一種變磁通-強磁型永磁同步電機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種變磁通?強磁型永磁同步電機的拓撲結(jié)構(gòu)，該電機為氣隙磁鏈在線可調(diào)的徑向磁通電機，包括由內(nèi)而外同軸設(shè)置的轉(zhuǎn)子和定子鐵心，其中轉(zhuǎn)子采用低矯頑力永磁材料以實現(xiàn)磁鋼磁鏈的在線可調(diào)，為了避免磁鋼在正常工作時被退磁，定子電樞電流需含有增磁分量，此時為了得到正的磁阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子交軸磁路開有若干個隔磁槽以使得轉(zhuǎn)子的直軸電感大于交軸電感；定子采用與傳統(tǒng)永磁同步電機相同的結(jié)構(gòu)，電機需要調(diào)速時，通過矢量控制方法在電樞繞組中通入直軸脈沖電流，對磁鋼進行充去磁，從而實現(xiàn)氣隙磁鏈的在線可調(diào)。
【專利說明】
一種變磁通-強磁型永磁同步電機
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于同步電機拓撲領(lǐng)域，更具體地，涉及一種變磁通-強磁型永磁同步電機。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來新能源汽車用驅(qū)動電機多采用內(nèi)置式永磁同步電機(IPMSM)，該電機具有功率密度高、機械特性好、轉(zhuǎn)速范圍較高的優(yōu)點，在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。然而內(nèi)置式永磁同步電機直軸電感通常小于交軸電感，為利用磁阻轉(zhuǎn)矩和實現(xiàn)弱磁控制，電流軌跡位于第二象限，電流始終含有弱磁分量，從而額外增加損耗并且磁鋼利用率較低。另外電機在進入到高速階段后，還需要通過增大直軸去磁電流分量對電機進行弱磁，以控制電機端電壓不超過逆變器電壓的限定值，此時較大的弱磁電流使得電機的銅耗增大，導(dǎo)致電機的效率降低，并且由于逆變器功率等級的限制，電流也有一個限定值，導(dǎo)致電機的弱磁程度受到限制，速度可調(diào)節(jié)范圍窄。
[0003 ] 現(xiàn)有技術(shù)中提出機械調(diào)磁型永磁同步電機，利用機械調(diào)磁裝置改變電機內(nèi)部磁場的強弱，從而減小高速時的弱磁電流，提高電機工作效率，但機械調(diào)磁型永磁電機的調(diào)磁裝置比較復(fù)雜，并在一定程度上增大了整個電機的體積和重量，故不利于提高電機的功率密度和效率。
[0004]高剩磁、低矯頑力、耐高溫的釤鈷永磁體以及鋁鎳鈷永磁體擁有易于充退磁的特性，使得在線調(diào)節(jié)永磁體的磁化程度成為可能。繼而有學(xué)者提出變磁通永磁同步電機(variable flux-permanent magnet synchronous machine ,VF—PMSM)，即不需要弱石茲控制只通過改變永磁體的磁化程度來實現(xiàn)氣隙磁場強度的靈活調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)擴速的目的。由于變磁通永磁同步電機在高速時不需要施加額外的弱磁電流，故能夠在較大范圍內(nèi)具有較高的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種變磁通-強磁型永磁同步電機拓撲結(jié)構(gòu)，其目的在于提供一種不通過機械調(diào)磁裝置就能實現(xiàn)電機的在線變磁通，從而保證電機結(jié)構(gòu)簡單的情況下獲得比傳統(tǒng)永磁同步電機更高的綜合效率。