CN101383547A - 适合于弱磁控制的高速永磁同步电机转子 - Google Patents

Abstract

适合于弱磁控制的高速永磁同步电机转子，它涉及电机领域。它解决了现有电机弱磁范围狭小，导致功率密度低和可靠性低的问题。本发明沿转子铁心的轴向方向开有2P×2n个矩形截面的孔，其中P为电机的极对数，n为自然数；每个平行充磁的矩形截面永磁体对应嵌于转子铁心所开设的每一个矩形截面的孔内；转子的每个磁极是由2n块矩形截面永磁体排列成的V字形磁极，转子的每个磁极均匀分布在转子铁心的圆周上，所述V字形磁极的两排永磁体之间所形成的夹角的顶点朝向转子铁心的中心方向，夹角角度在90°～180°；每相邻两块矩形截面永磁体之间的磁桥宽度在0.5mm～L/2mm，其中L为每块矩形截面永磁体的宽度。本发明拓宽电机的弱磁范围，提高其效率、功率密度和可靠性。

Description

适合于弱磁控制的高速永磁同步电机转子

技术领域

本发明涉及高速永磁同步电机转子，属于电机领域。

背景技术

永磁同步电动机的励磁磁动势是由永磁体产生的而无法调节，当u＝u_lim时，要想继续升高转速只有靠调节i_d和i_q来实现，增加电动机直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量，以维持电压平衡关系，得到“弱磁”效果。前者“弱磁”能力与电动机直轴电感直接相关，后者与交轴电感相关。由于电动机相电流也有一定极限，增加之后去磁电流分量而同时保证电枢电流不超过电流极限值，交轴电流就应|相应减小。因此，一般是通过增加直轴去磁电流来实现弱磁扩速，到弱磁扩速的目的。而现有的永磁同步电动机弱磁范围狭小，导致功率密度低和可靠性低。

发明内容

本发明为了解决现有永磁同步电动机弱磁范围狭小，导致功率密度低和可靠性低的问题，而提出了适合于弱磁控制的高速永磁同步电机转子。

本发明由转子铁心、矩形截面永磁体和转轴组成；转子铁心设置在转轴上，沿转子铁心的轴向方向开有2P×2n个矩形截面的孔，其中P为电机的极对数，n为自然数；每个平行充磁的矩形截面永磁体对应嵌于转子铁心所开设的每一个矩形截面的孔内；转子的每个磁极是由2n块矩形截面永磁体排列成的V字形磁极，所述转子的每个磁极均匀分布在转子铁心的圆周上，所述V字形磁极的两排永磁体之间所形成的夹角的顶点朝向转子铁心的中心方向，所述夹角角度在90°～180°；每相邻两块矩形截面永磁体之间的磁桥宽度在0.5mm～L/2mm，其中L为每块矩形截面永磁体的宽度。

