CN108199554B - 一种双极性多相永磁同步电机及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双极性多相永磁同步电机及方法，它增加三次谐波气隙磁动势，使得定子绕组中感应的基波反电动势和三次谐波反电动势数值接近，实现电机的双极性设计，其技术方案为：包括定子和转子，转子置于定子内部；所述转子在与定子相对侧设置永磁体，永磁体与转子构成径向式磁路结构；所述永磁体与定子的间隙大小交替变化，使得绕组中感应的反电动势基波含量和三次谐波含量数值接近，实现电机双极性。

Description

一种双极性多相永磁同步电机及方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种双极性多相永磁同步电机及方法。
背景技术
作为新能源汽车驱动系统的核心，高效率、高功率密度、高可靠性、低振动噪声的电机及控制系统决定着新能源汽车能否安全舒适、“绿色”地运行，是新能源汽车研制的最为关键技术之一。永磁电机采用永磁材料，不需要无功励磁电流，减小了定子电流和损耗，功率因数和效率更高。永磁同步电机的效率可以比交流感应电机高6％。永磁电机气隙磁密度可大大提高，电机指标可实现最佳设计，使得电机体积缩小、重量减轻，同容量的稀土永磁电机体积、重量、所用材料可以减轻30％左右。此外，基于分数槽集中绕组的永磁电机具有很短的绕组端部，改善了电机的工艺性，还可以减轻铜重，提高槽满率，从而进一步提高功率密度。因此新能源汽车驱动电机系统朝着永磁化、智能化和集成化方向发展。研究和开发高功率密度、高效率、宽调速范围和快动态响应的永磁电机及其驱动系统对于新能源汽车的发展具有重要的意义。
多相电机及其控制系统可以提高新能源汽车运行的安全性和可靠性。多相电机及其系统以其独特的优点，成为近年来的研究热点。与传统三相电机系统相比，多相电机及其调速系统具有以下突出的优点：(1)可采用低电压等级的功率器件实现大功率驱动，从而降低变频器成本，提高系统可靠性；(2)随着电机相数的增加，转矩脉动频率提高、幅值下降，进而降低电机的噪声与振动，改善低速运行性能，从而提高新能源汽车乘客舒适性；(3)相冗余特性保证多相电机具有很高的容错能力，从而提高新能源汽车运行的安全性和可靠性；(4)在相同的电流有效值情况下，可以通过谐波电流注入来提高转矩输出，同时提高直流母线电压利用率，可以扩大恒功率运行范围，提高转速比，从而可以减小变频器的容量，对于降低整个系统的造价具有重要意义。多相电机及其系统的突出优点使其特别适合于新能源汽车等低压大功率、高性能和高可靠性的应用场合。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种双极性多相永磁同步电机，其具有低速运行转矩大、高速恒功率运行范围宽的优点；
进一步的，本发明采用下述技术方案：
一种双极性多相永磁同步电机，包括定子和转子，转子置于定子内部；所述转子在与定子相对侧设置永磁体，永磁体与转子构成径向式磁路结构；所述永磁体与定子的间隙大小交替变化，使得绕组中感应的反电动势基波含量和三次谐波含量数值接近，实现电机双极性。
进一步的，所述定子包括定子铁心，定子铁心缠绕多组定子绕组。
进一步的，所述定子绕组采用五相分数槽集中绕组。
进一步的，所述定子铁心包括定子铁心轭，定子铁心轭内部设置定子铁心齿，定子绕组设置于定子铁心齿处。
进一步的，所述转子包括转子铁心轭，转子铁心轭呈圆环形。
进一步的，所述永磁体设置于转子铁心轭与定子相对侧，永磁体与定子的间隙沿整个转子铁心轭周向的变化规律为：交替性的由大变小再由小变大。
进一步的，所述永磁体与定子间隙的变化率也呈交替性的由大变小再由小变大。
进一步的，所述永磁体整体呈凹凸波浪状。其形状由基波正弦波和三次谐波正弦波叠加而成的复合形状。