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種變磁通-強磁型永磁同步電機，其特征在于，該永磁同步電機包括在徑向方向上同軸由內(nèi)而外設(shè)置的轉(zhuǎn)子和定子，所述定子上開設(shè)有若干用于設(shè)置電樞繞組的槽，其中在所述轉(zhuǎn)子上設(shè)置若干磁鋼體，所述若干磁鋼體在切向方向充磁，并且在所述若干磁鋼體的每兩個磁鋼體之間還設(shè)置有若干隔磁槽，其中所述一部分隔磁槽設(shè)置在沿著直軸磁鏈的方向上，另外一部分設(shè)置在所述直軸磁鏈較弱的直軸磁路對稱軸周圍。
[0007]進一步地，所述定子繞組包括電樞繞組，所述電樞繞組中采用通入直軸脈沖電流對所述磁鋼體進行充去磁。
[0008]進一步地，所述磁鋼體的數(shù)量為圓周方向上均勻分布的4塊。
[0009]進一步地，所述轉(zhuǎn)子上的所述隔磁槽的設(shè)置方式如下:在每所述兩個磁鋼體之間設(shè)置有與所述轉(zhuǎn)子中心貫通，但并且未在邊沿形成缺口的第一隔磁槽，在所述每個磁鋼體兩側(cè)設(shè)置有以磁鋼徑向中心線為法線對稱分布的沿直軸磁鏈方向的第二隔磁槽。
[0010]進一步地，所述定子上開設(shè)18個定子槽。
[0011]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:電機具有與傳統(tǒng)電機同樣簡單的結(jié)構(gòu)就能實現(xiàn)在線變磁通;設(shè)計交軸隔磁槽，可以獲得正的磁阻轉(zhuǎn)矩，有利于轉(zhuǎn)矩密度的提高;通過在定子繞組中通入直軸脈沖電流對磁鋼進行充去磁，可以在不通弱磁電流的情況下擴展電機的轉(zhuǎn)速范圍，相比傳統(tǒng)的需要弱磁的永磁電機損耗降低，效率得到提高。
【附圖說明】
[0012]圖1是按照本發(fā)明實現(xiàn)的變磁通-強磁型永磁同步電機的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:
[0014]!一定子鐵心2—定子槽3—電樞繞組4一轉(zhuǎn)子鐵心5，7—磁鋼6，8，9一交軸磁路隔磁槽。
【具體實施方式】
[0015]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0016]本專利提出一種變磁通-強磁型永磁同步電機結(jié)構(gòu)，在該電機中，定子上只設(shè)-H套繞組而沒有額外的勵磁繞組。電機運行狀態(tài)發(fā)生變化時，通過對定子三相對稱電流的相位和幅值進行控制，即矢量控制，獲得一個直軸脈沖電流，然后利用該脈沖電流改變磁鋼的磁化強度，根據(jù)實時工況調(diào)整永磁磁鏈的輸出能力，即在低速啟動時，對磁鋼完全充磁，擴大轉(zhuǎn)矩范圍，高速時降低磁鋼磁化程度，無需或僅以少量直軸電流分量實現(xiàn)弱磁控制。因此，這種以脈沖電流在線改變磁鋼磁化強度的調(diào)速形式，可以最大程度降低弱磁電流分量，提尚電機的綜合效率。
[0017]由于變磁通電機采用低矯頑力的永磁材料，磁鋼磁化狀態(tài)容易被電樞磁場改變，故需在電樞繞組中通入增磁電流分量以避免磁鋼被退磁。此時，若想獲得正的磁阻轉(zhuǎn)矩，必須將電機設(shè)計成強磁型結(jié)構(gòu)，即直軸電感大于交軸電感。另外，電機采用低矯頑力的永磁材料很難獲得與稀土永磁相同的氣隙磁場強度，故合理設(shè)計轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)以提高轉(zhuǎn)矩密度是變磁通電機的設(shè)計重點。
[0018]按照本發(fā)明實現(xiàn)的變磁通-強磁型永磁同步電機，具體包括如下的結(jié)構(gòu):
