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CN112467952B - 一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机 - Google Patents

一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机，包括同轴安装的第一定子、第二定子和位于两个定子之间且与定子之间留有气隙的转子，转子上设置有永磁体；第一定子、第二定子与转子均为凸极拓扑结构，第一定子与第二定子相对于转子对称设置；所述第一定子、第二定子都包括定子导磁铁芯和电枢绕组；所述转子包括转子齿和调磁绕组；本发明电机轴向长度短，结构紧凑，提高了电机的转矩密度与功率密度；本发明电机采用混合永磁的励磁方式，使得该电机既具有传统永磁电机功功率密度的特点，又具有记忆电机调速范围宽，效率高的特点。

Description

一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机
技术领域
本发明属于混合永磁电机技术，具体涉及一种转子永磁型双转子轴向磁场混合励磁磁通切换电机。
背景技术
永磁磁通切换电机通常采用双凸极结构，电枢绕组与永磁体均位于定子上，转子上既无绕组也无永磁体，结构简单，使得电机具有高功率密度，高转矩密度，高效率等优点。由于永磁体固有特性导致电机气隙磁场恒定难以调节，导致电机调速范围较窄，限制了其在恒压发电与宽范围调速驱动领域的应用，因此实现永磁磁通切换电机内部气隙磁场有效调节成为国内外学者的研究热点。
2001年德国学者Vlado Ostovic提出了记忆电机的概念，记忆电机又称为变磁通电机，所谓记忆电机是永磁体的磁化状态可以根据负载和转速，通过直流磁化电流或者直轴电枢电流在线调节，从而调节气隙磁场，使得电机高效率运行。由于所采用永磁材料的特性施加短时的脉冲电流即可改变永磁体的磁化状态，方便气隙磁场的调节。
在定子永磁型轴向磁场磁通切换电机中，永磁体位于定子使得电枢绕组槽面积被严重挤压，定子齿部磁路饱和严重，电机绕组铜耗与定子铁耗急剧增加，削弱电机过载状态下转矩能力，电机整体发热严重，对电机工作寿命与可靠性产生不良影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机，解决现有技术中存在的定子永磁型混合励磁电机电励磁损耗高，过载能力差，散热效率低等问题。
实现本发明目的的技术方案为：一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机，包括同轴安装的第一定子、第二定子和位于两个定子之间且与定子之间留有气隙的转子，转子上设置有永磁体；第一定子、第二定子与转子均为凸极拓扑结构，第一定子与第二定子相对于转子对称设置；
所述第一定子、第二定子都包括定子导磁铁芯和电枢绕组；所述转子包括转子齿和调磁绕组。
进一步的：第一定子(1)和第二定子(3)中的导磁铁芯(5)都均匀布置形成圆环形；转子(2)上上转子齿(6)均匀布置形成圆环形，相邻转子齿(6)之间存在间隙。
进一步的：所述第一定子(1)与第二定子(3)上的导磁铁芯(5)数量都为6n个，转子(2)上所述转子齿(6)数量为(12±k)n个，其中k，n为正整数。
进一步的：所述转子齿(6)包括第一转子极(6-1)和第二转子极(6-2)；每一个转子齿(6)上都设置有一永磁体且永磁体设置在第一转子极(6-1)和第二转子极(6-2)之间。
进一步的：永磁体包括高矫顽力永磁体(9)和低矫顽力永磁体(8)；所述高矫顽力永磁体(9)靠近第二转子极(6-2)，所述低矫顽力永磁体(8)靠近第一转子极(6-1)，所述高矫顽力永磁体(9)和低矫顽力永磁体(8)沿切向充磁，相邻转子齿(6)上的高矫顽力永磁体(9)充磁方向相反，低矫顽力永磁体(8)初始充磁方向与同一转子齿(6)上高矫顽力永磁体(9)充磁方向相同。
进一步的：所述定子导磁铁芯(5)包括第一定子齿(5-1)、第三定子齿(5-3)、位第一定子齿(5-1)和第三定子齿(5-3)中间的第二定子齿(5-2)以及用于将三个定子齿连接在一起的定子轭部(5-4)，第二定子齿(5-2)与两侧的第一定子齿(5-1)、第三定子齿(5-3)之间设置平行定子槽(5-5)。
进一步的：所述定子导磁铁芯(5)由硅钢片叠压制成。
进一步的：所述第一转子极(6-1)与第二转子极(6-2)由硅钢片叠压制成，所述高矫顽力永磁体(9)采用钕铁硼永磁体，所述低矫顽力永磁体(8)采用铝镍钴永磁体或钐钴永磁体。
进一步的：所述电枢绕组(4)分别绕制于每个所述定子导磁铁芯(5)的第二定子齿(5-2)根部。
进一步的：所述调磁绕组(7)绕制在转子齿(6)的第一转子极(6-1)上，每一个第一转子极(6-1)上都绕制有两个调磁绕组(7)，两个调磁绕组(7)分别位于低矫顽力永磁体(8)两侧。
本发明一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机与现有技术相比，具有以下优点：
1、永磁体设置于转子上，提高了转矩密度与功率密度，增强电机过载状态下的转矩能力，减小电机齿槽转矩；
