CN111293849B - 一种组合式转子调制器磁通反向永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种组合式转子调制器磁通反向永磁电机，包括由内而外设置的转子调制器和定子，且转子调制器和定子之间设有气隙；所述转子调制器中，任意相邻两个磁阻凸极结构内、外侧极弧分布角度不相等，任意相邻两个磁阻凸极之间机械分布角度不等距；所述定子包括定子铁心、电枢绕组和主磁极永磁体，其中，电枢绕组设于定子铁心上；主磁极永磁体采用表贴式排列，均匀贴附于定子铁心内侧，沿圆周径向充磁，相邻的主磁极永磁体充磁方向相反。此种电机结构可提高该电机转矩输出能力并改善其他外特性表现。

Description

一种组合式转子调制器磁通反向永磁电机
技术领域
本发明属于新型磁场调制电机领域，特别涉及一种非等距分布组合式转子调制器磁通反向永磁电机拓扑结构。
背景技术
21世纪能源危机和PM2.5等环境问题日益严重，为此我国大力倡导“节能减排”政策，利用电力能源逐步代替化石燃料成为大势所趋，诸多电力牵引行业诸如电动汽车、高铁电力牵引和船舶电力推进是近年来的发展热点。电机是电力牵引系统中至关重要的一环，对电机驱动系统的要求无一不可归结为对电机的要求上，例如体积小即要求驱动电机功率密度高，运行平稳即要求驱动电机转矩脉动低，运行维护少即要求驱动电机结构稳定、可靠性高。磁通反向永磁电机正是顺应着这一要求而生的新型电机类型。
相比传统的异步电机和电励磁同步电机，磁通反向电机利用永磁体励磁，无励磁绕组铜损耗，效率相对更高、适合高速运行和高温工况，且无电励磁绕组带来的摩擦噪声、电火花问题，可靠性更高；其转子质量轻，转动惯量小，加减速响应更快。磁通反向电机的定子绕组多为集中式绕组，加工制造方便，且集中绕组电磁隔离较好，容错性能佳；其绕组系数更小，电感更小，电气时间常数更短。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种组合式转子调制器磁通反向永磁电机，其可提高该电机转矩输出能力并改善其他外特性表现。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种组合式转子调制器磁通反向永磁电机，包括由内而外设置的转子调制器和定子，且转子调制器和定子之间设有气隙；
所述转子调制器中，任意相邻两个磁阻凸极结构内、外侧极弧分布角度不相等，任意相邻两个磁阻凸极之间机械分布角度不等距；
所述定子包括定子铁心、电枢绕组和主磁极永磁体，其中，电枢绕组设于定子铁心上；主磁极永磁体采用表贴式排列，均匀贴附于定子铁心内侧，沿圆周径向充磁，相邻的主磁极永磁体充磁方向相反。
上述转子调制器中，同一磁阻凸极内侧极弧分布角度为外侧极弧分布角度的118％–155％。
上述转子调制器中，相邻磁阻凸极内侧极弧分布角度为上一磁阻凸极内侧极弧分布角度的70％–85％。
上述转子调制器中，相邻磁阻凸极外侧极弧分布角度为上一磁阻凸极外侧极弧分布角度的67％–86％。
上述转子调制器中，任意一个磁阻凸极机械分布角度为相邻磁阻凸极机械分布角度的85％–95％。
采用上述方案后，与传统转子调制器内外极弧径向分布，即内外侧极弧Rin与Rout相等的磁通反向永磁电机相比，本发明提出的磁通反向永磁电机转子调制器的相邻两个磁阻凸极结构内、外侧极弧分布角度Rin与Rout互不相等且空间角α不均匀分布，形似极弧不等的“正三角”磁阻凸极非等距组合而成。该组合方式异步调制初始磁动势分布过程中增加了相应磁场转换系数，即对于电枢磁场能够提高基波及调制谐波幅值，然而却少量削弱励磁磁场基波幅值并增强调制谐波幅值，从而有效改善磁通反向永磁电机的气隙磁场分布，增加负载磁链与反电势基波分量，提升其转矩传递能力，并能一定程度上抑制磁链高次无效谐波、负载转矩脉动、齿槽转矩峰峰值等负面外特性。
附图说明
图1是传统转子调制器内外极弧相等磁通反向永磁电机截面图；
图2a是组合式转子调制器磁通反向永磁电机截面图；
图2b是图2a所示结构中转子调制器的结构示意图；
