CN105610288A - 一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机及最优效率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机及最优效率控制方法，属于电机及其控制技术领域，包括3个定子和1个转子(由2个轴向转子和1个径向转子组成)，径向定子槽内采用的分布式绕组结构，轴向定子齿中放置集中绕组。采用分布式绕组和径向磁阻转子结构有利于产生更大的磁阻转矩；而集中绕组和表贴式永磁体结构产生较高的永磁转矩。在磁路结构上，产生永磁转矩的为轴向磁路，产生磁阻转矩的为径向磁路。利用轴向、径向磁路的解耦性，实现了永磁转矩和磁阻转矩的分离和独立控制。本发明中的每个定转子均可以独立加工，组块化拼接，从而降低了电机的加工难度。

Description

一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机及最优效率控制方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特指一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机及最优效率控制方法。

背景技术

近年来，永磁电机以其高效率、高功率因数和高转矩密度优势，受到了商用电动汽车的青睐。

公开号为CN101741154A，名称为“旋转电机”的专利文献提出相比于表贴式和表嵌式结构，内嵌式永磁电机能够利用磁阻转矩，进而提升转矩性能和调速范围。同时，在确保电机转矩能力的基础上，磁阻转矩的充分利用，也可以有效控制电动汽车永磁电机的反电势幅值，利于故障状态下的电机运行。但该内嵌式永磁电机，电机的输出转矩均由永磁转矩和磁阻转矩组成，且在转矩输出时是同时作用的，不能独立的控制电机中的永磁转矩和磁阻转矩。

公开号为CN104716754A，名称为“提升电机转矩密度方法及径向、轴向磁通并联永磁电机”的专利文献提出将径向磁通和轴向磁通进行结合，在转子的径向轴向均表贴永磁体，使得电机的转矩密度提升。但该方案未对径向和轴向磁场进行分离，同时不能让兼顾电机的磁阻转矩，从而不能应用于宽调速范围的场合。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术中的不足，提出一种永磁转矩和磁阻转矩分离型永磁电机。

本发明的装置采用的技术方案是：一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机，包括机壳以及机壳内部的径向电机、左轴向电机、右轴向电机，径向电机两侧分别被所述左轴向电机、右轴向电机所包围；所述径向电机包括径向定子和径向转子；径向定子上采用整数槽分布式绕组结构，同时径向转子采用磁阻式转子结构，以使得径向电机只产生磁阻转矩；所述左轴向电机包括左轴向定子和左轴向转子；所述右轴向电机包括右轴向定子，右轴向转子；右轴向定子和左轴向定子均采用分数槽集中绕组结构，同时右轴向转子和左轴向转子上设有永磁体，永磁体的励磁方向与电机的轴向方向平行，且相邻永磁体的励磁方向相反，以使得轴向电机只产生永磁转矩；所述径向电机为内转子或外转子结构；所述左轴向电机、右轴向电机中，左轴向定子和左轴向转子能够沿轴向位置互换；右轴向定子，右轴向转子能够沿轴向位置互换。所述径向电机产生径向磁通，所述左轴向电机、右轴向电机产生轴向磁通，且径向磁通和轴向磁通方向相互垂直，实现径向磁通、轴向磁通的解耦。

进一步，所述径向电机为内转子结构，径向转子内圈套有轴，径向定子内圈套有径向转子且以径向气隙相隔；径向转子轴端两侧分别设有左轴向转子和右轴向转子，左轴向定子和右轴向定子分别设置于左轴向转子和右轴向转子的最外层，左轴向转子和右轴向转子上的永磁体分别朝向靠近左轴向定子和右轴向定子的一侧设置；径向定子、左轴向定子和右轴向定子分别安装于机壳上。

进一步，所述径向电机为外转子结构，径向转子可以直接安装在车轮内，形成轮毂式结构；径向转子内圈套有径向定子且以径向气隙相隔；径向转子轴端两侧分别设有左轴向转子和右轴向转子，左轴向定子和右轴向定子分别设置于左轴向转子和右轴向转子的最外层，左轴向转子和右轴向转子上的永磁体分别朝向靠近左轴向定子和右轴向定子的一侧设置；径向定子、左轴向定子和右轴向定子与轴相连。

进一步，所述径向电机为内转子结构，径向转子内圈套有轴，径向定子内圈套有径向转子且以径向气隙相隔；左轴向定子和右轴向定子沿着轴向并排放置，同时，径向定子沿轴向嵌套固定在左轴向定子和右轴向定子内部中心，左轴向转子和右轴向转子分别设置于左轴向定子和右轴向定子的最外层，左轴向转子和右轴向转子上的永磁体分别朝向靠近左轴向定子和右轴向定子的一侧设置；左轴向定子和右轴向定子分别安装于机壳上，径向转子、左轴向转子、右轴向转子均和轴相连。

进一步，所述径向转子的转子结构包括：一字型转子，V型转子，多层空气槽转子或者开关磁阻式转子结构。所述永磁体的安装方式可以为表贴、表嵌和Halbach阵列三种，永磁体的表贴系数的范围在0.8-1之间。

进一步，所述径向定子上采用整数槽分布式绕组结构中：槽极配合需保证q＝S/(2*P*m)为整数；所述右轴向定子和左轴向定子均采用分数槽集中绕组结构中，槽极配合应满足S＝2P±2；其中m为电机的相数，S为电机的槽数，P为电机极对数，q为电机的每极每相槽数。

