CN212278089U - 定子双分区混合永磁记忆电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及电机技术领域，公开了定子双分区混合永磁记忆电机，包括同心布置的内区定子、中间转子和外区定子。内区定子包括内区定子铁心、钕铁硼+铝镍钴混合永磁体和绕在铝镍钴永磁体上的脉冲磁化绕组，钕铁硼和铝镍钴永磁体以Halbach阵列沿圆周交替置于内区定子铁心外侧。筒形中间转子由导磁块和绝缘块沿圆周交替放置；外区定子包括外区定子铁心和设于外区定子铁心上的电枢绕组；外区定子铁心包括外区定子轭和外区定子轭内侧凸出的沿圆周均匀分布的外区定子齿，每个外区定子齿上绕有集中电枢线圈。与现有技术相比，本实用新型在实现定子分区电机增磁和弱磁磁场调节的基础上，可实现电机低速大转矩、高速宽调速及高效率性能，适用于电动汽车领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及电机本体设计技术领域，尤其设计一种定子双分区混合永磁记忆电机。
背景技术
作为电动汽车的关键部件，电动机的性能对整个驱动系统有着重要影响。针对电动汽车应用特点，其驱动电机应具有较大的转矩输出能力、较高的效率及较宽调速范围。
目前永磁磁通切换电机由于其高转矩密度、高效率、高鲁棒转子结构而受到关注。该结构本质上是一类定子永磁式电机，转子上无绕组及永磁体，绕组和永磁体均位于定子上，由于定子上永磁体聚磁效应使得电机具有高气隙磁密，可实现较大转矩输出能力，具有良好的应用前景。同时，也由于永磁体和绕组放置在电机内同一部件即定子上，使得：1. 输出转矩方面：减少了绕组放置空间，限制了电机转矩输出能力的进一步提高。2. 电机安装方面：由于永磁磁通切换电机和双凸极定子永磁电机的定子铁心由离散多块组成，增加了电机加工安装的难度。3. 其他性能：定子永磁式电机的定子磁场饱和程度较大，降低了电机过载能力，且该结构将增加定子上绕组和永磁体的温升，严重时会引起绕组绝缘损坏及永磁体不可逆退磁。
因此，Z. Q. Z h u （诸自强）教授等人于2015年在IEEE TRANSACTIONS ONMAGNETICS的51卷第4期的论文《Novel electrical machines having separate PMexcitation stator》和51卷第5期中的论文《Novel doubly salient permanent magnetmachines with partitioned stator and iron pieces rotor》提出了采用定子分区的定子永磁电机结构，其电枢绕组位于外区定子上，永磁体位于内区定子上，解决了电枢绕组和永磁体的空间冲突，并缓解了定子温升，提高了永磁体工作稳定性。
然而，由于定子分区永磁电机中，在两分区定子与转子间存在两个气隙，相比较原有单气隙定子永磁式电机，其气隙磁密和相等电负荷下的输出转矩均有所削弱，尽管可通过提高电机中的电负荷来提高转矩输出，其效率也相对下降了。因此，对于定子分区电机，如何提高定子分区永磁电机的永磁气隙磁密和效率是需要关注的问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种具有高转矩密度及高效率的定子双分区混合永磁记忆电机结构，提高常规定子分区永磁电机的空载气隙磁密，适用于电动汽车驱动领域。
技术方案：本实用新型提供了定子双分区混合永磁记忆电机，包括同心布置的内区定子、环绕内区定子的中间转子和环绕中间转子的外区定子；所述外区定子与中间转子之间设置有外气隙，所述内区定子与中间转子之间设置有内气隙；内区定子包括内区定子铁心、设于内区定子铁心外壁上的永磁体以及设置于永磁体上的脉冲磁化绕组；所述中间转子包括沿圆周方向交错排列的导磁块和绝缘块；外区定子包括外区定子铁心和设于外区定子铁心上的m相电枢绕组；所述内区定子、外区定子与电机外壳固定连接，所述中间转子通过转子支架与电机输出轴固定连接；
