專利名稱:混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機，包括徑向定子、軸向定子及轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子內(nèi)置在徑向定子中且與徑向定子同軸放置，所述軸向定子安放在轉(zhuǎn)子端部，與轉(zhuǎn)子同心放置，所述轉(zhuǎn)子內(nèi)放置有永磁體，用于產(chǎn)生徑向磁極和軸向磁極，永磁體產(chǎn)生的磁通一部分通過徑向磁極進入徑向定子與徑向電樞繞組交鏈形成徑向主磁通，永磁體產(chǎn)生的磁通另一部分通過軸向磁極進入軸向定子與軸向電樞繞組交鏈形成軸向主磁通，徑向主磁通與軸向主磁通并聯(lián)；本實用新型消除了端部漏磁效應(yīng)，提高了電機材料利用利用率，減輕了電機的重量，提高了功率密度，而且能夠靈活地實現(xiàn)增磁運行和弱磁擴速運行，拓寬了電機的經(jīng)濟運行范圍。
【專利說明】
混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種永磁同步電機，具體涉及一種混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著永磁材料耐高溫性能的提高和價格的降低，永磁電機在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面得到更為廣泛的應(yīng)用，正向大功率化、高性能化和微型化方向發(fā)展。目前永磁電機的功率從幾毫瓦到幾千千瓦，應(yīng)用范圍從玩具電機、工業(yè)應(yīng)用到艦船牽引用的大型永磁電機，在國民經(jīng)濟、日常生活、軍事工業(yè)、航空航天的各個方面得到了廣泛應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)有交流永磁同步電機存在如下技術(shù)缺點:
[0004]1、永磁同步電機由于永磁體磁動勢固定，電機主磁通不可調(diào)，導(dǎo)致恒功率運行范圍窄，調(diào)速范圍不夠?qū)挿骸?br>[0005]2、現(xiàn)有內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子永磁體通過各種組合實現(xiàn)“聚磁效應(yīng)”，因此轉(zhuǎn)子鐵芯磁極磁密很高，使得其端部存在較大漏磁通，轉(zhuǎn)子漏磁通通過電機轉(zhuǎn)子的端部或者端蓋閉合，由于永磁體產(chǎn)生的總磁通量一定，端部漏磁通的存在不但使得電機兩個端部磁場分布不均勻，而且降低了電機的有效磁通利用率，從而降低了電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，為克服端部漏磁通的影響，實際設(shè)計時，電機轉(zhuǎn)子經(jīng)常采用overhang結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子鐵芯軸向長度大于電機定子鐵芯軸向長度，但該結(jié)構(gòu)顯著增加了電機軸向長度，進而增加了電機的鐵芯材料用量和制造成本，而且該結(jié)構(gòu)本質(zhì)上沒有起到抑制端部漏磁通的效果。
[0006]3、現(xiàn)有永磁同步電機正常運行時，通常只有iq電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，此時id = O，弱磁運行時，需要對轉(zhuǎn)子施加d軸電流，此時i d# O，進而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子磁極的去磁作用，由于d軸電流由電機的功率逆變器產(chǎn)生，因此當電機進行弱磁控制時，會顯著增大電機繞組電流的幅值，并大大增加功率逆變器的容量，當需要進行深度弱磁時，此時需要的d軸電流很大，電機的功角將迅速減小，電機電流將很快超過變頻器的容量，因此，對需要進行弱磁擴速運行的永磁同步電機，通常需要采取額外的措施和方法進行弱磁調(diào)節(jié)，以此減小每極磁通。
[0007]4、按照弱磁時d軸磁通經(jīng)過的路徑不同，現(xiàn)有內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機可以分為兩類，其中一類，當進行弱磁控制時，電樞繞組產(chǎn)生的d軸磁通會穿過電機的永磁體，引起永磁體不可逆退磁，另外一類，當進行弱磁控制時，電樞繞組產(chǎn)生的d軸磁通不經(jīng)過永磁體閉合，但d軸電流產(chǎn)生的磁場強迫更多的轉(zhuǎn)子磁通通過電機的端部和端蓋閉合，顯著增大了電機的漏磁通，而且由于電機端部磁阻通常比氣隙磁阻大得多，因此，弱磁所需要的d軸電流較大，顯著增加了電機功率逆變器的成本和繞組銅耗。
[0008]5、現(xiàn)有永磁同步電機通常電樞反電動勢諧波較大，齒槽轉(zhuǎn)矩問題突出，帶來嚴重的振動和噪聲問題，目前通常是采用定子斜槽或者轉(zhuǎn)子斜極的方法來改善反電動勢諧波并削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，但定子斜槽和轉(zhuǎn)子斜極加工工藝較復(fù)雜，大大增加了制造成本，而且會一定程度減小電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩，降低電機的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。
