CN110323863A - 非对称混合磁极型永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非对称混合磁极型永磁电机，包括内外套设且之间隔有气隙的定子和转子，该定子包括定子铁芯和三相电枢绕组，转子包括转子轭和沿周向均布于转子轭上的多个永磁单元结构，该永磁单元结构包括多层磁障结构、位于多层磁障结构外侧的一字型空气磁障，以及分别设置在多层磁障结构和一字型空气磁障内的内置式永磁体；其中多层磁障结构所对应的圆周角为αs，一字型空气磁障所对应的圆周角为βs，αs+βs＝90°。本发明在一定永磁体用量的前提下，运用永磁体的不对称分布使得永磁转矩和磁阻转矩分量可以在相近的电流角下达到最大值，提高转矩分量利用率，提高转矩输出能力。

Description

非对称混合磁极型永磁电机
技术领域
本发明涉及永磁电机，尤其一种涉及非对称混合磁极型永磁电机。
背景技术
随着生态环境的恶化和全球能源的衰竭，大力发展新能源汽车产业已成为一个关乎国民经济发展的关键举措。随着用户对于电动汽车的需求不断提高，内置式永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM)因为其高功率密度、高效率以及更好的控制精度被广泛应用于电动汽车领域，包括丰田Prius，本田Insight等车型。
不过传统内置式永磁电机存在永磁漏磁较多，利用率不高，同时由于稀土永磁材料价格昂贵，这对于电动汽车的推广和发展是不利的。另一方面，由于传统内置式电机的转子通常采用对称的结构，永磁转矩和磁阻转矩的d轴相差大致45度电角度，导致两者的利用率下降，进一步降低了电机整体的功率密度。为了在降低永磁用量及成本的情况下实现电机的高功率密度，如何进一步提升磁阻转矩分量成为了电机领域的研究热点。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种可有效解决传统内置式永磁电机转矩分量利用率不高缺陷的非对称混合磁极型永磁电机。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种非对称混合磁极型永磁电机，包括内外套设且之间隔有气隙的定子和转子，该定子包括定子铁芯和三相电枢绕组，转子包括转子轭和沿周向均布于转子轭上的多个永磁单元结构，该永磁单元结构包括多层磁障结构、位于多层磁障结构外侧的一字型空气磁障，以及分别设置在多层磁障结构和一字型空气磁障内的内置式永磁体；其中多层磁障结构所对应的圆周角为αs，一字型空气磁障所对应的圆周角为βs，αs+βs＝90°。
优选的，所述多层磁障结构所对应的圆周角αs的最优角度值为使永磁磁轴偏移至与磁阻磁轴相重合的角度值。
其中，所述多层磁障结构包括开口朝向气隙且形状相同的第一U型空气磁障和第二U型空气磁障，第一U型空气磁障位于第二U型空气磁障包裹下。
优选的，所述内置式永磁体包括分别位于第一U型空气磁障和第二U型空气磁障的右侧槽内的第一永磁体和第二永磁体，以及位于一字型空气磁障内的第三永磁体；第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体为矩形，充磁方向均沿矩形的短边方向，同一极下的第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体的充磁朝向相同并构成一个磁场回路，相邻极下充磁朝向相反。
再者，所述定子铁芯包括定子齿、定子轭和定子槽，定子齿一端靠近转子，定子齿远离转子的一端由定子轭相连接，相邻定子齿之间形成定子槽；三相电枢绕组为双层分布绕组，缠绕在定子齿上。
进一步，所述定子齿和定子槽绕定子中心轴线均匀布置，定子槽的个数为奇数。
优选的，所述一字型空气磁障为矩形空气槽结构，矩形的四角设有圆弧。
进一步，还包括外壳和用于穿设固定转子的转轴，其中定子、转子和转轴均设于外壳内。
发明原理：对于永磁磁场部分，永磁磁通的磁路由永磁体到达转子轭、气隙、定子齿、定子轭、定子齿、气隙，再经过转子轭回到永磁体，形成闭合通路；由于转子旋转，该磁路会随转子旋转；同时定子通入三相电流能够形成与转子相等速度的旋转磁场，定转子磁场的相互作用推动转子恒定旋转。同时，对于磁阻部分，由于转子交、直轴磁路的不同导致交直轴电感差异较大，从而产生磁阻转矩。
