CN107046337B - 一种永磁电机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁电机及其控制方法，在永磁电机中，软磁极的第二圆弧面处的磁感应强度小于永磁极的第一圆弧面处的磁感应强度，但由于软磁极的第二圆弧面与转子容腔的容腔内壁之间的气隙小于永磁极的第一圆弧面与转子容腔的容腔内壁之间的气隙，所以，软磁极的第二圆弧面与转子容腔的容腔内壁之间的磁压降小于永磁极的第一圆弧面与转子容腔的容腔内壁之间的磁压降，这样，软磁极与永磁极所产生的磁场传导到定子铁芯的磁感应强度相差较小，所以，电机转矩的脉动就较小，电机所产生的振动和噪音就较小。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁电机及其控制方法，属于电机制造技术领域。
背景技术
永磁电机是一种高效电机，之所以高效，是因为永磁电机转子采用稀土永磁材料制成的永磁体磁极(永磁极)来励磁，替换了传统励磁线圈励磁的方式，这样就较大的减少了电机的铜耗，提升了电机的效率。同时永磁电机具有较高的功率因数和易于控制的特点，在电动汽车、航空航天、工业设备等领域得到了广泛应用。
由于永磁材料比较昂贵，如果电机转子的磁极全部使用永磁体磁极，则电机的成本就会极高，永磁极由永磁材料制成，软磁极是转子铁芯上的凸起部位，转子铁芯由铁磁材料制成，软磁磁极自身不能够产生磁场，永磁极产生的主磁场经过其对应的气隙传递至定子铁芯，再经过软磁极表面气隙进入软磁极，所以软磁极表面磁感应强度小于永磁极表面的磁感应强度，由于采用永磁极与软磁极间隔分布的永磁电机中，永磁极和软磁极处的磁场不等，这会导致电机内的磁感应强度不均衡，在电机运行的时候出现转矩脉动的现象，并引起电机产生振动和噪音；此外，一般情况下，软磁极处的磁感应强度小于永磁极所产生的磁感应强度，所以，采用永磁极与软磁极间隔分布的永磁电机相对于全部使用永磁极的永磁电机所能够产生的磁感应强度较小，电机的输出转矩也较小。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种永磁电机及其控制方法，能够减小电机所产生的振动和噪音。
为实现上述目的，本发明提供一种永磁电机，采用如下技术方案：一种永磁电机，包括定子铁芯和转子铁芯，所述定子铁芯具有圆柱形的的转子容腔，所述转子铁芯穿设于所述转子容腔中，所述转子铁芯的外周面上设有多个软磁极；相邻的两个软磁极之间设有一个永磁极，所述永磁极具有与转子容腔的容腔内壁相对的第一圆弧面，所述软磁极具有与转子容腔的容腔内壁相对的第二圆弧面；所述第二圆弧面与转子容腔的容腔内壁之间的气隙小于第一圆弧面与转子容腔的容腔内壁之间的气隙。
优选地，所述第二圆弧面的中间部位与转子容腔的容腔内壁之间的气隙小于第一圆弧面的两边部位与转子容腔的容腔内壁之间的气隙。
优选地，所述定子铁芯具有多个沿定子铁芯的圆周方向分布的电枢齿，相邻的两个电枢齿之间形成开口朝向转子铁芯的齿槽，所述电枢齿上还设有开口朝向转子铁芯的辅助槽。
进一步地，所述辅助槽的开口宽度与齿槽的开口宽度相等。
进一步地，所述辅助槽与齿槽沿转子容腔的圆周方向均匀分布。
本发明还提供一种永磁电机的控制方法，采用如下技术方案：一种永磁电机的控制方法，用于控制上述技术方案或任一优选的技术方案所述的永磁电机，包括如下控制步骤：
1)检测定子铁芯的励磁绕组所产生的感应电动势的相位角；