2、电机单独设置调磁绕组，通过施加直流磁化脉冲改变低矫顽力永磁体的磁化状态，调节气隙磁场。
3、采用高矫顽力与低矫顽力永磁体混合励磁，电机能够保持较高功率密度的同时，气隙磁场连续可调，使得电机有较大的运行范围和较高的效率。
4、通过施加磁化脉冲，改变低矫顽力永磁体的磁化状态，脉冲结束后永磁体将维持磁化状态，因此不需要持续施加挑刺电流，大幅度减小调磁损耗。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1是本发明转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机结构示意图。
图2是本发明转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机转子结构示意图。
图3是本发明转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机定子铁芯结构示意图。
图4是本发明转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机转子角度为α1时永磁磁通路径图。
图5是本发明转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机转子角度为α2时永磁磁通路径图。
图6是本发明转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机正向磁化时磁通运行原理图。
图7是本发明转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机反向磁化时磁通运行原理图。
图中，1.第一定子，2.转子，3.第二定子，4.电枢绕组，5.定子导磁铁芯，5-1.第一定子齿，5-2.第二定子齿，5-3.第三定子齿，5-4.定子槽，5-5.定子轭部，6.转子齿，6-1.第一转子极，6-2.第二转子极，7.调磁绕组，8.低矫顽力永磁体，9.高矫顽力永磁体，10.低矫顽力永磁体初始充磁方向，11.高矫顽力永磁初始充磁方向，12.转子角度为α1时永磁磁通路径，13.转子角度为α2时永磁磁通路径，14.正向磁化时直流磁化磁通路径，15.正向磁化时永磁磁通路径，16.反向磁化时直流磁化磁通路径，17.反向磁化时永磁磁通路径。
具体实施方式
结合图1，一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机，包括同轴安装的第一定子1、第二定子3、位于两个定子之间且与定子之间留有气隙的转子2；转子上设置有永磁体，第一定子1、第二定子3与转子2均为凸极拓扑结构，第一定子1与第二定子3相对于转子2对称设置；所述第一定子1、第二定子3都包括定子导磁铁心5和电枢绕组4；所述转子2包括转子齿6和调磁绕组7。
第一定子1与第二定子3上的导磁铁芯5数量都为6n个，第一定子1和第二定子3中的导磁铁芯5都均匀布置成圆环形，转子2上所述转子齿6数量为(12±k)n个，并且转子2上的转子齿6均匀布置形成圆环形，相邻两转子齿6之间存在间隙；其中k，n为正整数。
结合图2，转子齿6由第一转子极6-1与第二转子极6-2组成，所述转子齿6为对称结构，第一转子极6-1与第二转子极6-2的横截面积相同。永磁体包括高矫顽力永磁体9和低矫顽力永磁体8，高矫顽力永磁体9与低矫顽力永磁体8都设置在在第一转子极6-1与第二转子极6-2中间，其中所述高矫顽力永磁体9靠近第二转子极6-2并且固定在第二转子极6-2上，所述低矫顽力永磁体8靠近第一转子极6-1并且固定在第一转子极6-1上，所述高矫顽力永磁体9和低矫顽力永磁体8沿切向充磁，相邻高矫顽力永磁体9充磁方向相反，低矫顽力永磁体8初始充磁方向与同一转子齿上高矫顽力永磁体9充磁方向相同。
结合图3，定子导磁铁芯5包括第一定子齿5-1、第三定子齿5-3、位第一定子齿5-1和第三定子齿5-3中间的第二定子齿5-2以及用于将三个定子齿连接在一起的定子轭部5-4，定子轭部5-4与第一定子齿5-1、第二定子齿5-2第三定子齿5-3固定连接在一起，第二定子齿5-2与两侧的第一定子齿5-1、第三定子齿5-3之间设置定子槽5-5。
电枢绕组4分别绕制于每个所述定子导磁铁芯5的第二定子齿5-2根部，也就是第二定子齿5-2靠近定子轭部5-4的位置。调磁绕组7绕制在转子齿6的第一转子极6-1上，每一个第一转子极6-1上都绕制有两个调磁绕组7，两个调磁绕组7绕组分别位于低矫顽力永磁体8两侧。
定子导磁铁芯5、第一转子极6-1与第二转子极6-2由硅钢片叠压而成，所述高矫顽力永磁体9采用钕铁硼永磁体，所述低矫顽力永磁体8采用铝镍钴永磁体或钐钴永磁体。
上述电机的工作运行原理：首先介绍磁通切换原理，图4至图7中，都标示了低矫顽力永磁体初始充磁方向和高矫顽力永磁初始充磁方向；转子角度为α1时永磁磁通路径12在图4中进行表示，以A相为例进行说明，其中A1绕组为第一定子1上的电枢绕组4，A2绕组为第二定子3上的电枢绕组4；根据“磁阻最小原理”，永磁磁通沿箭头方向穿入A1、A2绕组；转子角度为α1时永磁磁通路径13在图5中进行表示，磁通沿箭头的方向穿出A1、A2绕组。在上述两种位置A1、A2绕组匝链的永磁磁通数值相同极性相反，当转子齿6连续转动时，A1、A2绕组匝链的永磁磁通在正负幅值之间发生周期性变化，对应产生幅值与相位交替变化的感应电动势。