[0009]在這種情況下，尋求一種端部漏磁小，磁通利用率高，正弦度好，調(diào)磁功能靈活但功率逆變器容量小的交流永磁同步電機至關(guān)重要。
【實用新型內(nèi)容】
[0010]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實用新型公開了混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機及其方法，本實用新型電機永磁體產(chǎn)生的徑向磁通和軸向磁通均得到了利用，消除了端部漏磁效應(yīng)，提高了電機材料利用利用率，減輕了電機的重量，提高了功率密度，而且能夠靈活地實現(xiàn)增磁運行和弱磁擴速運行，拓寬了電機的經(jīng)濟運行范圍，對提高電動汽車用驅(qū)動電機的性能具有重要意義。
[0011 ]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的具體方案如下:
[0012]混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機，包括徑向定子、軸向定子及轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子內(nèi)置在徑向定子中且與徑向定子同軸放置，所述軸向定子安放在轉(zhuǎn)子端部，與轉(zhuǎn)子同心放置，所述徑向定子及軸向定子分別安放有徑向電樞繞組及軸向電樞繞組；
[0013]所述轉(zhuǎn)子內(nèi)放置有永磁體，用于產(chǎn)生徑向磁極和軸向磁極，永磁體產(chǎn)生的磁通一部分通過徑向磁極進入徑向定子與徑向電樞繞組交鏈形成徑向主磁通，永磁體產(chǎn)生的磁通另一部分通過軸向磁極進入軸向定子與軸向電樞繞組交鏈形成軸向主磁通，徑向主磁通與軸向主磁通并聯(lián)；
[0014]電機運行時，通過向徑向電樞繞組和軸向電樞繞組施加電流來動態(tài)調(diào)節(jié)電機的運行時的軸向主磁通和徑向主磁通，以此實現(xiàn)弱磁控制。
[0015]進一步的，所述徑向定子由硅鋼片疊壓而成，所述徑向定子包括定子槽，定子齒和定子軛部，所述定子槽內(nèi)安放有徑向電樞繞組。
[0016]進一步的，所述轉(zhuǎn)子上有轉(zhuǎn)子槽，轉(zhuǎn)子槽內(nèi)安放有永磁體，所述永磁體通過串并聯(lián)組合實現(xiàn)“聚磁效應(yīng)”，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生磁極，所述磁極分為徑向磁極和軸向磁極，軸向磁極的極數(shù)和徑向磁極的極數(shù)相等。
[0017]進一步的，所述徑向磁極面向電機的徑向定子，徑向磁極與轉(zhuǎn)子之間為徑向氣隙，所述軸向磁極加工成凸極形狀，面向電機軸向定子，所述軸向磁極和軸向定子之間為軸向氣隙。
[0018]進一步的，所述徑向主磁通與徑向電樞繞組產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，軸向主磁通與軸向電樞繞組產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。電機不存在端部漏磁場，磁通利用率高，功率密度和轉(zhuǎn)矩密度高。
[0019]進一步的，電機正常運行時，軸向電樞繞組同時產(chǎn)生d軸和q軸電流，d軸電流產(chǎn)生的磁場使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分磁通沿徑向進入到徑向鐵芯，與徑向電樞繞組產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生主轉(zhuǎn)矩，另外一小部分磁通沿軸向進入到軸向定子中，這部分磁通與軸向電樞繞組的q軸電流相互作用產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩。
[0020]更進一步的，電機正常運行時，軸向定子繞組起到增大電機徑向主磁通并產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩；當需要弱磁擴速運行時，減小電機軸向定子繞組的d軸電流，這使得相當多的轉(zhuǎn)子磁通沿軸向進入到軸向鐵芯中，減小電機的徑向主磁通，使得徑向定子工作在弱磁條件下，顯著增大電機的調(diào)速范圍，實現(xiàn)弱磁擴速。
[0021]進一步的，所述徑向電樞繞組和軸向電樞繞組可為單層繞組，或為雙層繞組，徑向電樞繞組和軸向電樞繞組產(chǎn)生的磁場的極數(shù)均和轉(zhuǎn)子磁極極數(shù)相等。其中，電機相數(shù)m>3，極對數(shù)P>1。
[0022]進一步的，上述混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機中的軸向定子的數(shù)量為兩個時，分別安放在轉(zhuǎn)子相應(yīng)的兩個端部，轉(zhuǎn)子的兩個端部均加工成扇環(huán)的形狀形成軸向磁極。
