本發(fā)明屬于電機(jī)領(lǐng)域，具體涉及一種Halbach聚磁型軸向磁場(chǎng)混合永磁記憶電機(jī)。

背景技術(shù)：

隨著稀土永磁材料性能的不斷提高，以高效率、高功率密度為顯著特征的永磁電機(jī)得以快速發(fā)展，在航空、航天、汽車等很多工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在各種各樣永磁電機(jī)中，軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，又稱為盤式電機(jī)，不僅具有軸向尺寸短、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，而且由于其高轉(zhuǎn)矩密度和高效率，在很多特殊應(yīng)用場(chǎng)合具有明顯優(yōu)越性，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，主要應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制，特別適用于軸向尺寸要求較小且有大轉(zhuǎn)矩需求的直驅(qū)場(chǎng)合，如電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)。

作為驅(qū)動(dòng)用的永磁同步電機(jī)，希望電機(jī)工作在低速恒轉(zhuǎn)矩區(qū)時(shí)的氣隙磁場(chǎng)足夠高，有較高的力能指標(biāo)；而電機(jī)工作在高速恒功率區(qū)時(shí)，應(yīng)能使氣隙磁場(chǎng)削弱地足夠低，使電機(jī)有較寬的調(diào)速范圍。常規(guī)的軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)由于釹鐵硼等永磁材料的固有特性，電機(jī)內(nèi)氣隙磁場(chǎng)基本保持恒定，限制了其在諸如電動(dòng)汽車等寬調(diào)速直驅(qū)場(chǎng)合的應(yīng)用。目前人們?yōu)榱吮３钟来烹姍C(jī)在較寬速度范圍內(nèi)恒功率運(yùn)行，紛紛采用弱磁擴(kuò)速技術(shù)來(lái)擴(kuò)大永磁電機(jī)在高速狀態(tài)下的輸出功率。現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)永磁電機(jī)實(shí)現(xiàn)弱磁控制的方案主要有兩種，一是通過(guò)控制器調(diào)節(jié)電樞電流，利用電樞繞組中直軸電流分量產(chǎn)生的去磁磁勢(shì)去抵消一部分永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁勢(shì)，從而達(dá)到削弱主磁通的目的；二是采用混合勵(lì)磁方案，即在傳統(tǒng)永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)直流勵(lì)磁線圈，在基速以上此直流線圈產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)作為去磁磁勢(shì)，來(lái)達(dá)到削弱磁通的目的。上述方案雖然能達(dá)到削弱磁通的目的，但是需要增加控制器或直流勵(lì)磁線圈，會(huì)引起銅耗的增加，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)在高速區(qū)效率降低，并且可能會(huì)引起永磁體不可逆退磁。

因此，如何實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)可調(diào)成為近年來(lái)電機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，一種通過(guò)改變永磁體磁化水平來(lái)實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)，被稱為真正意義上的可變磁通永磁電機(jī)。該類電機(jī)采用高剩磁、低矯頑力的永磁材料--鋁鎳鈷，利用直流脈沖繞組電流或三相定子繞組電流產(chǎn)生的直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)來(lái)控制其磁化強(qiáng)度，并且其磁化水平能被記憶住，從而實(shí)現(xiàn)氣隙永磁磁場(chǎng)的靈活調(diào)節(jié)，在不犧牲電機(jī)其他性能指標(biāo)前提下，實(shí)現(xiàn)了寬調(diào)速范圍運(yùn)行。由于該電機(jī)的調(diào)磁是直接改變永磁體的磁化狀態(tài)，而不是利用外加磁動(dòng)勢(shì)來(lái)抵消，因此可以說(shuō)是一種真正意義上的磁通可控的永磁電機(jī)。