其次介绍上述电机的混合永磁原理，混合永磁电机与采用的永磁材料特性有关，通过给调磁绕组7施加脉冲电流可以将低矫顽力永磁体8正向磁化与反向磁化，去除去磁脉冲后永磁体能够一直保持其磁化状态。当上述电机正常运行时，低矫顽力永磁体8充磁方向与同一转子齿6上高矫顽力永磁体9充磁方向一致，图6中，虚线表示出了正向磁化时直流磁化磁通路径14，实线表示出了正向磁化时永磁磁通路径15，当施加正向脉冲磁化电流完全磁化低矫顽力永磁体8时，可以得到最大的气隙磁场；当电机轻载或高速旋转时，需要降低气隙磁场，可以对低矫顽力永磁体8进行反向磁化，图7中，虚线表示了反向磁化时直流磁化磁通路径16，实线表示了反向磁化时永磁磁通路径17，施加图示方向脉冲电流反向磁化低矫顽力永磁体8产生反向磁通抵消高矫顽力永磁体9产生的磁通。基于低矫顽力永磁体8的永磁特性，当去除直流磁化脉冲后，永磁体能够保持其磁化状态，以维持上述电机所需的永磁磁通。因此电机可以根据负载和转速通过直流磁化电流脉冲连续调节永磁体的磁化状态，改变气隙磁场；此混合永磁电机能够在较大的速度范围内保持较高输出功率，同时有较高的效率。
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 (8)

1.一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机，其特征在于：包括同轴安装的第一定子(1)、第二定子(3)和位于两个定子之间且与定子之间留有气隙的转子(2)，转子(2)上设置有永磁体；第一定子(1)、第二定子(3)与转子(2)均为凸极拓扑结构，第一定子(1)与第二定子(3)相对于转子(2)对称设置；
所述第一定子(1)、第二定子(3)都包括定子导磁铁芯(5)和电枢绕组(4)；所述转子(2)包括转子齿(6)和调磁绕组(7)；
所述转子齿(6)包括第一转子极(6-1)和第二转子极(6-2)；每一个转子齿(6)上都设置有一永磁体且永磁体设置在第一转子极(6-1)和第二转子极(6-2)之间；
永磁体包括高矫顽力永磁体(9)和低矫顽力永磁体(8)；所述高矫顽力永磁体(9)靠近第二转子极(6-2)，所述低矫顽力永磁体(8)靠近第一转子极(6-1)，所述高矫顽力永磁体(9)和低矫顽力永磁体(8)沿切向充磁，相邻转子齿(6)上的高矫顽力永磁体(9)充磁方向相反，低矫顽力永磁体(8)初始充磁方向与同一转子齿(6)上高矫顽力永磁体(9)充磁方向相同。
2.如权利要求1所述一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机，其特征在于：第一定子(1)和第二定子(3)中的导磁铁芯(5)都均匀布置形成圆环形；转子(2)上转子齿(6)均匀布置形成圆环形，相邻转子齿(6)之间存在间隙。
3.如权利要求1所述一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机，其特征在于：所述第一定子(1)与第二定子(3)上的导磁铁芯(5)数量都为6n个，转子(2)上所述转子齿(6)数量为(12±k)n个，其中k，n为正整数。
4.如权利要求1所述一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机，其特征在于：所述定子导磁铁芯(5)包括第一定子齿(5-1)、第三定子齿(5-3)、位第一定子齿(5-1)和第三定子齿(5-3)中间的第二定子齿(5-2)以及用于将三个定子齿连接在一起的定子轭部(5-4)，第二定子齿(5-2)与两侧的第一定子齿(5-1)、第三定子齿(5-3)之间设置平行定子槽(5-5)。
5.如权利要求1所述一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机，其特征在于：所述定子导磁铁芯(5)由硅钢片叠压制成。
6.如权利要求1所述一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机，其特征在于：所述第一转子极(6-1)与第二转子极(6-2)由硅钢片叠压制成，所述高矫顽力永磁体(9)采用钕铁硼永磁体，所述低矫顽力永磁体(8)采用铝镍钴永磁体或钐钴永磁体。
7.如权利要求4所述一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机，其特征在于：所述电枢绕组(4)分别绕制于每个所述定子导磁铁芯(5)的第二定子齿(5-2)根部。
8.如权利要求1所述一种转子永磁型双定子轴向磁场混合永磁磁通切换电机，其特征在于：所述调磁绕组(7)绕制在转子齿(6)的第一转子极(6-1)上，每一个第一转子极(6-1)上都绕制有两个调磁绕组(7)，两个调磁绕组(7)分别位于低矫顽力永磁体(8)两侧。
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