CN105162301A - 一种高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机，包括定子和转子，所述转子由转子铁芯(5)和嵌于转子铁芯(5)上槽孔内的磁钢组成，其中：所述的定子由定子铁芯(1)和集中绕组(2)构成；所述磁钢非均匀设置于所述转子铁芯(5)的圆周边缘处，每个转子磁极由三块磁钢组成；所述每个转子磁极包括一块径向磁钢(3)和两块切向磁钢(4)，所述径向磁钢(3)的数量为切向磁钢(4)的一半；所述两块切向磁钢(4)与空槽(9)组成“n”形结构；所述径向磁钢(3)位于“n”形结构内侧靠近转子铁芯(5)的圆周边缘处。本发明可以实现集中绕组永磁同步电机磁阻扭矩比例大于永磁扭矩比例的60％以上，同时有效改善了电机的恒功率弱磁性能。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机。
背景技术
近年来，随着新能源汽车行业的兴起，车辆驱动电机对电机的峰值扭矩和转速范围要求越来越高，为了满足整车尺寸空间降低系统成本，系统希望电机具备更大的磁阻扭矩份额。但目前国内外各大电机公司研制集中绕组同步电机的凸极磁阻扭矩和永磁磁钢产生扭矩的份额比例一般小于15％，甚至接近于0；若能有效提高该比例，可降低系统成本，同时若能提高电机在告诉运行时的功率，可以提高混合动力汽车能量回收能力，并降低整车制动时间。
集中绕组永磁同步电机电枢由于其三相绕组端部无交叠，具备端部尺寸小，轴向尺寸短，特别适用于新能源汽车起发电机领域。但集中绕组电机的每级每相槽数小于1，配合现有的现有转子磁路结构(如图1和图2所示)，包括定子冲片1-1、磁钢冲片1-2和转子冲片1-3，此机构具有：谐波漏抗大、磁阻扭矩小、弱磁功率下降快等缺点。
通过电机学可知：永磁同步电机的输出扭矩有两部分组成，一部分是永磁激磁扭矩，其大小主要取决于工作电流和反电势系数，反电势系数和电机的工作转速成反比；另一部分是磁阻扭矩，其大小主要取决于电机工作电流和交直轴磁导不对称程度。永磁同步电机需要采用专门的控制器才能连续运转，当永磁同步电机有宽调速范围运行要求时，工程上常遇到控制器驱动电流能力不足或器件耐电压(特别是电机最高转速时的空载反电势电压)能力不够的问题。因此为了兼顾电机的宽转速范围和动力性能，一般情况下希望电机的磁阻扭矩越大越好，依靠内嵌磁钢转子电机交轴电感Lq＞直轴电感Ld的特征产生凸极磁阻扭矩，实现电机的输出扭矩大于电流和反电势系数的乘积。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种通过特殊的转子磁钢排列，可以实现集中绕组永磁同步电机磁阻扭矩比例大于永磁扭矩比例的60％以上，同时有效改善了电机的恒功率弱磁性能，功率下降速率能够达到分布绕组电机方案的高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机，包括定子和转子，所述转子由转子铁芯5和嵌于转子铁芯5上槽孔内的磁钢组成，其中：所述的定子由定子铁芯1和集中绕组2构成；所述磁钢非均匀设置于所述转子铁芯5的圆周边缘处，每个转子磁极由三块磁钢组成；所述每个转子磁极包括一块径向磁钢3和两块切向磁钢4，所述径向磁钢3的数量为切向磁钢4的一半；所述两块切向磁钢4与空槽9组成“n”形结构；所述径向磁钢3位于“n”形结构内侧靠近转子铁芯5的圆周边缘处。
进一步，所述的径向磁钢3平行分布在转子铁芯5外侧。
进一步，所述的相邻两块切向磁钢4垂直分布正在每两块径向磁钢3的中间位置。
进一步，所述的转子S极和转子N极下设有相同数量的径向磁钢3和切向磁钢4。
进一步，所述的两切向磁钢4位于转子铁芯5上的同一槽孔内。
进一步，所述的空槽9的宽度C大于切向磁钢4的厚度。
进一步，所述的相邻磁极的切向磁钢4平行于q轴。
进一步，所述相邻2个集中绕组2之间设有定子齿，所述定子齿靠近转子的一侧为为平面结构。
进一步，所述的径向磁钢3所占的极弧角度a2为转子极弧角度a的0.45～0.55倍之间；两块切向磁钢4所占的极弧角度a1为转子极弧角度a的0.7～0.85倍之间。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的结构简单，易生产，成本低，且易使用推广；
2、本发明通过特殊的转子磁钢排列，可以实现集中绕组永磁同步电机磁阻扭矩比例大于永磁扭矩比例的60％以上，同时有效改善了电机的恒功率弱磁性能，功率下降速率能够达到分布绕组电机方案的效果；
3、本发明转子上的磁通回路有效拓宽，因此有效增大了电机的交轴电感；
4、本发明负载谐波小比常规结构好，高速弱磁能力强；
5、本发明磁力线多为有效磁通，特别高速弱磁时功率因数和效率明显提高；
6、本发明明显的磁阻扭矩通道，相比常规结构电机磁阻扭矩明显提高。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为现有技术的电机示意图一；
图2为现有技术的电机示意图二；
图3为本发明的局部示意图一；
图4为本发明的局部示意图二；
图5为本发明的转子示意图；
图6为本发明的极弧角度示意图；
图7为常规结构电机空载磁路仿真图；
图8为本发明结构电机空载磁路仿真图；
图9为常规结构峰值扭矩磁力线分布；
图10为本发明结构峰值扭矩磁力线分布；
图11为常规结构深度弱磁时磁力线分布；
图12为本发明结构深度弱磁时磁力线分布。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