[0023]進一步的，一種電動汽車，包括上述混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機。
[0024]混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動方法，徑向定子產(chǎn)生主驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，軸向定子實現(xiàn)弱磁功能并產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，具體包括:
[0025]當電機正常工作不需要弱磁運行時，軸向定子的電樞繞組產(chǎn)生d軸電流，使得電機軸向主磁通減小，徑向主磁通增大，電機轉(zhuǎn)矩主要由徑向主磁通和徑向電樞繞組磁場產(chǎn)生，此時電機軸向電樞繞組只施加d軸電流，徑向主磁通最大，通過調(diào)節(jié)電機軸向電樞繞組的d軸電流可以調(diào)節(jié)徑向主磁通的大小；
[0026]當電機需要進行弱磁運行時，軸向電樞繞組的d軸電流減小，電機徑向主磁通減小，軸向主磁通增大，此時徑向部分電機工作在弱磁條件，減小軸向電樞繞組的d軸電流的同時，同時增大其q軸電流，此時軸向定子電樞繞組與軸向主磁通產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，增大電機的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。
[0027]混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動方法，軸向定子產(chǎn)生主驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，徑向定子實現(xiàn)弱磁功能產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，具體包括:
[0028]當電機正常工作不需要弱磁運行時，徑向定子的電樞繞組產(chǎn)生d軸電流，使得電機徑向主磁通減小，軸向主磁通增大，電機轉(zhuǎn)矩主要由軸向主磁通和軸向電樞繞組磁場產(chǎn)生，此時電機徑向電樞繞組只施加d軸電流，軸向主磁通最大，通過調(diào)節(jié)電機徑向電樞繞組的d軸電流可以調(diào)節(jié)軸向主磁通的大??；
[0029]當電機需要進行弱磁運行時，徑向電樞繞組的d軸電流減小，電機軸向主磁通減小，徑向主磁通增大，此時軸向部分電機工作在弱磁條件，減小徑向電樞繞組的d軸電流的同時，同時增大其q軸電流，此時徑向定子電樞繞組與徑向主磁通產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，增大電機的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。
[0030]混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動方法，徑向定子和軸向定子均產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，具體包括:
[0031]電機的徑向電樞繞組和軸向電樞繞組均不產(chǎn)生d軸電流，均只產(chǎn)生q軸電流，在這種情況下，徑向主磁通和徑向定子電樞磁場產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，軸向主磁通和軸向定子電樞磁場產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，即徑向定子和軸向定子均都產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，此時電機轉(zhuǎn)矩密度和功率密度達到最大。
[0032 ]上述混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動方法，在電機空載不通電流時，永磁體產(chǎn)生的一部分磁通通過徑向磁極經(jīng)過徑向氣隙進入徑向定子鐵芯與徑向電樞繞組交鏈形成徑向主磁通，永磁體產(chǎn)生的另一部分磁通通過軸向磁極經(jīng)過軸向氣隙進入軸向定子鐵芯與軸向電樞繞組交鏈形成軸向主磁通，徑向主磁通與軸向主磁通并聯(lián)，分別設(shè)置徑向氣隙和軸向氣隙的長度來控制電機空載時的徑向主磁通和軸向主磁通。
[0033]由于永磁體產(chǎn)生的總磁通量是一定的，由于電機的徑向主磁通和軸向主磁通為并聯(lián)關(guān)系，當徑向電樞繞組施加d軸去磁電流時，電機的徑向主磁通減小，軸向主磁通增大，相反，當電機的軸向電樞繞組施加d軸去磁電流時，電機的軸向主磁通減小，徑向主磁通增大。當電機正常工作不需要弱磁時，電機軸向電樞繞組施加d軸去磁電流，此時電機徑向主磁通最大，電機徑向磁密也最大，電機可輸出額定最大轉(zhuǎn)矩和功率，當電機需要進行弱磁擴速時，減小軸向電樞繞組的d軸去磁電流，此時電機徑向主磁通減小，徑向磁密隨之降低，電機實現(xiàn)弱磁運行，電機轉(zhuǎn)速提高，此時軸向電樞繞組可以施加q軸電流，對電機產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，提高電機弱磁運行時的轉(zhuǎn)矩輸出能力，進一步提高電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。