[0019]如圖1所示，是按照本發(fā)明實現(xiàn)的變磁通-強磁型永磁同步電機的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖，其中該電機在徑向方向上同軸設(shè)置并且由內(nèi)至外包括轉(zhuǎn)子鐵心4以及定子鐵心I，兩者均由硅鋼片疊壓而成，定子鐵心I上開設(shè)有若干用來放置電樞繞組的定子槽2，按照本發(fā)明提供的其中一種實施例，該電機拓撲結(jié)構(gòu)在本實施例中共設(shè)置有18個這樣的定子槽，并且采用雙層疊繞組，每個定子槽中放兩個線圈邊，只用一套電樞繞組3，該電樞繞組由銅線繞制而成。
[0020]并且如圖1所示，在本圖形中只展示了軸向方向的對稱結(jié)構(gòu)的一半部分，另外一半部分與顯示的該部分同樣設(shè)計，在此不贅述。
[0021]作為本發(fā)明的重要改進點，在本電機結(jié)構(gòu)的設(shè)置中，轉(zhuǎn)子鐵心4中設(shè)置有朝徑向方向排布的低矯頑力永磁材料制作的磁鋼體，磁鋼體為厚度4.5mm寬度20mm長度50mm的立方體，這樣的磁鋼體總共有4塊，這4塊在圓周方向上呈均勻分布的狀態(tài)，磁鋼體在裝配時直接插入轉(zhuǎn)子鐵心4中預(yù)留的磁鋼槽里。但是具體的，磁鋼體的數(shù)量并不嚴格限定為4塊，由電機的極數(shù)所決定，并等于電機的極數(shù)。
[0022]為了產(chǎn)生較高的氣隙磁密，磁鋼充磁方向為切向，如圖中5和7，這樣可以使每極氣隙磁鏈來自相鄰的兩個磁極，從而可以增大氣隙磁密，提高轉(zhuǎn)矩密度磁鋼。
[0023]同時，在每兩個磁鋼體之間設(shè)置有隔磁槽，隔磁槽的具體設(shè)置形式為在轉(zhuǎn)子鐵心4上的空槽，在本實施例中，首先在兩個磁鋼體5和7之間設(shè)置有與轉(zhuǎn)子鐵心4中心貫通，但并且未在邊沿形成缺口的第一隔磁槽6，該隔磁槽6的形狀為從軸向中心向外沿方向槽口逐漸減小的設(shè)置方式，主要設(shè)置在磁場分布較弱的直軸磁路對稱軸周圍。另外，在第一隔磁槽6與磁鋼體5之間還設(shè)置有未與轉(zhuǎn)子鐵心4中心貫通的若干弧形隔磁槽，其中第一隔磁槽6與磁鋼體7之間也采用對稱的方式設(shè)置若干弧形隔磁槽，這樣，在每個磁鋼體之間都采用如上的設(shè)置方式，使得磁鋼體5、7兩邊的弧形隔磁槽在以磁鋼徑向中心線為法線的弧線上，在磁鋼體兩邊依次排布設(shè)置。
[0024]按照本發(fā)明實現(xiàn)的電機拓撲結(jié)構(gòu)的工作原理如下:首先，由于永磁材料的矯頑力較低，為了避免磁鋼在正常工作時被退磁，電樞繞組里必須通第一象限的電流，即含有增磁電流分量，此時若采用傳統(tǒng)弱磁型電機的結(jié)構(gòu)(交軸電感大于直軸電感)，將產(chǎn)生負的磁阻轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)矩密度，故必須采用不同于傳統(tǒng)電機的強磁型結(jié)構(gòu)。
[0025]本發(fā)明中采用在轉(zhuǎn)子鐵心4內(nèi)交軸磁路上設(shè)置隔磁槽的方案，來增大交軸磁阻，減小交軸電感，使得直軸電感大于交軸電感，從而獲得正的磁阻轉(zhuǎn)矩，如6，8，9所示。其中隔磁槽秉著盡可能阻斷交軸磁鏈，而對直軸磁鏈影響最小的原則進行設(shè)計，比如隔磁橋8，9的形狀為沿著直軸磁鏈的方向，隔磁橋6的位置設(shè)計在直軸磁鏈較弱的交軸上，并不嚴格限定為本實施例中所示的情形，只要滿足上述條件即可。
[0026]隔磁槽的長度和寬度都對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩密度有一定影響，本發(fā)明所設(shè)計的隔磁槽的尺寸和數(shù)量是基于獲得較高的磁阻轉(zhuǎn)矩和較低的轉(zhuǎn)矩脈動的原則。
