CN110635641A - 轴向磁场反凸极永磁同步电机 - Google Patents

轴向磁场反凸极永磁同步电机 Download PDF

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Abstract

轴向磁场反凸极永磁同步电机，涉及永磁同步电机领域。本发明是为了解决传统的永磁同步电机在运行于较宽的速度范围时，会增加逆变器的容量，降低驱动系统效率的问题。本发明所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机，由两个定子、一个转子和两个气隙构成。每个定子由定子铁心和定子绕组构成；转子主要由基盘和磁极单元构成。本发明所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机的恒功率弱磁调速范围宽、转子的结构强度高，电机的定位转矩小，效率、功率密度和可靠性高。本发明在电动车辆驱动系统、电主轴系统以及变速发电等领域具有良好的应用前景。

Description

轴向磁场反凸极永磁同步电机
技术领域
本发明属于电机领域，尤其涉及永磁同步电机。
背景技术
轴向磁场永磁电机也称盘式永磁电机，因其结构紧凑、效率高、功率密度大等优点获得越来越多的关注。轴向磁场永磁电机尤其适合应用于电动车辆、可再生能源系统、飞轮储能系统和工业设备等要求高转矩密度和空间紧凑的场合。
轴向磁场永磁电机结构多样，按照定转子数目以及定转子相对位置可分为四类：单定转子结构、双定子中间转子结构、双转子中间定子结构和多盘式结构。
传统的双定子中间转子结构轴向磁场永磁电机由两个定子盘中间夹一个转子盘组成双气隙结构，如图13所示。磁通从永磁体的N极出发经过气隙进入定子，沿定子轭部周向经一个极距后穿过气隙，进入相邻永磁体的S极，再通过一个对称路径回到出发的磁极形成闭合磁路。主磁通直接沿轴向穿过永磁体，在转子上没有周向的路径，转子部分不需要使用铁磁材料，因而转子质量轻，电机具有较小的转动惯量。但是，该结构电机存在着永磁体磁场调节困难、恒功率调速范围小等缺点。
对于永磁同步电机，当电机端电压和电流达到最大值、电流全部为直轴电流分量时，并且忽略定子电阻的影响时，可以得到电机采用普通弱磁控制策略时的理想最高转速nmax：
Figure BDA0002213238320000011
电机电磁转矩Te为：
Te＝p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq] (2)
上式中，ulim为极限电压，ilim为极限电流，p为极对数，ψf为永磁磁链，id和iq分别为交、直轴电流，Ld和Lq分别为交、直轴电感。
上述转矩表达式(2)中，右边的第1项为永磁体与q轴电流作用产生的永磁转矩；第2项为凸极效应产生的磁阻转矩。对于传统永磁同步电机，由于Ld＜Lq，因此，通过负向的d轴电流，使磁阻转矩与永磁转矩相叠加，成为输出转矩的一部分。由于负向的d轴电流产生的d轴电枢反应磁通与永磁体的极性相反，如果不注意，就可能产生永磁体的不可逆去磁。
近年来，随着永磁材料性能的提高，矫顽力高、去磁曲线为线性的稀土永磁体已经广泛的应用于电机领域，使永磁同步电机的弱磁控制成为可能，拓宽了电机的调速范围，提高了调速系统的效率。
由式(1)可以看出提高永磁同步电动机的最高转速可采取的主要方法有：
(1)减小磁链ψf；(2)增大ilim；(3)增大Ld；(4)提高电动机极限电压ulim；(5)采用前四种方法的组合。
如果提高电动机的极限电压ulim和极限电流ilim则需要增大逆变器的容量，从而提高了系统的制造成本，一般不可取。当电机的极限电压和极限电流一定时，电机的理想最高转速主要取决于电机空载永磁体磁链和直轴同步电感，而与交轴同步电感无关。
从式(1)可以看出，ψf越小电机的弱磁调速范围越宽，但是ψf越小，从式(2)可以看出，电磁转矩Te就会越小。因此除非磁阻转矩增加，否则PMSM不可能有好的表现。提高凸极率对增加转矩是非常重要的。考虑到Lq由于铁心的磁饱和而受到限制，因此通常要求通过减小Ld来增加电磁转矩。然而传统的永磁同步电机其ψf大，而Ld较小，因此必须通过大大增加Id来使电机运行于较宽的速度范围，这就会增加逆变器的容量，降低驱动系统的效率。
发明内容
本发明是为了解决传统的永磁同步电机在运行于较宽的速度范围时，会增加逆变器的容量，降低驱动系统效率的问题，现提供三种结构的轴向磁场反凸极永磁同步电机。
第一种结构的轴向磁场反凸极永磁同步电机，包括：转子和两个定子，转子和两个定子同轴设置、且转子位于两个定子之间，转子与两个定子之间均留有气隙，