图3是调制励磁磁场波形及频谱对比图；
图4是调制电枢磁场波形及频谱对比图；
图5是各次谐波贡献转矩分量示意图；
图6是转矩外特性对比图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明提供一种组合式转子调制器磁通反向永磁电机，由内向外依次包括转子调制器1、气隙2、定子3，其中，所述转子调制器1由相邻内、外侧极弧分布并不相等的“正三角”结构组合而成，能够异步调制初始磁动势分布以产生一系列磁动势谐波分量；所述定子3包括定子铁心31、电枢绕组32、主磁极永磁体33；所述分数槽集中式电枢绕组32频选范围较宽，作为空间谐波滤波器提取有效的气隙磁通密度谐波分量用于感应生成磁链或电动势；所述主磁极永磁体33采用表贴式排列均匀贴附于定子铁心31内侧，沿圆周径向充磁，相邻的主磁极永磁体33充磁方向相反。电机转子为磁阻凸极结构，能够调制初始磁动势分布以产生一系列磁动势谐波分量，因此它也被称为调制器。
无论是图1所示的传统转子调制器内外极弧相等磁通反向永磁电机，还是图2a所示的组合式转子调制器磁通反向永磁电机，其气隙2内调制励磁磁场均包含转子调制器1异步调制出谐波次数为2(NRT–pf)、4(NRT–2pf)、6(pf)、10(2NRT–pf)、12(2pf)、14(NRT+pf)、20(NRT+2pf)、22(2NRT+pf)、24(4pf)、26(3NRT–pf)、30(3NRT+pf)的多种谐波，其中NRT为转子调制器1的极对数，pf为主磁极永磁体33的极对数。同样地，气隙2内调制电枢磁场包含转子调制器1异步调制出谐波次数为2(pa)、4(2pa)、6(NRT–pa)、10(NRT+pa)、12(NRT+2pa)、14(2NRT–pa)、20(2NRT+2pa)、22(3NRT–pa)、24(2NRT+4pa)、26(3NRT+pa)、30(4NRT–pa)的多种谐波，其中pa为电枢绕组32主极对数。两个磁场中极对数、转速对应相等的2、6、12次谐波相互作用产生主要的稳定平均转矩。
由图5可知，4对极磁场，即电枢磁场两倍频主极对数次谐波贡献负转矩分量。这是由于该组合式转子调制器磁通反向永磁电机定子铁心31为同步调制器，当两套绕组极对数之和等于定子铁心31极对数时，该极对数绕组星形矢量图一致。即2对极和4对极绕组绕法一致，且绕组因数相同，但实际磁场方向相反。由于主磁极永磁体33极对数为6，由和调制关系可知电枢绕组32主极对数应为8–6＝2，故调制电枢磁场4对极谐波分量旋转方向与电机旋转方向相反。另一方面，调制励磁磁场中4(NRT–2pf)对极谐波分量由转子调制器1异步调制产生，其中NRT<2pf，故调制励磁磁场4对极谐波亦反向旋转。由麦克斯韦张量法求解转矩可知，4对极谐波磁场贡献平均值为负值转矩分量。
对于传统内外极弧Rin与Rout相等的转子调制器，其基波与调制谐波的磁场转换系数均能保持一定的幅值，即保证一定程度的高转矩输出。但由于该磁通反向永磁电机分数槽集中式电枢绕组32宽频选特性带来的多次无效谐波使得该电机转矩脉动、齿槽转矩峰值相对较高，故理论存在更加合理的转子调制器1内外侧极弧Rin与Rout分布及相邻磁阻凸极组合方式，使得其分别利于改善调制电枢磁场、调制励磁磁场分布，从而获得最佳的外特性输出。经分析可知，转子调制器1同一磁阻凸极内侧极弧Rin约为外侧极弧Rout的118％–155％时，即内侧极弧Rin大于外侧极弧Rout的“正三角”结构，有利于提高调制电枢磁场或调制励磁磁场的调制谐波磁场转换系数；而同时合理选择相邻磁阻凸极内外侧极弧数据，使其内侧极弧Rin2约为上一磁阻凸极内侧极弧Rin1的70％–85％，外侧极弧Rout2约为上一磁阻凸极外侧极弧Rout1的67％–86％，即内外侧极弧均相对降低，担当辅助凸极，能够保持基波磁场幅值较高的水准。进一步分析可知，当相邻磁阻凸极外侧极弧Rout2增加时，转矩输出呈现波动状增加后减小趋势，这是由于此时该磁阻凸极充当辅助齿，其极弧变化将影响转子调制器1的周期性，从而影响调制磁场基波含量；而单纯改变磁阻凸极内侧极弧Rin时，对转矩输出及转矩脉动等外特性影响不大。另一方面，合理设计并选择相邻磁阻凸极空间分布角度α，令某一磁阻凸极空间机械分布角度α2为相邻磁阻凸极空间机械分布角度α1的85％–95％，能够在结合转矩输出及转矩脉动前提下，削减无效调制谐波幅值，从而有效降低齿槽转矩。电枢磁场与励磁磁场调制方向相同，外特性最优区域均为转子调制器1的相邻磁阻凸极结构内、外侧极弧分布互不相等且空间不均匀分布组合。
