CN103441592A - 新型磁通可调永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型磁通可调永磁同步电机。传统弱磁调速存在许多不足之处，如造成电机效率下降、存在弱磁失控的风险、弱磁能力有限等。本发明在转子铁芯的每个极下，永磁体呈U型分布，其中高矫顽力永磁体分布在U型的底端，低矫顽力永磁体分布在U型两侧，在高矫顽力永磁体上方，有一个梯形开槽，梯形开槽的两侧对称设有弧形开槽。本发明通过在定子绕组上施加直轴电流可改变低矫顽力永磁体的磁化状态，同时又不影响高矫顽力永磁体的磁化状态，转子内部的磁路因此发生改变，从而达到了气隙磁通可调的目的，电机的调速范围将会有很大提高。

Description

新型磁通可调永磁同步电机

技术领域

本发明属于电机设计领域，涉及一种新型磁通可调永磁同步电机。

背景技术

永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）具有高效率、高功率密度等显著优点。近年来，随着永磁材料性能及电力电子器件性价比的不断提高，永磁同步电动机在工农业、国防和日常生活等方面得到了越来越广泛的运用。永磁同步电动机的定子结构同直流电机、异步电机等电机相同，而转子结构有很大差异。按照永磁体在转子上位置的差异，其转子磁路结构一般可分为三种：表面式、内置式和爪极式。目前比较常用的为表面式和内置式结构。

尽管永磁同步电机的转子磁路结构可以多种多样，但是普遍存在一个问题：电机设计完成后，其气隙磁通很难改变。当电机转速到达一定值以后，由于供电电压、逆变器容量及自身设计功力的限制，无法进一步提升转速。目前为扩大PMSM转速范围，通常的做法是弱磁调速，即通过施加退磁电流来抵消永磁磁动势，利用直轴电抗电压或混合励磁绕组产生的去磁电压抵消部分感应电动势来实现。但弱磁调速依然存在许多不足之处，如造成电机效率下降、存在弱磁失控的风险、弱磁能力有限等。因此，提出一种新型的磁通可调永磁同步电机结构。

发明内容

本发明的目的是要解决现有的永磁同步电气隙磁通不可调的问题，从而减少因弱磁调速引起的电机效率下降、存在弱磁失控风险、弱磁能力有限等问题，提出一种新型磁通可调永磁同步电机结构。

本发明包括定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、永磁体、转轴、轴承、外壳、端盖。该电机的装配方式同一般的永磁同步电机完全相同，即定子铁芯固定在电机外壳内，定子铁芯上设有定子绕组，转子铁芯固定在转轴上，转轴通过轴承与电机外壳固定在一起。定子铁芯与定子绕组的结构和材料的选择与一般永磁同步电机完全相同，转子铁芯结构和永磁体材料的选择有很大变化。

该电机的永磁体由两种永磁体组成，一种是高矫顽力永磁体，磁化方向为径向，一种是低矫顽力永磁体，磁化方向为切向。每个极下，永磁体呈U型分布，高矫顽力永磁体分布在底端，低矫顽力永磁体分布在两侧，在高矫顽力永磁体上方，有一个梯形开槽，梯形开槽的两侧对称设有弧形开槽。弧形槽可以是单层，也可以是双层、三层。

与过去单纯采用高矫顽力永磁体的永磁同步电机相比，本发明有以下好处：通过在定子绕组上施加直轴电流可改变低矫顽力永磁体的磁化状态，同时又不影响高矫顽力永磁体的磁化状态，转子内部的磁路因此发生改变，从而达到了气隙磁通可调的目的，电机的调速范围将会有很大提高。同时由于采用了两种永磁体，其相互作用不可忽视，开槽可尽量削弱二者的相互影响。

附图说明

图1是目前永磁同步电机常用的表面式转子磁路结构示意图；

图2是目前永磁同步电机常用的内置式转子磁路结构示意图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是本发明中的单层弧形槽的转子磁路结构示意图；

图5是双层弧形槽的转子磁路结构示意图；

图6是三层弧形槽的转子磁路结构示意图；

图7是低矫顽力永磁体正向饱和充磁时磁力线分布图；

图8是低矫顽力永磁体反向饱和充磁时磁力线分布图；

图9是低矫顽力永磁体工作点变化过程示意图；

图10是低矫顽力永磁体正向充磁时电机的转矩-转速曲线示意图；

图11是低矫顽力永磁体反向充磁时电机的转矩-转速曲线示意图；

图12是全转速范围下的转矩-转速曲线；

图13是平滑过渡的全转速范围下转矩-转速曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，目前永磁同步电机中仅采用了高矫顽力永磁体（如钕铁硼），因此其气隙磁通很难改变。

如图3和图4所示，本发明包括定子铁芯4、定子绕组5、转子铁芯2、高矫顽力永磁体1、低矫顽力永磁体8、转轴3、轴承7、外壳6、端盖9。由于低矫顽力永磁体（如铝镍钴、铁氧体）磁化状态的较容易改变，采用高矫顽力和低矫顽力永磁体结合的方式，通过调整低矫顽力永磁体的磁化状态，改变磁路，从而改变气隙磁通，达到磁通可调的目的。