转子包括圆环形的基盘，基盘上开有2p个沿其周向均匀排布的环扇形的磁极单元嵌放通孔、且环扇形的窄边均朝向基盘的中心，每个磁极单元嵌放通孔内部均嵌有一个磁极单元，
所述磁极单元包括导磁体和2k+1块永磁体，导磁体的外轮廓与磁极单元嵌放通孔的内轮廓相同，导磁体上沿其周向均匀开有2k+1个永磁体嵌放通孔，2k+1块永磁体分别嵌固在2k+1个永磁体嵌放通孔内部，同一磁极单元内所有永磁体的充磁方向相同，相邻两个磁极单元的充磁方向相反，永磁体充磁方向为轴向，
p为极对数，k为正整数。
第二种结构的轴向磁场反凸极永磁同步电机，包括：转子和两个定子，转子和两个定子同轴设置、且转子位于两个定子之间，转子与两个定子之间均留有气隙，
转子包括圆环形的基盘，基盘上开有2p个沿其周向均匀排布的环扇形的磁极单元嵌放通孔、且环扇形的窄边均朝向基盘的中心，每个磁极单元嵌放通孔内部均嵌有一个磁极单元，
所述磁极单元包括导磁体和2n块永磁体，导磁体的外轮廓与磁极单元嵌放通孔的内轮廓相同，导磁体每一侧面沿其周向均匀开有n个永磁体嵌放槽，两个侧面的永磁体嵌放槽一一正对、且互不相通，2n块永磁体分别嵌固在导磁体两个侧面的2n个永磁体嵌放槽内部，同一磁极单元内所有永磁体的充磁方向相同，相邻两个磁极单元的充磁方向相反，永磁体充磁方向为轴向，
p为极对数，n＝2k+1，k为正整数。
第三种结构的轴向磁场反凸极永磁同步电机，包括：转子和两个定子，转子和两个定子同轴设置、且转子位于两个定子之间，转子与两个定子之间均留有气隙，
转子包括圆环形的基盘，基盘的圆周上均匀开有2p个向其内环方向凹陷的凹槽，每个凹槽内部均嵌有一个磁极单元，
所述磁极单元包括导磁体和2k+1块永磁体，导磁体为环扇形，导磁体沿其周向均匀开有2k+1个永磁体嵌放孔，2k+1块永磁体分别嵌固在2k+1个永磁体嵌放孔内，同一磁极单元内所有永磁体的充磁方向相同，相邻两个磁极单元的充磁方向相反，永磁体充磁方向为轴向，
所有导磁体的外圆弧所在圆与基盘的外圆重合，导磁体与基盘为一体结构，p为极对数，k为正整数。
上述三种结构电机的定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的一个侧面沿其圆环周向均匀开有多个径向通槽，相邻的两个径向通槽之间为一个齿，每间隔一个齿上缠绕有一个绕组线圈，每个径向通槽内均设有一个绕组线圈的有效边，所有绕组线圈共同构成一套整数槽绕组或分数槽绕组，
两个定子铁心设有绕组线圈的侧面相对设置。
上述三种结构电机的定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的一个侧面沿其圆环周向均匀开有多个径向通槽，每个齿上均缠绕有一个绕组线圈，每个径向通槽内均设有两个绕组线圈的有效边，所有绕组线圈共同构成一套分数槽绕组，
两个定子铁心设有绕组线圈的侧面相对设置。
上述第一或二种结构电机中，定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的一个侧面上设有多个绕组线圈，相邻的两个绕组线圈互不接触，每个绕组线圈的有效边对应定子铁心一个侧面上的一条径向通槽，所有绕组线圈共同构成一套分数槽绕组，
两个定子铁心设有绕组线圈的侧面相对设置。
上述第一或二种结构电机中，定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的一个侧面上设有多个绕组线圈，相邻的两个绕组线圈相互接触，相互接触的两个绕组线圈的有效边对应定子铁心一个侧面上的一条径向通槽，所有绕组线圈共同构成一套整数槽绕组或分数槽绕组，
两个定子铁心设有绕组线圈的侧面相对设置。
上述第三种结构电机中，定子包括两组定子绕组，所述定子绕组为整数槽绕组或分数槽绕组，两组定子绕组分别位于转子的两侧，
每组定子绕组包括多个绕组线圈，多个绕组线圈沿转子周向均匀排布、且每个绕组线圈的轴均与转子的轴平行，相邻的两个绕组线圈的有效边相互分离或相互接触。
上述三种结构电机转子的基盘材料均为非磁性材料。
上述第一或二种结构电机中，转子的基盘材料均为磁性材料，磁极单元与基盘为一体式结构，磁极单元的轴向厚度大于基盘的轴向厚度。
上述三种结构电机磁极单元中位于最中间的永磁体的剩磁或矫顽力最高，其两侧的永磁体的剩磁或矫顽力逐渐减小。
上述三种结构电机磁极单元中位于最中间的永磁体磁化方向的厚度和圆周方向的宽度最大，其两侧的永磁体磁化方向的厚度和圆周方向的宽度逐渐减小。
