CN105914984A - 一种变磁通-强磁型永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变磁通‑强磁型永磁同步电机的拓扑结构，该电机为气隙磁链在线可调的径向磁通电机，包括由内而外同轴设置的转子和定子铁心，其中转子采用低矫顽力永磁材料以实现磁钢磁链的在线可调，为了避免磁钢在正常工作时被退磁，定子电枢电流需含有增磁分量，此时为了得到正的磁阻转矩，转子交轴磁路开有若干个隔磁槽以使得转子的直轴电感大于交轴电感；定子采用与传统永磁同步电机相同的结构，电机需要调速时，通过矢量控制方法在电枢绕组中通入直轴脉冲电流，对磁钢进行充去磁，从而实现气隙磁链的在线可调。

Description

一种变磁通-强磁型永磁同步电机

技术领域

本发明属于同步电机拓扑领域，更具体地，涉及一种变磁通-强磁型永磁同步电机。

背景技术

近年来新能源汽车用驱动电机多采用内置式永磁同步电机(IPMSM)，该电机具有功率密度高、机械特性好、转速范围较高的优点，在电动汽车驱动系统中得到了广泛的关注和应用。然而内置式永磁同步电机直轴电感通常小于交轴电感，为利用磁阻转矩和实现弱磁控制，电流轨迹位于第二象限，电流始终含有弱磁分量，从而额外增加损耗并且磁钢利用率较低。另外电机在进入到高速阶段后，还需要通过增大直轴去磁电流分量对电机进行弱磁，以控制电机端电压不超过逆变器电压的限定值，此时较大的弱磁电流使得电机的铜耗增大，导致电机的效率降低，并且由于逆变器功率等级的限制，电流也有一个限定值，导致电机的弱磁程度受到限制，速度可调节范围窄。

现有技术中提出机械调磁型永磁同步电机，利用机械调磁装置改变电机内部磁场的强弱，从而减小高速时的弱磁电流，提高电机工作效率，但机械调磁型永磁电机的调磁装置比较复杂，并在一定程度上增大了整个电机的体积和重量，故不利于提高电机的功率密度和效率。

高剩磁、低矫顽力、耐高温的钐钴永磁体以及铝镍钴永磁体拥有易于充退磁的特性，使得在线调节永磁体的磁化程度成为可能。继而有学者提出变磁通永磁同步电机(variable flux-permanent magnet synchronous machine,VF-PMSM)，即不需要弱磁控制只通过改变永磁体的磁化程度来实现气隙磁场强度的灵活调节，从而实现扩速的目的。由于变磁通永磁同步电机在高速时不需要施加额外的弱磁电流，故能够在较大范围内具有较高的效率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种变磁通-强磁型永磁同步电机拓扑结构，其目的在于提供一种不通过机械调磁装置就能实现电机的在线变磁通，从而保证电机结构简单的情况下获得比传统永磁同步电机更高的综合效率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种变磁通-强磁型永磁同步电机，其特征在于，该永磁同步电机包括在径向方向上同轴由内而外设置的转子和定子，所述定子上开设有若干用于设置电枢绕组的槽，其中在所述转子上设置若干磁钢体，所述若干磁钢体在切向方向充磁，并且在所述若干磁钢体的每两个磁钢体之间还设置有若干隔磁槽，其中所述一部分隔磁槽设置在沿着直轴磁链的方向上，另外一部分设置在所述直轴磁链较弱的直轴磁路对称轴周围。

进一步地，所述定子绕组包括电枢绕组，所述电枢绕组中采用通入直轴脉冲电流对所述磁钢体进行充去磁。

进一步地，所述磁钢体的数量为圆周方向上均匀分布的4块。

进一步地，所述转子上的所述隔磁槽的设置方式如下：在每所述两个磁钢体之间设置有与所述转子中心贯通，但并且未在边沿形成缺口的第一隔磁槽，在所述每个磁钢体两侧设置有以磁钢径向中心线为法线对称分布的沿直轴磁链方向的第二隔磁槽。