综上，本发明的磁通反向永磁电机转子调制器1相邻两个磁阻凸极为内、外侧极弧Rin与Rout分布并不相同的“正三角”结构非等距组合。经综合外特性对比，该定子6槽转子8极磁通反向永磁电机的机械角度最优值分别为：某一磁阻凸极内侧极弧Rin1＝24deg、外侧极弧Rout1＝20deg；另一磁阻凸极内侧极弧Rin2＝20deg、外侧极弧Rout2＝14deg；且相邻磁阻凸极空间分布角度α1与α2彼此相差2deg机械角度，分别为25deg和23deg。值得注意的是，在转子调制器1内、外侧极弧分析优化过程中，并未考虑槽深问题，即固定某一槽深值。另外，当磁通反向永磁电机定转子槽极配合变化时，最优内、外侧极弧机械角度可能发生变化，但其分布组合方式及规律不变。
表1 磁通反向永磁电机转子调制器极弧变化气隙磁场谐波变化趋势
Figure BDA0002405404760000051
结合表1可知，该组合方式能够有效改善该磁通反向永磁电机的气隙磁场分布，对于调制电枢磁场Ba，其基波2(pa)次谐波幅值及调制谐波6(NRT–pa)、12(NRT+2pa)次谐波幅值均有一定程度提升；而对于调制励磁磁场Bm其基波6(pf)次及其偶数倍12(2pf)次谐波谐波径向分量幅值存在少量程度削减，但其切向分量提升，且调制谐波2(NRT–pf)次谐波幅值大幅提升。总之，在适当削减调制励磁磁场基波径向分量的前提下，大幅增加调制励磁磁场基波切向分量幅值，调制励磁磁场基波及偶数倍次谐波径向与切向分量变化规律相反。调制电枢磁场的基波及调制谐波径向分量和切向分量分布最优区域吻合，且变化规律一致。由麦克斯韦张量法求解转矩时可知，在适当牺牲径向分量幅值的前提下大幅增加切向分量幅值，利于转矩输出能力的提升。另外，10次、14次谐波贡献转矩分量较小，其增减变化趋势对整体外特性影响不大。气隙调制磁场的改善能够增加负载磁链与反电势基波分量，提升其转矩传递能力，由图5可知，6次、12次谐波贡献转矩略有下降，但2次谐波贡献转矩分量有较大的提升，整体转矩输出能力相比传统转子调制器内外极弧相等磁通反向永磁电机有较大幅度提升(10.26％)；由于相邻磁阻凸极不均匀分布使得30次谐波贡献齿槽转矩分量由较大幅度下降(42.51％)；由图6可知，组合式转子调制器1在增加转矩输出的条件下，能够一定程度上抑制负载转矩脉动、齿槽转矩峰峰值等负面因素，具有较好的外特性表现。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种组合式转子调制器磁通反向永磁电机，其特征在于：包括由内而外设置的转子调制器和定子，且转子调制器和定子之间设有气隙；
所述转子调制器中，任意相邻两个磁阻凸极结构内、外侧极弧分布角度不相等，任意相邻两个磁阻凸极之间机械分布角度不等距；
所述定子包括定子铁心、电枢绕组和主磁极永磁体，其中，电枢绕组设于定子铁心上；主磁极永磁体采用表贴式排列，均匀贴附于定子铁心内侧，沿圆周径向充磁，相邻的主磁极永磁体充磁方向相反；
所述转子调制器中，同一磁阻凸极内侧极弧分布角度为外侧极弧分布角度的118％–155％；
所述转子调制器中，相邻磁阻凸极内侧极弧分布角度为上一磁阻凸极内侧极弧分布角度的70％–85％；
所述转子调制器中，相邻磁阻凸极外侧极弧分布角度为上一磁阻凸极外侧极弧分布角度的67％–86％；
所述转子调制器中，任意一个磁阻凸极机械分布角度为相邻磁阻凸极机械分布角度的85％–95％。
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