一种定转子模块化轴径向混合磁场永磁磁通切换记忆电机

技术领域

本发明涉及电机相关技术领域，具体的是一种定转子模块化轴径向混合磁场永磁磁通切换记忆电机。

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。但是定子永磁型轴向磁场磁通切换电机的永磁体位于定子，使得电枢绕组槽面积被严重挤压，定子齿部磁路饱和严重，电机气隙磁密谐波含量增加，气隙磁密正弦度差；电机绕组铜耗与定子损耗急剧增加，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，除此之外，由于永磁体的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。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种定转子模块化轴径向混合磁场永磁磁通切换记忆电机，本发明旨在提出了记忆电机的概念，通过直流磁化电流对低矫顽力永磁体的磁化水平进行在线调节，从而调节气隙磁场，使得电机高效运行，解决现有技术中存在的定子永磁型励磁电机损耗高，过载能力差，散热效率低，磁场调节能力差等问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种定转子模块化轴径向混合磁场永磁磁通切换记忆电机，包括同轴安装的轴向第一转子、轴向第二转子、径向转子和定子；所述轴向第一转子与轴向第二转子上均设置有轴向高矫顽力永磁体与轴向低矫顽力永磁体，所述径向转子上设置有径向永磁体，所述轴向第一转子、轴向第二转子、径向转子和定子为凸极结构，所述轴向第一转子和轴向第二转子分别位于定子两侧且留有一定气隙，所述轴向第一转子与轴向第二转子相对于定子对称设置；所述径向转子位于定子内部且留有一定气隙，所述径向转子相对于定子同心设置；

所述轴向第一转子、轴向第二转子都包括轴向转子齿和调磁绕组；所述径向转子包括径向转子齿；所述定子包括定子铁心、电枢绕组以及隔磁块。

进一步地，所述轴向转子齿包括轴向第一转子极、轴向第二转子极、高矫顽力永磁体以及低矫顽力永磁体；

所述轴向第一转子极与轴向第二转子极为C字型铁心；

所述轴向高矫顽力永磁体与轴向低矫顽力永磁体采用平行永磁结构；所述轴向高矫顽力永磁体与轴向低矫顽力永磁体设置在所述轴向第一转子极与轴向第二转子极之间；所述轴向高矫顽力永磁体靠近轴向第二转子极，所述轴向低矫顽力永磁体靠近轴向第一转子极；

所述轴向高矫顽力永磁体与轴向低矫顽力永磁体沿切向充磁，所述轴向第一转子与轴向第二转子上相邻轴向转子齿的轴向高矫顽力永磁体的充磁方向相反，所述轴向第一转子与轴向第二转子上对应位置轴向转子齿的轴向高矫顽力永磁体的充磁方向一致，同一轴向转子齿上的所述轴向低矫顽力永磁体的充磁方向与所述轴向高矫顽力永磁体的充磁方向相同。

进一步地，所述径向转子齿包括径向第一转子极、径向第二转子极以及径向永磁体；

所述径向永磁体采用平行永磁结构；所述径向永磁体设置在径向第一转子极与径向第二转子极之间；

所述径向永磁体沿径向充磁，相邻所述径向永磁体的充磁方向相反。

进一步地，所述定子铁心包括第一定子极、第二定子极和导磁桥；所述导磁桥设置在所述第一定子极与第二定子极之间，连接所述第一定子极与第二定子极。

进一步地，所述轴向第一转子与轴向第二转子中的轴向转子齿均匀布置成圆环形，相邻的所述轴向转子齿之间留有空隙；所述径向转子中的所述径向转子齿均匀布置成圆环形，相邻的所述径向转子齿之间留有空隙；所述定子中的所述定子铁心均匀布置成圆环形，相邻的所述定子铁心之间设置有所述隔磁块。

进一步地，所述轴向第一转子与轴向第二转子上的所述调磁绕组绕制在所述轴向第一转子极与轴向第二转子极上。

进一步地，所述定子上的电枢绕组均绕制在每一个所述定子铁心的所述导磁桥上。

进一步地，所述轴向第一转子与轴向第二转子中的所述轴向转子齿与调磁绕组的数量均为6n±k个；所述径向转子中的所述径向转子齿的数量为6n±k个；所述定子中的所述定子铁心与电枢绕组的数量为6n个，其中n，k均为正整数。

