CN102013778B - 宽弱磁调速范围永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

宽弱磁调速范围永磁同步电机，属于电机技术领域。它解决了现有永磁同步电机为达到弱磁调速的目的，进行弱磁时去磁电流会导致永磁体失磁的问题。它包括定子和转子，定子的内圆表面与转子的外圆表面之间为气隙，所述定子由定子铁心、非导磁隔离层和导磁套组成，定子铁心的内侧壁上沿圆周方向均匀分布多个定子槽，所述定子槽轴向贯通定子铁心，每个定子槽内设置一个导磁套，导磁套的形状与定子槽的形状相匹配，所述导磁套的厚度均匀，所述定子槽与导磁套之间设有非导磁隔离层；所述转子包括永磁体，该永磁体设置在转子外侧壁上。本发明用于实现永磁同步电机的弱磁调速。

Description

宽弱磁调速范围永磁同步电机

技术领域

本发明涉及一种宽弱磁调速范围永磁同步电机，属于电机技术领域。

背景技术

永磁同步电机由于采用永磁材料提供励磁，而导致其励磁不易调节。永磁同步电机具有反电势基本上和转速成正比的特性，当电机端电压随转速升高到逆变器能够输出的最大电压之后，由于逆变器容量的限制，电机绕组不能再灌入电流，因而无法在高速下维持恒功率运行。永磁同步电机的这一缺陷严重限制了它的进一步应用。因此，如何扩展永磁同步电机的恒功率运行范围，已经成为永磁同步电机的一个重要课题。

永磁同步电机的电压方程式如下：

$u=\mathrm{\ω}\sqrt{{\left(L_q{i}_q\right)}^2+{(L_d{i}_d+{\mathrm{\ψ}}_f)}^2},$

式中u为电压，ω为电角速度，L_q为交轴电感，i_q为电流交轴分量，L_d为直轴电感，i_d为电流直轴分量，ψ_f为永磁磁链，

当永磁同步电机弱磁运行时，在端电压达到极限值、电流达到极限值的情况下，它可以运行到任意高速的的条件是：

ψ_f＝L_di_lim，

式中i_lim为为电流极限值。

实际上，由于永磁同步电机直轴磁路上存在磁导率较大的永磁体，使得电机的直轴电感不可能做得很大。因此ψ_f＝L_di_lim的关系一般难以达到。对于实际的永磁同步电机，一般有：

ψ_f＞＞L_di_lim，

由此可以看出，提高永磁同步电机的最高转速可采取的主要方法有：第一，减小磁链ψ_f；第二，增大i_lim；第三，增大L_d；第四，提高电机极限电压u_lim；第五，采用前四种方法的组合。

而提高电机的极限电压和极限电流势必会增加系统中逆变器的容量，从而提高系统的制造成本。因此采用某种方式来减小永磁磁链ψ_f并增大直轴电感L_d，使之满足或接近式ψ_f＝L_di_lim所示的关系，是比较理想的永磁同步电机“弱磁”扩速措施。

为此，很多学者对电机结构进行了多种改造，这些改造大致分为如下两类：一：减小永磁磁链：过去永磁体产生的励磁磁动势一直被认为无法调节，后来德国学者VladoOstovic把铝镍钴做为电机的励磁材料，它可以直接调节电机励磁磁场；哈尔滨工业大学利用了离心运动原理，实验证明也可以直接调节电机励磁磁场。

二：增加定子直轴电感：在这方面，英国曼彻斯特理工大学的B.J.Chalmers将电机的转子在轴线方向上设计成磁路上独立的两段-永磁段和磁阻段，将磁阻段转子磁阻比较小的轴线与永磁段转子的直轴轴线重合；美国俄亥俄州立大学的徐隆亚在转子外表面加了一层软磁材料；斯洛文尼亚马里博尔大学的Bojan Stumberger教授采用永磁体分段的转子结构；美国威斯康星大学麦迪逊分校的Ayman M.EL-Refaie把电机做成了分数槽集中绕组形式，这些结构无一例外的增加了电机的直轴电感，增加了有限电流调节定子匝链的能力。

以上所述的电机结构，或者能减小励磁磁链，或者能增加直轴电感，最终都实现了增强电机弱磁调速能力的目的。但通过减小永磁励磁磁链来弱磁扩速的方法在理论上可行，实际难以实施；而在增加定子直轴电感方面，主要依靠增加电机直轴电枢反应电感，它使去磁磁场强烈作用在永磁体上，永磁体存在失磁的危险。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有永磁同步电机为达到弱磁调速的目的，进行弱磁时去磁电流会导致永磁体失磁的问题，提供一种宽弱磁调速范围永磁同步电机。