本发明为了使得永磁转矩和磁阻转矩的最大值对应的电流角接近相同的角度，通过在混合磁极下永磁体的不对称放置使得永磁磁轴，即永磁转矩的d轴产生偏移，朝着磁阻磁轴，即磁阻转矩的d轴的方向移动。本发明中有一些变量对磁轴的偏移会产生影响，其中影响最大的是混合磁极下多层磁障式结构和“一”字型永磁结构所占的比例，以其所对应圆周角表示，不同圆周角下得到的永磁转矩和磁阻转矩最大值对应的电角度不同，电角度的差值不同，则转矩分量的利用率不同。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
1、本发明在一定永磁体用量的前提下，运用永磁体的不对称分布使得永磁转矩和磁阻转矩分量可以在相近的电流角下达到最大值，提高转矩分量利用率，提高转矩输出能力，而传统对称电机两转矩分量的最大值对应的电流角相差45度电角度；此外在需要一定输出转矩的前提下可减少永磁体用量，虽然永磁转矩分量减小，但永磁转矩和磁阻转矩分量的最大值相互接近，提高磁阻转矩的比例，增强电机的弱磁扩速能力，有利于应用于电动汽车领域；
2、本发明电机采用奇数定子槽和双绕组结构，由于特定的绕组连接方式，使得交轴电枢反应磁动势减小，感应电动势的畸变率也随之降低，于是电枢电流与感应电动势也更为匹配，保证输出转矩的脉动较小，使得损耗降低，提高电机的效率。
附图说明
图1为本发明中结构示意图；
图2为本发明中多层磁障结构和一字型空气磁障所对应圆周角的结构示意图；
图3为本发明中电机的转子设计参数标注图；
图4为本发明中电机的全局优化结果示意图；
图5为图4中方框区域的放大示意图；
图6为本发明中电机的永磁转矩d轴和磁阻转矩d轴的结构示意图；
图7为本发明的电机输出转矩分离图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明一种非对称混合磁极型永磁电机，包括外壳、定子1、转子2和转轴3，定子1、转子2和转轴3均设置内外壳内。转子2穿设固定在转轴3上，定子1设置在转子2外，定子1与转子2之间间隔有气隙。
本发明的定子1包括定子铁芯101和三相电枢绕组102，定子铁芯101包括定子齿103、定子轭104和定子槽105，定子齿103一端靠近转子2，定子齿103远离转子2的一端由定子轭104相连接，相邻定子齿103之间形成定子槽105；三相电枢绕组102为双层分布绕组，缠绕在定子齿103上。其中定子齿103和定子槽105绕定子中心轴线均匀布置，定子槽105的个数为奇数。
本发明的转子2包括转子轭201和沿周向均布于转子轭201上的多个永磁单元结构，该永磁单元结构包括多层磁障结构、位于多层磁障结构外侧的一字型空气磁障202，以及分别设置在多层磁障结构和一字型空气磁障内的内置式永磁体。多层磁障结构包括开口朝向气隙且形状相同的第一U型空气磁障203和第二U型空气磁障204，第一U型空气磁障203位于第二U型空气磁障204包裹下。一字型空气磁障202为一字矩形空气槽结构，矩形的四角设有圆弧。内置式永磁体包括分别位于第一U型空气磁障203和第二U型空气磁障204的右侧槽内的第一永磁体205和第二永磁体206，以及位于一字型空气磁障202内的第三永磁体207；第一永磁体205、第二永磁体206和第三永磁体207为矩形，充磁方向均沿矩形的短边方向，同一极下的第一永磁体205、第二永磁体206和第三永磁体207的充磁朝向相同并构成一个磁场回路，相邻极下充磁朝向相反。
本发明的多层磁障结构所对应的圆周角为αs，一字型空气磁障所对应的圆周角为βs，αs+βs＝90°。本发明需要优化选择合适的圆周角αs、βs使得总转矩输出最大，圆周角的示意如附图2所示。
本发明公开的一种非对称混合磁极型永磁电机的设计优化方法，包括如下步骤：
(1)根据设计目标，利用公式并依据电机设计原则确定电机的初始尺寸，初始尺寸包括定转子尺寸和电枢绕组参数，其中定子内径即为电枢直径Da，电机的轴向长度即为电枢的计算长度Lef，电枢直径Da和电枢的计算长度Lef的数值可根据所给的额定功率、额定转速、额定电压和频率来计算；电机的尺寸与所确定的磁负荷和电负荷有很大关系，在永磁同步电机中，磁负荷是由永磁体的性能和磁路结构决定的；
定子的槽数Z可根据电枢直径Da的大小进行选取，可选取奇数槽，奇数槽能有效抑制由电枢齿产生的主磁通脉动，进而减小齿槽转矩；定子的槽型选用梨形槽，各部分尺寸的选择原则如下：槽口宽在保证下线和制造加工的前提下尽量选取较小值；槽口高需要考虑铁心的机械强度和耐久度；齿宽则在考虑机械强度的条件下根据气隙磁密、轴向长度、叠压系数等公式得出；
