一种串联型混合永磁变磁通电机的制作方法

本发明属于混合永磁电机技术领域，更具体地，涉及一种串联型混合永磁变磁通电机。

背景技术：

近年来，永磁同步电机由于其效率高、功率密度高和机械特性好等特点，被广泛应用于交通、工业、国防等领域。然而随着应用领域的拓展，传统的永磁同步电机也暴露出了一些缺点。传统永磁电机中永磁体的充磁状态难以改变，空载反电势会随着转速的增大而增大。由于电机运行时端电压不能超过逆变器输出的电压极限值，在高速区间需要进行持续弱磁控制，即通过增大直轴去磁电流分量来抵消永磁磁动势，保证端电压低于逆变器电压极限值，达到弱磁扩速的目的。但这种方法仍然存在不足：第一，由于永磁体磁阻较大，直轴电感通常较小，因此需要较大的弱磁电流，且弱磁能力有限，电机调速范围较窄；第二，弱磁电流会引入额外的铜耗，且铜耗大小与电流的平方成正比关系，随着转速的增加，弱磁电流幅值增加，弱磁带来的损耗将显著提高，降低了电机的效率；第三，受限于逆变器容量，弱磁电流的增加势必减少转矩电流成分，进而降低电机在高速区间的转矩输出能力。

继而有学者提出一种变磁通电机(即“记忆电机”)，该电机使用低矫顽力永磁体，通过施加直轴脉冲电流对永磁体进行充退磁来改变永磁体的磁化程度，从而实现气隙磁场强度的灵活调节。该电机不需要持续施加额外的弱磁电流，能够获得较宽的调速范围，且在宽调速范围内仍具有较高的效率。但低矫顽力永磁体的磁能积较低，因此，仅使用单一低矫顽力永磁体的变磁通电机的转矩密度较低。

于是又有学者提出混合永磁变磁通电机，该电机同时使用高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体，在保持调磁特性的同时提高转矩密度。混合永磁变磁通电机根据磁路的不同可分为并联型和串联型两种。在并联型混合永磁变磁通电机中，高矫顽力永磁体对低矫顽力永磁体起退磁作用，低矫顽力永磁体工作点较低，因此该电机的转矩密度不高，且对低矫顽力永磁体进行充磁所需要的电流非常大，即充磁较难。这些缺点限制了并联型混合永磁变磁通电机的应用。

另一种是串联型混合永磁变磁通电机，该电机永磁体由高矫顽力和低矫顽力两种永磁体组成，且两种永磁体直接接触，贴合成一个整体放置。通过调整低矫顽力永磁体的磁化状态，改变气隙磁通。但是在这种结构中，高矫顽力永磁体与低矫顽力永磁体直接贴合放置，经过高矫顽力永磁体的磁通全部经过低矫顽力永磁体，此时高矫顽力永磁体对低矫顽力永磁体起非常强的增磁作用，会导致对低矫顽力永磁体进行退磁所需要的电流较大且调磁范围较窄。为了增大调磁范围，只能增大低矫顽力永磁体与高矫顽力永磁体的厚度比，但也会进一步增大所需要的充退磁电流。而且该结构转子的直轴磁阻和交轴磁阻很大，直轴电感和交轴电感很小且相差不大，即凸极比不大，磁阻转矩较小，因此该电机的转矩密度仍然不够高。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种串联型混合永磁变磁通电机，其目的在于，低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体采用特殊的放置位置及方式，使得该电机为磁路串联型结构，高矫顽力永磁体对低矫顽力永磁体起增磁作用，提高了低矫顽力永磁体的工作点和磁化程度，提高转矩输出能力，降低了电机的充磁电流。

为了实现上述目的，本发明提供一种串联型混合永磁变磁通电机，包括定子、绕于该定子上的电枢绕组及转子铁芯，所述定子和转子铁芯径向同轴布置，

所述转子铁芯的每个极下设有三个不直接接触、分开放置的永磁体，其中第二永磁体呈“一”形放置于外侧，两个第一永磁体呈“v”形放置于内侧，三个永磁体组成一个倒三角形结构，所述第一永磁体和第二永磁体均为垂直充磁；