进一步地，所述定子上开设18个定子槽。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：电机具有与传统电机同样简单的结构就能实现在线变磁通；设计交轴隔磁槽，可以获得正的磁阻转矩，有利于转矩密度的提高；通过在定子绕组中通入直轴脉冲电流对磁钢进行充去磁，可以在不通弱磁电流的情况下扩展电机的转速范围，相比传统的需要弱磁的永磁电机损耗降低，效率得到提高。

附图说明

图1是按照本发明实现的变磁通-强磁型永磁同步电机的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1—定子铁心 2—定子槽 3—电枢绕组 4—转子铁心 5，7—磁钢 6，8，9—交轴磁路隔磁槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本专利提出一种变磁通-强磁型永磁同步电机结构，在该电机中，定子上只设计一套绕组而没有额外的励磁绕组。电机运行状态发生变化时，通过对定子三相对称电流的相位和幅值进行控制，即矢量控制，获得一个直轴脉冲电流，然后利用该脉冲电流改变磁钢的磁化强度，根据实时工况调整永磁磁链的输出能力，即在低速启动时，对磁钢完全充磁，扩大转矩范围，高速时降低磁钢磁化程度，无需或仅以少量直轴电流分量实现弱磁控制。因此，这种以脉冲电流在线改变磁钢磁化强度的调速形式，可以最大程度降低弱磁电流分量，提高电机的综合效率。

由于变磁通电机采用低矫顽力的永磁材料，磁钢磁化状态容易被电枢磁场改变，故需在电枢绕组中通入增磁电流分量以避免磁钢被退磁。此时，若想获得正的磁阻转矩，必须将电机设计成强磁型结构，即直轴电感大于交轴电感。另外，电机采用低矫顽力的永磁材料很难获得与稀土永磁相同的气隙磁场强度，故合理设计转子拓扑结构以提高转矩密度是变磁通电机的设计重点。

按照本发明实现的变磁通-强磁型永磁同步电机，具体包括如下的结构：

如图1所示，是按照本发明实现的变磁通-强磁型永磁同步电机的拓扑结构示意图，其中该电机在径向方向上同轴设置并且由内至外包括转子铁心4以及定子铁心1，两者均由硅钢片叠压而成，定子铁心1上开设有若干用来放置电枢绕组的定子槽2，按照本发明提供的其中一种实施例，该电机拓扑结构在本实施例中共设置有18个这样的定子槽，并且采用双层叠绕组，每个定子槽中放两个线圈边，只用一套电枢绕组3，该电枢绕组由铜线绕制而成。

并且如图1所示，在本图形中只展示了轴向方向的对称结构的一半部分，另外一半部分与显示的该部分同样设计，在此不赘述。

作为本发明的重要改进点，在本电机结构的设置中，转子铁心4中设置有朝径向方向排布的低矫顽力永磁材料制作的磁钢体，磁钢体为厚度4.5mm宽度20mm长度50mm的立方体，这样的磁钢体总共有4块，这4块在圆周方向上呈均匀分布的状态，磁钢体在装配时直接插入转子铁心4中预留的磁钢槽里。但是具体的，磁钢体的数量并不严格限定为4块，由电机的极数所决定，并等于电机的极数。

为了产生较高的气隙磁密，磁钢充磁方向为切向，如图中5和7，这样可以使每极气隙磁链来自相邻的两个磁极，从而可以增大气隙磁密，提高转矩密度磁钢。

同时，在每两个磁钢体之间设置有隔磁槽，隔磁槽的具体设置形式为在转子铁心4上的空槽，在本实施例中，首先在两个磁钢体5和7之间设置有与转子铁心4中心贯通，但并且未在边沿形成缺口的第一隔磁槽6，该隔磁槽6的形状为从轴向中心向外沿方向槽口逐渐减小的设置方式，主要设置在磁场分布较弱的直轴磁路对称轴周围。另外，在第一隔磁槽6与磁钢体5之间还设置有未与转子铁心4中心贯通的若干弧形隔磁槽，其中第一隔磁槽6与磁钢体7之间也采用对称的方式设置若干弧形隔磁槽，这样，在每个磁钢体之间都采用如上的设置方式，使得磁钢体5、7两边的弧形隔磁槽在以磁钢径向中心线为法线的弧线上，在磁钢体两边依次排布设置。

