一種混合永磁磁極交替式磁通切換型記憶電機(jī)及其繞組切換弱磁控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種混合永磁磁極交替式磁通切換型記憶電機(jī)及其繞組切換弱磁控制方法，屬于可調(diào)磁通永磁電機(jī)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在電機(jī)領(lǐng)域中，普通永磁同步電機(jī)(PMSM)由于普通永磁材料(如釹鐵硼)的固有特性，電機(jī)內(nèi)的氣隙磁場基本保持恒定，作為電動運(yùn)行時調(diào)速范圍十分有限，在諸如電動汽車，航空航天等寬調(diào)速直驅(qū)場合的應(yīng)用受到一定限制，故以實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)的氣隙磁場的有效調(diào)節(jié)為目標(biāo)的可調(diào)磁通永磁電機(jī)一直是電機(jī)研宄領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。永磁記憶電機(jī)(以下簡稱“記憶電機(jī)”)是一種新型的磁通可控型永磁電機(jī)，它采用低矯頑力鋁鎳鈷永磁體，通過定子繞組或者直流脈沖繞組產(chǎn)生周向磁場，從而改變永磁體磁化強(qiáng)度對氣隙磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時永磁體的磁密水平具有被永磁體記憶的特點(diǎn)。
[0003]傳統(tǒng)的記憶電機(jī)由克羅地亞裔德國電機(jī)學(xué)者奧斯托維奇(Ostovic)教授在2001年提出。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的記憶電機(jī)由寫極式電機(jī)發(fā)展而來，轉(zhuǎn)子由鋁鎳鈷永磁體、非磁性夾層和轉(zhuǎn)子鐵心組成三明治結(jié)構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)能夠隨時對永磁體進(jìn)行在線反復(fù)不可逆充去磁，同時減小交軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響。
[0004]然而，這種基本結(jié)構(gòu)的記憶電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)存在著不足。由于永磁體處于轉(zhuǎn)子，電樞繞組同時具備能量轉(zhuǎn)換和磁場調(diào)節(jié)功能，因此在線調(diào)磁難度大大增加；其次，由于采用了AlNiCo永磁體，為了獲足夠的磁通，就必須采用足夠厚度的材料。而在上述的切向式結(jié)構(gòu)下，不易實(shí)現(xiàn)；同時，轉(zhuǎn)子必須做隔磁處理，而且整個轉(zhuǎn)子由多個部分緊固在軸上，降低了機(jī)械可靠性；最后，在需要寬調(diào)速驅(qū)動電機(jī)的場合，如機(jī)床和電動汽車中，采用上述結(jié)構(gòu)的永磁氣隙主磁通不高，電機(jī)力能指標(biāo)也不能讓人滿意。因此許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合永磁式內(nèi)置式永磁記憶電機(jī)提出，但是由于轉(zhuǎn)子永磁以及鐵心的磁路飽和將造成高速區(qū)電機(jī)溫升和鐵心損耗增大，效率受到極大影響。設(shè)有兩種不同材料的永磁共同勵磁，其中釹鐵硼永磁提供氣隙主磁場，而“V”形聚磁式鋁鎳鈷永磁起到磁場調(diào)節(jié)器的作用。然而，轉(zhuǎn)子永磁式混合永磁結(jié)構(gòu)存在高速渦流損耗和高溫升等問題，而且在高負(fù)載運(yùn)行區(qū)域，其低矯頑力永磁交叉去磁嚴(yán)重，使得磁阻轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重降低，影響了整機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。
[0005]近些年來，一種新型的定子永磁型電機(jī)一磁通切換永磁(Switched FluxPermanent Magnet，以下簡稱SFPM)電機(jī)由于其卓越的性能受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。SFPM電機(jī)具有高功率密度、效率高、空載磁鏈雙極性、空載感應(yīng)電動勢的正弦度極高和結(jié)構(gòu)簡單可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在永磁同步電機(jī)領(lǐng)域，SFPM電機(jī)已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的內(nèi)置式和表貼式永磁電機(jī)，在航空等領(lǐng)域具有更大的工業(yè)價值。
[0006]然而，傳統(tǒng)SFPM電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心存在著磁滯損耗和渦流損耗，而且氣隙磁場由永磁體勵磁產(chǎn)生，難以調(diào)節(jié)，限制了其在電動汽車寬調(diào)速驅(qū)動場合的應(yīng)用；其次還存在漏磁問題，永磁體利用率不高，導(dǎo)致電磁兼容問題。
