一种转子磁极调制型可变磁通记忆电机

1.本发明涉及电机设计和制造领域，特别是一种转子磁极调制型可变磁通记忆电机。


背景技术：

2.永磁电机具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点，已在家用电器、电动汽车等许多场合得到应用。然而，在宽转速范围驱动场合，永磁电机是通过控制电枢绕组中的直轴电流分量（
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）来实现弱磁扩速，增大了永磁体不可逆退磁的风险，同时永磁体的高磁阻特征限制了弱磁能力。在恒压发电场合，永磁电机需要全功率的可控变换器来实现输出电压的稳定。
3.具有两个磁势源（励磁绕组和永磁体）的混合励磁电机，即继承了永磁电机的高功率密度和高效率等优点，也继承了电励磁电机磁场调节方便的优点，仅需要较低的励磁功率（较小的励磁功率变换器）就可以实现气隙磁场的有效调节。因此，混合励磁电机在需要宽范围运行的场合具有很大的应用潜力。
4.然而，混合励磁电机工作在混合励磁模式（增磁或弱磁）时，须在励磁绕组中施加持续的励磁电流，这必然也增加了电机的铜耗，降低了电机的效率。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种转子磁极调制型可变磁通记忆电机，该转子磁极调制型可变磁通记忆电机的转子上有两种磁极：低矫顽力永磁极和高矫顽力永磁极。磁极阵列满足转子磁极调制的原则。并采用旁路（轴向附加磁路）的方式实现直流脉冲绕组的无刷化供电。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种转子磁极调制型可变磁通记忆电机，包括定子、磁极调制型转子、静置导磁环和直流脉冲绕组。
7.定子和磁极调制型转子同轴套设，且两者间具有定转子气隙。
8.磁极调制型转子包括s低矫顽力模块和n低矫顽力模块。
9.s低矫顽力模块包括s低矫顽力永磁极、s实心轭部和s端部延长导磁环。
10.n低矫顽力模块包括n低矫顽力永磁极、n实心轭部和n端部延长导磁环。
11.n端部延长导磁环和s端部延长导磁环从内至外同轴套设，且位于磁极调制型转子的一端或两端。n端部延长导磁环与s端部延长导磁环之间具有环形的静止导磁环容纳腔。
12.s实心轭部沿s端部延长导磁环的周向均匀一体布设。
13.n实心轭部沿n端部延长导磁环的周向均匀一体布设。
14.s低矫顽力永磁极与s实心轭部的数量相等，且分别安装在对应s实心轭部的外壁面。
15.n低矫顽力永磁极与n实心轭部的数量相等，且分别安装在对应n实心轭部的外壁
面。
16.每个s低矫顽力永磁极和每个n低矫顽力永磁极均包括弧形转子铁心叠片、高矫顽力永磁体和两块低矫顽力永磁体。
17.弧形转子铁心叠片采用叠片沿轴向叠压而成，高矫顽力永磁体表贴式或内置式安装在弧形转子铁心叠片上。两块低矫顽力永磁体对称安装在高矫顽力永磁体两侧的弧形转子铁心叠片中。
18.s低矫顽力永磁极和n低矫顽力永磁极，沿周向交替布设，从而形成沿周向均匀分布的k个转子单元，每个转子单元的极对数均为p0，每个转子单元均包括n个高矫顽力永磁极对数和n+1个低矫顽力永磁极对数。其中，k和n均为正整数，且p0=2n+1。
19.静止导磁环位置固定，且同轴放置在对应的静止导磁环容纳腔中，静止导磁环与相邻的s端部延长导磁环和相邻的n端部延长导磁环之间分别设置有第一辅助气隙和第二辅助气隙。
20.在每个静止导磁环中均绕设有直流脉冲绕组。
21.在每个转子单元中，2n个高矫顽力永磁极不相接；2（n+1）个低矫顽力永磁极中，存在两组相接的低矫顽力永磁极；每组相接低矫顽力永磁极之间均设置有周向磁障，以避免电励磁磁通在磁极调制型转子内部短路。
22.s端部延长导磁环与每个n实心轭部之间均设置有轴向磁障，用于避免直流脉冲绕组和低矫顽力磁体产生的磁通在磁极调制型转子端部短路。
23.s端部延长导磁环、n端部延长导磁环和静止导磁环均为两个，分别设置在磁极调制型转子的两端。两个静止导磁环中的直流励磁绕组采用串联或并联连接，且使用同一电源供电，从而实现双端励磁。
24.通过在直流脉冲绕组中施加瞬时的脉冲电流，就能改变磁极调制型转子上低矫顽力磁体的磁化状态，从而改变低矫顽力磁钢对应气隙的磁通大小，实现在线调磁。
25.在线调磁包括增磁和弱磁两种模式。在增磁模式时，直流脉冲绕组产生磁通的闭合路径为：静止导磁环
‑
第二辅助气隙
‑
n端部延长导磁环
‑
n实心轭部
‑
n低矫顽力永磁极
‑
定转子气隙
‑
定子铁心
‑
定转子气隙
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s低矫顽力永磁极
