基于高矫顽力永磁材料的变极永磁同步电机及变极模式

本发明属于电工和电机领域，涉及一种永磁同步电机，具体是采用变极运行方式的永磁同步电机。

背景技术：

1、永磁同步电机因其高效率、高功率密度而被广泛应用于电动汽车、工控机器人等新兴领域。但是传统永磁同步电机的永磁磁通恒定，在电机高速运行时，受限于逆变器输出电压的限制，通常需要通入弱磁电流来削弱永磁磁通，以实现弱磁升速的目的。而传统的永磁电机的设计目标通常是追求更高的转矩密度，导致电机弱磁扩速能力受限。因此如何保证电机输出转矩密度的同时，拓宽电机的调速范围已经成为电机领域研究重点。目前，从电机本体设计的层面出发，大都采用基于低矫顽力永磁材料(如铝镍钴)的变极记忆电机。

2、中国专利申请号为201611168104.9的文献提出了一种变极记忆电机，该电机转子基于高矫顽力的永磁体和低矫顽力的永磁体混合排布的方式，通过施加不同方向的直轴电流脉冲来改变低矫顽力永磁体的磁化方向，从而实现电机极对数可调，通过变极调速的方式拓宽电机调速范围，并降低电机高速区的铁耗。需要指出的是，该类电机需要通过施加额外的脉冲电流对低矫顽力永磁体进行在线充去磁，增加了电机的控制复杂程度和成本，更为重要的是，由于低矫顽力永磁体的磁化水平和磁化状态极不稳定，容易随着电机的运行状态而发生变化，导致难以实现对低矫顽力永磁体磁化水平精确控制，进而影响电机运行的稳定性。

技术实现思路

1、发明目的：本发明针对现有的变极永磁同步电机必须基于低矫顽力永磁材料(如铝镍钴)的问题，提出了一种基于高矫顽力永磁材料(如钕铁硼)的变极永磁同步电机，无需施加额外的脉冲电流，不仅满足低速大转矩输出的要求，还可通过变极运行的方式实现扩速，使电机运行的稳定性高。

2、本发明基于高矫顽力永磁材料的变极永磁同步电机采用的技术方案是：包括定子和转子，定子同轴心地套在转子外部，ns个定子齿沿定子轭内壁圆周方向均匀分布，相邻两个定子齿之间是定子槽，定子齿上绕有电枢绕组，转子外表面沿圆周方向均匀设有nt个转子凸极齿和转子槽，转子槽中填充满不导磁不导电的材料，转子外表面沿圆周方向均匀表贴2ppm块均径向充磁的永磁体，ppm为永磁体极对数，相邻两块永磁体的充磁方向相反；所述的电枢绕组为单层两套三相绕组，两套三相绕组通过开关切换为顺向串联或为反向串联的结构。

3、所述的两套三相绕组中的线圈a1a1与线圈a2a2反向或者正向串联组成a相绕组，线圈b1b1与线圈b2b2反向或者正向串联组成b相绕组，线圈c1c1与线圈c2c2反向或者正向串联组成c相绕组。

4、所述的线圈a1a1、b1b1、c1c1的a1、b1、c1端各自分别并联两个开关，与a1端并联的第1个开关的另一端连接a2端、第2个开关的另一端连接a2端；与b1端并联的第1个开关的另一端连接b2端、第2个开关的另一端连接b2端；与c1端并联的第1个开关的另一端连接c2端、第2个开关的另一端连接c2端；在线圈a2a2、b2b2、c2c2的a2、a2、b2、b2、c2、c2端各自串联一个开关，每个串联开关的另一端连接对应一套绕组的中性点。

5、所述的变极永磁同步电机的变极模式采用的技术方案是：将具有相同串联方式的线圈组成一个子相，引入开关改变双三相绕组之间的连接方式，形成顺向串联或反向串联的绕组结构；当切换开关使两套绕组成为顺向串联的结构或反向串联的结构时，电机可以运行于高速模式或低速大转矩模式。