进一步，所述径向转子的外径大于左轴向转子和右轴向转子外径，为了保证永磁转矩的输出能力和端部漏磁的抑制，左轴向转子和径向转子的外径比为0.7-0.9之间。

进一步，所述右轴向转子和左轴向转子半径大小相同，径向转子半径与右轴向转子、左轴向转子的半径不等；在径向转子和左轴向转子、右轴向转子径向半径比例固定的情况下，径向转子和左轴向转子或右轴向转子的轴向厚度的比例应设置于0.2-0.8之间，可以实现电机中磁阻转矩和永磁转矩的比例调节。

本发明的方法的技术方案为：

一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机最优效率控制方法，该控制方法可以分为三段执行，第一段为低速区，第二段为中-高速区，第三段为高速区；

在第一段区域内以永磁转矩为主要驱动力矩，此时右轴向定子，左轴向定子，右轴向转子，左轴向转子输出的转矩起主导作用；

在第二段区域内以永磁转矩和磁阻转矩为驱动力矩，此时径向电机和左轴向电机、右轴向电机均参与转矩输出；

在第三段区域内以磁阻转矩为主要驱动力矩，此时径向定子和径向转子输出的转矩起主导作用，在该段中如果不需要永磁转矩时可以利用轴向定转子结构为供电电源充电；

在三段区域中实现单个径向电机或左轴向电机、右轴向电机的最优效率控制，首先是准备工作，在有限元软件的帮助下，构建电机交直轴电流和电感的关系，以及他们和铁耗的关系；在获得以上关系的基础上对最大效率点进行搜索，搜索最大效率点的本质是找到最优效率时的电流角γ，当满足最大效率条件时，停止搜索，否则一直修改电流角γ进行最大效率点搜寻。

进一步，所述在三段区域中实现单个径向或轴向电机的最优效率控制的具体过程如下：

步骤一，根据有限元模型的仿真结果，利用多项式进行曲面拟合，构建电机中交直轴电感(L_q和L_d)与电机交直轴电流(i_q和i_d)之间的多项式关系；

步骤二，对电机的定子铁耗进行建模，构建铁耗P_fe与电机L_d，L_q，i_d和i_q之间的关系；

步骤三，根据上面获得的电机铁耗模型和电机的d、q轴电压方程，求取电机的铁耗等效电阻R_Fe；

步骤四，根据给定的电流i_s和电流角γ求取d、q轴电流i_d、i_q；

步骤五，由拟合的多项式，在给定i_d和i_q情况下，计算出电机的d、q轴电感；

步骤六，由步骤五得到的d、q轴电感，获得电机的d、q轴电压；

步骤七，由电机的d、q轴电压和电流，求取输入和输出功率；

步骤八，计算电机效率，判断效率η是否是最大，如果是的话，输出d、q轴电流i_d、i_q；如果不是修改电流角γ，返回到步骤四继续执行。

本发明具有以下效果：

1)本发明具有3个定子和1个转子(由2个轴向转子和1个径向转子组成)，每个定转子均可以独立加工，组块化拼接，从而降低了电机的加工难度。

2)径向定子槽内采用的分布式绕组结构，轴向定子齿中放置集中绕组；采用分布式绕组和径向磁阻转子结构有利于产生更大的磁阻转矩；而集中绕组和表贴式永磁体结构产生较高的永磁转矩；产生永磁转矩的为轴向磁路，产生磁阻转矩的为径向磁路，且径向磁路和轴向磁路方向相互垂直。利用轴向、径向磁路的解耦性，实现了永磁转矩和磁阻转矩的分离、优化和独立控制。

3)径向转子中采用多层空气槽结构有利于增加电机的磁阻转矩输出，轴向转子上表贴永磁体(永磁体的表贴系数的范围在0.8-1之间)有利于提升永磁转矩，永磁转矩和磁阻转矩的独立优化有助于突破现有电机的转矩密度。

4)2个轴向转子的半径相等，而径向转子的外径与2个轴向转子不等，左轴向转子和径向转子的外径比为0.7-0.9之间，以保证永磁转矩的输出能力最大，同时还能够大大抑制端部漏磁，从而保证径向磁通和轴向磁通的解耦性。

5)在径向转子和轴向转子径向半径比例固定的情况下，径向转子和轴向转子的轴向厚度的比例变化(径向转子和左轴向转子或右轴向转子的轴向厚度的比例应设置于0.2-0.8之间)，可以快速实现电机中磁阻转矩和永磁转矩的比例调节。

6)分为三段执行的最优效率控制方法，可以使该电机在低速区获得表贴式永磁电机的高效率特性，中-高速区获得内嵌式永磁电机的高效率特性，而在为高速区获得同步磁阻电机的高效率特性，降低轴向电机的永磁体涡流损耗，可以分别将由径向定子和径向转子输出的磁阻转矩、以及轴向电机产生的永磁转矩的利用率提升到最高，从而实现分区执行的最优效率控制。