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s实心轭部
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s端部延长导磁环
‑
第一辅助气隙
‑
静止导磁环。此时，低矫顽力永磁极的磁化方向与相邻高矫顽力永磁极的充磁方向相反。从而，2n个高矫顽力永磁极和2(n+1)个低矫顽力永磁极能够产生p0对极的气隙磁场。在弱磁模式时，低矫顽力永磁极的磁化方向与相邻高矫顽力永磁极的充磁方向相同。
26.高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体均为表贴式或内置式结构。
27.既能电动运行，也能发电运行。
28.本发明具有如下有益效果：1、本发明的磁极调制型，具有有两种磁极：低矫顽力永磁极和高矫顽力永磁极。磁极阵列满足转子磁极调制的原则。并采用旁路（也称轴向附加磁路，也即静止导磁环和磁极调制型转子之间的磁路）的方式实现直流脉冲绕组的无刷化供电。
29.2、通过在直流脉冲绕组中施加瞬时的脉冲电流，就能改变磁极调制型转子上的低矫顽力磁钢（也即低矫顽力永磁体）的磁化状态，从而改变低矫顽力磁钢对应气隙的磁通大小，实现在线调磁。由于是瞬时脉冲电流，电励磁损耗很低，电机效率得到提升。
30.3、本发明中轴向附加磁路为直流脉冲绕组和低矫顽力磁钢产生的磁通提供低磁
阻路径。高矫顽力磁钢产生的磁通经过定转子气隙和定子齿闭合（即为有效磁通），无附加漏磁，高矫顽力磁钢的利用率高。
31.4、本发明中的弧形转子铁心叠片沿轴向叠压而成，降低了涡流损耗。
32.5、即能电动运行，也能发电运行。
附图说明
33.图1显示了本发明一种转子磁极调制型可变磁通记忆电机的剖面结构示意图。
34.图2显示了本发明一种转子磁极调制型可变磁通记忆电机的立面结构示意图。
35.图3显示了本发明中s低矫顽力永磁极和n低矫顽力永磁极的周向排列示意图。
36.图4显示了本发明中s低矫顽力模块的组装过程示意图；其中，图4a显示了s低矫顽力永磁极的立体示意图；图4b显示了s实心轭部和s端部延长导磁环的立体示意图；图4c显示了组装完成后的s低矫顽力模块的立体示意图。
37.图5显示了本发明中n低矫顽力模块的组装过程示意图；其中，图5a显示了n低矫顽力永磁极的立体示意图；图5b显示了n实心轭部和n端部延长导磁环的立体示意图；图5c显示了组装完成后的n低矫顽力永磁极模块的立体示意图。
38.图6显示了本发明中磁极调制型转子的立体结构示意图。
39.图7显示了本发明中静止导磁环的立体结构示意图。
40.图8显示了本发明中直流脉冲绕组的立体结构示意图。
41.图9显示了本发明中轴向磁障的设置位置示意图。
42.图10显示了增磁时低矫顽力永磁极的磁化方向示意图。
43.图11显示了弱磁时低矫顽力永磁极的磁化方向示意图。
44.其中有：11.定子铁心；12.定子槽；21.低矫顽力永磁体；22.高矫顽力永磁体；23.弧形转子铁心叠片；24.s低矫顽力模块；241.s低矫顽力永磁极；242.s实心轭部；243.s端部延长导磁环；25.n低矫顽力模块；251.n低矫顽力永磁极；252.n实心轭部；253.n端部延长导磁环；26.静止导磁环容纳腔；40.静止导磁环；41.直流脉冲绕组；42.第一辅助气隙；43.第二辅助气隙；50.周向磁障；60.轴向磁障。
具体实施方式
45.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
46.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
47.本实例的电机优选以单端调磁、永磁体为表贴式，定子槽数n
s
=36，转子极对数p=6（p0=3），三相电枢绕组(a相、b相、c相)为例，对本发明进行详细说明。
48.如图1和图2所示，一种转子磁极调制型可变磁通记忆电机，包括定子、磁极调制型转子、静置导磁环40和直流脉冲绕组41。
49.上述静置导磁环40、直流脉冲绕组41与磁极调制型转子之间形成的磁路，也称旁路或轴向附加磁路。
50.定子和磁极调制型转子同轴套设，且两者间具有定转子气隙30。
51.上述定子包括定子铁心11和绕设在定子槽中的电枢绕组。定子铁心采用导磁材料。
52.如图6所示，磁极调制型转子，也称旋转体，具体包括s低矫顽力模块24和n低矫顽力模块25。
53.如图4所示，s低矫顽力模块包括s低矫顽力永磁极241、s实心轭部242和s端部延长导磁环243。
54.s端部延长导磁环位于磁极调制型转子的一端或两端，当位于一端时，为单端调磁，位于两端时，为双端调磁。本实施例中，采用单端励磁。
55.如图4b所示，s实心轭部沿s端部延长导磁环的周向均匀一体布设。