“一”形放置的所述第二永磁体为高矫顽力永磁体或低矫顽力永磁体，“v”形放置的所述第一永磁体为高矫顽力永磁体或低矫顽力永磁体，且所述“一”形放置的第二永磁体和“v”形放置的第一永磁体类型不同。

进一步地，所述“一”形第二永磁体两端设有第一隔磁槽和第二隔磁槽；

所述“v”形第一永磁体靠近气隙的一端分别设有第三隔磁槽和第四隔磁槽，所述“v”形第一永磁体相对一端分别设有第五隔磁槽和第六隔磁槽。

进一步地，所述第三隔磁槽和第四隔磁槽为矩形结构，其一端分别与所述“v”形第一永磁体端部连接，另一端分别与所述第一隔磁槽、第二隔磁槽对应设置，以减小所述第一永磁体和第二永磁体的漏磁。

进一步地，所述第一隔磁槽、第二隔磁槽为梯形结构，所述第三隔磁槽和第四隔磁槽为矩形结构；

所述第一隔磁槽的一侧边与所述第四隔磁槽的一侧边相对设置，所述第二隔磁槽的一侧边与所述第三隔磁槽的一侧边相对设置，以调节所述第一永磁体与第二永磁体之间的磁桥宽度；且，

所述第一隔磁槽与第四隔磁槽，以及所述第二隔磁槽与第三隔磁槽之间的磁桥宽度为1.0～3.0mm。

进一步地，所述第一隔磁槽、第二隔磁槽为三角形结构，所述第三隔磁槽和第四隔磁槽为棒球棒状结构；

所述第一隔磁槽的一侧边与所述第四隔磁槽的一侧边相对设置；

所述第二隔磁槽的一侧边与所述第三隔磁槽的一侧边相对设置；且，

所述第一隔磁槽与第四隔磁槽，以及所述第二隔磁槽与第三隔磁槽之间的磁桥宽度为1.0～3.0mm。

进一步地，所述“v”形放置的第一永磁体为高矫顽力永磁体，“一”形放置的第二永磁体为低矫顽力永磁体。

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.本发明的串联型混合永磁变磁通电机，低矫顽力永磁体和高矫顽力永磁体采用特殊的放置位置及方式，使得该电机为磁路串联型结构，高矫顽力永磁体对低矫顽力永磁体起增磁作用，提高了低矫顽力永磁体的工作点和磁化程度，提高转矩输出能力，降低了电机的充磁电流。

2.本发明的串联型混合永磁变磁通电机，设计的转子结构直轴磁阻大于交轴磁阻，具有较大的凸极比，可以获得较高的磁阻转矩，从而提高了电机的转矩密度。

3.本发明的串联型混合永磁变磁通电机，低矫顽力永磁体呈“一”形放置于外侧，电枢磁场对低矫顽力永磁体的作用更强，使低矫顽力永磁体更容易充退磁，且进行充退磁后永磁体的磁化程度更均匀；高矫顽力永磁体呈“v”形放置于内侧，可以提高电机的转矩密度。

4.本发明的串联型混合永磁变磁通电机，两种永磁体分开放置，大大减少了经过低矫顽力永磁体的磁通，削弱了高矫顽力永磁体对低矫顽力永磁体的增磁作用，减小了对低矫顽力永磁体进行退磁时所需要的磁动势，即减小了退磁所需要的电流。

5.本发明的串联型混合永磁变磁通电机，“一”形第二永磁体两端设有第一隔磁槽和第二隔磁槽，“v”形第一永磁体包括两个成一定角度设置的永磁体，永磁体靠近气隙的一端分别设有第三隔磁槽和第四隔磁槽，永磁体相对一端分别设有第五隔磁槽和第六隔磁槽，用以调节高矫顽力永磁体与低矫顽力永磁体之间的磁桥宽度。使两种永磁体之间相互作用强度适中，既可以在低矫顽力永磁体与高矫顽力永磁体厚度比较小的情况下获得较大的调磁范围，还可以降低电机的退磁电流。