附图说明

图1是具体实施例1的结构爆炸图；

图2是具体实施例1的装配图；

图3是径向转子结构示意图；

图4是永磁体及其励磁方向示意图；

图5是径向-轴向磁路；(a)为径向定子与径向转子部分结构示意图，(b)为径向定子与径向转子B-B剖面图；

图6是径向-轴向磁路仿真结果图；其中(a)为无径向电流时磁路；(b)径向加电流磁路；

图7反电势仿真结果图；(a)无径向电流时反电势；(b)分数槽集中绕组的反电势；

图8是具体实施例2的结构爆炸图；

图9是具体实施例3的结构爆炸图；

图10为三段式转矩分配图；(a)为区域划分；(b)为低速区；(c)为高速区；

图11基于最优转矩电流分配的MEPA控制图；

图12为单电机的MEPA控制图。

图1-9中：机壳1，径向定子2-1，右轴向定子2-2，左轴向定子2-3；径向转子3-1，左轴向转子3-2，右轴向转子3-3，整数槽分布式绕组4-1，分数槽集中绕组4-2，分数槽集中绕组4-3，轴承7，轴8。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机，包括机壳以及机壳内部的径向电机、左轴向电机、右轴向电机，径向电机两侧分别被所述左轴向电机、右轴向电机所包围；所述径向电机包括径向定子2-1和径向转子3-1；径向定子2-1上采用整数槽分布式绕组结构，同时径向转子3-1采用磁阻转子结构(一字型转子，V型转子，多层空气槽转子或者开关磁阻式转子结构)，以使得径向电机只产生磁阻转矩；所述左轴向电机包括左轴向定子2-3和左轴向转子3-2；所述右轴向电机包括右轴向定子2-2，右轴向转子3-3；右轴向定子2-2和左轴向定子2-3均采用分数槽集中绕组结构，同时右轴向转子3-3和左轴向转子3-2上设有永磁体6，永磁体6的励磁方向与电机轴向方向平行，且相邻永磁体的励磁方向相反，以使得轴向电机只产生永磁转矩；所述径向电机为内转子或外转子结构；所述左轴向电机、右轴向电机中，左轴向定子2-3和左轴向转子3-2能够沿轴向位置互换；右轴向定子2-2，右轴向转子3-3能够沿轴向位置互换。

所述右轴向转子3-3和左轴向转子3-2半径大小相同，径向转子3-1半径与右轴向转子3-3、左轴向转子3-2的半径不等，以抑制径向、轴向的漏磁通，保证解耦。

在径向转子3-1和左轴向转子3-2、右轴向转子3-3径向半径比例固定的情况下，径向转子3-1和左轴向转子3-2的轴向厚度的比例应设置于0.2-0.8之间，可以实现电机中磁阻转矩和永磁转矩的比例调节。

实施例一：

如附图1所示，该发明为一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机。该电机包括3个定子和3个转子，其中3个定子分别为：径向定子2-1，右轴向定子2-2，左轴向定子2-3；3个转子分别为径向转子3-1，左轴向转子3-2，右轴向转子3-3。径向定子2-1上采用整数槽分布式绕组4-1，而左轴向定子2-3上采用分数槽集中绕组4-2，右轴向定子2-2上采用分数槽集中绕组4-3。永磁体6表贴于左轴向转子3-2、右轴向转子3-3上。

该实施例的径向电机为内转子结构，径向转子3-1内圈套有轴8，径向定子2-1内圈套有径向转子3-1且以径向气隙5-1相隔；径向转子3-1轴端两侧分别设有左轴向转子3-2和右轴向转子3-3，左轴向定子2-3和右轴向定子2-2分别设置于左轴向转子3-2和右轴向转子3-3的最外层，左轴向转子3-2和右轴向转子3-3上的永磁体分别朝向靠近左轴向定子2-3和右轴向定子2-2的一侧设置；径向定子2-1、左轴向定子2-3和右轴向定子2-2分别安装于机壳1上。

为了进一步的说明该电机的结构，给出了该电机的轴向剖面图，如图2所示。从图2中可知，该电机在径向方向上，从外往内分别是机壳1-＞径向定子2-1-＞径向气隙5-1-＞径向转子3-1和轴8，其中径向定子2-1和径向转子3-1由气隙5-1相连。同时，该电机在轴向方向上，从左往右分别为机壳1-＞左轴向定子2-3-＞轴向气隙5-2-＞永磁体6-＞左轴向转子3-2-＞径向转子3-1-＞右轴向转子3-3-＞永磁体6-＞轴向气隙5-3-＞右轴向定子2-2。从电机的整体结构来看，该电机由1个径向电机和2个轴向电机复合而成，但与传统的复合电机不同，该电机通过径向电机只产生磁阻转矩，而轴向电机只产生永磁转矩。同时通过径向、轴向磁路巧妙应用，分离出了电机输出转矩中的永磁转矩和磁阻转矩。在本发明中，为了使得径向电机只产生磁阻转矩，径向定子2-1上采用分布式绕组结构，同时径向转子3-1采用只用空气槽结构的磁阻转子。

径向转子的空气槽结构可以采用图3所示的多种结构，磁阻式转子结构包括：一字型转子(一字型空气槽沿转子圆周均布排列)，V型转子(V字型空气槽沿转子圆周均布排列)，多层空气槽转子(多层梯形空气槽沿转子圆周均布排列)和开关磁阻式转子，具体的采用的原则取决于电机的磁阻转矩的需求，本发明优选为多层空气槽转子。为了使得左、右轴向电机只产生永磁转矩，右轴向定子2-2和左轴向定子2-3均采用分数槽集中绕组结构，同时右轴向转子3-3和左轴向转子3-2上设有永磁体6。