[0034]本實用新型的有益效果:
[0035]1、本實用新型電機為雙定子結(jié)構(gòu)，該雙定子結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有絕大多數(shù)雙定子結(jié)構(gòu)不同，現(xiàn)有雙定子電機中其中一個定子安放在電機轉(zhuǎn)子內(nèi)部，為內(nèi)定子，一個在轉(zhuǎn)子外部，為外定子，電機發(fā)熱集中在電機軸向，電機熱負荷很高，而且內(nèi)定子不直接與外部環(huán)境相連接，電機散熱較為困難。本實用新型電機的兩個定子分別為徑向定子和軸向定子，該雙定子結(jié)構(gòu)的兩個定子分別安放在電機徑向和軸向方向，徑向定子與普通永磁同步電機的定子完全相同，徑向定子同軸安放在永磁轉(zhuǎn)子外側(cè)，電機轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁通一部分沿徑向經(jīng)過氣隙進入到徑向定子形成徑向主磁通，徑向定子上安放有徑向繞組，軸向定子安放在電機的端部，軸向定子與永磁轉(zhuǎn)子同軸相對，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁通沿軸向進入到軸向定子鐵芯當中，軸向定子上安放有軸向繞組，兩個定子外殼均在電機外部，與外界環(huán)境直接接觸，并能夠充分利用電機的端部進行散熱。
[0036]2、本實用新型電機為內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具有內(nèi)置式永磁同步電機結(jié)構(gòu)緊湊性好，氣隙有效磁密高，易于高速旋轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)矩密度高等優(yōu)點，本實用新型電機轉(zhuǎn)子磁極分為徑向和軸向兩部分，徑向磁極部分與普通內(nèi)置式永磁同步電機的轉(zhuǎn)子磁極類似，軸向磁極部分通過將轉(zhuǎn)子的軸向端部加工成凸極形狀的扇環(huán)鐵芯得到，軸向磁極與電機軸向定子配合產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，徑向磁極與電機徑向定子配合產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，易于機械加工，制造成本低。
[0037]3、本實用新型電機為混合磁路永磁同步電機，永磁體產(chǎn)生的磁通一部分沿電機徑向經(jīng)過徑向氣隙到達徑向定子成為徑向主磁通，另一部分磁通沿軸向經(jīng)過軸向氣隙到達電機端部的軸向定子成為軸向主磁通，本實用新型電機中永磁轉(zhuǎn)子的徑向磁通和端部磁通都得到了充分的利用，電機沒有端部漏磁通，提高了磁通利用率，有效改善了電機端部磁場分布，提高了電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。
[0038]4、本實用新型電機可以進行弱磁擴速運行，電機正常運行時，軸向定子繞組同時產(chǎn)生d軸和q軸電流，d軸電流產(chǎn)生的磁場使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分磁通沿徑向進入到徑向鐵芯，與徑向定子繞組產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生主轉(zhuǎn)矩，另外一小部分磁通沿軸向進入到軸向定子中，這部分磁通與軸向定子繞組的q軸電流相互作用產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，即電機正常運行時，軸向定子繞組起到增大電機徑向主磁通并產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩；當需要弱磁擴速運行時，減小電機軸向定子繞組的d軸電流，這使得相當多的轉(zhuǎn)子磁通沿軸向進入到軸向鐵芯中，顯著減小了電機的徑向主磁通，使得徑向定子工作在弱磁條件下，顯著增大電機的調(diào)速范圍，實現(xiàn)弱磁擴速。
[0039]5、本實用新型電機徑向定子繞組和軸向定子繞組的匝數(shù)與電機實際的極數(shù)，永磁體剩磁密度，永磁體安放組合方式和電機速度運行范圍相關(guān)，根據(jù)電機的徑向部分和軸向部分所承擔的主要功能(產(chǎn)生主轉(zhuǎn)矩還是弱磁控制)不同而進行合理地設(shè)計選擇，目的是使得電機軸向定子部分既能夠有效改變電機的徑向主磁通，從而具備足夠的弱磁能力，在不需要弱磁的情況下，又能夠產(chǎn)生足夠的助力轉(zhuǎn)矩，顯著增大電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。