東南大學(xué)林鶴云等提出了一種軸向磁場(chǎng)磁通切換型表貼式永磁記憶電機(jī)，該電機(jī)雖能通過(guò)在單相脈沖繞組上施加不同電流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)可調(diào)，但該電機(jī)僅采用了矯頑力相對(duì)較低的鋁鎳鈷永磁體，電機(jī)的最大氣隙磁通很難達(dá)到釹鐵硼永磁電機(jī)的水平，電機(jī)力能指標(biāo)不盡如人意；或者為了獲得足夠的磁通，必須采用較厚的永磁材料，而且增磁和去磁磁通又通過(guò)電機(jī)的氣隙，這就導(dǎo)致所需的調(diào)磁脈沖磁動(dòng)勢(shì)較大，增大了繞組容量。

東南大學(xué)林明耀等提出了一種雙定子軸向磁場(chǎng)磁通切換型混合永磁記憶電機(jī)，該電機(jī)雖然能實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)的有效調(diào)節(jié)，但電樞繞組、單相脈沖勵(lì)磁繞組及永磁體均設(shè)置在同一定子盤上，不僅增加了兩種繞組之間的耦合，而且不利于電樞繞組的散熱。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種Halbach聚磁型軸向磁場(chǎng)混合永磁記憶電機(jī)，以獲得一種具備更高功率密度、磁通可控、散熱性能優(yōu)異的混合永磁記憶電機(jī)。

上述目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種Halbach聚磁型軸向磁場(chǎng)混合永磁記憶電機(jī)，包括第一定子盤、第二定子盤和設(shè)于兩個(gè)定子盤之間的轉(zhuǎn)子盤，定子盤和轉(zhuǎn)子盤之間形成氣隙并同軸安裝于安裝軸上，安裝軸經(jīng)軸承固定于電機(jī)外殼上；所述第一定子盤由定子鐵芯和三相電樞繞組組成，定子鐵芯包括定子軛和定子齒，相鄰定子齒之間形成定子槽，三相電樞繞組纏繞在定子齒上；所述第二定子盤為雙層Halbach復(fù)合陣列，分成上下兩層，下層由多個(gè)鐵芯塊和多個(gè)釹鐵硼永磁體間隔構(gòu)成，相鄰兩個(gè)釹鐵硼永磁體的充磁方向相反，靠近氣隙的上層由多個(gè)鋁鎳鈷永磁體和多個(gè)首尾串聯(lián)的脈沖勵(lì)磁繞組構(gòu)成，相鄰兩個(gè)鋁鎳鈷永磁體的充磁方向相反，且相鄰鋁鎳鈷永磁體之間設(shè)有間隔槽，脈沖勵(lì)磁繞組纏繞在鋁鎳鈷永磁體上。

其中，第二定子盤上永磁體均采用表貼式結(jié)構(gòu)，采用厭氧膠將永磁體粘貼于盤表面，制造方便，極大地減少了電機(jī)的漏磁，提高了永磁體的利用率；同時(shí)，表貼式安裝方式有利于電機(jī)永磁材料的散熱，降低熱損，進(jìn)一步提高電機(jī)的運(yùn)行效率。

優(yōu)選地，第二定子盤上釹鐵硼永磁體的中心與第一定子盤上定子槽的中心對(duì)齊，鋁鎳鈷永磁體置于鐵芯塊上，其中心與定子齒中心對(duì)齊。

優(yōu)選地，所述釹鐵硼永磁體的數(shù)量、鋁鎳鈷永磁體的數(shù)量以及定子齒的數(shù)量均相等，均為6的整數(shù)倍，優(yōu)選6個(gè)。

優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)子盤包括一個(gè)非導(dǎo)磁圓環(huán)和多個(gè)沿非導(dǎo)磁圓環(huán)周向等間距排布的轉(zhuǎn)子鐵芯齒，轉(zhuǎn)子鐵芯齒的個(gè)數(shù)為轉(zhuǎn)子盤的極對(duì)數(shù)，且轉(zhuǎn)子鐵芯齒個(gè)數(shù)＝K×釹鐵硼永磁體個(gè)數(shù)±1，K為正整數(shù)。