进一步地，所述轴向第一转子极与轴向第二转子极由硅钢片叠压制成；所述径向第一转子极与径向第二转子极由硅钢片叠压制成；所述第一定子极、第二定子极以及导磁桥由硅钢片叠压制成；所述轴向高矫顽力永磁体采用钕铁硼永磁体，所述轴向低矫顽力永磁体采用铝镍钴永磁体或钐钴永磁体；所述径向永磁体采用钕铁硼永磁体。

本发明的有益效果：

1、定转子均采用模块化结构，在电机发生故障后便于安装与替换故障部件。

2、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；

3、定子铁心之间设置有隔磁块，使得不同绕组之间存在物理隔离，降低不同线圈之间的互感，从而大幅提高电机的容错运行能力；

3、电机单独设置调磁绕组，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，并且不需要持续施加调磁电流，大幅度减小调磁损耗；采用高矫顽力永磁体与低矫顽力永磁体串联混合永磁，使得电机在保持较高功率密度的同时，气隙磁场连续可调，使得电机具有较大的运行范围和较高的效率；

4、采用环形绕组的绕组分布形式，大幅度减小绕组端部，降低电机铜耗；

5、采用轴向磁场与径向磁场两种磁路相结合的复合结构，缩短了传统径向磁场电机的轴向长度，增加传统轴向磁场电机的转矩密度；

6、电机由双转子和单定子组成的双气隙对称结构，可以平衡两侧轴向磁拉力。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明定转子结构示意图。

图2是本发明定转子轴向转子齿示意图。

图3是本发明径向转子齿示意图。

图4是本发明定子铁心示意图。

图5是本发明转子角度为α1时，径向磁通路径图。

图6是本发明转子角度为α2时，径向磁通路径图。

图7是本发明转子角度为α1时，轴向磁通路径图。

图8是本发明转子角度为α2时，轴向磁通路径图

图9是本发明充磁状态下运行原理图。

图10是本发明去磁状态下运行原理图。

图中：1、轴向第一转子；2、径向转子；3、定子；4、轴向第二转子；5、轴向转子齿；5-1、轴向第一转子极；5-2、轴向第二转子极；6、轴向低矫顽力永磁体；7、轴向高矫顽力永磁体；8、调磁绕组；9、径向转子齿；9-1、径向第一转子极；9-2、径向第二转子极；10、径向永磁体；11、定子铁心；11-1、第一定子极；11-2、第二定子极；11-3、导磁桥；12、环形电枢绕组；13、隔磁块；14、转子角度为α1时径向永磁磁通路径；15、转子角度为α2时径向永磁磁通路径；16、转子角度为α1时轴向永磁磁通路径；17、转子角度为α2时轴向永磁磁通路径；18、充磁状态下轴向永磁磁通路径；19、充磁状态下轴向充磁磁通路径；20、去磁状态下轴向永磁磁通路径；21、去磁状态下轴向去磁磁通路径。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种定转子模块化轴径向混合磁场永磁磁通切换记忆电机，如图1和2所示，包括同轴安装的轴向第一转子1、轴向第二转子4、径向转子2和定子3；所述轴向第一转子1与轴向第二转子4上均设置有轴向高矫顽力永磁体6与轴向低矫顽力永磁体7，所述径向转子2上设置有径向永磁体10，所述轴向第一转子1、轴向第二转子4、径向转子2和定子3为凸极结构，所述轴向第一转子1和轴向第二转子4分别位于定子3两侧且留有一定气隙，所述轴向第一转子1与轴向第二转子4相对于定子3对称设置；所述径向转子2位于定子3内部且留有一定气隙，所述径向转子2相对于定子3同心设置。