2)检测电机的端电压的相位角；
3)将若步骤1)中检测所得的感应电动势的相位角与步骤2)中检测所得的端电压的相位角进行比较，若感应电动势的相位角与端电压的相位角的差值小于45度，则改变端电压的相位角使端电压的相位角与感应电动势的相位角差值增大；
4)重复步骤1)至3)，直至感应电动势的相位角与端电压的相位角的差值大于45度。
如上所述，本发明涉及的一种永磁电机，具有以下有益效果：在本发明的一种永磁电机中，由于软磁磁极自身不能够产生磁场，软磁极的第二圆弧面处的磁感应强度小于永磁极的第一圆弧面处的磁感应强度，但通过调整软磁极与转子容腔的容腔内壁之间的气隙，使得软磁极的第二圆弧面与转子容腔的容腔内壁之间的气隙小于永磁极的第一圆弧面与转子容腔的容腔内壁之间的气隙，所以，软磁极的第二圆弧面与转子容腔的容腔内壁之间的磁压降小于永磁极的第一圆弧面与转子容腔的容腔内壁之间的磁压降，这样，软磁极与永磁极所产生的磁场传导到定子铁芯的磁感应强度相差较小，所以，电机内部磁场较对称，电机转矩的脉动就较小，电机所产生的振动和噪音就较小。与本发明的一种永磁电机相应地，本发明的一种永磁电机的控制方法当然也具有上述有益效果，此处不再赘述。
附图说明
图1显示为本发明的一种永磁电机的第一实施例的结构示意图。
图2显示为图1中的局部结构的放大示意图。
图3显示为本发明的一种永磁电机的第二实施例的结构示意图。
图4显示为图3中的局部结构的放大示意图。
元件标号说明
1 定子铁芯 7 第二圆弧面
2 转子铁芯 8 电枢齿
3 转子容腔 9 齿槽
4 软磁极 10 辅助槽
5 永磁极 11 容腔内壁
6 第一圆弧面 12 励磁绕组
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
第一实施例：
如图1和图2所示，本发明提供一种永磁电机，包括定子铁芯1和转子铁芯2，所述定子铁芯1具有圆柱形的的转子容腔3，所述转子铁芯2穿设于所述转子容腔3中，所述转子铁芯2的外周面上设有多个软磁极4；相邻的两个软磁极4之间设有一个永磁极5，如图2所示，所述永磁极5具有与转子容腔3的容腔内壁11相对的第一圆弧面6，所述软磁极4具有与转子容腔3的容腔内壁11相对的第二圆弧面7；所述第二圆弧面7与转子容腔3的容腔内壁11之间的气隙小于第一圆弧面6与转子容腔3的容腔内壁11之间的气隙。永磁极的第一圆弧面为永磁极的极弧，软磁极的第二圆弧面为软磁极的极弧，“气隙”指的是第一圆弧面6或第二圆弧面7与转子容腔3的容腔内壁11之间沿转子铁芯径向的距离，在本发明的一种永磁电机中，由于软磁磁极自身不能够产生磁场，软磁极的第二圆弧面处的磁感应强度小于永磁极的第一圆弧面处的磁感应强度，但通过调整软磁极与转子容腔的容腔内壁之间的气隙，使得软磁极的第二圆弧面与转子容腔的容腔内壁之间的气隙小于永磁极的第一圆弧面与转子容腔的容腔内壁之间的气隙，所以，软磁极的第二圆弧面与转子容腔的容腔内壁之间的磁压降小于永磁极的第一圆弧面与转子容腔的容腔内壁之间的磁压降，这样，软磁极与永磁极所产生的磁场传导到定子铁芯的磁感应强度相差较小，所以，电机内部磁场较对称，电机转矩的脉动就较小，电机所产生的振动和噪音就较小。