进一步的，所述永磁体由沿转子铁心轭周向设置的多个永磁体块体构成，所述永磁体块体由两相对称设置的组件连接成一体。
进一步的，所述组件呈上凸弧形。
进一步的，同一永磁体块体的所述组件内端部高度高于外端部高度。
进一步的，所述组件在外端部侧的变化率大于在内端部侧的变化率。
进一步的，所述永磁体产生的气隙基波磁场和三次谐波磁场在定子绕组中感应产生基波和三次谐波反电动势，与注入定子绕组的基波和三次谐波电流相互作用产生转矩。
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种双极性多相永磁同步电机的使用方法，在输入电流有效值为设定值时，通过控制输入基波电流和三次谐波电流的比例，提高转矩输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过更改了永磁体和定子之间的间隙，使其呈设定规律，增加三次谐波气隙磁动势，使得定子绕组中感应的基波反电动势和三次谐波反电动势数值接近，实现电机的双极性设计。
本发明的电机定子绕组可以单独注入基波电流，也可以单独注入三次谐波电流，还可以同时注入基波和三次谐波电流，在相同电流有效值前提下，电机在三种供电电流方式下，可以产生数值接近的转矩，从而实现电机的多自由度控制。
本发明的电机，通过控制注入基波电流和三次谐波电流的比例，实现电机智能变极式控制，从而实现电机在整个运行范围内获得最佳状态，即低速运行转矩大，高速恒功率运行范围宽的优点。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的永磁同步电机示意图；
图2为本发明实例定子磁动势空间谐波频谱；
图3为本发明实例定子绕组空载反电动势谐波分析，其中柱状图幅值以基波反电动势为基值；
图4为本发明实例永磁电机的磁场分布图；
图5为本发明实例转矩输出示意图；
图中，1-定子铁心轭，2-定子铁心齿，3-定子绕组，4-永磁体，5-转子铁心轭，6-组件，7-内端部，8-外端部。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在以上不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种双极性多相永磁同步电机及方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种双极性多相永磁同步电机，包括定子和转子，转子置于定子内部；转子在与定子相对侧设置永磁体4，永磁体4与转子构成径向式磁路结构；永磁体4与定子的间隙大小交替变化，使得绕组中感应的反电动势基波含量和三次谐波含量数值接近，实现电机双极性。
定子包括定子铁心，定子铁心缠绕多组定子绕组3。
定子绕组3采用五相双层分数槽集中绕组。即每个定子齿2绕有一相绕组。线圈端部短，省铜，铜耗少，不仅能够提高槽满率，而且便于定子模块化设计，从而节约材料成本和人工成本。
本发明电机选择适当的槽极数配合，使得定子绕组基波和三次谐波绕组系数较大。
定子铁心包括定子铁心轭1，定子铁心轭1内部设置定子铁心齿2，定子绕组3设置于定子铁心齿2处。
转子包括转子铁心轭5，转子铁心轭5呈圆环形。电机转子内部的永磁体采用高性能永磁材料制成，与转子铁心构成径向式磁路结构。
永磁体4设置于转子铁心轭5与定子相对侧，永磁体4与定子的定子铁心齿2的间隙沿整个转子铁心轭5周向的变化规律为：交替性的由大变小再由小变大。
永磁体4与定子的定子铁心齿2间隙的变化率也呈交替性的由大变小再由小变大。
永磁体4整体呈凹凸波浪状。
永磁体4由沿转子铁心轭5周向设置的多个永磁体块体构成，永磁体块体由两个相对称设置的组件6连接成一体。组件6呈上凸弧形。
同一永磁体块体的组件6内端部7高度高于外端部8高度。就同一永磁体块体而言，两组件相连接处为内端部，相反为外端部。