[0007]法國學(xué)者提出的混合勵磁磁通切換永磁電機(jī)實(shí)現(xiàn)了氣隙磁場的可調(diào)節(jié)性，該電機(jī)勵磁磁勢和永磁磁勢并聯(lián)，使得其弱磁能力十分突出。但是，這種電機(jī)同時存在兩個磁勢源，兩者磁通容易相互耦合、相互影響，增大了電磁特性的復(fù)雜性，且存在增大勵磁損耗、勵磁電流控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度大等弱點(diǎn)。
[0008]專利CN200910196558.0公開了一種雙凸極記憶電機(jī)，第一次將“記憶電機(jī)“的概念融入定子永磁型電機(jī)中以實(shí)現(xiàn)高效的在線調(diào)磁，但是該電機(jī)只采用低矯頑力的鋁鎳鈷永磁，且基于雙凸極運(yùn)行機(jī)理，電機(jī)具有磁鏈的單極性和接近梯形波的反電勢，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和轉(zhuǎn)矩脈動較大，工業(yè)應(yīng)用性較差，此外，該電機(jī)的電樞槽面積較之脈沖繞組槽較小，大大降低了電機(jī)的功率密度和力能表現(xiàn)?？傊?，以上所述的混合勵磁和記憶電機(jī)普遍存在提調(diào)磁容量大和轉(zhuǎn)矩密度低的問題，因此提出一種高轉(zhuǎn)矩密度的記憶電機(jī)對于風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車和多電飛機(jī)\艦艇等工業(yè)領(lǐng)域有著顯著的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種混合永磁磁極交替式磁通切換型記憶電機(jī)及其繞組切換弱磁控制方法，該電機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單，永磁利用率較高，具備較大的轉(zhuǎn)矩密度和高效的空載氣隙磁場調(diào)節(jié)，提高轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍；混合永磁共同勵磁的方式可以提供多種工作模式，增強(qiáng)驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性和容錯運(yùn)行能力；繞組切換將脈沖調(diào)磁繞組從功能上由直流調(diào)磁到交流驅(qū)動進(jìn)行切換，削弱了電機(jī)高速時的反電勢，增大了電機(jī)的直軸電感，以提升電機(jī)恒功率運(yùn)行區(qū)范圍，增強(qiáng)電機(jī)弱磁增速能力。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種混合永磁磁極交替式磁通切換型記憶電機(jī)，包括定子(I)、與定子相適配的集中式電樞繞組(5)和脈沖調(diào)磁繞組(6)、凸極轉(zhuǎn)子(2)和不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸(9)，定子(I)設(shè)在轉(zhuǎn)子(2)外部，轉(zhuǎn)子(2)固定于不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸(9)上，且為凸極式；
[0011]所述定子(I)為混合永磁磁極交替式結(jié)構(gòu)，所述定子(I)包括一個以上的外層“U”形定子單元(1.1)和內(nèi)層“U”形定子齒(1.2)，所述外層“U”形定子單元(1.1)沿轉(zhuǎn)子(2)的周向設(shè)置，且所述內(nèi)層“U”形定子齒(1.2)設(shè)置于外層“U”形定子單元(1.1)內(nèi)，所述內(nèi)層“U”形定子齒(1.2)與外層“U”形定子單元(1.1)之間設(shè)置有“V”形鋁鎳鈷永磁(3)，所述內(nèi)層“U”形定子齒(1.2)與外層“U”形定子單元(1.1)之間通過“V”形鋁鎳鈷永磁(3)上的導(dǎo)磁橋(3)固聯(lián)為一個整體；相鄰的外層“U”形定子鐵心(1.1)之間嵌入釹鐵硼永磁體(4)，且所述相鄰的兩個釹鐵硼永磁體(4)之間極性相反；所述相鄰的外層“U”形定子鐵心(1.1)，以及他們之間的釹鐵硼永磁體(4)構(gòu)成第一永磁磁極；內(nèi)層“U”形定子齒(1.2)與“V”形鋁鎳鈷永磁(3)構(gòu)成磁通可調(diào)的第二永磁磁極，以控制電樞繞組匝鏈的永磁磁通；
[0012]所述集中式電樞繞組(5)跨繞在第一永磁磁極之上，而脈沖調(diào)磁繞組(6)并繞在第二永磁磁極之上。
[0013]優(yōu)選的:所述釹鐵硼永磁體(4)為交替極性切向充磁結(jié)構(gòu)，該交替極性切向充磁結(jié)構(gòu)為不完全填充相鄰?fù)鈱印癠”形定子單元(1.1)以形成的“虛槽”。
[0014]優(yōu)選的:所述內(nèi)層“U”形定子齒(1.2)為開槽式極靴結(jié)構(gòu)。
[0015]優(yōu)選的:所述“V”形鋁鎳鈷永磁(3)沿圓周半徑方向朝內(nèi)平行充磁，北極、南極交替排列；而釹鐵硼永磁體(4)沿圓周切向充磁，北極、南極交替排列。
[0016]優(yōu)選的:電機(jī)的電樞磁場與兩種永磁的磁場均為并聯(lián)關(guān)系，因此可以減少電樞反應(yīng)磁場對永磁體的影響，以提升電機(jī)負(fù)載情況下的動態(tài)性能。。
[0017]優(yōu)選的:第一永磁磁極和第二永磁磁極之間形成的空槽(8)同時放置電樞繞組
(5)和脈沖調(diào)磁繞組(6)。
[0018]優(yōu)選的:脈沖調(diào)磁繞組(6)均為集中繞組，脈沖調(diào)磁繞組(6)依次首尾串聯(lián)形成單相脈沖繞組，脈沖調(diào)磁繞組(6)施加短時脈沖電流，且方向形成交替分布，以改變鋁鎳鈷永磁體(3)的磁化水平甚至磁化方向來調(diào)節(jié)電機(jī)的氣隙磁場。
[0019]一種混合永磁磁極交替式磁通切換型