永磁体6在轴向上的具体励磁方式如图4所示。从图4中可以看出，相邻2个永磁6励磁方向均平行于电机的轴向方向且方向相反，作为本发明的一个实施例，永磁体的安装方式可以为表贴、表嵌和Halbach阵列三种，永磁体的表贴系数的范围在0.8-1之间。

左轴向转子3-2和右轴向转子3-3外径相等，但径向转子3-1的外径略大于左轴向转子3-2和右轴向转子3-3外径，为了保证永磁转矩的输出能力和端部漏磁的抑制，左轴向转子3-2和径向转子3-1的外径比为0.7-0.9之间。

永磁转矩和磁阻转矩在磁路上进行了分离，有利于电机磁阻转矩和永磁转矩的比例调节。在径向转子和轴向转子径向半径比例固定的情况下，径向转子和轴向转子的轴向厚度的比例应设置于0.2-0.8之间。

本发明电机的具体径向和轴向电机的磁路如图5所示。从图5中可以看出，在径向磁路中，磁路由径向定子2-1产生，并与径向转子3-1中的空气槽相互交链，利用径向转子3-1交直轴电感不同来产生转矩，径向转子3-1上无任何永磁体，所以产生的转矩为磁阻转矩。在轴向磁路中，磁路由左轴向定子2-3产生，并与右轴向转子3-3表面上的永磁体6交链，通过电枢绕组磁链和永磁磁链相互作用输出转矩，所以产生的转矩为永磁转矩。为了保证输出的永磁转矩和磁阻转矩解耦，必须保证空载和负载情况下，径向磁路和轴向磁路的解耦。

图6给出了本发明在空载和径向加电流情况下，电机的磁位分布图。从图中可以看出，在空载情况下电机只有轴向的磁通路径，即永磁体6产生的磁链不会经过径向定子2-1。当电机径向整数槽分布式绕组4-1通入电流后电机的磁位分布，可以看出此时电机既有轴向磁通路径又有径向磁通路径，且径向磁通和轴向磁通方向相互垂直，实现径向、轴向解耦。为了精确说明本发明径向、轴向解耦的效果，给出了空载和径向整数槽分布式绕组4-1通入电流情况下左轴向定子的分数槽集中绕组4-2和整数槽分布式绕组4-1的反电势变化。从图7中可以看出在空载情况下，分数槽集中绕组4-2有反电势而整数槽分布式绕组4-1反电势为0，从而得到永磁产生的磁链只和右轴向定子2-2和左轴向定子2-3交链，而没有磁链经过径向定子2-1。在径向整数槽分布式绕组4-1通入电流情况下，分数槽集中绕组4-2所得到的反电势和空载时比较一致，说明了电机径向、轴向磁路解耦的有效性，从而说明了本发明为永磁转矩和磁阻转矩分离型电机。

实施例二：

如图8所示，该发明为一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机。该电机包括3个定子和3个转子，其中3个定子分别为：径向定子2-1，右轴向定子2-2，左轴向定子2-3；3个转子分别为径向转子3-1，左轴向转子3-2，右轴向转子3-3。

该实施例的径向电机为外转子结构，径向转子3-1能够直接安装在车轮内，形成轮毂式结构；径向转子3-1内圈套有径向定子2-1且以径向气隙5-1相隔；径向转子3-1轴端两侧分别设有左轴向转子3-2和右轴向转子3-3，左轴向定子2-3和右轴向定子2-2分别设置于左轴向转子3-2和右轴向转子3-3的最外层，左轴向转子3-2和右轴向转子3-3上的永磁体分别朝向靠近左轴向定子2-3和右轴向定子2-2的一侧设置；径向定子2-1，左轴向定子2-3和右轴向定子2-2与轴8相连。

径向定子2-1上采用整数槽分布式绕组4-1，而左轴向定子2-3上采用分数槽集中绕组4-2，右轴向定子2-2上采用分数槽集中绕组4-3。永磁体6表贴于左轴向转子3-2、右轴向转子3-3上。该电机在径向方向上，从外往内分别是机壳1-＞径向转子3-1-＞径向气隙-＞径向定子2-1和轴承8，其中径向定子2-1和和转子3-1由气隙相连。同时，该电机在轴向方向上，从左往右分别为机壳1-＞左轴向定子2-3-＞轴向气隙-＞永磁体6-＞左轴向转子3-2-＞径向转子3-1-＞右轴向转子3-3-＞永磁体6-＞轴向气隙-＞右轴向定子2-2。该电机相较于实施例一，就是将电机的轴向-径向内转子转化为外转子结构。

上述实施例一和实施例二中，径向转子3-1，左轴向定子2-3和左轴向转子3-2与轴8相连；径向定子2-1，左轴向定子2-3和右轴向定子2-2分别安装于机壳1上；左轴向转子3-2和右轴向转子3-3外径相等，但径向转子3-1的外径略大于左轴向转子3-2和右轴向转子3-3的外径，为了保证永磁转矩的输出能力和端部漏磁的抑制，左轴向转子3-2和径向转子3-1的外径比为0.7-0.9之间。