组件6在外端部8侧的曲线变化率大于在内端部7侧的曲线变化率。
永磁体4产生的气隙基波磁场和三次谐波磁场在定子绕组中感应产生基波和三次谐波反电动势，与注入定子绕组3的基波和三次谐波电流相互作用产生转矩。
本发明中选取合适的永磁体边缘厚度，使得气隙磁密高次谐波畸变率最小。
定子绕组中可单独注入基波电流，也可以单独注入三次谐波电流，还可以同时注入基波和三次谐波电流。在相同电流有效值前提下，电机在三种供电方式下，可以产生数值接近的转矩，从而实现电机的多自由度控制。
本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种双极性多相永磁同步电机的使用方法，在输入电流有效值为设定值时，通过控制输入基波电流和三次谐波电流的比例，提高转矩输出。
图2所示为定子绕组在分别通入基波电流和三次谐波电流时的磁动势空间谐波分析。为实现电机双极性设计，定子绕组通入三次谐波电流时的磁动势谐波是通入基波电流时的磁动势基波空间频率的三倍；
本发明中转子永磁体为表贴式径向充磁方式，根据定子基波绕组系数和三次谐波绕组系数确定永磁体形状，使得定子绕组反电动势基波分量和三次谐波分量数值接近，如图3所示，实现电机双极性控制方式。
图5所示，定子绕组单独通入有效值一定的基波电流、三次谐波电流、同时通入基波和三次谐波电流时，转矩输出的比较。由图可知，控制基波和三次谐波电流输入的比例，可以更改电机运行时内外转子对电机输出的贡献，使电机具有自动变极功能，实现电机智能变极式控制，从而实现电机在整个运行范围内获得最佳状态，即低速运行转矩大，高速恒功率运行范围宽的优点。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双极性多相永磁同步电机，其特征是，包括定子和转子，转子置于定子内部；所述转子在与定子相对侧设置永磁体，永磁体与转子构成径向式磁路结构；所述永磁体与定子的间隙大小交替变化，使得绕组中感应的反电动势基波含量和三次谐波含量数值接近，实现电机双极性；
所述定子包括定子铁心，定子铁心缠绕多组定子绕组；所述定子绕组采用五相分数槽集中绕组；
所述永磁体整体呈凹凸波浪状，其形状由基波正弦波和三次谐波正弦波叠加而成的复合形状；
所述永磁体由沿转子铁心轭周向设置的多个永磁体块体构成，所述永磁体块体由两相对称设置的组件连接成一体；所述组件呈上凸弧形；同一永磁体块体的所述组件内端部高度高于外端部高度；所述组件在外端部侧的变化率大于在内端部侧的变化率；
所述永磁体与定子间隙的变化率也呈交替性的由大变小再由小变大；
所述定子绕组单独注入基波电流，或者单独注入三次谐波电流，或者同时注入基波和三次谐波电流，在相同电流有效值前提下，电机在三种供电电流方式下，产生数值接近的转矩，实现电机的多自由度控制。
2.如权利要求1所述的双极性多相永磁同步电机，其特征是，所述定子铁心包括定子铁心轭，定子铁心轭内部设置定子铁心齿，定子绕组设置于定子铁心齿处。
3.如权利要求1所述的双极性多相永磁同步电机，其特征是，所述转子包括转子铁心轭，转子铁心轭呈圆环形；所述永磁体设置于转子铁心轭与定子相对侧，永磁体与定子的间隙沿整个转子铁心轭周向的变化规律为：交替性的由大变小再由小变大。
4.如权利要求1所述的双极性多相永磁同步电机，其特征是，所述永磁体产生的气隙基波磁场和三次谐波磁场在定子绕组中感应产生基波和三次谐波反电动势，与注入定子绕组的基波和三次谐波电流相互作用产生转矩。
5.如权利要求1-4任一项所述的双极性多相永磁同步电机的使用方法，其特征是，在输入电流有效值为设定值时，通过控制输入基波电流和三次谐波电流的比例，提高转矩输出。
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