本发明包括定子和转子，定子的内圆表面与转子的外圆表面之间为气隙，所述定子由定子铁心、非导磁隔离层和导磁套组成，

定子铁心的内侧壁上沿圆周方向均匀分布多个定子槽，所述定子槽轴向贯通定子铁心，每个定子槽内设置一个导磁套，导磁套的形状与定子槽的形状相匹配，所述导磁套的厚度均匀，所述定子槽与导磁套之间设有非导磁隔离层；

所述转子包括永磁体，该永磁体设置在转子外侧壁上。

本发明的优点是：本发明通过在定子上设置定子槽，并在定子槽内设置导磁套的方式，使去磁磁通能够直接在导磁套中闭合，抵消了永磁体磁通与定子上的绕组形成的匝链。非导磁隔离层能够削弱永磁体对导磁套的作用，并为定子去磁磁通提供通路。本发明采用的结构是通过增加槽漏感来增加直轴电感的，去磁磁场大部分闭合在定子内，它几乎不会影响气隙磁密，因而永磁体不会有失磁的危险。

本发明在定子定子槽内设置导磁套，拓宽了电机的弱磁调速范围，解决了现有永磁同步电机恒功率运行弱磁调速范围狭窄的问题，在电动车驱动系统、电主轴系统以及变速发电系统等领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为实施方式五所述的定子局部结构示意图；

图3为实施方式六所述的定子局部结构示意图；

图4为实施方式七所述的定子局部结构示意图；

图5为实施方式三所述的转子结构示意图，此时P＝2。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式包括定子1和转子2，定子1的内圆表面与转子2的外圆表面之间为气隙，其特征在于：所述定子1由定子铁心1-1、非导磁隔离层1-2和导磁套1-3组成，

定子铁心1-1的内侧壁上沿圆周方向均匀分布多个定子槽，所述定子槽轴向贯通定子铁心1-1，每个定子槽内设置一个导磁套1-3，导磁套1-3的形状与定子槽的形状相匹配，所述导磁套1-3的厚度均匀，所述定子槽与导磁套1-3之间设有非导磁隔离层1-2；

所述转子2包括永磁体3，该永磁体3设置在转子2外侧壁上。

本实施方式中定子槽、导磁套1-3和非导磁隔离层1-2的形状相互匹配设置。所述电机的弱磁控制范围与导磁套1-3的厚度相关，导磁套1-3厚度越大，电机弱磁调速范围越大。

所述定子槽可采用梨形槽。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述永磁体3为2P块，P为所述电机的极对数，2P块永磁体3沿圆周方向均匀分布并表贴在转子2的圆柱形外侧壁上。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

本实施方式中转子2采用了永磁体3表贴式的结构。

具体实施方式三：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述永磁体3为2P块，P为所述电机的极对数，2P块永磁体3沿圆周方向均匀分布于转子2体内，并在转子2的圆周方向形成正多边形，所述正多边形的边数为2P，并且该正多边形的中心线与转子2的中心线重合，所述永磁体3轴向贯通转子2，每块永磁体3的圆周方向的两侧各设置一个隔磁孔2-1，所述隔磁孔2-1中填充非导磁材料。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

本实施方式与实施方式二不同之处在于转子2采用了永磁体3内置式结构，隔磁孔2-1中填充的隔磁材料构成了隔磁桥，与实施方式二所采用的转子2结构相比，本实施方式的弱磁能力更强。

在实际应用中，转子采用永磁体内置式结构时，还可以根据需要，将永磁体3在转子2内排列成V形或W形等。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式二或三的进一步说明，所述非导磁隔离层1-2厚度为0.5δ-δ，δ为所述电机气隙长度。其它组成及连接关系与实施方式二或三相同。

非导磁隔离层1-2的设置是为了减弱永磁体对导磁套1-3的饱和影响，非导磁隔离层1-2厚度小时，隔离效果差，非导磁隔离层1-2厚度大时，其有效槽面积小，隔离效果增加的不明显，将非导磁隔离层1-2厚度选定在0.5δ-δ之间，不但隔离效果好，而且占用槽面积小。

具体实施方式五：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式四的进一步说明，所述非导磁隔离层1-2将定子槽的内壁与导磁套1-3的外壁完全隔离。其它组成及连接关系与实施方式四相同。

电机在弱磁调速时，电枢去磁磁通大部分被束缚在导磁套1-3中，小部分通过气隙和永磁体3，这是因为导磁套1-3的磁路磁阻小于气隙和永磁体3的磁路磁阻，导磁套1-3起到了分流作用。