6、进一步地，先计算出ppm极对数和|ppm-nt|较少极对数的励磁磁场的槽距角，再根据槽距角绘制出极对数和|ppm-nt|较少极对数的励磁磁场的槽电势星形图；最后根据槽电势星形图设计两套三相绕组，当电机运行于ppm极对数情况下时，两套三相绕组为线圈a1a1与线圈a2a2正向或反向串联组成a相绕组，线圈b1b1与线圈b2b2正向或反向串联组成b相绕组，线圈c1c1与线圈c2c2正向或反向串联组成c相绕组；当电机运行于|ppm-nt|极对数情况下时，两套三相绕组为：线圈a1a1与线圈a2a2，线圈b1b1与线圈b2b2，线圈c1c1与线圈c2c2的串联方式与ppm对极情况下相反。

7、本发明的技术效果是：

8、1、通过对电机转子铁心开槽的方式形成了凸极齿，从而对永磁体产生的磁场进行调制，使得气隙磁场中不仅存在永磁体直接产生的ppm对极磁场，还通过凸极齿调制产生了|ppm-nt|对极的调制磁场。两种磁场具有不同极对数和不同旋转电速度，为电机的变极运行提供了基础条件。

9、2、不同于已有的基于低矫顽力永磁材料设计得到的变极记忆电机需要通过脉冲电流改变低矫顽力永磁体极性的方式来改变励磁磁场极对数，本发明利用磁场调制效应，通过凸极齿对高矫顽力永磁体调制的方案，在气隙磁场中直接产生两种不同极对数的励磁磁场，因此具有结构简单，运行稳定性高的优点。

10、3、本发明由永磁体直接产生的ppm对极磁场磁密幅值高，极对数多，适合于低速大转矩运行；经凸极齿调制产生的|ppm-nt|对极磁场，磁密幅值较小，极对数少，适用于高速运行工况。

11、4、采用调制齿位于永磁体内侧的方案，使得气隙磁密中仅存在|ppm-nt|对极的调制磁场分量，有效避免了无效励磁磁场分量作用导致永磁磁链畸变。

12、5、通过选择合适的槽极配比及凸极齿个数，当电机运行于多极对数低速运行模式时，ppm对极的永磁磁场为有效工作磁场，|ppm-nt|对极永磁磁场不与电枢绕组匝链；当电机运行于少极对数高速运行模式时，|ppm-nt|对极的永磁磁场为有效工作磁场，ppm对极永磁磁场不与电枢绕组匝链，保证了两种模式下空载感应电势的正弦度和输出转矩的平稳性。同时，仅需采用机械开关改变两套三相绕组之间的正反串联，改变绕组的连接方式，得到两种极对数对应的电枢绕组，实现对不同极对数励磁磁场的利用，使电机可以运行于不同的模式，同时满足大转矩输出和宽调速范围的要求，具有结构简单、成本低廉、易于实现等优势。

13、6、该电机具有两种运行模式，当电机需运行于低速大转矩区域时，电机以多极对数大转矩模式运行，此时电机可以满足低速大转矩输出的要求；当电机需运行于高速区域时，可以通过机械开关改变绕组的结构，使电机以少极对数模式运行，以此来满足电机对于高速运行的需求，最终，该电机不仅可以满足低速大转矩输出的要求，同时可以通过变极运行的方式实现扩速的目的。

技术特征：

1.一种基于高矫顽力永磁材料的变极永磁同步电机，包括定子和转子，定子同轴心地套在转子外部，ns个定子齿沿定子轭内壁圆周方向均匀分布，相邻两个定子齿之间是定子槽，定子齿上绕有电枢绕组，其特征是：转子外表面沿圆周方向均匀设有nt个转子凸极齿和转子槽，转子槽中填充满不导磁不导电的材料，转子外表面沿圆周方向均匀表贴2ppm块均径向充磁的永磁体，ppm为永磁体极对数，相邻两块永磁体的充磁方向相反；所述的电枢绕组为单层两套三相绕组，两套三相绕组通过开关切换为顺向串联或为反向串联的结构。

2.根据权利要求1所述的基于高矫顽力永磁材料的变极永磁同步电机，其特征是：所述的两套三相绕组中的线圈a1a1与线圈a2a2反向或者正向串联组成a相绕组，线圈b1b1与线圈b2b2反向或者正向串联组成b相绕组，线圈c1c1与线圈c2c2反向或者正向串联组成c相绕组。