实施例三：

如附图9所示，该发明为一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机。该电机包括3个定子和3个转子，其中3个定子分别为：径向定子2-1，右轴向定子2-2，左轴向定子2-3；3个转子分别为径向转子3-1，左轴向转子3-2，右轴向转子3-3。

该实施例的径向电机为内转子结构，径向转子3-1内圈套有轴8，径向定子2-1内圈套有径向转子3-1且以径向气隙5-1相隔；左轴向定子2-3和右轴向定子2-2沿着轴向并排放置，同时，径向定子2-1沿轴向嵌套固定在左轴向定子2-3和右轴向定子2-2内部中心，左轴向转子3-2和右轴向转子3-3分别设置于左轴向定子2-3和右轴向定子2-2的最外层，左轴向转子3-2和右轴向转子3-3上的永磁体分别朝向靠近左轴向定子2-3和右轴向定子2-2的一侧设置；左轴向定子2-3和右轴向定子2-2分别安装于机壳1上，径向转子3-1、左轴向转子3-2、右轴向转子3-3均和轴8相连。

径向定子2-1上采用整数槽分布式绕组4-1，而左轴向定子2-3上采用分数槽集中绕组4-2，右轴向定子2-2上采用分数槽集中绕组4-3。永磁体6表贴于左轴向转子3-2、右轴向转子3-3上。该电机在径向方向上，从外往内分别是机壳1-＞左轴向定子2-3和右轴向定子2-2-＞轴向定子2-1-＞径向气隙-＞径向转子3-1和轴8，其中径向定子2-1沿着轴向嵌套在左轴向定子2-3和右轴向定子2-2内部中间位置，径向定子2-1和径向转子3-1由气隙相隔。同时，该电机在轴向方向上，从左往右分别为机壳1-＞左轴向转子3-2-＞永磁体6-＞轴向气隙-＞左轴向定子2-3-＞径向转子3-1-＞右轴向定子2-2-＞轴向气隙-＞永磁体6-＞右轴向转子3-3。该电机综合了实施例一和实施二的特点，既有径向的内转子，又有轴向的外转子，该电机有利于将轴向-径向定子组合在一起。

最优效率控制方法：

在内嵌式永磁电机中，采用最大转矩电流比的控制策略可以降低通入电机的电流，从而保证电机额定工作点处的高效率，所述的额定工作点处的区域处于中高速区。而在低速区和高速区，因为永磁转矩和磁阻转矩存在耦合，不能单独控制，因此不能保证电机这些区域的效率最高。而在本发明的永磁转矩和磁阻转矩分离型电机中，由于永磁转矩和磁阻转矩的独立控制，从而有可能在不同的工况(低速、中-高速和高速)下提升电机的运行效率。

因此，本发明的一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机最优效率控制方法，该控制方法可以分为三段执行，第一段为低速区，第二段为中-高速区，第三段为高速区；

在第一段区域内以永磁转矩为主要驱动力矩，此时右轴向定子2-2，左轴向定子2-3，右轴向转子3-3，左轴向转子3-2输出的转矩起主导作用；

在第二段区域内以永磁转矩和磁阻转矩为驱动力矩，此时径向电机和左轴向电机、右轴向电机均参与转矩输出；

在第三段区域内以磁阻转矩为主要驱动力矩，此时径向定子2-1和径向转子3-1输出的转矩起主导作用，在该段中如果不需要永磁转矩时可以利用轴向定转子结构为供电电源充电；

在三段区域中实现单个径向电机或左轴向电机、右轴向电机的最优效率控制，首先是准备工作，在有限元软件的帮助下，构建电机交直轴电流和电感的关系，以及他们和铁耗的关系；在获得以上关系的基础上对最大效率点进行搜索，搜索最大效率点的本质是找到最优效率时的电流角γ，当满足最大效率条件时，停止搜索，否则一直修改电流角γ进行最大效率点搜寻。

