CN109038990A - 高转矩密度容错型混合磁通永磁电机 - Google Patents

高转矩密度容错型混合磁通永磁电机 Download PDF

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张�浩
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Abstract

本发明公开了一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机，包括三个转子和一个定子，其中沿电机轴向方向有两个转子，沿径向方向有一个转子，三个转子共用一个定子，所述定子包括定子铁心和环形绕组，所述环形绕组具有三个有效边，与三个转子相对应，各个转子磁路在定子铁心中为并联结构，三个转子固定在一起，同步旋转。本发明通过控制注入基波和三次谐波电流的比例，使电机具有高转矩密度，高容错能力的特点，同时提高变频器直流母线电压的利用率。

Description

高转矩密度容错型混合磁通永磁电机
技术领域
本发明涉及一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机。
背景技术
磁场是电机实现机电能量转换的基础。根据电机建立磁场的方式的不同，可分为电励磁电机和永磁电机。与电励磁电机相比，永磁电机具有以下优点：(1)取消了励磁系统，从而没有励磁系统损耗，提高了效率；(2)去除了励磁绕组和励磁电源，结构简单、运行可靠；(3)永磁电机的尺寸和形状灵活多样；(4)稀土永磁电机结构紧凑、体积小、重量轻。
多相电机以其独特的优点，成为近年来的研究热点。多相电机与传统三相电机相比，具有以下优点：(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，改善运行性能；(3)相冗余特性保证多相电机具有更大的自由度，从而即使断开一相或多相仍能输出较理想的转矩，使多相电机具有很高的容错能力；(4)由于矢量控制，即使在故障运行条件下，多相电机也能通过注入高阶谐波电流同时输出高质量和高密度的转矩，同时提高直流母线电压利用率，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。多相电机的优点使其特别适合于低压大功率、高性能和高可靠性的应用场合。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机，本发明具有高转矩密度容错。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机，包括三个转子和一个定子，其中沿电机轴向方向有两个转子，沿径向方向有一个转子，三个转子共用一个定子，所述定子包括定子铁心和环形绕组，所述环形绕组具有三个有效边，与三个转子相对应，各个转子磁路在定子铁心中为并联结构，三个转子固定在一起，同步旋转。
进一步的，所述三个转子永磁体均为表贴式结构，其中轴向转子与定子铁心构成轴向磁路结构，径向转子与定子铁心构成径向磁路结构。
进一步的，所述永磁转子在定子绕组中感应出基波反电动势和三次谐波反电动势。
进一步的，轴向方向转子磁极数相等。
进一步的，径向转子的永磁磁极数与轴向转子磁极数相等。
进一步的，所述永磁电机具有三个气隙磁场，且都以定子铁心轭作为其闭合磁路的一部分，并且在定子铁心轭中具有相同的方向。
进一步的，电机输出转矩与气隙面积成正比。
进一步的，所述定子为七相绕组，在输入电流有效值一定时，根据最大转矩电流比控制(MTPA)，控制输入基波电流和三次谐波电流的比例，提高输出转矩密度。
进一步的，所述轴向转子永磁体皆按轴向充磁，径向转子永磁体皆为径向充磁，且三个转子永磁体磁路在定子铁心中方向相同，为并联磁路。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明电机相比于传统永磁同步电机能提高变频器直流母线电压的利用率。
本发明为七相容错式永磁同步电机，通过适当选取转子永磁磁极的极弧系数，可以在一定程度上控制反电动势谐波。相比于传统的七相电机，该电机在缺失一相或两相供电时，可以通过控制基波和三次谐波电流分配得到较低转矩脉动，且同时保证输出转矩值较大，具有很强的容错能力。
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为本发明实例一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机三维图；
其中，1-轴向转子铁心轭，2-轴向转子永磁磁极，3-定子绕组，4-定子铁心，5-径向转子铁心轭，6-轴向转子铁心轭，7-轴向转子永磁磁极
图2为本发明实例径向转子与定子；
其中5-径向转子铁心轭，8-径向转子永磁磁极
图3为本发明实例轴向双转子与定子；
图4为本发明实例空载反电动势谐波分析；
图5为电机定子绕组通入有效值一定的基波和三次谐波电流时，转矩密度比较图实例；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
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。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机的实施方案如图1所示。定子为圆筒型结构，由软磁复合材料SMC或硅钢片加工，定子沿圆周方向的内侧和外侧均匀分布定子槽。定子绕组为环形结构的七相绕组，即沿径向方向定子外圆周槽和内圆周槽的导体属于同一相线圈。