本发明涉及适合弱磁调速的轴向磁场反凸极永磁同步电机，该电机主要由两个定子、一个转子和两个气隙构成。每个定子由定子铁心和定子绕组构成；转子主要由基盘和磁极单元构成。本发明所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机的恒功率弱磁调速范围宽、转子的结构强度高，电机的定位转矩小，效率、功率密度和可靠性高。本发明在电动车辆驱动系统、电主轴系统以及变速发电等领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为具体实施方式四中一种轴向磁场反凸极永磁同步电机结构示意图；
图2为图1中定子结构示意图，其中(a)立体图，(b)平面图；
图3为具体实施方式五中一种轴向磁场反凸极永磁同步电机结构示意图；
图4为图3中定子结构示意图，其中(a)立体图，(b)平面图；
图5为具体实施方式一和二所述的转子结构示意图，其中(a)立体图，(b)平面图；
图6为图5中转子基盘的结构示意图，其中(a)立体图，(b)平面图；
图7为磁极单元的结构示意图；
图8为具体实施方式二所述的导磁体的结构示意图；
图9为具体实施方式一所述的导磁体的结构示意图；
图10为永磁体的结构示意图；
图11为具体实施方式三所述的转子结构示意图；
图12为图11中转子基盘的结构示意图；
图13为背景技术中传统中间转子轴向磁场永磁同步电机的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图5、6、7、9和10具体说明本实施方式，本实施方式所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机，包括：转子和两个定子，转子和两个定子同轴设置、且转子位于两个定子之间，转子与两个定子之间均留有气隙，
转子包括圆环形的基盘，基盘上开有2p个沿其周向均匀排布的环扇形的磁极单元嵌放通孔、且环扇形的窄边均朝向基盘的中心，每个磁极单元嵌放通孔内部均嵌有一个磁极单元，
所述磁极单元包括导磁体和2k+1块永磁体，导磁体的外轮廓与磁极单元嵌放通孔的内轮廓相同，导磁体上沿其周向均匀开有2k+1个永磁体嵌放通孔，2k+1块永磁体分别嵌固在2k+1个永磁体嵌放通孔内部，同一磁极单元内所有永磁体的充磁方向相同，相邻两个磁极单元的充磁方向相反，永磁体充磁方向为轴向，
p为极对数，k为正整数。
具体实施方式二：参照图5、6、7、8和10具体说明本实施方式，本实施方式所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机，包括：转子和两个定子，转子和两个定子同轴设置、且转子位于两个定子之间，转子与两个定子之间均留有气隙，
转子包括圆环形的基盘，基盘上开有2p个沿其周向均匀排布的环扇形的磁极单元嵌放通孔、且环扇形的窄边均朝向基盘的中心，每个磁极单元嵌放通孔内部均嵌有一个磁极单元，
所述磁极单元包括导磁体和2n块永磁体，导磁体的外轮廓与磁极单元嵌放通孔的内轮廓相同，导磁体每一侧面沿其周向均匀开有n个永磁体嵌放槽，两个侧面的永磁体嵌放槽一一正对、且互不相通，2n块永磁体分别嵌固在导磁体两个侧面的2n个永磁体嵌放槽内部，同一磁极单元内所有永磁体的充磁方向相同，相邻两个磁极单元的充磁方向相反，永磁体充磁方向为轴向，
p为极对数，n＝2k+1，k为正整数。
具体实施方式三：参照图7、9、10、11和12具体说明本实施方式，本实施方式所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机，包括：转子和两个定子，转子和两个定子同轴设置、且转子位于两个定子之间，转子与两个定子之间均留有气隙，
转子包括圆环形的基盘，基盘的圆周上均匀开有2p个向其内环方向凹陷的凹槽，每个凹槽内部均嵌有一个磁极单元，
所述磁极单元包括导磁体和2k+1块永磁体，导磁体为环扇形，导磁体沿其周向均匀开有2k+1个永磁体嵌放孔，2k+1块永磁体分别嵌固在2k+1个永磁体嵌放孔内，同一磁极单元内所有永磁体的充磁方向相同，相邻两个磁极单元的充磁方向相反，永磁体充磁方向为轴向，
所有导磁体的外圆弧所在圆与基盘的外圆重合，导磁体与基盘为一体结构，p为极对数，k为正整数。
本实施方式中，每极各块永磁体之间具有磁桥，这样既可以提高转子的结构强度，又可以增大直轴电感，扩展电机的恒功率调速范围。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机的进一步说明，本实施方式中，定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的一个侧面沿其圆环周向均匀开有多个径向通槽，相邻的两个径向通槽之间为一个齿，每间隔一个齿上缠绕有一个绕组线圈，每个径向通槽内均设有一个绕组线圈的有效边，所有绕组线圈共同构成一套整数槽绕组或分数槽绕组，两个定子铁心设有绕组线圈的侧面相对设置。
