磁磁极。
2.根据权利要求1所述的一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机，其特征在于，所述复合永磁磁极由两块轴向磁化的钕铁硼永磁体和一块切向磁化的铝镍钴永磁体组合而成，所述铝镍钴永磁体放置在两块钕铁硼永磁体的中间；相邻的两组复合永磁磁极充磁方向相反，两个转子盘上相对位置的复合永磁磁极充磁方向相同。
3.根据权利要求2所述的一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机，其特征在于，所述钕铁硼永磁体、铝镍钴永磁体的形状均为扇形。
4.根据权利要求1所述的一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机，其特征在于，所述定子包括定子铁心和三相电枢绕组；定子铁心包括定子轭和定子齿，定子齿和定子轭拼装成圆柱状，相邻的定子齿之间形成定子槽，三相电枢绕组位于定子槽中且匝绕在定子齿上。
5.根据权利要求4所述的一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机，其特征在于，所述定子铁心呈双边对称结构，定子铁心由硅钢片制成，三相电枢绕组为非重叠集中绕组型式。
6.根据权利要求1所述的一种复合永磁可控磁通轴向磁场永磁同步电机，其特征在于，所述转子盘由非导磁材料制成。
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