本发明通过把整块永磁体分割成若干块永磁体，永磁体之间具有可导磁的磁桥，磁桥具有两个作用，一是提高转子的结构强度，二是调整从磁桥通过的磁通的大小，进而调整电机的弱磁控制范围，n越大，电机的弱磁调速范围越宽。通过控制电枢绕组中电流的相位，可以提高电机基速以下的输出转矩、基速以上的恒功率运行速度范围。既可以提高转子的结构强度，使转子能够高速运行，又可以提高L_d；通过把每极永磁体排成扇面，既可以增加ψ_f，又可以保证交轴磁路宽度，提高L_q；同时，当电机运行在基速以下时，控制电枢绕组中电流的相位，使磁桥中磁通的方向与其相邻永磁体中磁通的方向相同，这样也可以增加ψ_f。通过采取这些措施，本发明可以拓宽电机的弱磁范围，提高电机的效率、功率密度和可靠性，在电动车辆驱动系统、电主轴系统以及变速发电等领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1本发明转子的主视图；图2是永磁电动机弱磁原理示意图；图3是永磁电动机弱磁原理向量图；图4是电压极限椭圆和电流极限圆示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式由转子铁心1、矩形截面永磁体2和转轴3组成；转子铁心1设置在转轴3上，沿转子铁心1的轴向方向开有2P×2n个矩形截面的孔4，其中P为电机的极对数，n为自然数；每个平行充磁的矩形截面永磁体2对应嵌于转子铁心1所开设的每一个矩形截面的孔4内；转子的每个磁极是由2n块矩形截面永磁体2排列成的V字形磁极，所述转子的每个磁极均匀分布在转子铁心1的圆周上，所述V字形磁极的两排永磁体之间所形成的夹角的顶点朝向转子铁心1的中心方向，所述夹角角度在90°～180°；构成V字形磁极的两排永磁体产生的磁力线并联；每相邻两块矩形截面永磁体2之间的磁桥宽度在0.5mm～L/2mm，其中L为每块矩形截面永磁体2的宽度。矩形截面永磁体2采用高磁能积的稀土永磁体，矩形截面永磁体2的宽度L为2mm～30mm。当电机运行在基速以下时，控制电枢绕组中电流的相位，使磁桥中磁通的方向与其相邻永磁体中磁通的方向相同。电机的弱磁控制范围与每极永磁体块数2n相关，2n越大，电机的弱磁调速范围越宽。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于转子为4极结构，在转子铁心1上沿轴向开有24个矩形截面的孔4，转子每极由6块平行充磁的矩形截面永磁体2构成，6块矩形截面永磁体2插在转子铁心上6个矩形截面的孔内构成一个V字形磁极；构成V字形磁极的两排永磁体产生的磁力线并联；两排永磁体之间所形成的角度为150°。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

本发明的原理：

永磁同步电动机弱磁控制的思想来自对他励直流电动机的调磁控制。

当他励直流电动机端电压达到极限电压时，为使电动机能恒功率运行于更高的转速，应降低电动机的励磁电流，以保证电压的平衡。

永磁同步电动机的电压方程式为：

$u=\mathrm{\ω}\sqrt{{\left(\mathrm{\ρ}{L}_q{i}_q\right)}^2+(L_d{i}_d+{\mathrm{\ψ}}_f)}---\left(1\right)$

通过背景技术可以了解到永磁同步电动机的励磁磁动势是由永磁体产生的而无法调节，不能像他励直流电机一样通过励磁电流来便于控制，一般是通过增加直轴去磁电流来实现弱磁扩速，到弱磁扩速的目的，如图2和图3所示。

电机转速超过转折转速后运行于某一转速ω时，电机定子电流矢量采用弱磁控制策略，由电压方程可得到弱磁控制时定子电流矢量轨迹表示为：

$i_d=-\frac{{\mathrm{\ψ}}_f}{L_d}+\sqrt{\left(\frac{u_{\lim }}{L_d\mathrm{\ω}}\right)-{\left({\mathrm{\ρi}}_q\right)}^2}---\left(2\right)$

其与电流极限圆(方程为 $i_d^2+i_q^2=i_{\lim }^2$ )交点的电流矢量为：

$i_d=\frac{-{\mathrm{\ψ}}_f{L}_d+\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_f}^2{L_d}^2-({L_d}^2-{L_q}^2)({{\mathrm{\ψ}}_f}^2-{\left(\frac{u_{\lim }}{\mathrm{\ω}}\right)}^2+{L_d}^2{i_{\lim }}^2)}}{{L_d}^2-{L_q}^2}---\left(3\right)$

$i_q=\sqrt{i_{\lim }^2-i_d^2}---\left(4\right)$

如图4所示，在某一指令转速下，电流矢量按式(3)(4)取值，以使电机的输出功率最大，达到指令转速后，在速度控制器的作用下使电流矢量沿电机的电压极限椭圆向使电流矢量幅值减小的方向移动，也即按前一式取值，最终稳定于电磁转矩和负载转矩达到平衡的某电流矢量。

永磁同步电动机的电压方程如式(1)所示，在弱磁控制时，若忽略定子电阻且电机电压达到极限电压u_lim时，由电压方程可得电机的速度公式为

$n=\frac{60u_{\lim }}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\left(L_d{i}_q\right)}^2+{(L_d{i}_d+{\mathrm{\ψ}}_f)}^2}}---\left(5\right)$