[0040]6、本實用新型電機可以分別設(shè)計電機徑向磁極和端部扇環(huán)磁極的形狀尺寸以及電樞繞組的匝數(shù)，通過使得電機徑向部分和軸向部分的反電動勢的高次諧波的相位相反，來抵消削弱反電動勢的諧波，通過使得電機徑向部分和軸向部分的齒槽轉(zhuǎn)矩的相位相反，來抵消削弱電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，以此改善和優(yōu)化電機的反電動勢波形，并削弱電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，降低電機運行時的振動和噪聲，克服了現(xiàn)有永磁同步電機必須采用斜槽來抑制諧波并削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的缺點。
【附圖說明】

[0041]圖1(a)為本實用新型電機實施方式I電機立體圖結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖1(b)為本實用新型電機實施方式I徑向電機定子鐵芯和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖1(c)為本實用新型電機實施方式I硅鋼片轉(zhuǎn)子右視圖；
[0044]圖1(d)為本實用新型電機實施方式I軸向定子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045 ]圖1 (e)為本實用新型電機實施方式I整體電機右視圖；
[0046]圖2(a)為本實用新型電機實施方式2電機立體圖結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖2(b)為本實用新型電機實施方式2徑向電機定子鐵芯和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]圖2(c)為本實用新型電機實施方式2硅鋼片轉(zhuǎn)子右視圖；
[0049]圖2(d)為本實用新型電機實施方式2軸向定子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050]圖2(e)為本實用新型電機實施方式2整體電機右視圖；
[0051]圖中，1.徑向定子齒，2.徑向定子軛，3.徑向定子槽，4.徑向電樞繞組，5.徑向氣隙，6.軸向定子齒，7.軸向定子軛，8.軸向定子槽，9.軸向電樞繞組，10.軸向氣隙，11.轉(zhuǎn)子，12.轉(zhuǎn)子槽，13.永磁體，14.徑向磁極，15.軸向磁極。
【具體實施方式】
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[0052]下面結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細說明:
[0053]常規(guī)交流永磁同步電機通常分異步啟動永磁同步電動機和調(diào)速永磁同步電動機，除此之外，還有實心轉(zhuǎn)子永磁同步電機。
[0054]異步啟動永磁同步電動機與調(diào)速永磁同步電動機結(jié)構(gòu)上的區(qū)別是:前者轉(zhuǎn)子上有啟動繞組或具有啟動作用的整體鐵芯，能實現(xiàn)自啟動，無需控制系統(tǒng)即可并網(wǎng)運行。
[0055]調(diào)速永磁同步電機根據(jù)轉(zhuǎn)子上永磁體安裝方式的不同，可以分為表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)兩種:
[0056]表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，永磁體需要加工成弧形，直接固定在轉(zhuǎn)子外表面，永磁體直接面向電機氣隙，永磁體產(chǎn)生的磁通直接經(jīng)過氣隙進入定子形成有效磁通;與內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁體由于直接安放在轉(zhuǎn)子表面，永磁體需要加工成與轉(zhuǎn)子和氣隙相匹配的弧形形狀以保證形成均勻氣隙，由于永磁材料易碎的特性，其精確加工較為復(fù)雜，對加工工藝要求較高，成本高。此外，由于永磁體直接安放在轉(zhuǎn)子表面，電機運行時，由于離心力的作用，要求永磁體外部必須纏繞無瑋帶綁扎固定，避免轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時永磁體發(fā)生脫落損壞；由于永磁體的氣隙磁密與永磁體的寬度成正比關(guān)系，因此當永磁體的寬度確定時，電機空載氣隙磁密隨之確定，實際進行設(shè)計時，電機永磁體寬度受到空載氣隙磁密的制約；由于永磁體直接面向電機氣隙，當電機需要進行弱磁擴速控制即采用id不等于O控制時，電樞繞組產(chǎn)生的磁通會直接穿過永磁體，永磁體面臨不可逆退磁的風(fēng)險；由于永磁材料的磁導(dǎo)率與空氣很接近，表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中d軸和q軸的電抗相等，電機運行時僅靠永磁磁場和電樞磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，不能產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，電機的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度與內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比較低;表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不能在轉(zhuǎn)子外側(cè)放置啟動鼠籠，電機不能實現(xiàn)自啟動。
