一种磁路串联型混合永磁可控磁通电机的转子铁芯及电机

摘要

本发明公开了一种磁路串联型混合永磁可控磁通电机的转子铁芯及电机，转子铁芯的每个极下设有一个切向充磁的永磁体和两个径向充磁的永磁体，切向充磁的永磁体呈辐条放置，且切向充磁的永磁体远离气隙放置，两个径向充磁的永磁体位于切向充磁的永磁体两侧；且径向充磁的永磁体同切向充磁的永磁体之间夹角不大于90°；径向充磁的永磁体为高矫顽力永磁体或者低矫顽力永磁体，切向充磁的永磁体为高矫顽力永磁体或者低矫顽力永磁体，且径向充磁的永磁体和切向充磁的永磁体类型不同。本发明采用串联磁路结构，增强低矫顽力永磁体的充磁效果，减小电机的充磁电流，提高了永磁体的工作点，增大电机的转矩输出。

说明书

技术领域

本发明属于电机领域，更具体地，涉及一种磁路串联型混合永磁可控磁通电机的转子铁芯及电机。

背景技术

永磁同步电机因其功率密度高、效率高、机械特性好的特点，在工业、国防、日常生活等方面中得到了广泛的关注与应用。在传统永磁电机中，随着转速的不断提高，空载反电势不断增大，为保证电机端电压不超过逆变器所能输出的电压极限值，需采用弱磁控制，即通过增大直轴去磁电流分量来抵消永磁磁动势，维持高速运行时电压的平衡，达到弱磁扩速的目的。但是这种方法仍存在许多不足之处：由于永磁体磁阻较大，直轴电感通常较小，因此弱磁能力有限，电机转速范围较窄；其次由于逆变器电流的限制，直轴电流增加的同时，交轴电流会减小，导致弱磁运行区间内电机电磁转矩下降非常快，并且持续弱磁电流的存在，增加了定子绕组铜耗，使得电机效率降低。继而有学者提出一种可控磁通永磁同步电机(即“记忆电机”)，该电机使用高剩磁、低矫顽力易于充退磁的钐钴永磁体或铝镍钴永磁体，通过改变永磁体的磁化程度来实现气隙磁场强度的灵活调节，不需要施加额外的弱磁电流，能够在较大范围内具有较高的效率。但相较于钕铁硼永磁体，低矫顽力的钐钴永磁体和铝镍钴永磁体的磁能积较低，因此，仅使用单一永磁体的可控磁通电机的转矩密度较低。

对此，现有技术CN103441592提出一种新型磁通可调永磁同步电机，该电机永磁体由两种永磁体组成：每个极下永磁体呈U型分布，高矫顽力永磁体分布在底端，低矫顽力永磁体分布在两侧。通过调整低矫顽力永磁体的磁化状态，改变磁路，从而改变气隙磁通。

但是在这种结构中，高矫顽力永磁体的存在，会降低低矫顽力永磁体的磁化状态，使其工作点降低，且正向磁化变得困难，导致电机所需的充磁电流较大，为削弱两种永磁体之间的影响，该发明中设置了梯形槽和弧形槽隔断两者之间的磁路，但是隔磁槽的存在也会对主磁通有影响，降低了电机的输出。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁路串联型混合永磁可控磁通电机的转子铁芯及电机，旨在解决现有的混合永磁可控磁通电机的等效磁路为并联型，导致低矫顽力永磁体工作点降低出现易退磁现象的技术问题。

作为本发明的一方面，本发明提供一种磁路串联型混合永磁可控磁通电机的转子铁芯，包括：

转子铁芯的每个极下设有一个切向充磁的永磁体和两个径向充磁的永磁体，切向充磁的永磁体呈辐条放置，且切向充磁的永磁体远离气隙放置，两个径向充磁的永磁体位于切向充磁的永磁体两侧；且径向充磁的永磁体同切向充磁的永磁体之间夹角不大于90°；

