CN106712338B - 高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机，其结构包括定子铁心、三相电枢绕组、气隙、转子铁心以及分段式Halbach阵列永磁体磁极等组成部分。该电机为解决传统表贴式永磁同步电机弱磁困难的问题而提出，一方面在直轴增设转子铁心凸极，有效减小直轴气隙长度，增大电枢直轴电抗，增强电枢电流的弱磁效果，避免永磁体在去磁磁场下发生不可逆退磁；另一方面表贴式磁极采用分段式Halbach阵列结构，以改善气隙磁场分布，削弱由转子凸极带来的转矩波动过大等问题，提高电机的整体性能。

Description

高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机

技术领域

本发明涉及一种高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机，属于永磁同步电机领域。

背景技术

随着永磁体材料性能的不断提高，永磁同步电机得到了快速发展，已被广泛应用到航空航天、医疗机械、工业生产、交通运输、国防建设等众多领域当中。与传统电励磁同步电机相比，永磁同步电机由于采用永磁体励磁，不仅结构更为简单，且无转子励磁损耗，效率比电励磁同步电机要高，更加节能环保，具有广阔的发展前景，成为人们研究的热点。但由于采用永磁体励磁，永磁同步电机的励磁磁场难以调节，对于转速范围较宽的应用场合，其高速性能受到一定限制。

为了解决上述问题，受他励直流电动机的调磁控制启发，学者们提出了永磁同步电机的弱磁控制方法。该方法在永磁同步电机端电压达到逆变器输出电压极限时，通过增加电枢直轴去磁电流分量i_d来减小电机内的磁通，以维持电压平衡，达到“弱磁”效果。但为了保证电枢电流不超过电机的额定值，在增加直轴去磁电流分量i_d的同时，需要相应减小交轴电流分量i_q，输出转矩会有所下降，电机将运行在恒功率区域内。同时，弱磁控制方法的效果与直轴电抗X_d密切相关，X_d越大则相同直轴去磁电流对气隙磁场的削弱效果越好，目前多用于内置式永磁同步电机中。而表贴式永磁同步电机由于永磁体位于转子表面，一方面使得电机气隙较大，直轴电抗X_d越较小，难以获得较好的弱磁效果；另一方面永磁体易受电枢直轴去磁电流的影响发生不可逆退磁，导致弱磁控制在表贴式永磁同步电机中的应用受到一定限制，难以适应宽转速范围的应用场合。

发明内容

为克服上述表贴式永磁同步电机在弱磁性能上的不足，本发明通过对传统表贴式永磁同步电机转子结构进行改进，提供一种高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

本发明提供一种高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机，包括定子铁心、三相电枢绕组、转子铁心，转子铁心与定子铁心之间存在气隙。转子铁心的表面设置有转子磁极，在转子磁极的直轴方向设置了一定宽度的扇形铁心块作为转子铁心凸极。

作为本发明的进一步优化方案，每极磁极由分段式Halbach阵列永磁体组成。

作为本发明的进一步优化方案，每极磁极中分段式Halbach阵列永磁体尺寸相同。

作为本发明的进一步优化方案，每块永磁体所占的极弧系数α_PM为：

式中，α_Fe为转子铁心凸极的极弧系数，N_H为每极Halbach阵列永磁体的永磁体块数。

作为本发明的进一步优化方案，每块永磁体所占弧度角θ_PM为：

式中，p为永磁同步电机的极对数。

作为本发明的进一步优化方案，每块永磁体的充磁角度为：

式中，为极坐标系下以任一转子铁心凸极的中心线位置为起始位置、逆时针方向第i块永磁体的充磁角度，θ_i为第i块永磁体中心线的位置角，p为永磁同步电机的极对数。

作为本发明的进一步优化方案，扇形铁心块的宽度根据电机的设计需求确定，扇形铁心块的宽度越宽，电机的弱磁效果越好。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明提出的高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机，工艺简单，便于实现；通过增加转子铁心凸极提高直轴电抗，给电枢去磁磁场提供通路，增强电枢电流的弱磁效果，避免永磁体在弱磁磁场下发生不可逆退磁故障；每极磁极均采用分段式Halbach阵列结构，以优化气隙磁场分布，减小转子铁心凸极效应带来的转矩波动问题，有效改善表贴式永磁同步电机的弱磁扩速性能。

附图说明

图1为本发明所描述的一种4极12槽内转子结构高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机；

图2为图1中转子Halbach阵列永磁体充磁角度示意图；

图3为图1中四分之一电机的磁通路径示意图；

图4为本发明所描述的一种4极12槽外转子结构高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机；

图5为图4中转子Halbach阵列永磁体充磁角度示意图；

图6为图4中四分之一电机的磁通路径示意图。

图中，1-定子铁心，2-三相电枢绕组，3-气隙，4-转子铁心，5-分段式Halbach阵列永磁体磁极。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明设计一种高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机，包括定子铁心、三相电枢绕组、转子铁心，转子铁心与定子铁心之间存在气隙。转子铁心的表面设置有转子磁极，在转子磁极的中间位置(即直轴方向)设置了一定宽度的扇形铁心块(即转子铁心凸极)，永磁同步电机转子呈现凸极特性，一方面使得直轴电抗X_d大于交轴电抗X_q，有利于增强电枢电流的弱磁效果；另一方面转子铁心凸极的聚磁作用可避免电枢去磁磁场通过永磁体，保护永磁体在强去磁磁场下不发生退磁。扇形铁心块的宽度根据电机的设计需求确定，扇形铁心块的宽度越宽，电机的弱磁效果越好。每极磁极由分段式Halbach阵列永磁体组成，以改善永磁同步电机气隙磁场分布，减小由于转子铁心凸极效应带来的转矩波动过大问题。