本实施方式结合具体实施方式一或二获得的一种轴向磁场反凸极永磁同步电机结构如图1所示，其定子如图2所示。该实施方式中，转子为10极结构。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机的进一步说明，本实施方式与具体实施方式四的区别在于，定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的一个侧面沿其圆环周向均匀开有多个径向通槽，每个齿上均缠绕有一个绕组线圈，每个径向通槽内均设有两个绕组线圈的有效边，所有绕组线圈共同构成一套分数槽绕组，两个定子铁心设有绕组线圈的侧面相对设置。
本实施方式结合具体实施方式一或二获得的一种轴向磁场反凸极永磁同步电机结构如图3所示，其定子如图4所示。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机的进一步说明，本实施方式中，定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的一个侧面上设有多个绕组线圈，相邻的两个绕组线圈互不接触，每个绕组线圈的有效边对应定子铁心一个侧面上的一条径向通槽，所有绕组线圈共同构成一套分数槽绕组，两个定子铁心设有绕组线圈的侧面相对设置。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机的进一步说明，本实施方式与具体实施方式六的区别在于，相邻的两个绕组线圈相互接触，相互接触的两个绕组线圈的有效边对应定子铁心一个侧面上的一条径向通槽，所有绕组线圈共同构成一套整数槽绕组或分数槽绕组。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式三所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机的进一步说明，本实施方式中，定子包括两组定子绕组，所述定子绕组为整数槽绕组或分数槽绕组，两组定子绕组分别位于转子的两侧，
每组定子绕组包括多个绕组线圈，多个绕组线圈沿转子周向均匀排布、且每个绕组线圈的轴均与转子的轴平行，相邻的两个绕组线圈的有效边相互分离或相互接触。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机的进一步说明，本实施方式中，转子的基盘材料均为非磁性材料。
具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机的进一步说明，本实施方式中，转子的基盘材料均为磁性材料，磁极单元与基盘为一体式结构，磁极单元的轴向厚度大于基盘的轴向厚度。
具体实施方式十一：本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机的进一步说明，本实施方式中，磁极单元中位于最中间的永磁体的剩磁或矫顽力最高，其两侧的永磁体的剩磁或矫顽力逐渐减小。
具体实施方式十二：本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机的进一步说明，本实施方式中，磁极单元中位于最中间的永磁体磁化方向的厚度和圆周方向的宽度最大，其两侧的永磁体磁化方向的厚度和圆周方向的宽度逐渐减小。

Claims (12)

1.轴向磁场反凸极永磁同步电机，包括：转子和两个定子，转子和两个定子同轴设置、且转子位于两个定子之间，转子与两个定子之间均留有气隙，
其特征在于，
转子包括圆环形的基盘，基盘上开有2p个沿其周向均匀排布的环扇形的磁极单元嵌放通孔、且环扇形的窄边均朝向基盘的中心，每个磁极单元嵌放通孔内部均嵌有一个磁极单元，
所述磁极单元包括导磁体和2k+1块永磁体，导磁体的外轮廓与磁极单元嵌放通孔的内轮廓相同，导磁体上沿其周向均匀开有2k+1个永磁体嵌放通孔，2k+1块永磁体分别嵌固在2k+1个永磁体嵌放通孔内部，同一磁极单元内所有永磁体的充磁方向相同，相邻两个磁极单元的充磁方向相反，永磁体充磁方向为轴向，
p为极对数，k为正整数。
2.轴向磁场反凸极永磁同步电机，包括：转子和两个定子，转子和两个定子同轴设置、且转子位于两个定子之间，转子与两个定子之间均留有气隙，
其特征在于，
转子包括圆环形的基盘，基盘上开有2p个沿其周向均匀排布的环扇形的磁极单元嵌放通孔、且环扇形的窄边均朝向基盘的中心，每个磁极单元嵌放通孔内部均嵌有一个磁极单元，
所述磁极单元包括导磁体和2n块永磁体，导磁体的外轮廓与磁极单元嵌放通孔的内轮廓相同，导磁体每一侧面沿其周向均匀开有n个永磁体嵌放槽，两个侧面的永磁体嵌放槽一一正对、且互不相通，2n块永磁体分别嵌固在导磁体两个侧面的2n个永磁体嵌放槽内部，同一磁极单元内所有永磁体的充磁方向相同，相邻两个磁极单元的充磁方向相反，永磁体充磁方向为轴向，