所述外区定子铁心包括外区定子轭和P s个沿着外区定子轭内圆周均匀凸出的外区定子齿，任意相邻两个外区定子齿之间形成一个外区定子槽，所述m相电枢绕组分布于P s个外区定子槽内，且其绕制于外区定子齿上，满足P s=6n，其中n为正整数；所述设于内区定子铁心外壁上的永磁体包括扇环形钕铁硼永磁体和扇环形铝镍钴永磁体且扇环形钕铁硼永磁体和扇环形铝镍钴永磁体以Halbach阵列布置。
进一步地，所述中间转子由q块导磁块和q块绝缘块沿圆周方向交错排列，且满足2q= P s±2k，其中k为正整数。
进一步地，所述内区定子铁心的外圆周均匀放置P s块扇环形钕铁硼永磁体，所述钕铁硼永磁体内弧面与内区定子铁心外圈紧密贴合在一起，P s块钕铁硼永磁体在圆周方向不直接相连，形成扇环形间隙，在间隙内嵌入所述扇环形铝镍钴永磁体，扇环形铝镍钴永磁体两侧面分别与钕铁硼永磁体的两侧面紧密贴合在一起。
进一步地，所述扇环形铝镍钴永磁体径向内径大于所述扇环形钕铁硼永磁体径向内径，所述扇环形铝镍钴永磁体径向外径小于所述扇环形钕铁硼永磁体径向外径；在每块铝镍钴永磁体径向两侧形成2个内区定子槽，所述脉冲磁化绕组放置于内区定子槽内且绕在所述铝镍钴永磁体上。
进一步地，所述钕铁硼永磁体采用稀土钕铁硼永磁材料，P s块钕铁硼永磁体充磁方向沿径向交替变化，且其径向中心线与所述外区定子齿径向中心线对齐。
进一步地，所述铝镍钴永磁体采用铝镍钴永磁材料，P s块铝镍钴永磁体充磁方向沿切向交替变化，其径向中心线与外区定子槽径向中心线对齐。
进一步地，所述脉冲磁化绕组为集中绕组，多个所述脉冲磁化绕组集中绕组线圈串联形成单相脉冲绕组，且为其施加短时脉冲电流。
有益效果：
1、本实用新型在常规定子分区电机结构基础上，在内区定子上采用包含钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体的Halbach阵列永磁结构，利用Halbach阵列永磁结构的聚磁和弱磁效应，及铝镍钴永磁体能被短时脉冲电流充、去磁并“记忆”住其磁密的特点，可实现：在低速时运行于聚磁模式，此时铝镍钴永磁体完全正向充磁，永磁体外侧气隙主磁场得到增强，内侧气隙磁场被削弱，不仅可提高电机气隙磁密和转矩输出能力，还可减小内区定子铁心的铁耗，从而增加了低速运行时电机的效率；在高速时运行于弱磁模式，此时铝镍钴永磁体完全反向充磁，永磁体内侧气隙磁场得到增强，外侧气隙主磁场被削弱，不仅减小气隙磁密，增加了电机的调速范围，而且由于通过对永磁磁场的调节进行弱磁，从而降低了弱磁电流及相应产生的铜耗，因此提高了高速运行时电机的效率。
2、由于本实用新型电机采用了定子永磁型结构，钕铁硼永磁体、铝镍钴永磁体以及脉冲磁化绕组均置于内分区定子上，而电枢绕组置于外区定子上，实现了电枢绕组和永磁体的分离，更易于电机的散热、冷却。
3、本实用新型电机所采用的中间转子结构简单，既无永磁材料，也无绕组，仅由导磁块和绝缘块交替构成，特别适用于高速运行。
附图说明
图1为本实用新型定子双分区混合永磁记忆电机径向截面结构示意图；
图2为本实用新型外区定子径向截面图；
图3为本实用新型中铝镍钴永磁体正向磁化时内区定子示意图；
图4为本实用新型中铝镍钴永磁体反向磁化时内区定子示意图；
图5(a)为铝镍钴永磁体正向磁化时永磁磁场“增磁”原理图；
图5(b)是铝镍钴永磁体反向磁化时永磁磁场“弱磁”原理图；
图6 (a)是有限元仿真的铝镍钴永磁体正向磁化时电机空载磁场分布；
图6(b)是有限元仿真的铝镍钴永磁体反向磁化时电机空载磁场分布；
图7 (a)是有限元仿真的铝镍钴永磁体正向磁化时电机空载内气隙磁密波形；
图7 (b)是有限元仿真的铝镍钴永磁体正向磁化时电机空载外气隙磁密波形；
图7(c)是有限元仿真的铝镍钴永磁体反向磁化时电机空载内气隙磁密波形；
图7 (d)是有限元仿真的铝镍钴永磁体反向磁化时电机空载外气隙磁密波形。
其中：1、外区定子，1-1、外区定子铁心，1-2、电枢绕组，1-3、外区定子磁轭，1-4、外区定子齿，1-5、外区定子槽，2、中间转子，2-1、导磁块，2-2、绝缘块，3、内区定子，3-1、内区定子铁心，3-2、钕铁硼永磁体，3-3、铝镍钴永磁体，3-4、脉冲磁化绕组，3-5内区定子槽。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细的介绍。