[0057]內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，永磁體按照一定的要求嵌入到轉(zhuǎn)子鐵芯當中，永磁體在鐵芯中產(chǎn)生磁通，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中永磁體的嵌入形式多樣，永磁體能夠根據(jù)不同的要求進行串并聯(lián)組合實現(xiàn)聚磁效應(yīng)，滿足實際性能需要;與表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁體不是直接安放于轉(zhuǎn)子表面，而是通過一定的形式嵌入到轉(zhuǎn)子鐵芯當中，永磁體不直接面向電機氣隙，永磁體依靠轉(zhuǎn)子中的永磁體槽進行固定，無需無瑋帶捆綁固定，轉(zhuǎn)子機械結(jié)構(gòu)整體性好，電機高速旋轉(zhuǎn)時可靠性高;永磁體可以通過相互之間串聯(lián)和并聯(lián)的靈活組合實現(xiàn)聚磁效應(yīng)，能夠得到比表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大得多的氣隙磁密，電機功率密度和轉(zhuǎn)矩密度高于表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；電機極弧系數(shù)和氣隙磁密沒有直接關(guān)系，在設(shè)計時可以分別獨立進行設(shè)置;轉(zhuǎn)子d軸電抗和q軸電抗差異顯著，運行時能夠產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，顯著提高電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度；電機弱磁擴速運行時，d軸電樞磁通可與永磁體產(chǎn)生的磁通并聯(lián)，電樞磁通不會直接穿過永磁體，克服了永磁體發(fā)生不可逆退磁的風(fēng)險；內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中能夠在轉(zhuǎn)子外側(cè)放置啟動鼠籠，電機能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動。
[0058]與上述兩種永磁同步電機相比，實心轉(zhuǎn)子永磁同步電機只是用實心轉(zhuǎn)子代替了硅鋼片疊壓轉(zhuǎn)子，其優(yōu)點是實心轉(zhuǎn)子內(nèi)能夠產(chǎn)生渦流，電機啟動時所產(chǎn)生的渦流與電樞繞組產(chǎn)生的磁場相互作用，能夠產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)自啟動功能。
[0059]下面結(jié)合更為詳細的實施例子對本實用新型進行詳細說明:
[0060]實施例1:
[0061]如圖1(a)所示，電機的整體立體示意圖，本實施方式電機相數(shù)為3，徑向定子齒數(shù)為24，軸向定子齒數(shù)為12，轉(zhuǎn)子槽數(shù)為4，永磁體塊數(shù)為4，徑向磁極數(shù)為4，軸向磁極數(shù)為4，本實施方式包括徑向定子，軸向定子和轉(zhuǎn)子，如圖1(b)所示，徑向定子由硅鋼片疊壓而成，徑向定子包括徑向定子齒I，徑向定子軛2和徑向定子槽3，徑向定子槽3內(nèi)安放有徑向電樞繞組4，徑向電樞繞組4可為分布繞組，集中繞組或者疊繞組，徑向電樞繞組的極數(shù)與轉(zhuǎn)子徑向磁極極數(shù)一致，徑向定子和轉(zhuǎn)子同軸，徑向定子和轉(zhuǎn)子之間有徑向氣隙5，如圖1(d)所示，軸向定子由娃鋼片卷疊而成，軸向定子包括軸向定子齒6，軸向定子軛7和軸向定子槽8，軸向定子槽8內(nèi)安放有軸向電樞繞組9，軸向電樞繞組9可為分布繞組，集中繞組或者疊繞組，軸向電樞繞組的極數(shù)與轉(zhuǎn)子軸向磁極極數(shù)一致，軸向定子和轉(zhuǎn)子同心，軸向定子和轉(zhuǎn)子之間有軸向氣隙10，如圖1(e)所示;如圖1 (c)所示，轉(zhuǎn)子11沿切向開有轉(zhuǎn)子槽12，轉(zhuǎn)子槽12內(nèi)安放有永磁體13，相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反，相鄰兩塊永磁體和之間的轉(zhuǎn)子鐵芯沿徑向形成徑向磁極14，相鄰兩塊永磁體和之間的轉(zhuǎn)子鐵芯的端部軸向部分加工成凸極扇環(huán)形狀，形成徑向磁極15，永磁體產(chǎn)生的磁通通過徑向磁極經(jīng)過徑向氣隙進入徑向定子鐵芯與徑向電樞繞組交鏈形成徑向主磁通，永磁體產(chǎn)生的磁通通過軸向磁極經(jīng)過軸向氣隙進入軸向定子鐵芯與軸向電樞繞組交鏈形成軸向主磁通，徑向主磁通與軸向主磁通并聯(lián)，可以通過分別設(shè)計徑向氣隙和軸向氣隙的長度來控制電機空載時的徑向主磁通和軸向主磁通，電機運行時，通過向徑向電樞繞組和軸向電樞繞組施加d軸電流來動態(tài)調(diào)節(jié)電機的運行時的軸向主磁通和徑向主磁通，以此實現(xiàn)弱磁控制，拓寬電機的恒功率運行區(qū)域。
[0062]實施例2:
