CN101752922B - 具有较宽扩速范围的永磁体牵引电机 - Google Patents

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Abstract

一种具有较宽扩速范围的永磁体牵引电机，用于提高永磁电机扩速性能。其技术方案是，所述转子内嵌入多个永磁体，所述永磁体为长方体、沿与转子同轴的圆周排列，每4个永磁体为一组，所述4个永磁体的横截面构成“W”形永磁体；构成同一“W”形永磁体的合成充磁方向沿径向一致，相邻两个“W”形永磁体的合成充磁方向相反；“W”形永磁体构成转子的一个磁极。本发明使内嵌永磁体的排列方式和转子磁路结构更加合理，不仅扩大了永磁同步牵引电机的恒功率调速范围，提高了永磁电机的弱磁扩速性能，而且结构简单，易于生产制造，节省原材料，同时，效率也比较高。

Description

具有较宽扩速范围的永磁体牵引电机
技术领域
本发明涉及一种高性能的永磁体牵引电机，属电机技术领域。
背景技术
恒功率速度范围(CPSR)是永磁体牵引电机的重要参数，定义如下：
Figure GSA00000015963400011
CPSR值越大，说明弱磁扩速的能力越强。从理论上来说，电机的速度可以无限大(参看图3)，而实际上却并非如此。尽管电机工程设计人员努力改进电机结构，特别是在永磁转子结构的改进上，先后开发了多种永磁转子，如径向充磁(即永磁体的磁化方向与转子半径方向一致)的永磁同步电机有表面式，传统内置式，永磁体分段内置式；切向充磁(即永磁体磁化方向与转子圆周切线方向一致)的永磁同步电机有直插内置式；和混合充磁(既有径向分量又有切向分量，合成方向与径向和切向均不平行)的V字型内置式(包括单层或多层永磁体)等，使电机输出的恒功率区不断增大(通过增大电机的凸极率实现)，但目前工业上使用的永磁体牵引电机仍然难以满足使用要求，如V字型永磁体转子的速度虽可达135000转/分钟，但输出力矩小，其转速仍需进一步扩展。现有的具有较大恒功率速度范围的电机是由澳大利亚学者WENSONG设计的轴向叠片内置式永磁电机，但由于制作难度大，只适合在实验室中使用，工业中未能产业化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种结构简单、易于制造的具有较宽扩速范围的永磁体牵引电机。
本发明的目的是以下述技术方案实现的：
一种具有较宽扩速范围的永磁体牵引电机，由定子和转子构成，所述转子内嵌入多个永磁体，所述永磁体为长方体、沿与转子同轴的圆周排列，每4个永磁体为一组，所述4个永磁体的横截面构成“W”形永磁体；构成同一“W”形永磁体的合成充磁方向沿径向一致，相邻两个“W”形永磁体的合成充磁方向相反；“W”形永磁体构成转子的一个磁极。
上述具有较宽扩速范围的永磁体牵引电机，在“W”形永磁体的外侧、靠近转子表面处还设置一个径向充磁的一字形永磁体，所述一字形永磁体与“W”形永磁体的合成充磁方向一致、并与“W”形永磁体共同构成转子的一个磁极，其横截面呈
Figure GSA00000015963400021
形。
上述具有较宽扩速范围的永磁体牵引电机，d轴方向上的两个永磁体的间隙小于q轴方向上的两个永磁体的间隙。
本发明对牵引转子结构进行了改进，使内嵌永磁体的排列方式和转子磁路结构更加合理，从图7中可看出在转速为6000转/分钟时，其它内置式结构的电机没有转矩输出，而W型还有较大的转矩输出，其最大转速可达20000转/分钟以上，而且在同一个速度时，W型的输出转矩远大于V字型的输出转矩，所以不仅扩大了永磁同步牵引电机的恒功率调速范围，提高了永磁电机的弱磁扩速性能，而且结构简单，易于生产制造，节省原材料，同时效率也较高。
附图说明
图1是本实用新的结构示意图；
图2是转子的结构示意图；
图3是牵引电机输出功率和转矩与速度的关系；
图4是本实用新与传统电机脉动转矩对比图；
图5是本实用新与传统电机d轴电感曲线；
图6是本实用新与传统电机q轴电感曲线；
图7是本实用新与传统电机的转矩—速度曲线；
图8是本实用新与传统电机的功率—速度曲线。
图中各标号为：1、定子；2、转子；3、永磁体；3-1、一字形永磁体；Ld、d轴电感；Lq、q轴电感；Id、d轴电流；Iq、q轴电流。
具体实施方式
参看图1、图2，本电机可以称为W型，转子中的永磁体排成“W”形，上面还横置一个一字形永磁体，目的是扩展恒功率速度范围，使d轴电感Ld的值减小，电机的凸极率增加，从而增大了恒功率速度范围。
参看图2，d轴方向上的两个永磁体有很小的间隙，q轴方向上的两个永磁体的间隙稍宽一点。此电机共有8个极，即4对极。所以1/4是对称的，它采用了“微偏极”理论：相邻的两个Q轴的永磁体间隙稍微不对称，这样可以减小电机输出的脉动转矩，在额定电流时可使脉动转矩降低8.5％。同时需说明是，对q轴方向上的两个永磁体的间隙相同的对称W型，与不对称的W型有相同的恒功率速度范围，可以通过调整永磁体的张角和宽度等使脉动转矩降低。
通过对径向充磁或合成后为径向充磁的五种(表面式，传统内置式，分段内置式，V型内置式，W型内置式)永磁同步电机的性能分析可知，与其他四种的主要区别是：
(1)W型内置式的空载反电动势的电压谐波畸变率最低，即谐波含量最小，而表面式和V型内置式的谐波含量相对较大。
(2)相应的额定电流下脉动转矩-电机输出转矩的变化最小，(纹波转矩定义为在一个周期内最大转矩与最小转矩之差与平均转矩之比)，见图4，它是衡量电机输出稳定性的指标，一般要求越小越好)
(3)d轴电感和q轴电感值最大，见图5、图6。
(4)调速范围最宽，弱磁扩速能力最好，见图7、图8。
总而言之，本发明具有更宽的调速范围和弱磁能力、以及较好的性能指标，完全可满足牵引电机的性能要求，是牵引电机和混合动力汽车中极具发展潜力的一种新型电机，具有广泛的应用前景。

Claims (3)

1.一种具有较宽扩速范围的永磁体牵引电机，它由定子(1)和转子(2)构成，其特征是，所述转子(2)内嵌入多个永磁体(3)，所述永磁体为长方体、沿与转子(2)同轴的圆周排列，每4个永磁体为一组，所述4个永磁体的横截面构成“W”形永磁体；构成同一“W”形永磁体的合成充磁方向沿径向一致，相邻两个“W”形永磁体的合成充磁方向相反；“W”形永磁体构成转子的一个磁极；
在“W”形永磁体的外侧、靠近转子表面处还设置一个径向充磁的一字形永磁体(3-1)，所述一字形永磁体与“W”形永磁体的合成充磁方向一致、并与“W”形永磁体共同构成转子的一个磁极，其横截面呈
Figure FSB00000585409900011
形。
2.根据权利要求1所述具有较宽扩速范围的永磁体牵引电机，其特征是，d轴方向上的两个永磁体的间隙小于q轴方向上的两个永磁体的间隙，且相邻两个q轴永磁体间隙不同。
3.根据权利要求1所述具有较宽扩速范围的永磁体牵引电机，d轴方向上的两个永磁体的间隙等于q轴方向上的两个永磁体的间隙。
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