優(yōu)選地，所述三相電樞繞組和脈沖勵(lì)磁繞組均為集中繞組。三相電樞繞組和單相脈沖勵(lì)磁繞組均采用集中繞組型式，有效地降低了端部長(zhǎng)度，節(jié)省了銅導(dǎo)線材料。

優(yōu)選地，所述釹鐵硼永磁體、鋁鎳鈷永磁體和鐵芯塊均為扇形。

優(yōu)選地，釹鐵硼永磁體周向充磁，鋁鎳鈷永磁體軸向充磁，構(gòu)成Halbach聚磁型結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明提供的電機(jī)集中了盤式永磁電機(jī)、記憶電機(jī)及Halbach型聚磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，包含兩個(gè)不對(duì)稱的定子盤，其中第一定子結(jié)構(gòu)普通，而第二定子結(jié)構(gòu)中增加了鋁鎳鈷永磁體和單相脈沖勵(lì)磁繞組，通過(guò)控制脈沖電流大小和方向調(diào)節(jié)鋁鎳鈷永磁體的磁化狀態(tài)，從而可調(diào)節(jié)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)；同時(shí)，本發(fā)明電機(jī)結(jié)構(gòu)上保留了盤式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、漏磁小的特點(diǎn)，制造方便，很適合應(yīng)用于薄型安裝的場(chǎng)合，如電動(dòng)汽車用輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)等；

2、本發(fā)明電機(jī)的三相電樞繞組單獨(dú)放置于第一定子盤，與第二定子盤上的永磁體以及脈沖勵(lì)磁繞組分開設(shè)置，有利于減少繞組互感及耦合，并且有利于電機(jī)的散熱、冷卻；

3、本發(fā)明電機(jī)的轉(zhuǎn)子盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既無(wú)永磁材料，也無(wú)繞組，僅由鐵芯塊均勻排列而成，特別適用于高速運(yùn)行；

4、本發(fā)明電機(jī)采用釹鐵硼永磁和鋁鎳鈷永磁兩種類型的永磁材料作為電機(jī)的主勵(lì)磁源，可根據(jù)電機(jī)的調(diào)速范圍要求確定兩種永磁材料的用量關(guān)系；通過(guò)控制單相脈沖勵(lì)磁繞組電流的大小，能在線調(diào)節(jié)鋁鎳鈷永磁材料的磁化強(qiáng)度和工作點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的增弱磁控制，使電機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍和低速大轉(zhuǎn)矩性能。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為轉(zhuǎn)子在圖示位置時(shí)鋁鎳鈷永磁體完全充磁時(shí)磁通路徑圖，箭頭大小代表磁通幅值；

圖3為轉(zhuǎn)子在圖示位置時(shí)鋁鎳鈷永磁體部分充磁時(shí)磁通路徑圖，箭頭大小代表磁通幅值；

圖4為轉(zhuǎn)子在圖示位置時(shí)電機(jī)內(nèi)磁通路徑圖，實(shí)線為釹鐵硼永磁體產(chǎn)生的恒定磁通的閉合磁路，虛線為磁化狀態(tài)受脈沖勵(lì)磁繞組控制的鋁鎳鈷永磁體產(chǎn)生的可控磁通的閉合磁路；