附图说明

图1为本发明一种串联型混合永磁变磁通电机的结构示意图；

图2为本发明一种串联型混合永磁变磁通电机实施例一的结构及磁力线示意图；

图3为本发明实施例一中永磁体部分放大示意图；

图4为本发明一种串联型混合永磁变磁通电机实施例二的结构及磁力线示意图；

图5为本发明实施例二中永磁体部分放大示意图；

图6为本发明一种串联型混合永磁变磁通电机实施例三的结构及磁力线示意图；

图7为本发明实施例三中永磁体部分放大示意图；

图8为本发明一种串联型混合永磁变磁通电机的实施例四的结构及磁力线示意图；

图9为本发明实施例四永磁体部分放大示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：100-定子、200-电枢绕组、300-转子铁芯、301-第一永磁体、302-第二永磁体、3021-第一隔磁槽、3022-第二隔磁槽、3011-第三隔磁槽、3012-第五隔磁槽、3013-第六隔磁槽、3014-第四隔磁槽。

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。

在串联型混合永磁变磁通电机中，如果高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体直接贴合放置，经过高矫顽力永磁体的磁通会全部经过低矫顽力永磁体，此时高矫顽力永磁体对低矫顽力永磁体起非常强的增磁作用。对低矫顽力永磁体进行退磁时需要很大的磁动势，导致退磁所需要的电流较大且调磁范围较窄。为了增大调磁范围，只能增大低矫顽力永磁体与高矫顽力永磁体的厚度比，但也会进一步增大所需要的充退磁电流。

为了解决上述问题，本发明提出一种串联型混合永磁变磁通电机，如图1所示，该电机包括定子100、绕于定子上的电枢绕组200及转子铁芯300；定子100和转子铁芯200径向同轴布置。本发明设计的转子结构直轴磁阻大于交轴磁阻，因此直轴电感小于交轴电感，具有较大的凸极比，可以获得较高的磁阻转矩，从而提高了电机的转矩密度。

其中，转子铁芯300的每个极下设有三个不直接接触、分开放置的永磁体，其中第二永磁体302呈“一”形放置于外侧，两个第一永磁体301呈“v”形放置于内侧，三个永磁体组成一个倒三角形，永磁体均为垂直充磁。“一”形放置的第二永磁体302为高矫顽力永磁体或者低矫顽力永磁体，“v”形放置的第一永磁体301为高矫顽力永磁体或者低矫顽力永磁体，且“一”形放置的第二永磁体302和“v”形放置的第一永磁体301类型不同。

在本发明优选的实施例中，低矫顽力永磁体厚度大于高矫顽力永磁体厚度。

在本发明优选的实施例中，“v”形放置的第一永磁体301为高矫顽力永磁体，“一”形放置的第二永磁体302为低矫顽力永磁体。

如图2所示的实施例一中，“一”形放置的第二永磁体302为低矫顽力永磁体，“v”形放置的第一永磁体301为高矫顽力永磁体。从磁力线可以看出，该电机磁路仍为串联型结构，保留了串联型电机高转矩密度和低充磁电流的特点。如图3所示，在本发明优选的实施例中，“一”形第二永磁体302两端设有第一隔磁槽3021和第二隔磁槽3022，“v”形第一永磁体301靠近气隙的一端分别设有第三隔磁槽3011和第四隔磁槽3014，“v”形第一永磁体301相对一端分别设有第五隔磁槽3012和第六隔磁槽3013，用以调节高矫顽力永磁体与低矫顽力永磁体之间的磁桥宽度。优选地，第一隔磁槽3021、第二隔磁槽3022、第三隔磁槽3011、第四隔磁槽3014以及第五隔磁槽3012和第六隔磁槽3013均为三角形结构。两种永磁体分开放置，大大减少了经过低矫顽力永磁体的磁通，削弱了高矫顽力永磁体对低矫顽力永磁体的增磁作用，减小了对低矫顽力永磁体进行退磁时所需要的磁动势，即减小了退磁所需要的电流。