具体实施方式六：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式四的进一步说明，所述导磁套1-3的远转子端与定子槽的槽底固定连接，非导磁隔离层1-2将导磁套1-3的近转子端外壁与定子槽的内壁隔离。其它组成及连接关系与实施方式四相同。

本实施方式中定子铁心1-1与导磁套1-3在定子槽的槽底处没有被非导磁隔离层1-2隔开，这种非导磁隔离层1-2将导磁套1-3与定子槽内壁局部隔离的方式，可以减小定子轭的厚度，缩小所述电机的外径，提高电机功率密度。

根据使用中的需要，进一步减小非导磁隔离层1-2的径向长度，有利于减小定子轭宽，缩小电机体积，进一步提高电机功率密度。

具体实施方式七：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式为对实施方式五或六的进一步说明，所述导磁套1-3上与定子槽槽口相对应的位置具有开口1-31。其它组成及连接关系与实施方式五或六相同。

本实施方式中导磁套1-3在靠近定子槽的槽口侧设置开口，有利于电机绕组下线的操作。

具体实施方式八：本实施方式为对实施方式七的进一步说明，所述非导磁隔离层1-2由空气形成。其它组成及连接关系与实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式为对实施方式七的进一步说明，所述非导磁隔离层1-2的材质为非导磁金属。其它组成及连接关系与实施方式七相同。

具体实施方式十：本实施方式为对实施方式七的进一步说明，所述非导磁隔离层1-2的材质为铝。其它组成及连接关系与实施方式七相同。

铝是热的良导体，与实施方式八采用空气形成非导磁隔离层1-2的方式相比，散热性能更好。

本发明电机可采用分数槽绕组，分数槽绕组有利于减小电机齿槽的定位力，提高控制精度和加工精度。

本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。

Claims (10)

1.一种宽弱磁调速范围永磁同步电机，它包括定子(1)和转子(2)，定子(1)的内圆表面与转子(2)的外圆表面之间为气隙，其特征在于：所述定子(1)由定子铁心(1-1)、非导磁隔离层(1-2)和导磁套(1-3)组成，

定子铁心(1-1)的内侧壁上沿圆周方向均匀分布多个定子槽，所述定子槽轴向贯通定子铁心(1-1)，每个定子槽内设置一个导磁套(1-3)，导磁套(1-3)的形状与定子槽的形状相匹配，所述导磁套(1-3)的厚度均匀，所述定子槽与导磁套(1-3)之间设有非导磁隔离层(1-2)；

所述转子(2)包括永磁体(3)，该永磁体(3)设置在转子(2)外侧壁上。

2.根据权利要求1所述的宽弱磁调速范围永磁同步电机，其特征在于：所述永磁体(3)为2P块，P为所述电机的极对数，2P块永磁体(3)沿圆周方向均匀分布并表贴在转子(2)的圆柱形外侧壁上。

3.根据权利要求1所述的宽弱磁调速范围永磁同步电机，其特征在于：所述永磁体(3)为2P块，P为所述电机的极对数，2P块永磁体(3)沿圆周方向均匀分布于转子(2)体内，并在转子(2)的圆周方向形成正多边形，所述正多边形的边数为2P，并且该正多边形的中心线与转子(2)的中心线重合，所述永磁体(3)轴向贯通转子(2)，每块永磁体(3)的圆周方向的两侧各设置一个隔磁孔(2-1)，所述隔磁孔(2-1)中填充隔磁材料。

4.根据权利要求2或3所述的宽弱磁调速范围永磁同步电机，其特征在于：所述非导磁隔离层(1-2)厚度为0.5δ-δ，δ为所述电机气隙长度。

5.根据权利要求4所述的宽弱磁调速范围永磁同步电机，其特征在于：所述非导磁隔离层(1-2)将定子槽的内壁与导磁套(1-3)的外壁完全隔离。

6.根据权利要求4所述的宽弱磁调速范围永磁同步电机，其特征在于：所述导磁套(1-3)的远转子端与定子槽的槽底固定连接，非导磁隔离层(1-2)将导磁套(1-3)的近转子端外壁与定子槽的内壁隔离。

7.根据权利要求5或6所述的宽弱磁调速范围永磁同步电机，其特征在于：所述导磁套(1-3)与定子槽槽口相对应的位置具有开(1-31)。

8.根据权利要求7所述的宽弱磁调速范围永磁同步电机，其特征在于：所述非导磁隔离层(1-2)由空气形成。

9.根据权利要求7所述的宽弱磁调速范围永磁同步电机，其特征在于：所述非导磁隔离层(1-2)的材质为非导磁金属。

10.根据权利要求7所述的宽弱磁调速范围永磁同步电机，其特征在于：所述非导磁隔离层(1-2)的材质为铝。

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