在本发明的一种永磁电机中，定子铁芯1中设有用以为定子铁芯1励磁的励磁绕组12，转子铁芯2上设有间隔分布的永磁极5和软磁极4，永磁极5和软磁极4的极性相反，软磁极4的第二圆弧面处的磁感应强度小于永磁极的第一圆弧面处的磁感应强度，为了减小电机输出转矩的脉动，软磁极4的第二圆弧面7与转子容腔3的容腔内壁11之间的气隙小于永磁极5的第一圆弧面6与转子容腔3的容腔内壁11之间的气隙。所述第二圆弧面7弧度与第一圆弧面6弧度不相等，软磁极4的第二圆弧面7比永磁极5的第一圆弧面6更靠近转子容腔3的容腔内壁11。在第二圆弧面7圆周方向上，第二圆弧面7的中间部位处的磁感应强度比第二圆弧面7的两边部位处的磁感应强度更小，作为一种优选的方式，各软磁极4的第二圆弧面7的中间部位与转子容腔3的容腔内壁11之间的气隙小于第一圆弧面6的两边部位与转子容腔3的容腔内壁11之间的气隙，这样，第二圆弧面7的中间部位处的气隙更小，第二圆弧面7的中间部位处的磁压降也就更小，所以软磁极与永磁极所面对的气隙处磁感应强度的差值更小，就能使沿转子铁芯2圆周方向的各处的磁感应强度更为均衡，从而使电机转矩的脉动更小。
第二实施例：
在本发明的一种永磁电机中，电机中的磁场会对定子铁芯的齿槽产生齿槽转矩，软磁极与永磁极交替的结构导致电机中的磁场不对称，电机转动时，齿槽转矩会导致电机输出转矩脉动增大。与第一实施例的永磁电机不同的是，第二实施例的永磁电机在第一实施例的永磁电机的基础上，在定子铁芯1的转子容腔3的容腔内壁11上增加了辅助槽10。如图3和图4所示，定子铁芯1具有多个沿定子铁芯1的圆周方向分布的电枢齿8，相邻的两个电枢齿8之间形成开口朝向转子铁芯2的齿槽9，所述电枢齿8上还设有开口朝向转子铁芯2的辅助槽10。这样能够使电机的齿槽9转矩脉动较为均匀，减小电机的振动和噪音。优选地，所述辅助槽10的开口宽度与齿槽9的开口宽度相等，增大齿槽转矩的周期，削弱齿槽转矩的幅值。更为优选地，辅助槽10与齿槽9沿转子容腔3的圆周方向均匀分布，这样能够进一步减小电机的齿槽9转矩，减少电机的振动和噪音。
由于本发明的一种永磁电机中采用了永磁极5与软磁极4间隔分布的方式，软磁极4所产生的磁感应强度较弱，所以，与全部采用永磁极5的永磁电机相比，本发明的一种永磁电机的输出转矩较小。为弥补输出转矩小的缺点，本发明提供一种永磁电机的控制方法，引入磁阻转矩，增大电机的输出转矩。永磁电机的输出转矩计算公式如下：
其中，
Te为电机的输出转矩；
m为电机的相数；
E0为空载时定子的感应电动势；
U为电机的端电压；
ω为电机的机械角速度；
Xd为直轴同步电抗；
Xq为交轴同步电抗；
θ为功率角。
上述的电机输出转矩的计算公式中，第一项表示永磁体转矩,第二项为磁阻转矩。本发明的一种永磁电机，由于采用了永磁极5和软磁极4间隔分布的结构，永磁极5和软磁极4的材料不同，Xq大于Xd，所以1/Xq-1/Xd是负值，上述的电机输出转矩的计算公式中的第二项的磁阻转矩与永磁体转矩方向相反，为了将磁阻转矩转化为有用的转矩，可以通过控制系统控制功率角θ，使功率角θ大于45度，则上述的电机输出转矩的计算公式中的第二项的磁阻转矩为正值，与永磁体转矩方向相同；在这种情况下磁阻转矩与永磁体转矩同方向，两者叠加后，使得电机的输出转矩增大。功率角θ可以表征为感应电动势与端电压之间的相位差，所以，通过控制系统控制感应电动势与端电压之间的相位差可以将磁阻转矩转化为与永磁体转矩同方向的有用的转矩。由此，本发明还提供一种永磁电机的控制方法，用以提高电机的输出转矩，本发明的一种永磁电机的控制方法用于控制上述技术方案或任一优选的技术方案所述的永磁电机，包括如下控制步骤：
1)检测定子铁芯1的励磁绕组12所产生的感应电动势的相位角；