[0027]最后，本專利僅設(shè)計一套繞組來實現(xiàn)磁鋼磁化程度的在線調(diào)節(jié)，而磁鋼也是裝機后再進行充磁。通過在定子電樞繞組3中通入三相對稱正弦電流，并調(diào)節(jié)電流相位角獲得直流脈沖電流，對磁鋼進行充退磁，在低速運行時，將磁鋼充磁到較高磁化程度，以獲得最大轉(zhuǎn)矩，而在轉(zhuǎn)速上升時，對磁鋼進行退磁，以使電機在不通弱磁電流的情況下實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運行，并具有$父尚的效率。
[0028]按照本發(fā)明實現(xiàn)的變磁通-強磁型永磁同步電機的拓撲結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)如下的技術(shù)優(yōu)勢:不通過機械調(diào)磁裝置就能實現(xiàn)電機的在線變磁通，使電機具有與傳統(tǒng)電機同樣簡單的結(jié)構(gòu);充分利用了低矯頑力的永磁材料，相對稀土永磁價格更便宜，有望解決目前由于稀土永磁稀缺而帶來永磁電機價格昂貴的現(xiàn)狀;設(shè)計交軸隔磁槽，可以獲得正的磁阻轉(zhuǎn)矩，有利于轉(zhuǎn)矩密度的提高;僅用一套繞組，相比其他變磁通電機中采用兩套繞組(電樞繞組和勵磁繞組)結(jié)構(gòu)更簡單;通過在定子繞組中通入直軸脈沖電流對磁鋼進行充去磁，從而根據(jù)電機運行工況對氣隙磁鏈進行調(diào)節(jié)，可以在不通弱磁電流的情況下擴展電機的轉(zhuǎn)速范圍，并且由于充去磁脈沖電流時間較短，充去磁過程損耗較低，相比傳統(tǒng)需要弱磁的永磁電機損耗降低，故效率得到提高。
[0029]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種變磁通-強磁型永磁同步電機，其特征在于，該永磁同步電機包括在徑向方向上同軸由內(nèi)而外設(shè)置的轉(zhuǎn)子(4)和定子(I)，所述定子(I)上開設(shè)有若干用于設(shè)置電樞繞組(3)的槽，其中在所述轉(zhuǎn)子(4)上設(shè)置若干磁鋼體(5，7)，所述若干磁鋼體(5，7)在切向方向充磁，并且在所述若干磁鋼體(5，7)的每兩個磁鋼體之間還設(shè)置有若干隔磁槽(6，8，9)，其中所述一部分隔磁槽設(shè)置在沿著直軸磁鏈的方向上，另外一部分設(shè)置在所述直軸磁鏈較弱的直軸磁路對稱軸周圍。2.如權(quán)利要求1所述的變磁通-強磁型永磁同步電機，其特征在于，所述定子繞組包括電樞繞組(3)，所述電樞繞組(3)中采用通入直軸脈沖電流對所述磁鋼體(5，7)進行充去磁。3.如權(quán)利要求1或2所述的變磁通-強磁型永磁同步電機，其特征在于，所述磁鋼體的數(shù)量為圓周方向上均勻分布的4塊。4.如權(quán)利要求3所述的變磁通-強磁型永磁同步電機，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子(4)上的所述隔磁槽的設(shè)置方式如下:在每所述兩個磁鋼體之間設(shè)置有與所述轉(zhuǎn)子(4)中心貫通，但并且未在邊沿形成缺口的第一隔磁槽(6)，在所述每個磁鋼體兩側(cè)設(shè)置有以磁鋼徑向中心線為法線對稱分布的沿直軸磁鏈方向的第二隔磁槽(8，9)。5.如權(quán)利要求4所述的變磁通強磁型永磁同步電機，其特征在于，所述定子(I)上開設(shè)18個定子槽。
【文檔編號】H02K21/14GK105914984SQ201610289012
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月5日
【發(fā)明人】李健, 孫阿芳, 曲榮海
【申請人】華中科技大學(xué)