上述在三段区域中实现单个径向或轴向电机的最优效率控制的具体过程如下：

步骤一，根据有限元模型的仿真结果，利用多项式进行曲面拟合，构建电机中交直轴电感(L_q和L_d)与电机交直轴电流(i_q和i_d)之间的多项式关系；

步骤二，对电机的定子铁耗进行建模，构建铁耗P_fe与电机L_d，L_q，i_d和i_q之间的关系；

步骤三，根据上面获得的电机铁耗模型和电机的d、q轴电压方程，求取电机的铁耗等效电阻R_Fe；

步骤四，根据给定的电流i_s和电流角γ求取d、q轴电流i_d、i_q；

步骤五，由拟合的多项式，在给定i_d和i_q情况下，计算出电机的d、q轴电感；

步骤六，由步骤五得到的d、q轴电感，获得电机的d、q轴电压；

步骤七，由电机的d、q轴电压和电流，求取输入和输出功率；

步骤八，计算电机效率，判断效率η是否是最大，如果是的话，输出d、q轴电流i_d、i_q；如果不是修改电流角γ，返回到步骤四继续执行。

下面具体介绍本发明的最优效率控制方法。

如图10(b)所示，在低速区，传统内嵌式永磁电机的转矩由A点和B点构成，而在所提出的电机中转矩可由A1点和B1点构成，此时右轴向定子2-2，左轴向定子2-3，左轴向转子3-2，右轴向转子3-3输出的永磁转矩起主导作用，即可以通过提升永磁转矩的利用率，削弱由径向定子2-1和径向转子3-1输出的磁阻转矩的电流值。从而降低该区域的铜耗，来实现最优效率电流比控制(MEPA)。而在高速区，为了降低轴向电机的永磁体涡流损耗，可以将由径向定子2-1和径向转子3-1输出的磁阻转矩的利用率提升到最高，具体在图10(c)实现是通过将永磁转矩的A点转移到A1点，而将磁阻转矩的B点转移到B1点，而使得永磁转矩的利用率下降，以降低永磁电机的涡流损耗，实现高速区域的MEPA，以此来实现不同工况的转矩合成，从而实现MEPA的控制。整个系统的控制框图如图11所示，为了实现整个系统的效率最优控制，系统采用两级控制的方式。主控制器为三段式最优转矩电流分配，辅助控制器为MEPA控制。主控制器功能的具体实现如图10所述，主要实现全工况的最优电流分配；辅助控制器在获得径向和轴向电机的所需电流的基础上，执行单个电机的MEPA控制。单个电机的MEPA实现如图12所示，具体步骤如下：

步骤1：在ansoft软件中建立所述永磁转矩和磁阻转矩分离型电机模型，仿真获取该电机的dq轴电感参数，利用matlab曲线拟合的工具箱，在获得限元模型的仿真结果，利用多项式(1)进行曲线拟合，从而得到式(1)中系数a₃₀，a₂₁，a₁₂，a₀₃，a₂₀的值。

$\[L\]=a_{30}{i}_d^3+a_{21}{i}_d^2{i}_q+a_{12}{i}_d{i}_q^2+a_{03}{i}_q^3+a_{20}{i}_d^2---\left(1\right)$

其中的i_d，i_q为电机的交直轴电流；

步骤2：对电机的定子铁耗进行建模。

$\begin{array}{c}{P}_{Fe}={\mathrm{dP}}_{Fetd,q}{V}_t+{\mathrm{dP}}_{Fejd,q}{V}_j\\ =k_{hd}\left({\mathrm{\ψ}}_d^2+{\mathrm{\ψ}}_q^2\right)+k_{ep}\left({\mathrm{\ψ}}_d^{1.5}+{\mathrm{\ψ}}_q^{1.5}\right)\\ =k_{hd}\[{\left(L_d{i}_d+{\mathrm{\ψ}}_f+L_{dq}{i}_q\right)}^2+{\left(L_d{i}_d+L_{dq}{i}_q\right)}^2\]\\ +k_{ep}\[{\left(L_d{i}_d+{\mathrm{\ψ}}_f+L_{dq}{i}_q\right)}^{1.5}+{\left(L_d{i}_d+L_{dq}{i}_q\right)}^{1.5}\]\end{array}---\left(2\right)$

其中d，.q为电机的交直轴磁链，f为电机的永磁磁链，L_d，L_q分别为电机的交直轴自感，L_dq为电机交直轴的互感，k_hd为电机损耗模型下磁滞损耗和铁磁之和的系数，k_ep为电机损耗模型下的附加损耗系数。

式中的参数k_hd、和k_ep的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_{hd}=\left(k_{h}f+{\mathrm{\π}}^2\mathrm{\σ}\frac{k_d^2}{6}{f}^2\right)\left(\frac{V_t}{S_{tc}^2}+\frac{V_j}{S_{jc}^2}\right)\\ k_{ep}=k_e{f}^{1.5}\left(\frac{V_t}{S_{tc}^{1.5}}+\frac{V_j}{S_{jc}^{1.5}}\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中S_tc，S_jc为定子齿部、轭部磁场密度计算等效面积，V_t，V_j分别为电机定子齿部、轭部的体积，f为电机的工作频率，为铁磁材料的传导率，k_d为定子铁芯薄片的厚度，k_h，k_e分别为磁滞损耗系数和附加损耗系数。

步骤3：根据上面获得的电机铁耗模型和电机的d、q轴电压方程，求取电机的铁耗等效电阻R_Fe。

$R_{Fe}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{k_{hd}}---\left(4\right)$

其中为电机的电角速度。

步骤4：根据给定的电流i_s和电流角γ计算d、q轴电流i_d、i_q。

$\begin{array}{c}{i}_d=-i_s\sin \mathrm{\γ}\\ i_q=i_s\cos \mathrm{\γ}\end{array}---\left(5\right)$

其中为电流角。

步骤5：将d、q轴点流带入拟合的多项式(1)，在给定i_d和i_q情况下，求解得到电机d、q轴电感。

$\begin{array}{c}\[L\]=a_{30}{i}_d^3+a_{21}{i}_d^2{i}_q+a_{12}{i}_d{i}_q^2+a_{03}{i}_q^3+a_{20}{i}_d^2\\ +a_{11}{i}_d{i}_q+a_{02}{i}_q^2+a_{10}{i}_d+a_{01}{i}_q+a_{00}\end{array}---\left(6\right)$

步骤6：由计算的d、q轴电感，电机d、q轴电压方程。

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_d}{dt}-{\mathrm{\ω\ψ}}_q+R_1{i}_d=R_1{i}_d-{\mathrm{\ωL}}_{qd}{i}_d-{\mathrm{\ωL}}_q{i}_q\\ u_q=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_q}{dt}+{\mathrm{\ω\ψ}}_d+R_1{i}_q=R_1{i}_q+{\mathrm{\ωL}}_{dq}{i}_q+{\mathrm{\ωL}}_d{i}_d+{\mathrm{\ω\ψ}}_f\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中R₁为电机的相电阻。