具体实施例，如图3和4所示，一种高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机，包括定子和转子，所述转子由转子铁芯5和嵌于转子铁芯5上槽孔内的磁钢组成，其中：所述的定子由定子铁芯1和集中绕组2构成；所述磁钢非均匀设置于所述转子铁芯5的圆周边缘处，每个转子磁极由三块磁钢组成；所述每个转子磁极包括一块径向磁钢3和两块切向磁钢4，所述径向磁钢3的数量为切向磁钢4的一半；所述两块切向磁钢4与空槽9组成“n”形结构；所述径向磁钢3位于“n”形结构内侧靠近转子铁芯5的圆周边缘处。
具体地，所述的径向磁钢3平行分布在转子铁芯5外侧。
具体地，所述的相邻两块切向磁钢4垂直分布正在每两块径向磁钢3的中间位置。
具体地，所述的转子S极和转子N极下设有相同数量的径向磁钢3和切向磁钢4。
具体地，所述的两切向磁钢4位于转子铁芯5上的同一槽孔内。
具体地，所述的空槽9的宽度C大于切向磁钢4的厚度。
具体地，所述的相邻磁极的切向磁钢4平行于q轴。
具体地，所述相邻2个集中绕组2之间设有定子齿，所述定子齿靠近转子的一侧为为平面结构。
具体地，如图6所示，径向磁钢3所占的极弧角度a2为转子极弧角度a的0.5倍；两块切向磁钢4所占的极弧角度a1为转子极弧角度a的0.8倍。
如图5所示，一方面电机转子上的磁钢组之间留有足够的距离，对于定子产生的交轴磁通可以通过通道一6和通道二7穿透转子铁芯形成电枢反应回路，相比传统V形内嵌磁钢结构(图2所示)该磁通回路有效拓宽，因此有效增大了电机的交轴电感。另一方径向磁钢聚集了两块切向磁钢4的磁场，使这种转子d轴方向具有较强激磁强度；只要合理设计磁钢和磁桥尺寸可以确保所有磁桥均处于饱和状态，而两块切向磁钢4所在的铁芯槽孔所占的极弧(一般大于0.7)大于绕组所占极弧(0.667)，阻断了直轴电枢反应通路，使三相绕组产生的d轴磁通无法穿越转子，电机的直轴电枢反应受到限制，即该电机结构可以获取较小的直轴电感Ld
电机的定子齿内侧面采用了直边(无圆弧)设计，图7和图8为常规结构和本发明结构的空载磁力线对比，可见空载时新新磁路结构的有效极弧较小，两切向磁钢特别是采用定子齿直边设计后，磁钢正对齿气隙磁力线分布中间密、两边疏，有效改善了电机反电势波形。此外，从图8中看以看出：新型磁路结构的磁力线有切向磁钢和径向磁钢串联励磁，对气隙能够产生较强的激磁强度(图8中齿中间有磁力线直线穿透至轭部，而图7中没有可以证明)。有电机学可知：较强的激磁强度，有效的降低了电机的直轴电感Ld。虽然该结构具备较高的磁极强度，但由于转子极弧系数小，最高气隙磁密受到磁钢剩磁的约束，转子对气隙的激磁磁密和反电势不高。
图9、10、11和12是常规磁路结构和新型磁路结构负载磁路仿真对比。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (9)
1.一种高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机，包括定子和转子，所述转子由转子铁芯(5)和嵌于转子铁芯(5)上槽孔内的磁钢组成，其特征在于：所述的定子由定子铁芯(1)和集中绕组(2)构成；所述磁钢非均匀设置于所述转子铁芯(5)的圆周边缘处，每个转子磁极由三块磁钢组成；所述每个转子磁极包括一块径向磁钢(3)和两块切向磁钢(4)，所述径向磁钢(3)的数量为切向磁钢(4)的一半；所述两块切向磁钢(4)与空槽(9)组成“n”形结构；所述径向磁钢(3)位于“n”形结构内侧靠近转子铁芯(5)的圆周边缘处。
2.根据权利要求1所述的高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机，其特征在于，所述的径向磁钢(3)平行分布在转子铁芯(5)外侧。
3.根据权利要求1所述的高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机，其特征在于，所述的相邻两块切向磁钢(4)垂直分布正在每两块径向磁钢(3)的中间位置。
4.根据权利要求2所述的高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机，其特征在于，所述的转子S极和转子N极下设有相同数量的径向磁钢(3)和切向磁钢(4)。
5.根据权利要求1所述的高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机，其特征在于，所述的两切向磁钢(4)位于转子铁芯(5)上的同一槽孔内。
6.根据权利要求1所述的高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机，其特征在于，所述的空槽(9)的宽度C大于切向磁钢(4)的厚度。
7.根据权利要求3所述的高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机，其特征在于，所述的相邻磁极的切向磁钢(4)平行于q轴。
8.根据权利要求1所述的高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机，其特征在于，所述相邻2个集中绕组(2)之间设有定子齿，所述定子齿靠近转子的一侧为为平面结构。
9.根据权利要求1所述的高磁阻扭矩集中绕组永磁同步电机，其特征在于，所述的径向磁钢(3)所占的极弧角度a2为转子极弧角度a的0.45～0.55倍之间；两块切向磁钢(4)所占的极弧角度a1为转子极弧角度a的0.7～0.85倍之间。
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