以图1所示的3相外区定子12槽/中间转子10极/内区定子12极定子分区电机为例，具体说明本实用新型的技术方案。
本实用新型的电机包括同心布置的内区定子3、环绕内区定子3的中间转子2和环绕中间转子2的外区定子1。如图1所示，外区定子1与中间转子2之间设置有外气隙，内区定子3与中间转子2之间设置有内气隙。
内区定子3包括内区定子铁心3-1、设于内区定子铁心上的永磁体和脉冲磁化绕组3-4，中间转子2包括转子支架、导磁块2-1和绝缘块2-2，外区定子1包括由外区定子铁心1-1和设于外区定子铁心1-1上的m相电枢绕组1-2；内分区定子3、外分区定子1与电机外壳固定连接，中间转子2通过转子支架与电机输出轴固定连接。
参见图2，外区定子铁心1-1包括外区定子轭1-3和P s个沿着外区定子轭1-3内圆周均匀凸出的外区定子齿1-4，任意相邻两个外区定子齿1-4之间形成一个外区定子槽1-5，m相电枢绕组1-2分布于所述P s个外区定子槽1-5内，且所述m相电枢绕组1-2分别绕制于外区定子齿1-4，满足P s=6n，其中n为正整数。
中间转子2由q块导磁块2-1和q块绝缘块2-2沿圆周方向交错排列，且满足2q= P s±2k，其中k为正整数。
参见图3和图4，内区定子铁心3-1为圆环形，在内区定子铁心3-1的外圈沿圆周均匀放置P s块扇环形钕铁硼永磁体3-2，钕铁硼永磁体3-2内弧面与内区定子铁心3-1外圈紧密贴合在一起。P s块钕铁硼永磁体3-2在圆周方向不直接相连，形成扇环形间隙，在间隙内嵌入扇环形铝镍钴永磁体3-3。扇环形铝镍钴永磁体3-3的两个侧面与钕铁硼永磁体3-2紧密贴合在一起，扇环形铝镍钴永磁体3-3径向内径大于扇环形钕铁硼永磁体3-2径向内径，扇环形铝镍钴永磁体3-3径向外径小于扇环形钕铁硼永磁体3-2径向外径，在每块铝镍钴永磁体3-3径向两侧形成2个内区定子槽3-5，在内区定子槽3-5放置脉冲磁化绕组3-4并绕在铝镍钴永磁体3-3上。
钕铁硼永磁体3-2采用稀土钕铁硼永磁材料，P s块钕铁硼永磁体3-2充磁方向沿径向交替变化，且其中心线与外区定子齿1-4中心线对齐，两者在同一直线上。铝镍钴永磁体3-3采用铝镍钴永磁材料，P s块铝镍钴永磁体3-3充磁方向沿切向交替变化，其中心线与外区定子槽1-5中心线对齐，两者在同一直线上。由于铝镍钴永磁材料具有矫顽力低的特点，采用铸造型制造工艺，温度稳定性高，且能被短时脉冲电流充、去磁，并“记忆”住其磁密水平，可实现电机气隙磁密灵活调节。
脉冲磁化绕组3-4为集中绕组，P s个脉冲磁化绕组3-4集中绕组线圈串联形成单相脉冲绕组，脉冲绕组施加短时脉冲电流，以改变铝镍钴永磁体3-3的磁化水平和磁化方向来调节电机的气隙磁场。图3所示为铝镍钴永磁体3-3被短时脉冲电流正向充磁时，内区定子上永磁体磁化方向示意图。图4所示为铝镍钴永磁体3-3被短时脉冲电流反向充磁时，内区定子上永磁体磁化方向示意图。
图5（a）、图5（b）为本实用新型电机磁场调节原理图，其中铝镍钴永磁体3-3产生的磁链方向用虚线表示，钕铁硼永磁体3-2产生的磁链用实线表示。
如图5（a）为“低速增磁增矩”模式，此时铝镍钴永磁体3-3完全正向磁化，铝镍钴永磁体3-3与钕铁硼永磁体3-2产生的磁链在永磁体外侧经过内外气隙、中间转子2的导磁块2-1及外区定子铁心1-1形成的主磁路时方向相同，而在永磁体内侧流经内区定子铁心3-1时方向相反，因此铝镍钴永磁体3-3与钕铁硼永磁体3-2在永磁体外侧的磁场相互叠加实现主磁场增磁，而在永磁体内侧相互削弱实现弱磁，此时电机具有较大的气隙磁密，适用于低速大转矩工况，同时降低了内区定子的铁耗，提高低速运行时电机的效率。