本发明电机本体包括三个转子和一个定子，其中沿电机轴向方向有两个转子，沿径向方向有一个转子，三个转子共用一个定子，其磁路在定子铁心中为并联结构，径向转子的永磁磁极数与轴向转子磁极数相等。所述定子包括定子铁心、七相环形绕组。
本发明电机的定子由定子铁心和七相环形绕组组成，环形绕组有三个有效边，绕组得到充分利用，电机转矩密度高。此外，电机输出转矩与气隙面积成正比，本发明电机为三转子电机，相比于传统径向磁通电机或轴向磁通电机，增加了气隙面积，电机输出转矩得到进一步提高。
本发明电机由三个转子组成，其中轴向方向两个转子，径向方向一个转子，即电机为三转子结构。三个转子永磁体均为表贴式结构，且永磁体采用高性能永磁材料制成，其中轴向转子与定子铁心构成轴向磁路结构，径向转子与定子铁心构成径向磁路结构。
本发明电机的永磁转子在定子绕组中感应出基波反电动势和三次谐波反电动势。相比于传统永磁同步电机，本发明电机可以通过三次谐波注入提高转矩输出，从而提高转矩密度。
本发明电机轴向方向转子磁极数相等，且等于径向方向转子磁极数。电机由三个气隙磁场，且都以定子铁心轭作为其闭合磁路的一部分，并且在定子铁心轭中具有相同的方向。
本发明定子为七相绕组，在输入电流有效值一定时，可以通过控制输入基波电流和三次谐波电流的比例，即在定子绕组损耗相同时，可以提高转矩密度。
本发明电机相比于传统永磁同步电机能提高变频器直流母线电压的利用率。
本发明为七相容错式永磁同步电机，通过适当选取转子永磁磁极的极弧系数，可以在一定程度上控制反电动势谐波。相比于传统的七相电机，该电机在缺失一相或两相供电时，可以通过控制基波和三次谐波电流分配得到较低转矩脉动，且同时保证输出转矩值较大，具有很强的容错能力。
本发明永磁电机由两个轴向转子和一个径向转子构成三转子结构，且径向转子永磁磁极数与轴向转子永磁磁极数相等。轴向转子永磁体皆按轴向充磁，径向转子永磁体皆为径向充磁，且三个转子永磁体磁路在定子铁心中方向相同，为并联磁路。三个转子固定在一起，同步旋转。通过控制注入基波和三次谐波电流的比例，使电机具有高转矩密度，高容错能力的特点，同时提高变频器直流母线电压的利用率。
三转子为本发明实例，两转子为所比较的两转子轴向磁通盘式电机。由图5可知，在注入有效值一定的基波和三次谐波电流时；单位质量输出转矩提高了14.7％，单位体积输出转矩提升了4.3％，从而本发明实例具有高转矩密度电机的特点。此外，相比于传统电机，本电机采用单套多相绕组，极大的简化了绕组设置和控制方式。
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。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机，其特征是：包括三个转子和一个定子，其中沿电机轴向方向有两个转子，沿径向方向有一个转子，三个转子共用一个定子，所述定子包括定子铁心和环形绕组，所述环形绕组具有三个有效边，与三个转子相对应，各个转子磁路在定子铁心中为并联结构，三个转子固定在一起，同步旋转。
2.如权利要求1所述的一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机，其特征是：所述三个转子永磁体均为表贴式结构，其中轴向转子与定子铁心构成轴向磁路结构，径向转子与定子铁心构成径向磁路结构。
3.如权利要求1所述的一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机，其特征是：所述永磁转子在定子绕组中感应出基波反电动势和三次谐波反电动势。
4.如权利要求1所述的一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机，其特征是：轴向方向转子磁极数相等。
5.如权利要求1所述的一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机，其特征是：径向转子的永磁磁极数与轴向转子磁极数相等。
6.如权利要求1所述的一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机，其特征是：所述永磁电机具有三个气隙磁场，且都以定子铁心轭作为其闭合磁路的一部分，并且在定子铁心轭中具有相同的方向。
7.如权利要求1所述的一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机，其特征是：电机输出转矩与气隙面积成正比。
8.如权利要求1所述的一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机，其特征是：所述定子为七相绕组，在输入电流有效值一定时，根据最大转矩电流比控制，控制输入基波电流和三次谐波电流的比例。
9.如权利要求1所述的一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机，其特征是：所述轴向转子永磁体皆按轴向充磁，径向转子永磁体皆为径向充磁。
10.如权利要求1所述的一种高转矩密度容错型混合磁通永磁电机，其特征是：三个转子永磁体磁路在定子铁心中方向相同，为并联磁路。
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