由式(5)可知，电机可“弱磁”运行于无穷高速度的理想弱磁条件为：

ψ_f＝-L_di_d＝L_di_lim               (6)

i_q＝0                   (7)

当电机端电压和电流达到最大值、电流全部为直轴电流分量时，并且忽略定子电阻的影响时，可以得到电机采用普通弱磁控制策略时的理想最高转速n_max为：

$n_{\max }=\frac{60u_{\lim }}{2\mathrm{\πP}|{\mathrm{\ψ}}_f-L_d{i}_{\lim }|}---\left(8\right)$

电机电磁转矩T_e的表达式为：

T_e＝P[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]         (9)

转矩表达式(9)右边的第1项为永磁体与q轴电流作用产生的永磁转矩；第2项为凸极效应产生的磁阻转矩。对于PMSM，由于L_d<L_q，因此，通过流负向的d轴电流，使磁阻转矩与永磁转矩相叠加，成为输出转矩的一部分。负向的d轴电流产生的d轴电枢反应磁通与永磁体的极性相反，要注意不要使永磁体产生不可逆去磁。

近年来，随着永磁材料性能的提高，矫顽力高、去磁曲线为线性的稀土永磁体已经广泛的应用于电机领域，使永磁同步电机的弱磁控制成为可能，拓宽了电机的调速范围，提高了调速系统的效率。

由式(8)可以看出提高永磁同步电动机的最高转速可采取的主要方法有：

(1)减小磁链ψ_f；(2)增大极限电流i_lim；(3)增大L_d；(4)提高电动机极限电压u_lim；(5)采用前四种方法的组合。

如果提高电动机的极限电压u_lim和极限电流i_lim则需要增大逆变器的容量，从而提高了系统的制造成本，一般不可取。当电机的极限电压和极限电流一定时，电机的理想最高转速主要取决于电机空载永磁体磁链和直轴同步电感，而与交轴同步电感无关。

从式(8)可以看出，ψ_f越小电机的弱磁调速范围越宽，但是ψ_f越小，从式(9)可以看出，电磁转矩T_e就会越小。因此除非磁阻转矩增加，否则PMSM不可能有好的表现。提高凸极率对增加转矩是非常重要的。考虑到L_q由于铁心的磁饱和而受到限制，因此通常要求通过减小L_d来增加电磁转矩。然而传统的永磁同步电机的转子其ψ_f大，而L_d则较小，因此必须通过大大增加I_d来使电机运行于较宽的速度范围，这就会增加逆变器的容量，降低驱动系统的效率。本发明提出一种能够同时增大永磁同步电机的ψ_f和L_d、L_q的转子结构及转子磁通的控制方法。

Claims (3)

1、适合于弱磁控制的高速永磁同步电机转子，它由转子铁心(1)、矩形截面永磁体(2)和转轴(3)组成；转子铁心(1)设置在转轴(3)上，其特征在于沿转子铁心(1)的轴向方向开有2P×2n个矩形截面的孔4，其中P为电机的极对数，n为自然数；每个平行充磁的矩形截面永磁体(2)对应嵌于转子铁心(1)所开设的每一个矩形截面的孔4内；转子的每个磁极是由2n块矩形截面永磁体(2)排列成的V字形磁极，所述转子的每个磁极均匀分布在转子铁心(1)的圆周上，所述V字形磁极的两排永磁体之间所形成的夹角的顶点朝向转子铁心(1)的中心方向，所述夹角角度在90°～180°；每相邻两块矩形截面永磁体(2)之间的磁桥宽度在0.5mm～L/2mm，其中L为每块矩形截面永磁体(2)的宽度。

2、根据权利要求1所述的适合于弱磁控制的高速永磁同步电机转子，其特征在于矩形截面永磁体(2)采用高磁能积的稀土永磁体。

3、根据权利要求1所述的适合于弱磁控制的高速永磁同步电机转子，其特征在于矩形截面永磁体(2)的宽度L为2mm～30mm。

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