图5（b）所示为“高速弱磁调速”模式，此时铝镍钴永磁体3-3完全反向磁化，铝镍钴永磁体3-3与钕铁硼永磁体3-2产生的磁链在永磁体外侧经过内外气隙、中间转子导磁块2-1及外区定子铁心1-1形成的主磁路时方向相反，而在永磁体内侧流经内区定子铁心3-1时方向相同，因此铝镍钴永磁体3-3与钕铁硼永磁体3-2在永磁体外侧的主磁场相互削弱实现弱磁，从而实现拓宽电机调速范围的目的，而且由于通过对永磁磁场的调节进行弱磁，从而降低了弱磁电流及相应产生的铜耗，因此也提高了高速运行时电机的效率。
图6（a）、图6（b）与图7（a）、图7（b）、图7（c）和图7（d）所示为有限元仿真的本实用新型电机在铝镍钴永磁体3-3完全正、反向磁化时空载磁场分布情况。图6（a）和图6（b）中磁力线分布图分别与图5（a）和图5（b）所示磁场分布原理图相符，图7（a）、图7（b）、图7（c）和图7（d）显示了铝镍钴永磁体3-3完全正、反向磁化时内、外气隙磁密显著的变化，说明本实用新型电机增磁及弱磁能力强，可实现低速大转矩、高速宽调速范围和高效率的性能要求，适用于电动汽车领域。
上述实施方式只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种定子双分区混合永磁记忆电机，其特征在于，包括同心布置的内区定子（3）、环绕内区定子（3）的中间转子（2）和环绕中间转子（2）的外区定子（1）；
所述外区定子（1）与中间转子（2）之间设置有外气隙，所述内区定子（3）与中间转子（2）之间设置有内气隙；
内区定子（3）包括内区定子铁心（3-1）、设于内区定子铁心（3-1）外壁上的永磁体以及设置于永磁体上的脉冲磁化绕组（3-4）；所述中间转子（2）包括沿圆周方向交错排列的导磁块（2-1）和绝缘块（2-2）；外区定子（1）包括外区定子铁心（1-1）和设于外区定子铁心（1-1）上的m相电枢绕组（1-2）；
所述内区定子（3）、外区定子（1）与电机外壳固定连接，所述中间转子（2）通过转子支架与电机输出轴固定连接；
所述外区定子铁心（1-1）包括外区定子轭（1-3）和P s个沿着外区定子轭（1-3）内圆周均匀凸出的外区定子齿（1-4），任意相邻两个外区定子齿（1-4）之间形成一个外区定子槽（1-5），所述m相电枢绕组（1-2）分布于P s个外区定子槽（1-5）内，且其绕制于外区定子齿（1-4）上，满足P s=6n，其中n为正整数；所述设于内区定子铁心（3-1）外壁上的永磁体包括扇环形钕铁硼永磁体（3-2）和扇环形铝镍钴永磁体（3-3）且扇环形钕铁硼永磁体（3-2）和扇环形铝镍钴永磁体（3-3）以Halbach阵列布置。
2.根据权利要求1所述的定子双分区混合永磁记忆电机，其特征在于，所述中间转子（2）由q块导磁块（2-1）和q块绝缘块（2-2）沿圆周方向交错排列，且满足2q= P s±2k，其中k为正整数。
3.根据权利要求1所述的定子双分区混合永磁记忆电机，其特征在于，所述内区定子铁心（3-1）的外圆周均匀放置P s块扇环形钕铁硼永磁体（3-2），所述钕铁硼永磁体（3-2）内弧面与内区定子铁心（3-1）外圈紧密贴合在一起，P s块钕铁硼永磁体（3-2）在圆周方向不直接相连，形成扇环形间隙，在间隙内嵌入所述扇环形铝镍钴永磁体（3-3），扇环形铝镍钴永磁体（3-3）两侧面分别与钕铁硼永磁体（3-2）的两侧面紧密贴合在一起。
4.根据权利要求3所述的定子双分区混合永磁记忆电机，其特征在于，所述扇环形铝镍钴永磁体（3-3）径向内径大于所述扇环形钕铁硼永磁体（3-2）径向内径，所述扇环形铝镍钴永磁体（3-3）径向外径小于所述扇环形钕铁硼永磁体（3-2）径向外径；在每块铝镍钴永磁体（3-3）径向两侧形成2个内区定子槽（3-5），所述脉冲磁化绕组（3-4）放置于内区定子槽（3-5）内且绕在所述铝镍钴永磁体（3-3）上。
5.根据权利要求4所述的定子双分区混合永磁记忆电机，其特征在于，所述钕铁硼永磁体（3-2）采用稀土钕铁硼永磁材料，P s块钕铁硼永磁体（3-2）充磁方向沿径向交替变化，且其径向中心线与所述外区定子齿（1-4）径向中心线对齐。
6.根据权利要求4所述的定子双分区混合永磁记忆电机，其特征在于，所述铝镍钴永磁体（3-3）采用铝镍钴永磁材料，P s块铝镍钴永磁体（3-3）充磁方向沿切向交替变化，其径向中心线与外区定子槽（1-5）径向中心线对齐。
