阅读说明：本技术 一种轴向磁通混合励磁记忆电机 (Axial magnetic flux hybrid excitation memory motor ) 是由 曹永娟 冯亮亮 毛瑞 于 2020-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种轴向磁通混合励磁记忆电机,包括一个定子盘和一个Halbach结构的转子盘,定子盘由定子铁芯以及三相电枢绕组组成,其中定子铁芯包括定子轭和定子齿,相邻两个定子齿之间形成定子槽,三相电枢绕组缠绕在定子齿上；转子盘满足Halbach复合阵列,其外侧由多个铝镍钴永磁体和多个相互串联的脉冲励磁绕组组成,两个相邻铝镍钴永磁体的充磁方向相反,并且铝镍钴永磁体两两之间设有软磁材料,铝镍钴永磁体上缠绕着脉冲励磁绕组；钕铁硼永磁体相距一定的角度表贴在转子盘的内侧,并且两个相邻钕铁硼永磁体的充磁方向相反。本发明结构紧凑,可实现电机的气隙磁场的灵活调节,具有更宽广的调速范围以及低速大转矩的性能。(The invention discloses an axial magnetic flux hybrid excitation memory motor, which comprises a stator disc and a rotor disc with a Halbach structure, wherein the stator disc consists of a stator core and a three-phase armature winding, the stator core comprises a stator yoke and stator teeth, a stator slot is formed between every two adjacent stator teeth, and the three-phase armature winding is wound on the stator teeth; the rotor disc meets a Halbach composite array, the outer side of the rotor disc consists of a plurality of AlNiCo permanent magnets and a plurality of pulse excitation windings which are mutually connected in series, the magnetizing directions of two adjacent AlNiCo permanent magnets are opposite, soft magnetic materials are arranged between every two AlNiCo permanent magnets, and the pulse excitation windings are wound on the AlNiCo permanent magnets; the Nd-Fe-B permanent magnets are attached to the inner side of the rotor disc at a certain angle, and the magnetizing directions of the two adjacent Nd-Fe-B permanent magnets are opposite. The invention has compact structure, can realize the flexible adjustment of the air gap magnetic field of the motor, and has wider speed regulation range and low-speed and high-torque performance.)

一种轴向磁通混合励磁记忆电机

技术领域

本发明涉及一种轴向磁通混合励磁记忆电机，属于电机的技术领域。

背景技术

近些年来，随着科技的不断进步，以稀土为材料的永磁体的性能不断提高，永磁电机因为它的高效率、高功率密度受到了极大的追捧，在航空、航天、汽车等各个领域都得到了广泛的应用。在现实生活中，永磁电机的结构并不单一，在各式各样的永磁电机中，轴向磁场永磁电机，又称为盘式电机，它不仅具有体积小、结构十分紧凑、轴向尺寸短的特点，而且拥有很高的转矩密度和高效率，在一些比较特殊的工作环境有着更加明显的优势。轴向磁场永磁电机主要用于运动控制，在一些需要同时满足轴向尺寸小和转矩足够大的直驱场合得到了广泛应用。

永磁电机用于驱动场合时，当永磁电机处于低速恒转矩区时，气隙磁场应当足够大，实现较高的里能指标。当永磁电机处于高速恒功率区时，气隙磁场应该降低到足够低，使得电机有足够宽的调速范围。在常见的永磁电机中由于钕铁硼等永磁材料的固有特性，而导致电机的气隙磁场基本恒定，大大限制了其应用的场景。为了使永磁电机的气隙可调节，一种通过改变永磁体磁化水平来实现气隙调节的电机逐渐受到了欢迎，这种电机采用了一种新的永磁材料——铝镍钴，它具有高剩磁，低矫顽力等特点。可以通过对其施加脉冲电流瞬间改变它的磁化状态，同时它的磁化水平能够被记忆住，从而实现了气隙磁场的灵活调节。这种气隙磁场的调剂方式几乎不产生电励磁损耗，而且不会牺牲电机其他的性能指标，可以看作为一种十分简便且高效的调磁方案。