[0063]實施例2與實施例1的主要區(qū)別是:
[0064](I)如圖2(a)所示，實施例2中電機的兩個端部均存在軸向定子，且電機轉(zhuǎn)子鐵芯的兩個端部均加工成扇環(huán)的形狀形成軸向磁極，轉(zhuǎn)子如圖2(c)，而實施例1中只有電機的一個端部有軸向定子，電機轉(zhuǎn)子鐵芯只有一個端部加工成扇環(huán)的形狀形成軸向磁極；
[0065]實施例2中電機的具有兩個軸向氣隙1，如圖2(e)所示。
[0066](2)實施例2中永磁體的排列方式與實施例1不同，實施例1中永磁體為單一并聯(lián)結(jié)構(gòu)，而實施例2中永磁體為串并聯(lián)混合式結(jié)構(gòu)。其余部分與實施例子I相同，如圖2 (b)及如圖2(d)所示。
[0067]其中，上述實施例子1、2中，徑向定子及軸向定子還可以是高磁導(dǎo)率的軟磁復(fù)合材料制成，轉(zhuǎn)子在徑向方向和軸向方向均具有高磁導(dǎo)率，所述轉(zhuǎn)子內(nèi)安放有永磁體，轉(zhuǎn)子為永磁體內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，永磁體按照一定的組合排列，實現(xiàn)聚磁效應(yīng)，分別在轉(zhuǎn)子徑向和軸向方向上形成徑向磁極和軸向磁極，永磁體產(chǎn)生的磁通可以分別沿徑向和軸向進入徑向氣隙和軸向氣隙，而且為并聯(lián)關(guān)系。
[0068]永磁體為高性能永磁材料，如釹鐵硼，稀土鈷，或者低性能永磁材料，如鋁鎳鈷或者鐵氧體。
[0069]軸向磁極的凸極扇環(huán)形狀可以為其他能夠滿足軸向定子和轉(zhuǎn)子磁場分布的凸極形狀，所述凸極的高度遠大于電機徑向氣隙和軸向氣隙的長度。所述徑向氣隙和軸向氣隙的長度應(yīng)為一個數(shù)量級，所述徑向電樞繞組的匝數(shù)和軸向電樞繞組的匝數(shù)由其為調(diào)磁繞組還是驅(qū)動繞組來確定。
[0070]電機的徑向磁極和軸向磁極的形狀尺寸可以分別獨立設(shè)計確定，通過合理組合疊加有效抵消削弱反電動勢的諧波和齒槽轉(zhuǎn)矩，以此改善和優(yōu)化電機的反電動勢波形，并削弱電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，克服了現(xiàn)有永磁同步電機必須采用斜槽和斜極來抑制諧波并削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的缺點。
[0071]永磁同步電機在工作時，電機空載不通電流時，永磁體產(chǎn)生的一部分磁通通過徑向磁極經(jīng)過徑向氣隙進入徑向定子鐵芯與徑向電樞繞組交鏈形成徑向主磁通，永磁體產(chǎn)生的另一部分磁通通過軸向磁極經(jīng)過軸向氣隙進入軸向定子鐵芯與軸向電樞繞組交鏈形成軸向主磁通，徑向主磁通與軸向主磁通并聯(lián)，可以分別設(shè)置徑向氣隙和軸向氣隙的長度來控制電機空載時的徑向主磁通和軸向主磁通。電機通電流帶載運行時，有三種工作模式:
(I)所述徑向電樞繞組和軸向電樞繞組均只產(chǎn)生q軸電流，不產(chǎn)生d軸電流，此時，電機的徑向主磁通與徑向電樞繞組產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，軸向主磁通與軸向電樞繞組產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，此時電機在同樣逆變器容量和同樣電流下輸出最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；(2)所述軸向電樞繞組產(chǎn)生d軸去磁電流，此時軸向電樞磁場驅(qū)使更多永磁體產(chǎn)生的磁通通過徑向磁極沿徑向氣隙進入徑向定子，此時徑向主磁通增大，軸向主磁通減小，電機徑向定子處于增磁運行狀態(tài)，軸向定子處于弱磁運行狀態(tài)；(3)所述軸向電樞繞組產(chǎn)生d軸增磁電流，此時軸向電樞磁場驅(qū)使更多永磁體產(chǎn)生的磁通通過軸向扇環(huán)磁極沿軸向氣隙進入軸向定子當中，此時軸向主磁通增大，徑向主磁通減小，電機軸向定子處于增磁運行狀態(tài)，徑向定子處于弱磁運行狀態(tài)。電機實際運行時，通過具體設(shè)計徑向電樞繞組和軸向電樞繞組的匝數(shù)，可以靈活的實現(xiàn)電機增磁運行或者弱磁擴速運行，有效拓寬電機恒功率和經(jīng)濟運行范圍。
[0072]其中，徑向電樞繞組和軸向電樞繞組可以分別獨立施加d軸電流和q軸電流，獨立進行增磁控制和弱磁控制，有效增大電機轉(zhuǎn)矩密度并實現(xiàn)電機弱磁擴速。
[0073]電機實際應(yīng)用時，根據(jù)電機工作的額定轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)矩以及具體性能要求，通過合理設(shè)計電機的各個參數(shù)如徑向氣隙長度，軸向氣隙長度和徑向電樞繞組和軸向電樞繞組的匝數(shù)，來決定電機徑向定子和軸向定子是產(chǎn)生主驅(qū)動轉(zhuǎn)矩還是實現(xiàn)弱磁功能。
[0074]上述模式的說明是以軸向電樞繞組為調(diào)磁繞組，徑向電樞繞組為驅(qū)動繞組為例，同樣，也可以徑向電樞繞組為調(diào)磁繞組，軸向電樞繞組為驅(qū)動繞組。