1）当低矫顽力永磁体为正向饱和充磁时，气隙磁通由高矫顽力和低矫顽力永磁体共同提供，气隙磁通较强，如图7；当低矫顽力永磁体为反向饱和充磁时，部分高矫顽力永磁体提供的气隙磁通通过低矫顽力永磁体短路，气隙磁通较弱，如图8。当低矫顽力永磁体的磁化状态发生连续的变化，高矫顽力永磁体提供的磁通通过低矫顽力永磁体发生短路的部分相应地改变，从而达到气隙磁通连续可调的目的。

2）本发明中，低矫顽力永磁体的磁化状态直接通过电枢绕组进行改变，无需额外的充去磁绕组。如图9，当低矫顽力永磁体正向充磁时，其空载工作点大致在A点（只要在拐点B以上，就能保证低矫顽力永磁体的磁稳定性），当施加退磁电流时，其工作点将沿曲线ABC运动，到达C点后撤去退磁电流，工作点将沿曲线CD回到D点，即为反向饱和充磁时的空载工作点。此时施加反向充磁电流，工作点将沿曲线DEF运动，到达F点后撤去反向充磁电流，工作点将沿曲线FA回到A点，即为正向饱和充磁时的空载工作点。通过施加适当的电枢电流，低矫顽力永磁体的磁化状态可在正反向饱和充磁之间反复变化。

3）由于本发明中采用了两种永磁体，二者相互产生影响，具体表现在：当需要较大气隙磁通时，低矫顽力永磁体处于正向充磁状态，此时高矫顽力永磁体对其起退磁作用，因此低矫顽力永磁体必须设计得足够厚以保证其工作点处于退磁曲线中的拐点以上，而太厚会直接降低电枢绕组对其充去磁的效果；当低矫顽力永磁体处于反向充磁时，高矫顽力永磁体对其起充磁作用，此时若想将低矫顽力永磁体磁化方向反向，施加的电枢绕组电流除了对低矫顽力进行反向充磁以外，同样对高矫顽力永磁体进行充磁，因此高矫顽力永磁体的存在将在很大程度上阻碍了低矫顽力永磁体的反向充磁，从而妨碍了低矫顽力永磁体在正反向饱和充磁之间的连续变化。

基于以上的考虑，该电机在转子结构中开槽。图4中每极下开了3个槽，其梯形槽是用来减小电枢绕组对高矫顽力永磁体磁化状态的影响，从而减小低矫顽力永磁体反向充磁的难度；弧形槽用来隔离高矫顽力和低矫顽力永磁体。梯形槽不能太长，否则将引起磁路的饱和从而降低气隙磁通，弧形槽与气隙之间必须有一段距离，否则高矫顽力永磁体提供的磁通无法通过低矫顽力永磁体进行短路，从而无法实现降低气隙磁通的目的。弧形槽可以设计成单层，也可以设计成双层、三层，参见图5和图6，开多层槽可减小磁路饱和、改善气隙磁密分布，但也会降低低矫顽力永磁体充磁效果，实际的开槽尺寸设计必须兼顾低永磁体的正反向饱和充磁、气隙磁通可调以及电机的出力。

4）与单纯采用高矫顽力永磁体相比，低矫顽力永磁体为正向充磁时气隙磁通更大，反向充磁时磁通更小，其转矩-转速曲线示意图分别如图10和图11所示。

由于低矫顽力永磁体反向充磁时气隙磁通的削弱，恒转矩区的速度范围更大，因此电机将有更宽的调速范围。两种状态下的恒转矩区中间有一段突变，可通过强磁通状态下的弱磁调速达到平滑过渡的目的。结合低矫顽力永磁体正、反向充磁时的转矩-转速特性，可得到其全转速范围下的转矩-转速曲线，如图12所示。若对低矫顽力永磁体的磁化状态进行连续控制，可以实现从低速区到高速区的平滑过渡，如图13所示。

以上的特点均是针对永磁同步电机进行说明，实际上对无刷直流电机是同样有效的，在设计新型无刷直流电机过程中，有一定的参考价值。

Claims (5)

1.新型磁通可调永磁同步电机，包括定子铁芯、转子铁芯、永磁体、转轴、轴承和电机外壳，定子铁芯固定在电机外壳内，定子铁芯上设有定子绕组，转子铁芯固定在转轴上，转轴通过轴承与电机外壳固定在一起，其特征在于：转子铁芯的每个极下，永磁体呈U型分布，其中高矫顽力永磁体分布在U型的底端，低矫顽力永磁体分布在U型两侧，在高矫顽力永磁体上方，有一个梯形开槽，梯形开槽的两侧对称设有弧形开槽。

2.根据权利要求1所述的新型磁通可调永磁同步电机，其特征在于：所述的高矫顽力永磁体磁化方向为径向。

3.根据权利要求1所述的新型磁通可调永磁同步电机，其特征在于：所述的低矫顽力永磁体磁化方向为切向，低矫顽力永磁体的磁化状态可变，从而达到了气隙磁通可调的目的。

4.根据权利要求1所述的新型磁通可调永磁同步电机，其特征在于：所述的梯形开槽用来减小定子绕组对高矫顽力永磁体磁化状态的影响，从而减小低矫顽力永磁体反向充磁的难度。

5.根据权利要求1所述的新型磁通可调永磁同步电机，其特征在于：所述的弧形槽用来隔离高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体。

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