径向充磁的永磁体为高矫顽力永磁体或者低矫顽力永磁体，切向充磁的永磁体为高矫顽力永磁体或者低矫顽力永磁体，且径向充磁的永磁体和切向充磁的永磁体类型不同。

优选地，低矫顽力永磁体总体等效厚度大于高矫顽力永磁体总体等效厚度。

优选地，切向充磁的永磁体为高矫顽力永磁体，径向充磁的永磁体为低矫顽力永磁体，单个切向充磁的永磁体的厚度同单个径向充磁的永磁体的厚度相同。

优选地，两个相邻极的低矫顽力永磁体呈V型布置。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种基于磁路串联型混合永磁可控磁通电机，包括定子、绕于定子上的电枢绕组及上述转子铁芯；定子和转子铁芯径向同轴布置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明设计低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体的排布位置，使得该电机为磁路串联型结构，增强低矫顽力永磁体的磁化状态，提高了低矫顽力永磁体的工作点和磁化程度，降低了电机的充磁电流；

2、将高矫顽力永磁体置于内侧，低矫顽力永磁体置于外侧，并分布于高矫顽力永磁体两侧，提高了直轴磁路上低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体厚度之比，削弱两种永磁体之间的相互影响，可获得较大的磁链调节范围；

3、低矫顽力永磁体呈V型放置，减小了交轴电枢反应对低矫顽力永磁体的退磁作用，并进一步提高低矫顽力永磁体的工作点，提高转矩输出能力。

附图说明

图1(a)是现有技术中并联型可控磁通电机的正向磁化等效磁路，图1(b)是现有技术中并联型可控磁通电机的反向磁化等效磁路；

图2是本发明一个实施例提供的磁路串联型混合永磁可控磁通电机的结构示意图；

图3是本发明另一个实施例提供的磁路串联型混合永磁可控磁通电机的结构示意图；

图4(a)是本发明提供的磁路串联型混合永磁可控磁通电机的正向磁化等效磁路；图4(b)是本发明提供的磁路串联型混合永磁可控磁通电机的反向磁化等效磁路；

其中，附图中的标记为：1-定子铁芯、2-电枢绕组、3-转子铁芯、4-高矫顽力永磁体、5-低矫顽力永磁体、6-隔磁槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在并联型可控磁通电机中，如图1(a)所示，F_NdFeB表示钕铁硼磁动势，即低矫顽力永磁体磁动势，Λ_NdFeB表示钕铁硼磁导，即低矫顽力永磁体磁导，F_Alnico表示铝镍钴磁动势，即高矫顽力永磁体磁动势，Λ_Alnico表示铝镍钴磁导，即高矫顽力永磁体磁导，Λ_g表示气隙磁导，Λ_r表示转子磁导，图1(b)、图4(a)及图4(b)中符号同图1(a)中符号相同。当低矫顽力永磁体(即铝镍钴)正向磁化时，此时高矫顽力永磁体(即钕铁硼)对其起退磁作用，不仅阻碍了低矫顽力永磁体的正向充磁，使得电机所需的充磁电流较大，且导致低矫顽力永磁体的工作点降低，甚至出现不可逆退磁，因此低矫顽力永磁体必须设计得足够厚以保证其工作点处于退磁曲线中的拐点以上，而厚度增加会直接降低电枢绕组对其充退磁的效果。当低矫顽力永磁体处于反向磁化时，如图1(b)所示，此时高矫顽力永磁体对其起充磁作用，此时若要将低矫顽力磁化方向反向(即变为正向磁化)，需施加电枢绕组电流对其进行反向充磁，此时，电枢电流同样也对高矫顽力永磁体进行了充磁，这在很大程度上阻碍了低矫顽力永磁体由反向磁化向正向磁化变化的过程。