[0075]本實用新型的上述永磁同步電機主要應(yīng)用如下:
[0076](I)家用電器領(lǐng)域:包括電視音像設(shè)備、風(fēng)扇、空調(diào)器、食品加工機、美容工具、油煙機等。
[0077](2)計算機及其外圍設(shè)備領(lǐng)域:包括計算機(驅(qū)動器、風(fēng)扇等)、打印機、繪圖儀、光驅(qū)、光盤刻錄機等。
[0078](3)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域:包括工業(yè)驅(qū)動裝置、材料加工系統(tǒng)、自動化設(shè)備、機器人等。[0079 ] (4)汽車領(lǐng)域:包括永磁啟動機、雨刮器電機、門鎖電機、座椅升降電機、遮陽頂棚電機、清洗栗電機、錄音機用電機、玻璃升降電機、散熱器冷卻風(fēng)扇電機、空調(diào)電機、天線升降電機、油栗電機等。
[0080](5)公共生活領(lǐng)域:包括鐘表、美容機械、自動售貨機、自動取款機、點鈔機等。
[0081](6)交通運輸領(lǐng)域:包括電車、飛機輔助設(shè)備、艦船等。
[0082](7)航天領(lǐng)域:包括火箭、衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機等。
[0083](8)國防領(lǐng)域:包括坦克、導(dǎo)彈、潛艇、飛機等。
[0084](9)醫(yī)療領(lǐng)域:包括牙鉆、人工心臟、醫(yī)療器械等。
[0085](10)發(fā)電領(lǐng)域:包括風(fēng)力發(fā)電、余熱發(fā)電、小型水力發(fā)電、小型內(nèi)燃發(fā)電機組用發(fā)電機，以及大型發(fā)電機的副勵磁機等。
[0086]上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機，其特征是，包括徑向定子、軸向定子及轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子內(nèi)放置有永磁體，用于產(chǎn)生徑向磁極和軸向磁極，永磁體產(chǎn)生的磁通一部分通過徑向磁極進入徑向定子與徑向電樞繞組交鏈形成徑向主磁通，永磁體產(chǎn)生的磁通另一部分通過軸向磁極進入軸向定子與軸向電樞繞組交鏈形成軸向主磁通，徑向主磁通與軸向主磁通并聯(lián)； 所述轉(zhuǎn)子內(nèi)置在徑向定子中且與徑向定子同軸放置，所述軸向定子安放在轉(zhuǎn)子端部，與轉(zhuǎn)子同心放置，所述徑向定子及軸向定子分別安放有徑向電樞繞組及軸向電樞繞組。2.如權(quán)利要求1所述的混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機，其特征是，所述徑向定子由硅鋼片疊壓而成，所述徑向定子包括定子槽，定子齒和定子軛部，所述定子槽內(nèi)安放有徑向電樞繞組。3.如權(quán)利要求1所述的混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機，其特征是，所述徑向電樞繞組和軸向電樞繞組可為單層繞組，或為雙層繞組，徑向電樞繞組和軸向電樞繞組產(chǎn)生的磁場的極數(shù)均和轉(zhuǎn)子磁極極數(shù)相等。4.如權(quán)利要求1所述的混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機，其特征是，所述轉(zhuǎn)子上有轉(zhuǎn)子槽，轉(zhuǎn)子槽內(nèi)安放有永磁體，所述永磁體通過串并聯(lián)組合實現(xiàn)“聚磁效應(yīng)”，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生磁極，所述磁極分為徑向磁極和軸向磁極，軸向磁極的極數(shù)和徑向磁極的極數(shù)相等。5.如權(quán)利要求4所述的混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機，其特征是，所述徑向磁極面向電機的徑向定子，徑向磁極與轉(zhuǎn)子之間為徑向氣隙，所述軸向磁極加工成凸極形狀，面向電機軸向定子，所述軸向磁極和軸向定子之間為軸向氣隙。6.如權(quán)利要求1所述的混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機，其特征是，軸向磁極為凸極扇環(huán)形狀。7.如權(quán)利要求1所述的混合磁路低諧波多定子弱磁擴速永磁同步電機，其特征是，軸向定子的數(shù)量為兩個時，分別安放在轉(zhuǎn)子相應(yīng)的兩個端部，轉(zhuǎn)子的兩個端部均加工成扇環(huán)的形狀形成軸向磁極。
【文檔編號】H02K1/16GK205693538SQ201620335152
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年4月20日 公開號201620335152.1, CN 201620335152, CN 205693538 U, CN 205693538U, CN-U-205693538, CN201620335152, CN201620335152.1, CN205693538 U, CN205693538U
【發(fā)明人】王道涵
【申請人】山東大學(xué)