转子磁极中采用的分段式Halbach阵列永磁体尺寸相同，每块永磁体所占的极弧系数α_PM为：α_Fe为转子铁心凸极的极弧系数，N_H为每极Halbach阵列永磁体的永磁体块数。每块扇形永磁体所占弧度角θ_PM为：p为永磁同步电机的极对数。在极坐标系下，以任一转子铁心凸极的中心线位置(即直轴)为起始位置(θ＝0°)，以逆时针方向对电机的每块永磁体进行依次标号，则第i块Halbach阵列永磁体的充磁角度为θ_i为第i块永磁体中心线的位置角，其中，“+”用于外转子电机结构，而“-”用于内转子电机结构。

具体实施例一：

本实施例所述的一种内转子结构高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机结构如图1所示，其包括外定子铁心、三相电枢绕组、气隙、内转子铁心以及分段式Halbach阵列永磁体磁极等部分。

本实施例中，电机定子槽数为12，转子极对数p为2，每极磁极由5块尺寸相同的永磁体组成，转子铁心凸极所占角度为10°(即极弧系数α_Fe为0.11)，则每块永磁体所占角度为16°，其极弧系数为0.178。

根据永磁体和转子铁心凸极尺寸，可计算出每块永磁体的位置角以及其对应的充磁角度，如表1所示。

表1 实施例一中永磁体位置角与充磁角度

在本实施例中，对应表1，转子Halbach阵列永磁体位置和充磁方式如图2所示，电机一极下的磁通如图3所示。由图可以看出，电机的励磁主磁通路径由Halbach阵列永磁体提供，其路径为永磁体—气隙—定子齿部—定子轭部—定子齿部—气隙—永磁体。由于转子铁心存在凸极，在永磁体边缘存在少许漏磁通，其路径为永磁体—气隙—转子铁心凸极—转子轭部—永磁体。此外，由于转子铁心凸极位于直轴，因此直轴去磁磁场可以通过凸极进入转子铁心，其路径为定子轭部—定子齿部—气隙—转子铁心凸极—转子轭部—转子铁心凸极—气隙—定子齿部—定子轭部。且励磁主磁通与电枢去磁磁通方向相反，两者在气隙中相互抵消，削弱气隙磁场，有利于电机进行弱磁扩速。

具体实施例二：

本实施例所述的一种外转子结构高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机结构如图4所示，其包括内定子铁心、三相电枢绕组、气隙、外转子铁心以及分段式Halbach阵列永磁体磁极等部分。

与实施例一相同，本实施例中电机定子槽数为12，转子极对数为2，每极磁极由5块尺寸相同的永磁体组成，转子凸极所占角度为10°(即极弧系数α_Fe为0.11)，则每块永磁体所占角度为16°，其极弧系数为0.178。

根据永磁体和转子铁心凸极尺寸，可计算出每块永磁体的位置角以及其对应的充磁角度，如表2所示。

表2 实施例二中永磁体位置角与充磁角度

在本实施例中，对应表2，转子Halbach阵列永磁体位置和充磁方式如图5所示，电机一极下的磁通如图6所示。由图6可以看到，与内转子结构电机相似，外转子结构电机同时存在励磁主磁通、漏磁通和电枢去磁磁通，其路径与内转子结构相同。但同时，由于两个实施例的电机结构不同，Halbach阵列永磁体的充磁角度也应不同，才能使电机产生合理的磁通路径，达到使永磁同步电机弱磁扩速的目的。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机，包括定子铁心、三相电枢绕组、转子铁心，转子铁心与定子铁心之间存在气隙，其特征在于，转子铁心的表面设置有转子磁极，在转子磁极的直轴方向设置了一定宽度的扇形铁心块作为转子铁心凸极；每极磁极由分段式Halbach阵列永磁体组成。

2.根据权利要求1所述的高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于，每极磁极中分段式Halbach阵列永磁体尺寸相同。

3.根据权利要求2所述的高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于，每块永磁体所占的极弧系数α_PM为：

式中，α_Fe为转子铁心凸极的极弧系数，N_H为每极Halbach阵列永磁体的永磁体块数。

4.根据权利要求2或3所述的高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于，每块永磁体所占弧度角θ_PM为：

式中，p为永磁同步电机的极对数。

5.根据权利要求2或3所述的高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于，每块永磁体的充磁角度为：

式中，为极坐标系下以任一转子铁心凸极的中心线位置为起始位置、逆时针方向第i块永磁体的充磁角度，θ_i为第i块永磁体中心线的位置角，p为永磁同步电机的极对数。

6.根据权利要求1所述的高弱磁性能Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于，扇形铁心块的宽度根据电机的设计需求确定。