如图4和图5所示实施例二，“一”形第二永磁体302两端设有第一隔磁槽3021和第二隔磁槽3022，“v”形第一永磁体301靠近气隙的一端分别设有第三隔磁槽3011和第四隔磁槽3014，“v”形第一永磁体301相对一端分别设有第五隔磁槽3012和第六隔磁槽3013。其中，第三隔磁槽3011和第四隔磁槽3014为矩形结构，其一端与“v”形第一永磁体301端部连接，另一端分别与所述第一隔磁槽3021、第二隔磁槽3022对应设置，以调节所述第一永磁体301与第二永磁体302之间的磁桥宽度，减小了永磁体的漏磁，提高了转矩输出能力。此时高矫顽力永磁体对低矫顽力永磁体的增磁作用较弱，在电机处于最低磁化程度时低矫顽力永磁体的工作点很低，因此需要将低矫顽力永磁体退磁至磁通密度很小时才能达到电机的最低磁化程度，导致退磁电流仍然较大。

如图6和7所示实施例三，“一”形第二永磁体302两端设有第一隔磁槽3021和第二隔磁槽3022，“v”形第一永磁体301靠近气隙的一端分别设有第三隔磁槽3011和第四隔磁槽3014，“v”形第一永磁体301相对一端分别设有第五隔磁槽3012和第六隔磁槽3013。其中，第一隔磁槽3021、第二隔磁槽3022为梯形结构，第三隔磁槽3011和第四隔磁槽3014为矩形结构，第一隔磁槽3021的一侧边与所述第四隔磁槽3014的一侧边相对设置，第二隔磁槽3022的一侧边与所述第三隔磁槽3011的一侧边相对设置；且第一隔磁槽3021与第四隔磁槽3014，以及所述第二隔磁槽3022与第三隔磁槽3011之间的磁桥宽度为1.0～3.0mm。

如图7所示，由于存在隔磁槽且两槽之间磁桥宽度较小，高矫顽力永磁体产生的磁通大部分都要经过低矫顽力永磁体，只有少部分磁通从磁桥经过，与图5所示实施例二相比显然实施例三中两种永磁体之间的相互作用被增强了。通过设置隔磁槽可以适当增强两种永磁体之间的相互作用，调节两种永磁体之间相互作用强度，使两种永磁体之间相互作用强度适中。实施例三中电机处于最低磁化程度时低矫顽力永磁体的工作点较高，并不需要将低矫顽力永磁体退磁至磁通密度很小时就能达到电机的最低磁化程度，因此虽然高矫顽力永磁体对低矫顽力永磁体的增磁作用略有增强，但却能减小电机的退磁电流。图6所示实施例三与图4所示实施例二相比，主磁路变化不大，主磁通大小变化不大，因此实施例三保持了实施例二中较大的调磁范围，同时还降低了电机的退磁电流。

如图8所示实施例四，“一”形第二永磁体302两端设有第一隔磁槽3021和第二隔磁槽3022，“v”形第一永磁体301靠近气隙的一端分别设有第三隔磁槽3011和第四隔磁槽3014，“v”形第一永磁体301相对一端分别设有第五隔磁槽3012和第六隔磁槽3013。其中，第一隔磁槽3021、第二隔磁槽3022为三角形结构，第三隔磁槽3011和第四隔磁槽3014为棒球棒状结构，第一隔磁槽3021的一侧边与所述第四隔磁槽3014的一侧边相对设置，第二隔磁槽3022的一侧边与第三隔磁槽3011的一侧边相对设置；且第一隔磁槽3021与第四隔磁槽3014，以及第二隔磁槽3022与第三隔磁槽3011之间的磁桥宽度为1.0～3.0mm，通过调整“v”形槽的张角使磁桥宽度较小。通过图9可以看出，高矫顽力永磁体产生的磁通大部分都要经过低矫顽力永磁体，只有少部分磁通从磁桥经过，也实现了增强两种永磁体之间的相互作用、调节相互作用强度的效果。

本发明中低矫顽力永磁体呈“一”形放置于外侧，电枢磁场对低矫顽力永磁体的作用更强，使低矫顽力永磁体更容易充退磁，且进行充退磁后永磁体的磁化程度更均匀。高矫顽力永磁体呈“v”形放置于内侧，可以提高电机的转矩密度。

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，并不用于限制本发明，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。