p为极对数，n＝2k+1，k为正整数。
3.轴向磁场反凸极永磁同步电机，包括：转子和两个定子，转子和两个定子同轴设置、且转子位于两个定子之间，转子与两个定子之间均留有气隙，
其特征在于，
转子包括圆环形的基盘，基盘的圆周上均匀开有2p个向其内环方向凹陷的凹槽，每个凹槽内部均嵌有一个磁极单元，
所述磁极单元包括导磁体和2k+1块永磁体，导磁体为环扇形，导磁体沿其周向均匀开有2k+1个永磁体嵌放孔，2k+1块永磁体分别嵌固在2k+1个永磁体嵌放孔内，同一磁极单元内所有永磁体的充磁方向相同，相邻两个磁极单元的充磁方向相反，永磁体充磁方向为轴向，
所有导磁体的外圆弧所在圆与基盘的外圆重合，导磁体与基盘为一体结构，p为极对数，k为正整数。
4.根据权利要求1、2或3所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机，其特征在于，定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的一个侧面沿其圆环周向均匀开有多个径向通槽，相邻的两个径向通槽之间为一个齿，每间隔一个齿上缠绕有一个绕组线圈，每个径向通槽内均设有一个绕组线圈的有效边，所有绕组线圈共同构成一套整数槽绕组或分数槽绕组，
两个定子铁心设有绕组线圈的侧面相对设置。
5.根据权利要求1、2或3所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机，其特征在于，定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的一个侧面沿其圆环周向均匀开有多个径向通槽，每个齿上均缠绕有一个绕组线圈，每个径向通槽内均设有两个绕组线圈的有效边，所有绕组线圈共同构成一套分数槽绕组，
两个定子铁心设有绕组线圈的侧面相对设置。
6.根据权利要求1或2所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机，其特征在于，定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的一个侧面上设有多个绕组线圈，相邻的两个绕组线圈互不接触，每个绕组线圈的有效边对应定子铁心一个侧面上的一条径向通槽，所有绕组线圈共同构成一套分数槽绕组，
两个定子铁心设有绕组线圈的侧面相对设置。
7.根据权利要求1或2所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机，其特征在于，定子包括圆环形的定子铁心，定子铁心的一个侧面上设有多个绕组线圈，相邻的两个绕组线圈相互接触，相互接触的两个绕组线圈的有效边对应定子铁心一个侧面上的一条径向通槽，所有绕组线圈共同构成一套整数槽绕组或分数槽绕组，
两个定子铁心设有绕组线圈的侧面相对设置。
8.根据权利要求3所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机，其特征在于，定子包括两组定子绕组，所述定子绕组为整数槽绕组或分数槽绕组，两组定子绕组分别位于转子的两侧，
每组定子绕组包括多个绕组线圈，多个绕组线圈沿转子周向均匀排布、且每个绕组线圈的轴均与转子的轴平行，相邻的两个绕组线圈的有效边相互分离或相互接触。
9.根据权利要求1、2或3所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机，其特征在于，转子的基盘材料均为非磁性材料。
10.根据权利要求1或2所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机，其特征在于，转子的基盘材料均为磁性材料，磁极单元与基盘为一体式结构，磁极单元的轴向厚度大于基盘的轴向厚度。
11.根据权利要求1、2或3所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机，其特征在于，磁极单元中位于最中间的永磁体的剩磁或矫顽力最高，其两侧的永磁体的剩磁或矫顽力逐渐减小。
12.根据权利要求1、2或3所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机，其特征在于，磁极单元中位于最中间的永磁体磁化方向的厚度和圆周方向的宽度最大，其两侧的永磁体磁化方向的厚度和圆周方向的宽度逐渐减小。
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