56.s低矫顽力永磁极与s实心轭部的数量相等，且分别安装在对应s实心轭部的外壁面。
57.s低矫顽力永磁极的结构，如图4a所示，每个s低矫顽力永磁极均包括弧形转子铁心叠片23、高矫顽力永磁体22和两块低矫顽力永磁体21。
58.弧形转子铁心叠片采用叠片沿轴向叠压而成，高矫顽力永磁体安装在弧形转子铁心叠片的外壁中心（本实施例中优选为表贴式），且为n极；两块低矫顽力永磁体对称安装在高矫顽力永磁体两侧的弧形转子铁心叠片外壁面上，且均为s极。
59.高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体均可以为表贴式或内置式结构。也就是说，每个高矫顽力永磁极可以由单个表贴式高矫顽力磁钢构成，也可以由单个或多个内置的高矫顽力磁钢构成。每个低矫顽力永磁极的构成也是如此。
60.如图5所示，n低矫顽力模块包括n低矫顽力永磁极251、n实心轭部252和n端部延长导磁环253。
61.n端部延长导磁环与s端部延长导磁环数量相等，且同轴插设在s端部延长导磁环的内侧；n端部延长导磁环与s端部延长导磁环之间具有环形的静止导磁环容纳腔26。
62.如图5a所示，n实心轭部沿n端部延长导磁环的周向均匀一体布设。
63.n实心轭部和s实心轭部，均采用导磁材料。
64.n低矫顽力永磁极与n实心轭部的数量相等，且分别安装在对应n实心轭部的外壁面。
65.如图5所示，每个n低矫顽力永磁极均包括弧形转子铁心叠片、高矫顽力永磁体和两块低矫顽力永磁体；弧形转子铁心叠片采用叠片沿轴向叠压而成，高矫顽力永磁体安装在弧形转子铁心叠片的外壁中心，且为s极；两块低矫顽力永磁体对称安装在高矫顽力永磁体两侧的弧形转子铁心叠片外壁面上，且均为n极。
66.如图3所示，s低矫顽力永磁极和n低矫顽力永磁极，沿周向交替布设，从而形成沿
周向均匀分布的k个转子单元，每个转子单元的极对数均为p0，每个转子单元均包括n个高矫顽力永磁极对数和n+1个低矫顽力永磁极对数。其中，k和n均为正整数，且p0=2n+1。
67.上述磁极调制型转子，也称旋转体，与转轴共同旋转。
68.静止导磁环位置固定，优选安装在电机的机壳端盖上。
69.静止导磁环的结构，如图7所示，优选具有环形容腔，用于绕设如图8所示的直流脉冲绕组。静止导磁环和直流脉冲绕组均为静止体。
70.静止导磁环同轴放置在对应的静止导磁环容纳腔中，静止导磁环与相邻的s端部延长导磁环和相邻的n端部延长导磁环之间分别设置有第一辅助气隙42和第二辅助气隙43，也即旋转体与静止体之间具有气隙，而直流脉冲绕组实现了无刷化供电。
71.在每个转子单元中，2n个高矫顽力永磁极不相接。2（n+1）个低矫顽力永磁极中，存在两组相接的低矫顽力永磁极。每组相接低矫顽力永磁极之间均设置有周向磁障50，以避免电励磁磁通在磁极调制型转子内部短路（即避免形成无效磁通）。
72.如图9所示，s端部延长导磁环与每个n实心轭部之间均设置有轴向磁障60，用于避免直流脉冲绕组和低矫顽力磁体产生的磁通在磁极调制型转子端部短路（即避免形成无效磁通）。
73.当采用双端励磁时，s端部延长导磁环、n端部延长导磁环和静止导磁环均为两个，分别设置在磁极调制型转子的两端。两个静止导磁环中的直流励磁绕组采用串联或并联连接，且使用同一电源供电，从而实现双端励磁。
74.本发明的可变磁通记忆电机，通过在直流脉冲绕组中施加瞬时的脉冲电流，就能改变磁极调制型转子上低矫顽力磁体的磁化状态，从而改变低矫顽力磁钢对应气隙的磁通大小，实现在线调磁。在线调磁包括增磁和弱磁两种模式。
75.在增磁模式时，直流脉冲绕组产生磁通的闭合路径为：静止导磁环
‑
第二辅助气隙
‑
n端部延长导磁环
‑
n实心轭部
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n低矫顽力永磁极
‑
定转子气隙
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定子铁心
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定转子气隙
‑ꢀ
s低矫顽力永磁极
‑ꢀ
s实心轭部
‑ꢀ
s端部延长导磁环
‑
第一辅助气隙
‑
静止导磁环。此时，低矫顽力永磁极的磁化方向与相邻高矫顽力永磁极的充磁方向相反（如图10所示）。从而，2n个高矫顽力永磁极和2(n+1)个低矫顽力永磁极能够产生p0对极的气隙磁场。
76.进一步，本发明中，低矫顽力永磁极的命名是以电机工作在增磁模式时，低矫顽力永磁极的极性命名的。
77.在弱磁模式时，低矫顽力永磁极的磁化方向与相邻高矫顽力永磁极的充磁方向相同，如图11所示。
78.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。