步骤7：由d、q轴电压方程，求取电机的输入功率P_in。

P_in＝P_em+P_Cu＝u_di_d+u_qi_q(7)

其中P_em，P_cu分别为为电磁功率和铜耗。

步骤8：通过d、q轴电压方程，获得d、q轴输出电压和电流。

$\begin{array}{c}{u}_{od,oq}=u_{d,q}-R_1{i}_{d,q}\\ i_{od,oq}=i_{d,q}-u_{od,oq}/R_{Fe}\end{array}---\left(8\right)$

其中R_Fe为损耗模型下铁耗的等效电阻。

步骤9：由输出电压和电机，求取输出功率P_out。

P_out＝P_em-P_Fe-P_mec＝u_odi_od+u_oqi_oq-P_mee(9)

其中P_mec为机械损耗。

步骤10：由输入功率P_in和输出功率P_out，计算电机效率η。

$\mathrm{\η}=\frac{u_{od}{i}_{od}+u_{oq}{i}_{oq}-P_{mec}}{u_d{i}_d+u_q{i}_q}---\left(10\right)$

步骤11：判断效率η是否是最大，如果是的话，输出d、q轴电流i_d、i_q；如果不是修改电流角γ，返回到步骤四继续执行。

综上，本发明的一种永磁转矩和磁阻转矩的分离方法，所述的分离方法是基于径向磁通和轴向磁通独立解耦，从而将径向磁通和轴向磁通独立利用。本发明提出的一种永磁转矩和磁阻转矩分离型径向-轴向磁路包括3个定子和1个转子(由2个轴向转子和1个径向转子组成)，径向定子槽内采用的分布式绕组结构，轴向定子齿中放置集中绕组。采用分布式绕组和径向磁阻转子结构有利于产生更大的磁阻转矩；而集中绕组和永磁体结构产生较高的永磁转矩。在磁路结构上，产生永磁转矩的为轴向磁路，产生磁阻转矩的为径向磁路。利用轴向、径向磁路的解耦性，实现了永磁转矩和磁阻转矩的分离和独立控制。在分离永磁转矩和磁阻转矩的基础上，可以实现该发明的高效率控制方式。该控制方式可以分为3段执行。第一段为低速区，第二段为中-高速区，第三段为高速区。分段的控制方式能够保证：在低速区中，具有表贴式永磁电机的高效率特征；在中-高速区中，具有内嵌式永磁电机的高效率特征；在高速区中，具有同步磁阻电机的高效率特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机，其特征在于，包括机壳以及机壳内部的径向电机、左轴向电机、右轴向电机，径向电机两侧分别被所述左轴向电机、右轴向电机所包围；

所述径向电机包括径向定子(2-1)和径向转子(3-1)；径向定子(2-1)上采用整数槽分布式绕组结构，同时径向转子(3-1)采用磁阻式转子结构，以使得径向电机只产生磁阻转矩；

所述左轴向电机包括左轴向定子(2-3)和左轴向转子(3-2)；所述右轴向电机包括右轴向定子(2-2)，右轴向转子(3-3)；右轴向定子(2-2)和左轴向定子(2-3)均采用分数槽集中绕组结构，同时右轴向转子(3-3)和左轴向转子(3-2)上设有永磁体(6)，永磁体(6)的励磁方向与电机的轴向方向平行，且相邻永磁体的励磁方向相反，以使得轴向电机只产生永磁转矩；

所述径向电机为内转子或外转子结构；所述左轴向电机、右轴向电机中，左轴向定子(2-3)和左轴向转子(3-2)能够沿轴向位置互换；右轴向定子(2-2)，右轴向转子(3-3)能够沿轴向位置互换；所述径向电机产生径向磁通，所述左轴向电机、右轴向电机产生轴向磁通，且径向磁通和轴向磁通方向相互垂直，实现径向磁通、轴向磁通的解耦。

2.根据权利要求1所述的一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机，其特征在于，所述径向电机为内转子结构，径向转子(3-1)内圈套有轴(8)，径向定子(2-1)内圈套有径向转子(3-1)且以径向气隙(5-1)相隔；径向转子(3-1)轴端两侧分别设有左轴向转子(3-2)和右轴向转子(3-3)，左轴向定子(2-3)和右轴向定子(2-2)分别设置于左轴向转子(3-2)和右轴向转子(3-3)的最外层，左轴向转子(3-2)和右轴向转子(3-3)上的永磁体分别朝向靠近左轴向定子(2-3)和右轴向定子(2-2)的一侧设置；径向定子(2-1)、左轴向定子(2-3)和右轴向定子(2-2)分别安装于机壳(1)上。

3.根据权利要求1所述的一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机，其特征在于，所述径向电机为外转子结构，径向转子(3-1)可以直接安装在车轮内，形成轮毂式结构；径向转子(3-1)内圈套有径向定子(2-1)且以径向气隙(5-1)相隔；径向转子(3-1)轴端两侧分别设有左轴向转子(3-2)和右轴向转子(3-3)，左轴向定子(2-3)和右轴向定子(2-2)分别设置于左轴向转子(3-2)和右轴向转子(3-3)的最外层，左轴向转子(3-2)和右轴向转子(3-3)上的永磁体分别朝向靠近左轴向定子(2-3)和右轴向定子(2-2)的一侧设置；径向定子(2-1)、左轴向定子(2-3)和右轴向定子(2-2)与轴(8)相连。