2)检测电机的端电压的相位角；
3)将若步骤1)中检测所得的感应电动势的相位角与步骤2)中检测所得的端电压的相位角进行比较，若感应电动势的相位角与端电压的相位角的差值小于45度，则改变端电压的相位角使端电压的相位角与感应电动势的相位角差值增大；
4)重复步骤1)至3)，直至感应电动势的相位角与端电压的相位角的差值大于45度。
在上述步骤1)中，是在电机负载状态下检测定子铁芯1的励磁绕组12所产生的感应电动势的相位角。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种永磁电机的控制方法，用于控制永磁电机，所述永磁电机包括定子铁芯（1）和转子铁芯（2），所述定子铁芯（1）具有圆柱形的的转子容腔（3），所述转子铁芯（2）穿设于所述转子容腔（3）中，所述转子铁芯（2）的外周面上设有多个软磁极（4）；相邻的两个软磁极（4）之间设有一个永磁极（5），永磁极（5）和软磁极（4）沿转子铁芯（2）的外周面上间隔设置，且两者极性相反，所述永磁极（5）具有与转子容腔（3）的容腔内壁（11）相对的第一圆弧面（6），所述软磁极（4）具有与转子容腔（3）的容腔内壁（11）相对的第二圆弧面（7）；所述第二圆弧面（7）与转子容腔（3）的容腔内壁（11）之间的气隙小于第一圆弧面（6）与转子容腔（3）的容腔内壁（11）之间的气隙，使得软磁极（4）的第二圆弧面（7）与转子容腔（3）的容腔内壁（11）之间的磁压降小于永磁极（5）的第一圆弧面（6）与转子容腔（3）的容腔内壁（11）之间的磁压降，其特征是，所述永磁电机中的永磁极（5）和软磁极（4）的材料不同，永磁电机的直轴同步电抗Xd和交轴同步电抗Xq满足1/Xq-1/Xd为负值，包括如下控制步骤：
1） 检测定子铁芯（1）的励磁绕组（12）所产生的感应电动势的相位角；
2）检测电机的端电压的相位角；
3）将若步骤1）中检测所得的感应电动势的相位角与步骤2）中检测所得的端电压的相位角进行比较，若感应电动势的相位角与端电压的相位角的差值小于45度电角度，则改变端电压的相位角使端电压的相位角与感应电动势的相位角差值增大；
4） 重复步骤1）至3），直至感应电动势的相位角与端电压的相位角的差值大于45度电角度，将永磁电机的磁阻转矩转化为与永磁体转矩同方向的有用的转矩。
2.根据权利要求1所述的永磁电机的控制方法，其特征在于：所述永磁电机的第二圆弧面（7）的中间部位与转子容腔（3）的容腔内壁（11）之间的气隙小于第一圆弧面（6）的两边部位与转子容腔（3）的容腔内壁（11）之间的气隙。
3.根据权利要求1所述的永磁电机的控制方法，其特征在于：所述永磁电机的定子铁芯（1）具有多个沿定子铁芯（1）的圆周方向分布的电枢齿（8），相邻的两个电枢齿（8）之间形成开口朝向转子铁芯（2）的齿槽（9），所述电枢齿（8）上还设有开口朝向转子铁芯（2）的辅助槽（10）。
4.根据权利要求3所述的永磁电机的控制方法，其特征在于：所述永磁电机的辅助槽（10）的开口宽度与齿槽（9）的开口宽度相等。
5.根据权利要求3所述的永磁电机的控制方法，其特征在于：所述永磁电机的辅助槽（10）与齿槽（9）沿转子容腔（3）的圆周方向均匀分布。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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