7.根据权利要求1-6任一所述的定子双分区混合永磁记忆电机，其特征在于，所述脉冲磁化绕组（3-4）为集中绕组，多个所述脉冲磁化绕组（3-4）集中绕组线圈串联形成单相脉冲绕组，且为其施加短时脉冲电流。
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| CN111769707A (zh) * | 2020-06-09 | 2020-10-13 | 淮阴工学院 | 一种Halbach阵列混合永磁定子双分区电机 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111769707A (zh) * | 2020-06-09 | 2020-10-13 | 淮阴工学院 | 一种Halbach阵列混合永磁定子双分区电机 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Shanghai Yanqiao Information Technology Co.,Ltd. Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2022980020273 Denomination of utility model: Stator dual zone hybrid permanent magnet memory motor Granted publication date: 20210101 License type: Common License Record date: 20221108 |
|
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231122 Address after: Beside Line G235, Taxia Village, Puzhai Town, Fengshun County, Meizhou City, Guangdong Province, 514000 (in the Eco-Industrial Park) Patentee after: GUANGDONG HUAYU SCIENCE AND TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 230000 floor 1, building 2, phase I, e-commerce Park, Jinggang Road, Shushan Economic Development Zone, Hefei City, Anhui Province Patentee before: Dragon totem Technology (Hefei) Co.,Ltd. Effective date of registration: 20231122 Address after: 230000 floor 1, building 2, phase I, e-commerce Park, Jinggang Road, Shushan Economic Development Zone, Hefei City, Anhui Province Patentee after: Dragon totem Technology (Hefei) Co.,Ltd. Address before: 223005 Jiangsu Huaian economic and Technological Development Zone, 1 East Road. Patentee before: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY |
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| TR01 | Transfer of patent right |