转子尺寸是转子铁心尺寸和永磁体尺寸，转子铁心的外径可由电枢内径、气隙长度计算得到，转子内径由给定转子内外径之比得到，转子上设置导磁桥应考虑铁心的机械强度；永磁体尺寸与永磁材料的选取以及磁极结构有关；永磁体内外径的大小应考虑铁心桥的机械强度和轭部的磁场饱和情况；
永磁同步电机的绕组采用三相绕组，永磁同步电机的线规和绕组匝数则根据电磁负荷、槽满率和定子槽面积来确定；
(2)如图3所示，给出本发明中电机转子的设计参数标注图，定子结构和尺寸已确定，仅对电机转子各部分尺寸进行优化，转子优化的固定限制条件为：转子外半径rro为31.5mm，转子内半径rri为8mm，轴向长度为55mm，空气槽与气隙的距离h1为0.5mm，U型空气槽第二层与转轴的距离h2为1mm；选定表1中十二个结构参数作为变量，U型槽槽所占据的圆周角α1和一字型槽所占据圆周角β1之和为90°，即α1+β1＝90°。
表1设计参数变量范围
表1给出了设计参数变量的范围，以平均转矩最大和转矩脉动最小为优化目标，本发明将平均转矩最大和转矩脉动最小的权重分别设为1和0.5，采用多目标遗传算法进行优化，通过二维有限元分析，最终得到的优化结果如图4所示。
从图4可以看出，转矩最大值集中在7.6～8Nm范围内，将参数优化结果进行局部放大，得到图5，在图5的右下方分布的点均可以达到较优的性能，当实际考虑设计目标转矩大于7.9Nm，转矩脉动小于5％，于是选择图5中所标记的点作为最优点。
本发明中通过在多层磁障结构右侧放置永磁体和在一字型空气磁障中放置永磁体使得永磁磁轴向顺时针方向偏移，与磁阻磁轴接近，如图6所示，其中，l1表示磁阻d轴，l2表示原永磁d轴，l3表示新永磁d轴。本发明能够保障在相同永磁体用量的情况下输出更大的转矩，如图7所示。

Claims (8)

1.一种非对称混合磁极型永磁电机，其特征在于：包括内外套设且之间隔有气隙的定子(1)和转子(2)，该定子(1)包括定子铁芯(101)和三相电枢绕组(102)，转子(2)包括转子轭(201)和沿周向均布于转子轭(201)上的多个永磁单元结构，该永磁单元结构包括多层磁障结构、位于多层磁障结构外侧的一字型空气磁障(202)，以及分别设置在多层磁障结构和一字型空气磁障内的内置式永磁体；其中多层磁障结构所对应的圆周角为αs，一字型空气磁障所对应的圆周角为βs，αs+βs＝90°。
2.根据权利要求1所述的非对称混合磁极型永磁电机，其特征在于：所述多层磁障结构所对应的圆周角αs的最优角度值为使永磁磁轴偏移至与磁阻磁轴相重合的角度值。
3.根据权利要求1所述的非对称混合磁极型永磁电机，其特征在于：所述多层磁障结构包括开口朝向气隙且形状相同的第一U型空气磁障(203)和第二U型空气磁障(204)，第一U型空气磁障(203)位于第二U型空气磁障(204)包裹下。
4.根据权利要求1所述的非对称混合磁极型永磁电机，其特征在于：所述内置式永磁体包括分别位于第一U型空气磁障(203)和第二U型空气磁障(204)的右侧槽内的第一永磁体(205)和第二永磁体(206)，以及位于一字型空气磁障(202)内的第三永磁体(207)；第一永磁体(205)、第二永磁体(206)和第三永磁体(207)为矩形，充磁方向均沿矩形的短边方向，同一极下的第一永磁体(205)、第二永磁体(206)和第三永磁体(207)的充磁朝向相同并构成一个磁场回路，相邻极下充磁朝向相反。
5.根据权利要求1所述的非对称混合磁极型永磁电机，其特征在于：所述定子铁芯(101)包括定子齿(103)、定子轭(104)和定子槽(105)，定子齿(103)一端靠近转子(2)，定子齿(103)远离转子(2)的一端由定子轭(104)相连接，相邻定子齿(103)之间形成定子槽(105)；三相电枢绕组(102)为双层分布绕组，缠绕在定子齿(103)上。
6.根据权利要求5所述的非对称混合磁极型永磁电机，其特征在于：所述定子齿(103)和定子槽(105)绕定子中心轴线均匀布置，定子槽(105)的个数为奇数。
7.根据权利要求1所述的非对称混合磁极型永磁电机，其特征在于：所述一字型空气磁障(202)为一字矩形空气槽结构，矩形的四角设有圆弧。
8.根据权利要求1所述的非对称混合磁极型永磁电机，其特征在于：还包括外壳和用于穿设固定转子(2)的转轴(3)，其中定子(1)、转子(2)和转轴(3)均设于外壳内。
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