东南大学林鹤云等人在记忆电机的研究综述及最新进展一文中提到了一种轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机，这种电机可以通过在单相脉冲绕组上加以不同的电流，进而来控制气隙磁场的调节，而且该类电机具有反电动势正弦度高、定位力矩和转矩脉动小、功率密度大以及容错率高等优点，但是由于采用了低矫顽力的铝镍钴永磁体，将会导致最大的气隙磁通达不到钕铁硼永磁电机的要求水平，导致电机的整体性能下降。

为了获得一种具备更高功率密度、磁通可控、散热性能优异的混合永磁记忆电机，中国专利公开号为CN206237285U，名称为“一种Halbach聚磁型轴向磁场混合永磁电机”采用了一种双定子单转子的电机结构，但是采用了双定子结构，使得电机结构更为复杂，电机整体不够紧凑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，本发明提供一种轴向磁通混合励磁记忆电机，以获得一种具备高功率密度、可调磁、质量轻、尺寸小、散热性能优异的永磁记忆电机。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种轴向磁通混合励磁记忆电机，包括一个定子盘和一个Halbach结构的转子盘，定子盘和转子盘之间形成单侧气隙结构并同轴安装于安装轴上，通过轴承将安装轴固定在电机的外壳上，定子盘由定子铁芯以及三相电枢绕组组成，其中定子铁芯包括定子轭和定子齿，相邻两个定子齿之间形成定子槽，三相电枢绕组缠绕在定子齿上；转子盘满足Halbach复合阵列，其外侧由多个铝镍钴永磁体和多个相互串联的脉冲励磁绕组组成，两个相邻铝镍钴永磁体的充磁方向相反，并且铝镍钴永磁体两两之间设有软磁材料，铝镍钴永磁体上缠绕着脉冲励磁绕组；钕铁硼永磁体相距一定的角度表贴在转子盘的内侧，并且两个相邻钕铁硼永磁体的充磁方向相反。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述转子盘上钕铁硼永磁体的数量、铝镍钴永磁体的数量和定子盘上的定子齿数目相等，都为6的整数倍。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述钕铁硼永磁体的数量、铝镍钴永磁体的数量、定子齿的数量的个数均为6个。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述钕铁硼永磁体表贴在软磁材料表面、铝镍钴永磁体与软磁材料拼接成转子圆环，且钕铁硼永磁体中心与定子齿中心相对齐。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：两个相差180度的三相电枢绕组线圈采用串联的形式构成单独一相，总共三相；所有的脉冲励磁绕组都采用串联形式，通入直流脉冲的方式进行调磁。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述定子轭和定子齿均由冷轧无取向硅钢片叠压而成。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述转子盘包括一个非导磁圆环、6个沿着非导磁圆环周向等间距排布的转子铁芯齿，以及内外各6个并且等间距排布的钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述三相电枢绕组和脉冲励磁绕组均为集中绕组。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述钕铁硼永磁体、铝镍钴永磁体以及转子铁芯齿均为扇形。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述钕铁硼永磁体为轴向充磁，且铝镍钴永磁体为周向充磁，构成Halbach结构。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

1. 本发明不仅具备盘式永磁电机、记忆电机的的特点，还包括了Halbach型电机的优点，电机包括一个定子盘和一个转子盘，转子盘上同时装有钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体，铝镍钴永磁体上绕有励磁绕组，调磁方式为脉冲调磁，通过控制脉冲电流大小以及方向来调节铝镍钴永磁体的磁化状态，进而调节永磁电机的气隙磁场；在拥有记忆电机优点的同时，该电机仍保留着盘式永磁电机结构紧凑、漏磁较小的优点。

2. 本发明的定子盘上无永磁体，从而使得定子盘结构更加简单且质量更轻，同时定子和软磁体均采用冷轧无取向硅钢片材材料，减小了涡流效应以及漏磁，而且降低了电机的制造成本。