本发明提出一种磁路串联型混合永磁可控磁通电机，可达到气隙磁通可调节的目的，并提高低矫顽力永磁体的工作点，获得较大的转矩输出能力，且降低电机的充磁电流。

如图2所示，本发明提供的磁路串联型混合永磁可控磁通电机包括定子铁芯1，电枢绕组2，转子铁芯3及永磁体，永磁体包括高矫顽力永磁体4及低矫顽力永磁体5。转子3和定子1在径向方向上同轴由内向外而设置。定子铁芯1上开设有若干放置电枢绕组2的槽，转子铁芯3上放置有永磁体，转子铁芯3的每个极下设有三个永磁体，一个永磁体切向充磁，另外两个永磁体径向充磁，切向充磁的永磁体呈辐条放置，且切向充磁的永磁体远离气隙放置，两个径向充磁的永磁体位于切向充磁的永磁体两侧，且径向充磁的永磁体同切向充磁的永磁体之间夹角不大于90°；径向充磁的永磁体为高矫顽力永磁体4或者低矫顽力永磁体5，切向充磁的永磁体为高矫顽力永磁体4或者低矫顽力永磁体5，且径向充磁的永磁体和切向充磁的永磁体类型不同。

本发明提出的串联型可控磁通电机，通过施加脉动直轴电流来改变低矫顽力永磁体的磁化状态，从而改变气隙磁通，达到磁通可调的目的。同时采用高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体，且两种永磁体产生的磁链属于串联关系，其等效磁路如图4(a)所示，当低矫顽力永磁体正向磁化时，高矫顽力永磁体对其起充磁作用，提高了低矫顽力永磁体的工作点，使得低矫顽力永磁体不易发生不可逆退磁。

同时电枢电流在对低矫顽力永磁体充磁时也对高矫顽力永磁体进行了充磁，进一步提高了电枢电流对低矫顽力永磁体的充磁程度，减小了电机所需的充磁电流。在低矫顽力永磁体反向磁化时，高矫顽力永磁体的存在，也使得施加反向充磁电流将低矫顽力永磁体从反向完全磁化至正向完全磁化的变化过程变得容易。

在本发明中，由于其磁路串联结构，高矫顽力永磁体的存在增强了低矫顽力永磁体的磁化状态，但同时也使得反向完全磁化的工作点较高，导致电机的气隙磁通可调节范围有限。

为削弱两种永磁体之间的影响，提高磁链调节的范围，在直轴磁路方向上，低矫顽力永磁体总的等效厚度为两块永磁体磁化方向厚度之和，提高了磁路中低矫顽力永磁体厚度和高矫顽力永磁体厚度之比，削弱了两种永磁体之间的相互作用，使得正向完全磁化到反向完全磁化气隙磁链变化范围较大，从而电机具有较宽的调速范围。

本发明中，切向充磁的永磁体为高矫顽力永磁体，径向充磁的永磁体为低矫顽力永磁体，且每个高矫顽力永磁体和每个高矫顽力永磁体厚度相同，在提高电机的气隙磁通可调节范围的同时，使得高矫顽力永磁体不容易退磁，也容易充磁。

本发明提供的实施例中，该永磁同步电机高矫顽力永磁体4位于内部，远离气隙布置，呈辐条放置并进行切向充磁，低矫顽力永磁体5位于外部，由于低矫顽力永磁体端部位于交轴磁路方向上，导致交轴电流对低矫顽力永磁体部分位置有退磁作用，甚至出现不可逆退磁。本发明对永磁体的放置方式进行了合理的设计。如图3所示，在本发明另一个实施例提供的电机转子结构中，将相邻极的低矫顽力永磁体5呈V型放置，使得交轴磁路方向与低矫顽力永磁体磁化方向垂直，减小交轴电流对其的退磁作用，提高了低矫顽力永磁体的工作点，继而提高电机的输出转矩。

此外，为进一步增强永磁体的充磁效果，本发明在两种永磁体端部上方交轴磁路方向上设有隔磁槽6，位于高矫顽力永磁体4和低矫顽力永磁体5端部上方，不仅可以减小永磁体端部的漏磁，同时可以使电枢电流产生的磁通更多地经过永磁体，提高永磁体的磁化程度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。