4.根据权利要求1所述的一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机，其特征在于，所述径向电机为内转子结构，径向转子(3-1)内圈套有轴(8)，径向定子(2-1)内圈套有径向转子(3-1)且以径向气隙(5-1)相隔；左轴向定子(2-3)和右轴向定子(2-2)沿着轴向并排放置，同时，径向定子(2-1)沿轴向嵌套固定在左轴向定子(2-3)和右轴向定子(2-2)内部中心，左轴向转子(3-2)和右轴向转子(3-3)分别设置于左轴向定子(2-3)和右轴向定子(2-2)的最外层，左轴向转子(3-2)和右轴向转子(3-3)上的永磁体分别朝向靠近左轴向定子(2-3)和右轴向定子(2-2)的一侧设置；左轴向定子(2-3)和右轴向定子(2-2)分别安装于机壳(1)上，径向转子(3-1)、左轴向转子(3-2)、右轴向转子(3-3)均和轴(8)相连。

5.根据权利要求2-4任意一项所述的一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机，其特征在于，所述径向转子(3-1)的转子结构包括：一字型转子，V型转子，多层空气槽转子或者开关磁阻式转子结构；所述永磁体(6)的安装方式可以为表贴、表嵌和Halbach阵列三种，永磁体的表贴系数的范围在0.8-1之间。

6.根据权利要求1所述的一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机，其特征在于，

所述径向定子(2-1)上采用整数槽分布式绕组结构中：槽极配合需保证q＝S/(2*P*m)为整数；所述右轴向定子(2-2)和左轴向定子(2-3)均采用分数槽集中绕组结构中，槽极配合应满足S＝2P+2；其中m为电机的相数，S为电机的槽数，P为电机极对数，q为电机的每极每相槽数。

7.根据权利要求2或3所述的一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机，其特征在于，所述径向转子(3-1)的外径大于左轴向转子(3-2)和右轴向转子(3-3)外径，左轴向转子(3-2)和径向转子(3-1)的外径比为0.7-0.9之间。

8.根据权利要求1所述的一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机，其特征在于，所述右轴向转子(3-3)和左轴向转子(3-2)半径大小相同，径向转子(3-1)半径与右轴向转子(3-3)、左轴向转子(3-2)的半径不等；在径向转子(3-1)和左轴向转子(3-2)、右轴向转子(3-3)径向半径比例固定的情况下，径向转子(3-1)和左轴向转子(3-2)或右轴向转子(3-3)的轴向厚度的比例应设置于0.2-0.8之间。

9.根据权利要求1所述的一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机最优效率控制方法，其特征在于，该控制方法可以分为三段执行，第一段为低速区，第二段为中-高速区，第三段为高速区；

在第一段区域内以永磁转矩为主要驱动力矩，此时右轴向定子(2-2)，左轴向定子(2-3)，右轴向转子(3-3)，左轴向转子(3-2)输出的转矩起主导作用；

在第二段区域内以永磁转矩和磁阻转矩为驱动力矩，此时径向电机和左轴向电机、右轴向电机均参与转矩输出；

在第三段区域内以磁阻转矩为主要驱动力矩，此时径向定子(2-1)和径向转子(3-1)输出的转矩起主导作用，在该段中如果不需要永磁转矩时可以利用轴向定转子结构为供电电源充电；

在三段区域中实现单个径向电机或左轴向电机、右轴向电机的最优效率控制，首先是准备工作，在有限元软件的帮助下，构建电机交直轴电流和电感的关系，以及他们和铁耗的关系；在获得以上关系的基础上对最大效率点进行搜索，搜索最大效率点的本质是找到最优效率时的电流角γ，当满足最大效率条件时，停止搜索，否则一直修改电流角γ进行最大效率点搜寻。

10.根据权利要求9所述的一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机最优效率控制方法，其特征在于，所述在三段区域中实现单个径向或轴向电机的最优效率控制的具体过程如下：

步骤一，根据有限元模型的仿真结果，利用多项式进行曲面拟合，构建电机中交直轴电感(L_q和L_d)与电机交直轴电流(i_q和i_d)之间的多项式关系；

步骤二，对电机的定子铁耗进行建模，构建铁耗P_fe与电机L_d，L_q，i_d和i_q之间的关系；

步骤三，根据上面获得的电机铁耗模型和电机的d、q轴电压方程，求取电机的铁耗等效电阻R_Fe；

步骤四，根据给定的电流i_s和电流角γ求取d、q轴电流i_d、i_q；

步骤五，由拟合的多项式，在给定i_d和i_q情况下，计算出电机的d、q轴电感；

步骤六，由步骤五得到的d、q轴电感，获得电机的d、q轴电压；

步骤七，由电机的d、q轴电压和电流，求取输入和输出功率；

步骤八，计算电机效率，判断效率η是否是最大，如果是的话，输出d、q轴电流i_d、i_q；如果不是修改电流角γ，返回到步骤四继续执行。