3. 本发明的励磁方式为自励磁方式，通过在转子盘上加上一个直流电源以及脉冲发生装置来进行调磁，提高了永磁电机的工作效率。

4. 本发明的主励磁源为钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体这两种类型的永磁体，可以通过控制这两种永磁材料的用量关系来确定电机的调速范围，通过控制脉冲电流的大小来控制铝镍钴永磁体的磁化强度以及工作点，进而实现电机的气隙磁场的灵活调节，使电机有更宽广的调速范围以及具备低速大转矩的性能。

附图说明

图1是本发明轴向磁通混合励磁记忆电机的三维结构示意图。

图2（a）是本发明的转子盘内侧结构示意图，图2（b）是本发明的定子盘外侧结构示意图。

图3（a）是本发明的转子盘外侧结构示意图，图3（b）是本发明定子盘内侧结构示意图。

图4是本发明的充磁磁路示意图。

图5是本发明的去磁磁路示意图。

图中：1、转子铁心齿；2、定子轭；2.1、定子齿；2.2、定子槽；3.1、三相电枢绕组；3.2、脉冲励磁绕组；4、铝镍钴永磁体；4.1、顺时针方向周向充磁的铝镍钴永磁体；4.2、逆时针方向周向充磁的铝镍钴永磁体；5、钕铁硼永磁体；5.1、5.3、垂直纸面向里轴向充磁的钕铁硼永磁体；5.2、垂直纸面向外轴向充磁的钕铁硼永磁体；6、非导磁圆环。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明设计了一种轴向磁通混合励磁记忆电机，包括一个定子盘和一个Halbach结构的转子盘，定子盘和转子盘之间形成单侧气隙结构并同轴安装于安装轴上，通过轴承将安装轴固定在电机的外壳上，定子盘由定子铁芯以及三相电枢绕组3.1组成，同时定子铁芯包括定子轭2和定子齿2.1，相邻两个定子齿之2.1间形成定子槽2.2，三相电枢绕组3.1缠绕在定子齿2.1上，其外侧及内侧结构如图2（b）和图3（a）所示；转子盘满足Halbach复合阵列结构，其外侧由多个铝镍钴永磁体4和多个相互串联的脉冲励磁绕组3.2组成，两个相邻铝镍钴永磁体4的充磁方向相反，并且铝镍钴永磁体4两两之间设有软磁材料，铝镍钴永磁体4上缠绕着脉冲励磁绕组3.2；钕铁硼永磁体5相距一定的角度表贴在转子盘的内侧，相邻的两个钕铁硼永磁体5的充磁方向也相反。

其中，所述转子盘上钕铁硼永磁体5、铝镍钴永磁体4的数量和定子盘上的定子齿2.1数目均相等，都为6的整数倍，本实施例优选为6个。并且钕铁硼永磁体5表贴在软磁材料表面、铝镍钴永磁体4与软磁材料拼接成转子圆环，其钕铁硼永磁体5中心与定子齿2.1中心相对齐。

所述的定子盘仅有定子铁芯以及电枢绕组构成，由于定子盘上没有永磁体，所以定子盘结构较为简单，易于加工。两个相差180^。三相电枢绕组线圈采用串联的形式构成单独一相，总共三相。

所述的转子盘根据Halbach复合阵列进行设计，转子盘的外侧由6个周向充磁的铝镍钴永磁体和多个脉冲励磁绕组构成，脉冲励磁绕3.2组缠绕在铝镍钴永磁体4上，相邻两个铝镍钴永磁体4的充磁方向相反，如图2（a）所示，相邻两个为顺时针方向周向充磁的铝镍钴永磁体4.1和逆时针方向周向充磁的铝镍钴永磁体4.2。内侧则表贴着6个相距一定角度的钕铁硼永磁体5，钕铁硼永磁体5采用轴向充磁，任意相邻的两个钕铁硼永磁体的充磁方向相反，如图2（a）所示，包括两个垂直纸面向里轴向充磁的钕铁硼永磁体5.1、5.3，和垂直纸面向外轴向充磁的钕铁硼永磁体5.2。

所述转子盘上的永磁体均采用表贴式结构，使用厌氧胶使得永磁体粘在盘表面，这样不仅可以降低制作成本还可以进一步减小漏磁，大大提升了永磁体的利用率，通过这种方式也有助于永磁体的散热，提高永磁电机的运行效率。