所述轴向第一转子1、轴向第二转子4都包括轴向转子齿5和调磁绕组8；所述径向转子2包括径向转子齿9；所述定子3包括定子铁心11、电枢绕组12以及隔磁块13。

如图3所示，所述径向永磁体10采用平行永磁结构；所述径向永磁体10设置在径向第一转子极9-1与径向第二转子极9-2之间。

所述径向永磁体10采用平行永磁结构；所述径向永磁体10设置在径向第一转子极9-1与径向第二转子极9-2之间。

如图4所示，定子铁心11包括第一定子极11-1、第二定子极11-2和导磁桥11-3；所述导磁桥11-3设置在所述第一定子极11-1与第二定子极11-2之间，连接所述第一定子极11-1与第二定子极11-2。

如图所示，轴向第一转子1与轴向第二转子4中的轴向转子齿5均匀布置成圆环形，相邻的所述轴向转子齿5之间留有空隙；所述径向转子2中的所述径向转子齿9均匀布置成圆环形，相邻的所述径向转子齿9之间留有空隙；所述定子3中的所述定子铁心11均匀布置成圆环形，相邻的所述定子铁心11之间设置有所述隔磁块13。

轴向第一转子1与轴向第二转子4上的所述调磁绕组8绕制在所述轴向第一转子极5-1与轴向第二转子极5-2上。

定子3上的电枢绕组12均绕制在每一个所述定子铁心11的所述导磁桥11-3上。

轴向第一转子1与轴向第二转子4中的所述轴向转子齿5与调磁绕组8的数量均为6n±k个；所述径向转子2中的所述径向转子齿9的数量为6n±k个；所述定子中的所述定子铁心11与电枢绕组12的数量为6n个，其中n，k均为正整数。

轴向第一转子极5-1与轴向第二转子极5-2由硅钢片叠压制成；所述径向第一转子极9-1与径向第二转子极9-2由硅钢片叠压制成；所述第一定子极11-1、第二定子极11-2以及导磁桥11-3由硅钢片叠压制成；所述轴向高矫顽力永磁体7采用钕铁硼永磁体，所述轴向低矫顽力永磁体6采用铝镍钴永磁体或钐钴永磁体；所述径向永磁体10采用钕铁硼永磁体。

在使用时，上述电机的工作原理：首先介绍电机的磁通切换原理，电机主磁场分为径向磁场与轴向磁场，图5与图6中标注了径向永磁体的充磁方向；转子角度为α1时径向永磁磁通14在图5中进行表示，以绕组线圈A1为例，根据“磁阻最小原理”，永磁磁通沿箭头方向穿入绕组线圈A1；转子角度为α2时径向永磁磁通15在图6中进行表示，永磁磁通沿箭头方向穿出线圈A1。在上述两种位置线圈A1匝链的永磁磁通数值相同极性相反，当径向转子2持续转动时，线圈A1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。图7与图8中标注了低矫顽力永磁体6的初始充磁方向与高矫顽力永磁体7的初始充磁方向，转子角度为α1时轴向永磁磁通16在图7中进行表示，以绕组线圈A1为例，根据“磁阻最小原理”，永磁磁通沿箭头方向穿入绕组线圈A1；转子角度为α2时轴向永磁磁通17在图8中进行表示，永磁磁通沿箭头方向穿出线圈A1。在上述两种位置线圈A1匝链的永磁磁通数值相同极性相反，当轴向第一转子1与轴向第二转子4持续转动时，线圈A1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。

其次介绍记忆电机的混合永磁原理，混合永磁电机与采用的永磁材料有关，通过给调磁绕组8施加脉冲电流可以将低矫顽力永磁体6充磁与去磁，除去脉冲电流后永磁体能够一直保持其充磁与去磁状态。当上述电机正常运行时，低矫顽力永磁体6的充磁方向与高矫顽力永磁体7的初始充磁方向一致；电机充磁状态下的永磁磁通路径18与充磁磁通路径19在图9中进行表示，当电机处于充磁状态下，施加正向脉冲磁化电流完全磁化低矫顽力永磁体8，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&进行反向磁化，电机去磁状态下的永磁磁通路径20与去磁磁通路径21在图10中进行表示，去磁磁通产生反向磁通抵消主磁通，当去除直流磁化脉冲后，永磁体能够保持其磁化状态，已维持上述电机所需的永磁磁通。因此机可以根据负载和转速在较大的范围内保持较高输出功率，同时又较高的效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。