3.根据权利要求2所述的基于高矫顽力永磁材料的变极永磁同步电机，其特征是：线圈a1a1、b1b1、c1c1的a1、b1、c1端各自分别并联两个开关，与a1端并联的第1个开关的另一端连接a2端、第2个开关的另一端连接a2端；与b1端并联的第1个开关的另一端连接b2端、第2个开关的另一端连接b 2端；与c1端并联的第1个开关的另一端连接c2端、第2个开关的另一端连接c2端；在线圈a2a2、b2b2、c2c2的a2、a2、b2、b2、c2、c2端各自串联一个开关，每个串联开关的另一端连接对应一套绕组的中性点。

4.根据权利要求1所述的基于高矫顽力永磁材料的变极永磁同步电机，其特征是：当永磁体极对数ppm＝1+6m或ppm＝5+6n时，|ppm-nt|＝2+6i或|ppm-nt|＝4+6j，当ppm＝2+6m或ppm＝4+6n时，|ppm-nt|＝1+6i，|ppm-nt|＝5+6j，m，n，i，j为自然数，ppm>|ppm-nt|。

5.根据权利要求1所述的基于高矫顽力永磁材料的变极永磁同步电机，其特征是：填充满不导磁不导电的材料的外表面部分与转子外表面平齐且光滑连接。

6.一种如权利要求3所述的变极永磁同步电机的变极模式，其特征是：

7.根据权利要求6所述的变极永磁同步电机的变极模式，其特征是：先计算出ppm极对数和|ppm-nt|较少极对数的励磁磁场的槽距角，再根据槽距角绘制出极对数和|ppm-nt|较少极对数的励磁磁场的槽电势星形图；最后根据槽电势星形图设计两套三相绕组，当电机运行于ppm极对数情况下时，两套三相绕组为线圈a1a1与线圈a2a2正向或反向串联组成a相绕组，线圈b1b1与线圈b2b2正向或反向串联组成b相绕组，线圈c1c1与线圈c2c2正向或反向串联组成c相绕组；当电机运行于|ppm-nt|极对数情况下时，两套三相绕组为：线圈a1a1与线圈a2a2，线圈b1b1与线圈b2b2，线圈c1c1与线圈c2c2的串联方式与ppm对极情况下相反。

8.根据权利要求7所述的变极永磁同步电机的变极模式，其特征是：当电机运行于ppm极对数情况下时，ppm极对数的励磁磁场所对应的绕组函数值为非0，|ppm-nt|极对数的励磁磁场所对应的绕组函数值为0；当电机运行于|ppm-nt|极对数情况下时，ppm极对数的励磁磁场所对应的绕组函数值为0，|ppm-nt|极对数的励磁磁场所对应的绕组函数值为非0。

9.根据权利要求7所述的变极永磁同步电机的变极模式，其特征是：所述的槽距角sign(ωe)为谐波的旋转方向，ωe为谐波的电速度，pfh为谐波的极对数，ns为电机的定子齿数，mod为取余运算。

10.根据权利要求9所述的变极永磁同步电机的变极模式，其特征是：所述的函数值q为每一相绕组中最少包含的反电势矢量数，θc为一个线圈的两个槽导体的相位差。

技术总结
本发明公开一种基于高矫顽力永磁材料的变极永磁同步电机及变极模式，转子外表面均匀表贴径向充磁的永磁体，电枢绕组为单层两套三相绕组，两套三相绕组通过开关切换为顺向串联或为反向串联的结构；将具有相同串联方式的线圈组成一个子相，引入开关改变双三相绕组之间的连接方式，形成顺向串联或反向串联的绕组结构；当切换开关使两套绕组成为顺向串联的结构时，电机运行于高速模式；当两套绕组为反向串联的结构时，电机运行于低速大转矩模式；本发明利用磁场调制效应在气隙磁场中直接产生两种不同极对数的励磁磁场，保证两种模式下空载感应电势的正弦度和输出转矩的平稳性，不仅可满足低速大转矩输出的要求，同时可通过变极运行方式实现扩速。

技术研发人员：杜怿,毛怡,肖凤,朱孝勇,张超,全力
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1