所述的轴向磁通混合励磁记忆电机是一种单定子单转子电机，转子盘上的钕铁硼永磁体5按照一定的间隔表贴在转子内侧，相邻的钕铁硼永磁体5之间则有一块周向充磁的铝镍钴永磁体4。所有的脉冲励磁绕组都采用串联形式，通入直流脉冲的方式进行调磁。

所述定子轭2和定子齿2.1均由冷轧无取向硅钢片叠压而成，由此可以减小涡流效应、减少漏磁以及降低制造成本。

优选地，如图3（b）所示，转子盘包括一个非导磁圆环6、6个沿着非导磁圆环周向等间距排布的转子铁芯齿1，以及内外各6个并且等间距排布的钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体。转子铁芯齿是转子盘的组成部分，转子铁芯齿1和铝镍钴永磁体4沿着非导磁圆环6周向等间距排布，并用厌氧胶和螺栓固定，非导磁圆环6采用采用耐热的聚氨酯塑料材料。

所述三相电枢绕组3.1和励磁绕组3.2均为集中绕组，6个电枢绕组3.1每相隔180度的两个线圈采用串联形式，变成3个三相交流电输出。所有的励磁绕组3.2都采用串联形式，通入直流脉冲的方式进行调磁。

并且，所述钕铁硼永磁体5、铝镍钴永磁体4以及转子铁心齿1均为扇形。所述钕铁硼永磁体5充磁方式为轴向充磁，铝镍钴永磁体4充磁方式为周向充磁共同构成一种Halbach结构，具有聚磁效果。

本发明轴向磁通混合励磁记忆电机的工作原理具体为：

如图4所示，当电机需要提高输出功率运行时，通过给脉冲励磁绕组施加正向额定直流脉冲磁化电流，铝镍钴永磁体具有并且保持着周向磁化水平，转子盘上的钕铁硼永磁体产生恒定的轴向磁场，与转子盘外侧铝镍钴永磁体的周向磁场构成了Halbach聚磁结构；此时磁力线从铝镍钴永磁体出发，经过转子铁芯齿、钕铁硼永磁体、气隙，到达定子盘上的三相电枢绕组，产生最大的气隙磁场。

如图5所示，当电机减小输出功率运行时，通过脉冲励磁绕组施加反向额定直流脉冲磁化电流，降低铝镍钴永磁体的周向磁化水平，减小了铝镍钴永磁体所产生的磁通量，此时的气隙磁通仅仅由钕铁硼永磁体周向磁场产生，降低了气隙磁场。因此可以通过施加不同程度大小的直流脉冲磁化电流来调节气隙磁场的大小，这种方式对电机的损耗较小，同时可以提高电机的弱磁能力及恒功率的运行效率。

本发明不仅具备盘式永磁电机、记忆电机的的特点，还包括了Halbach型聚磁电机的优点，包含一个定子盘和一个转子盘，定子盘上绕有三相电枢绕组，转子盘上则由铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体，以及缠绕在铝镍钴永磁体上的脉冲励磁绕组构成，可以通过控制脉冲电流的大小及方向进而控制铝镍钴永磁体的磁化状态，从而调节气隙磁场的大小；同时定子盘上无永磁体，从而使得定子盘结构更加简单且质量更轻，同时定子和软磁体均采用冷轧无取向硅钢片材材料，减小了涡流效应以及漏磁，而且降低了电机的制造成本；本发明电机的励磁方式为自励磁方式，通过在转子盘上加上一个直流电源以及脉冲发生装置来进行调磁，提高了永磁电机的工作效率；本发明电机的主励磁源为钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体这两种类型的永磁体，可以通过控制这两种永磁材料的用量关系来确定电机的调速范围，通过控制脉冲电流的大小来控制铝镍钴永磁体的磁化强度以及工作点，进而实现电机的气隙磁场的灵活调节，使电机有更宽广的调速范围以及具备低速大转矩的性能。

以上所述仅在说明本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明专利的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，可以对本发明的技术方案进行改进或者等同替换，但这些改进和等同替换也应视为本发明的保护范围。