圖中：1、第一定子盤；2、第二定子盤；3、轉(zhuǎn)子盤；4、定子鐵芯；4.1、定子齒；4.2、定子槽；5、三相電樞繞組；6、釹鐵硼永磁體；7、鐵芯塊；8、鋁鎳鈷永磁體；9、脈沖勵(lì)磁繞組；10、非導(dǎo)磁圓環(huán)；11、轉(zhuǎn)子鐵芯齒。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖具體介紹本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1所示的一種Halbach聚磁型軸向磁場(chǎng)混合永磁記憶電機(jī)，包括第一定子盤1、第二定子盤2和設(shè)于兩個(gè)定子盤之間的轉(zhuǎn)子盤3，定子盤和轉(zhuǎn)子盤之間形成氣隙并同軸安裝于安裝軸上，安裝軸經(jīng)軸承固定于電機(jī)外殼上；所述第一定子盤1由定子鐵芯4和三相電樞繞組5組成，定子鐵芯4包括定子軛和定子齒4.1，相鄰定子齒4.1之間形成定子槽4.2，三相電樞繞組5纏繞在定子齒4.1上；所述第二定子盤2為雙層Halbach復(fù)合陣列，分成上下兩層，下層由多個(gè)鐵芯塊7和多個(gè)釹鐵硼永磁體6間隔構(gòu)成，相鄰兩個(gè)釹鐵硼永磁體6的充磁方向相反，靠近氣隙的上層由多個(gè)鋁鎳鈷永磁體8和多個(gè)首尾串聯(lián)的脈沖勵(lì)磁繞組9構(gòu)成，相鄰兩個(gè)鋁鎳鈷永磁體8的充磁方向相反，且相鄰鋁鎳鈷永磁體8之間設(shè)有間隔槽，脈沖勵(lì)磁繞組9纏繞在鋁鎳鈷永磁體8上。

其中，第二定子盤2上釹鐵硼永磁體6的中心與第一定子盤1上定子槽4.2的中心對(duì)齊，鋁鎳鈷永磁體8置于鐵芯塊7上，其中心與定子齒4.1中心對(duì)齊。所述釹鐵硼永磁體6的數(shù)量、鋁鎳鈷永磁體8的數(shù)量以及定子齒4.1的數(shù)量均相等。所述轉(zhuǎn)子盤3包括一個(gè)非導(dǎo)磁圓環(huán)10和多個(gè)沿非導(dǎo)磁圓環(huán)10周向等間距排布的轉(zhuǎn)子鐵芯齒11，轉(zhuǎn)子鐵芯齒11的個(gè)數(shù)為轉(zhuǎn)子盤3的極對(duì)數(shù)，且轉(zhuǎn)子鐵芯齒個(gè)數(shù)＝K×釹鐵硼永磁體個(gè)數(shù)±1，K為正整數(shù)。所述三相電樞繞組5和脈沖勵(lì)磁繞組9均為集中繞組，有效地降低了端部長(zhǎng)度，節(jié)省了銅導(dǎo)線材料。所述釹鐵硼永磁體6、鋁鎳鈷永磁體8和鐵芯塊7均為扇形，通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)波形正弦性或最高轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)確定每個(gè)部分的扇形角度。

第二定子盤上永磁體均采用表貼式結(jié)構(gòu)，采用厭氧膠將永磁體粘貼于盤表面，制造方便，極大地減少了電機(jī)的漏磁，提高了永磁體的利用率；同時(shí)，表貼式安裝方式有利于電機(jī)永磁材料的散熱，降低熱損，進(jìn)一步提高電機(jī)的運(yùn)行效率。

工作原理：

如圖2所示，當(dāng)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，通過(guò)給脈沖勵(lì)磁繞組施加正向額定直流脈沖磁化電流，鋁鎳鈷永磁體具有并保持較高軸向磁化水平，第二定子盤下層釹鐵硼永磁體產(chǎn)生恒定的周向磁場(chǎng)，與鋁鎳鈷永磁體的軸向磁場(chǎng)構(gòu)成Halbach聚磁結(jié)構(gòu)；此時(shí)磁力線從釹鐵硼永磁體出發(fā)，經(jīng)過(guò)鋁鎳鈷永磁體、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵芯齒，到達(dá)第一定子盤上三相電樞繞組，產(chǎn)生最大的氣隙磁場(chǎng)；