按照本发明实现的电机拓扑结构的工作原理如下：首先，由于永磁材料的矫顽力较低，为了避免磁钢在正常工作时被退磁，电枢绕组里必须通第一象限的电流，即含有增磁电流分量，此时若采用传统弱磁型电机的结构(交轴电感大于直轴电感)，将产生负的磁阻转矩，降低转矩密度，故必须采用不同于传统电机的强磁型结构。

本发明中采用在转子铁心4内交轴磁路上设置隔磁槽的方案，来增大交轴磁阻，减小交轴电感，使得直轴电感大于交轴电感，从而获得正的磁阻转矩，如6，8，9所示。其中隔磁槽秉着尽可能阻断交轴磁链，而对直轴磁链影响最小的原则进行设计，比如隔磁桥8，9的形状为沿着直轴磁链的方向，隔磁桥6的位置设计在直轴磁链较弱的交轴上，并不严格限定为本实施例中所示的情形，只要满足上述条件即可。

隔磁槽的长度和宽度都对转矩和转矩密度有一定影响，本发明所设计的隔磁槽的尺寸和数量是基于获得较高的磁阻转矩和较低的转矩脉动的原则。

最后，本专利仅设计一套绕组来实现磁钢磁化程度的在线调节，而磁钢也是装机后再进行充磁。通过在定子电枢绕组3中通入三相对称正弦电流，并调节电流相位角获得直流脉冲电流，对磁钢进行充退磁，在低速运行时，将磁钢充磁到较高磁化程度，以获得最大转矩，而在转速上升时，对磁钢进行退磁，以使电机在不通弱磁电流的情况下实现高转速运行，并具有较高的效率。

按照本发明实现的变磁通-强磁型永磁同步电机的拓扑结构，能够实现如下的技术优势：不通过机械调磁装置就能实现电机的在线变磁通，使电机具有与传统电机同样简单的结构；充分利用了低矫顽力的永磁材料，相对稀土永磁价格更便宜，有望解决目前由于稀土永磁稀缺而带来永磁电机价格昂贵的现状；设计交轴隔磁槽，可以获得正的磁阻转矩，有利于转矩密度的提高；仅用一套绕组，相比其他变磁通电机中采用两套绕组(电枢绕组和励磁绕组)结构更简单；通过在定子绕组中通入直轴脉冲电流对磁钢进行充去磁，从而根据电机运行工况对气隙磁链进行调节，可以在不通弱磁电流的情况下扩展电机的转速范围，并且由于充去磁脉冲电流时间较短，充去磁过程损耗较低，相比传统需要弱磁的永磁电机损耗降低，故效率得到提高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种变磁通-强磁型永磁同步电机，其特征在于，该永磁同步电机包括在径向方向上同轴由内而外设置的转子(4)和定子(1)，所述定子(1)上开设有若干用于设置电枢绕组(3)的槽，其中在所述转子(4)上设置若干磁钢体(5，7)，所述若干磁钢体(5，7)在切向方向充磁，并且在所述若干磁钢体(5，7)的每两个磁钢体之间还设置有若干隔磁槽(6，8，9)，其中所述一部分隔磁槽设置在沿着直轴磁链的方向上，另外一部分设置在所述直轴磁链较弱的直轴磁路对称轴周围。

2.如权利要求1所述的变磁通-强磁型永磁同步电机，其特征在于，所述定子绕组包括电枢绕组(3)，所述电枢绕组(3)中采用通入直轴脉冲电流对所述磁钢体(5,7)进行充去磁。

3.如权利要求1或2所述的变磁通-强磁型永磁同步电机，其特征在于，所述磁钢体的数量为圆周方向上均匀分布的4块。

4.如权利要求3所述的变磁通-强磁型永磁同步电机，其特征在于，所述转子(4)上的所述隔磁槽的设置方式如下：在每所述两个磁钢体之间设置有与所述转子(4)中心贯通，但并且未在边沿形成缺口的第一隔磁槽(6)，在所述每个磁钢体两侧设置有以磁钢径向中心线为法线对称分布的沿直轴磁链方向的第二隔磁槽(8，9)。

5.如权利要求4所述的变磁通强磁型永磁同步电机，其特征在于，所述定子(1)上开设18个定子槽。