如圖3所示，當(dāng)輕載或者電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)給脈沖勵(lì)磁繞組施加正向50％額定直流脈沖磁化電流，降低鋁鎳鈷永磁體的磁化水平，即鋁鎳鈷永磁體產(chǎn)生的磁通減少，甚至將鋁鎳鈷永磁體磁性降為零，此時(shí)氣隙磁通僅僅由釹鐵硼永磁體周向磁場(chǎng)產(chǎn)生，大大降低氣隙磁場(chǎng)。因此通過(guò)施加不同的直流脈沖磁化電流可在線調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，磁場(chǎng)調(diào)節(jié)范圍大、損耗小，提高了電機(jī)弱磁能力和恒功率運(yùn)行效率。

如圖4所示，在電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，第二定子盤內(nèi)的扇形釹鐵硼永磁體產(chǎn)生恒定方向磁場(chǎng)，如圖4中實(shí)線回路所示，恒定磁通從第二定子盤周向磁化的釹鐵硼永磁體出發(fā)，經(jīng)過(guò)定子鐵心極、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵芯齒、氣隙、第一定子盤、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵芯齒、氣隙回到第二定子盤釹鐵硼永磁體，形成一個(gè)閉合回路；而第二定子盤鐵芯塊上粘貼的鋁鎳鈷永磁體的磁化狀態(tài)受匝繞在上面的單相脈沖勵(lì)磁繞組的電流大小和方向所控制，如圖4中虛線回路所示，可控磁通從定子鋁鎳鈷永磁體出發(fā)，經(jīng)過(guò)氣隙、轉(zhuǎn)子鐵芯齒、氣隙、第一定子盤、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵芯齒、氣隙回到鋁鎳鈷永磁體形成一個(gè)可控磁通閉合磁路。在輕載或需要高速運(yùn)行時(shí)，通過(guò)給脈沖勵(lì)磁繞組施加較小直流脈沖磁化電流降低鋁鎳鈷永磁體的磁化水平，進(jìn)而達(dá)到弱磁擴(kuò)速的效果。

本發(fā)明提供的電機(jī)集中了盤式永磁電機(jī)、記憶電機(jī)及Halbach型聚磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，包含兩個(gè)不對(duì)稱的定子盤，其中第一定子結(jié)構(gòu)普通，而第二定子結(jié)構(gòu)中增加了鋁鎳鈷永磁體和單相脈沖勵(lì)磁繞組，通過(guò)控制脈沖電流大小和方向調(diào)節(jié)鋁鎳鈷永磁體的磁化狀態(tài)，從而可調(diào)節(jié)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)；同時(shí)，本發(fā)明電機(jī)結(jié)構(gòu)上保留了盤式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、漏磁小的特點(diǎn)，制造方便，很適合應(yīng)用于薄型安裝的場(chǎng)合，如電動(dòng)汽車用輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)等；本發(fā)明電機(jī)的三相電樞繞組單獨(dú)放置于第一定子盤，與第二定子盤上的永磁體以及脈沖勵(lì)磁繞組分開設(shè)置，有利于減少繞組互感及耦合，并且有利于電機(jī)的散熱、冷卻；本發(fā)明電機(jī)的轉(zhuǎn)子盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既無(wú)永磁材料，也無(wú)繞組，僅由鐵芯塊均勻排列而成，特別適用于高速運(yùn)行；本發(fā)明電機(jī)采用釹鐵硼永磁和鋁鎳鈷永磁兩種類型的永磁材料作為電機(jī)的主勵(lì)磁源，可根據(jù)電機(jī)的調(diào)速范圍要求確定兩種永磁材料的用量關(guān)系；通過(guò)控制單相脈沖勵(lì)磁繞組電流的大小，能在線調(diào)節(jié)鋁鎳鈷永磁材料的磁化強(qiáng)度和工作點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的增弱磁控制，使電機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍和低速大轉(zhuǎn)矩性能。

上述實(shí)施例的作用僅在于說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性內(nèi)容，但并不以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍。