CN111953162B - 多相永磁同步电机系统及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

多相永磁同步电机系统及其驱动方法，属于电机领域。解决了现有多相永磁同步电机调速范围依赖于电机电磁结构，特别是依赖于转子结构，这种依赖于电机电磁结构的控制系统结构复杂、电流控制难度较大及系统功率因数低的问题。同步电机包括定子和转子，定子包括定子铁心和电枢绕组；电机系统包括多相永磁同步电机、正相带绕组功率变换器和负相带绕组功率变换器；调速范围与电机的电磁结构无关，同步电机系统的恒功率调速范围宽；系统结构与控制方法简单；系统的功率因数高、效率高；既可以应用于宽恒功率调速范围的电动机系统，又可以应用于宽恒电压输出范围的发电机系统。本发明主要应用在电动车辆驱动系统、电主轴系统以及变速发电等领域。

Description

多相永磁同步电机系统及其驱动方法
技术领域
本发明属于电机领域。
背景技术
目前，永磁同步电动机多采用弱磁调速技术来拓展系统的恒功率运行速度范围。弱磁控制的思想来自对他励直流电动机的调磁控制。当他励直流电动机端电压达到极限电压时，为使电动机能恒功率运行于更高的转速，应降低电动机的励磁电流，以保证电压的平衡。永磁同步电动机的转速(角速度)方程式为：
Figure BDA0002627059900000011
其中，u为端电压，ulim为极限电压，id为直轴电流，iq为交轴电流，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，ψf为永磁体产生的磁链；
永磁同步电动机的励磁磁动势是由永磁体产生的而无法调节，不能像他励直流电机一样通过励磁电流来便于控制，当u＝ulim时，要想继续升高转速只有靠调节id和iq来实现，增加电动机直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量，以维持电压平衡关系，得到“弱磁”效果。前者“弱磁”能力与电动机直轴电感直接相关，后者与交轴电感相关。由于电动机相电流也有一定极限，增加之后去磁电流分量而同时保证电枢电流不超过电流极限值，交轴电流就应相应减小。因此，一般是通过增加直轴去磁电流来达到弱磁扩速的目的。
但是，这种调速方式存在以下缺点：调速范围依赖于电机电磁结构，特别是依赖于转子结构，必须采用内嵌永磁体转子结构(如图11)；由于id、iq调节困难，进而使控制系统结构复杂、电流控制难度较大；通过改变直轴电流id和交轴电流iq来调节电动机的转速ω的过程中，会使功率因数降低；增加直轴去磁电流会使逆变器容量增大。因此，以上问题亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决现有多相永磁同步电机调速范围依赖于电机电磁结构，特别是依赖于转子结构，这种依赖于电机电磁结构的控制系统结构复杂、电流控制难度较大及系统功率因数低的问题。因此，本发明提供了多相永磁同步电机系统及其驱动方法。多相永磁同步电机系统中的多相永磁同步电机的结构可为多种，具体多相永磁同步电机系统通过以下几种电机结构实现。
多相永磁同步电机系统的第一种结构，具体参见图1至图5：
多相永磁同步电机系统，该同步电机系统包括多相永磁同步电机，所述同步电机为轴向磁场结构，同步电机包括一个定子1和两个转子2，且三者同轴；两个转子2分别位于定子1轴向两侧，两个转子2机械上固定连接在一起，两个转子2与定子1之间均存在气隙；
定子1包括定子铁心1-1和电枢绕组1-2；其中，
定子铁心1-1为圆环形结构，在定子铁心1-1的两个气隙面上均开设有径向槽1-1-1，使定子铁心1-1形成轭部1-1-2和定子齿；每个气隙面上各径向槽1-1-1沿圆周方向均匀分布；
电枢绕组1-2包括多个环形线圈，每个环形线圈的两个有效边分别嵌放在定子铁心1-1两个气隙面上相对设置的两个径向槽1-1-1中；其中，环形线圈的有效边为嵌放在气隙面上径向槽1-1-1中的边；
电枢绕组1-2为多相对称的环形绕组，且多相对称的环形绕组中每相的正相带内环形线圈有效边联结成正相带绕组，每相的负相带内环形线圈有效边联结成负相带绕组；
转子2为表贴永磁体结构、内嵌永磁体结构或Halbach永磁体阵列结构；
每个转子2气隙面上的所有永磁体2-1均轴向充磁，其中，一个或多个永磁体2-1作为一个磁极，每个磁极上的永磁体充磁方向相同；每个转子2上相邻磁极的永磁体2-1的充磁方向相反，两个转子2上相对磁极的永磁体2-1的充磁方向相反。
多相永磁同步电机系统的第二种结构，具体参见图4至图6：
多相永磁同步电机系统，该同步电机系统包括多相永磁同步电机，所述同步电机为轴向磁场结构，同步电机包括两个定子1和一个转子2，且三者同轴；两个定子1分别位于转子2轴向两侧，两个定子1机械上固定连接在一起，两个定子1与转子2之间均存在气隙；
每个定子1包括定子铁心1-1和电枢绕组1-2；
定子铁心1-1为圆环形结构，定子铁心1-1的两个端面中，有一个端面为气隙面，在定子铁心1-1的两个端面上均开设有径向槽1-1-1，使定子铁心1-1形成轭部1-1-2和定子齿；每个端面上各径向槽1-1-1沿圆周方向均匀分布；
电枢绕组1-2包括多个环形线圈，每个环形线圈的一个有效边嵌放在定子铁心1-1气隙面上的一个径向槽1-1-1中；其中，环形线圈的有效边为嵌放在气隙面上径向槽1-1-1中的边；
电枢绕组1-2为多相对称的环形绕组，且多相对称的环形绕组中每相的正相带内环形线圈有效边联结成正相带绕组，每相的负相带内环形线圈有效边联结成负相带绕组；
转子2为表贴永磁体结构、内嵌永磁体结构或Halbach永磁体阵列结构；
转子2同一气隙面上的所有永磁体2-1均轴向充磁，其中，一个或多个永磁体2-1作为一个磁极；转子2同一气隙面上相邻磁极的永磁体2-1的充磁方向相反。
多相永磁同步电机系统的第三种结构，具体参见图7：
多相永磁同步电机系统，该同步电机系统包括多相永磁同步电机，所述同步电机为径向磁场结构，同步电机包括一个定子1和两个转子2，且三者同轴；两个转子2分别位于定子1径向两侧，两个转子2机械上固定连接在一起，两个转子2与定子1之间均存在气隙；两个转子2分别定义为内转子和外转子；
定子1包括定子铁心1-1、和电枢绕组1-2；其中，
定子铁心1-1为圆筒形结构，在定子铁心1-1的两个气隙面上均开设有轴向槽1-1-1，使定子铁心1-1形成轭部1-1-2和定子齿；每个气隙面上各轴向槽1-1-1沿圆周方向均匀分布；
电枢绕组1-2包括多个环形线圈，每个环形线圈的两个有效边分别嵌放在定子铁心1-1两个气隙面上相对设置的两个轴向槽1-1-1中；其中，环形线圈的有效边为嵌放在气隙面上轴向槽1-1-1中的边；
电枢绕组1-2为多相对称的环形绕组，且多相对称的环形绕组中所有相的正相带内环形线圈有效边联结成正相带绕组所有相的负相带内环形线圈有效边联结成负相带绕组；转子2为表贴永磁体结构、内嵌永磁体结构或Halbach永磁体阵列结构；
每个转子2气隙面上的所有永磁体2-1均径向充磁，其中，一个或多个永磁体2-1作为一个磁极，每个磁极上的永磁体充磁方向相同；每个转子2上相邻磁极的永磁体2-1的充磁方向相反，两个转子2上相对磁极的永磁体2-1的充磁方向相反。
多相永磁同步电机系统的第四种结构，具体参见图8：
多相永磁同步电机系统，该同步电机系统包括多相永磁同步电机，所述同步电机为径向磁场结构，同步电机包括两个定子1和一个转子2，且三者同轴；两个定子1分别位于转子2径向两侧，两个定子1机械上固定连接在一起，两个定子1与转子2之间均存在气隙；两个定子1分别定义为内定子和外定子；
每个定子1包括定子铁心1-1和电枢绕组1-2；其中，
定子铁心1-1为圆筒形结构，在定子铁心1-1的内、外侧壁上均开设有轴向槽1-1-1，使定子铁心1-1形成轭部1-1-2和定子齿；每个侧壁上各轴向槽1-1-1沿圆周方向均匀分布；定子铁心1-1的内、外两个侧壁中靠近转子2的侧壁作为气隙面；
电枢绕组1-2包括多个环形线圈，每个环形线圈的一个有效边嵌放在定子铁心1-1气隙面上的一个轴向槽1-1-1中；其中，环形线圈的有效边为嵌放在气隙面上轴向槽1-1-1中的边；
电枢绕组1-2为多相对称的环形绕组，且多相对称的环形绕组中每相的正相带内环形线圈有效边联结成正相带绕组，每相的负相带内环形线圈有效边联结成负相带绕组；转子2为表贴永磁体结构、内嵌永磁体结构或Halbach永磁体阵列结构；
转子2同一气隙面上的所有永磁体2-1均径向充磁，其中，一个或多个永磁体2-1作为一个磁极，每个磁极上的永磁体充磁方向相同；转子2同一气隙面上相邻磁极的永磁体2-1的充磁方向相反。
优选的是，根据第一或三种结构所述的多相永磁同步电机系统，同步电机系统还包括正相带绕组功率变换器和负相带绕组功率变换器；
电枢绕组1-2的正相带绕组的引出线与正相带绕组功率变换器的输出端相连；
电枢绕组1-2的负相带绕组的引出线与负相带绕组功率变换器的输出端相连；
正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组1-2的电流由直流分量、1个基波分量和n个谐波分量构成，其中，n为自然数。
采用第一或三种结构所述的多相永磁同步电机系统实现的驱动方法，该驱动方法的实现方式包括：
当同步电机工作在电动机状态时，需要在基速状态继续升速时，控制正、负相带绕组功率变换器分别供给电枢绕组1-2中正、负相带绕组的直流分量，使正、负相带绕组功率变换器输出的直流分量逐渐变大，从而调节定子铁心1-1的磁路，实现同步电机的升速调节；
当同步电机工作在电动机状态时，需要在高速状态向基速状态降速时，控制正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组1-2中正、负相带绕组的直流分量，使正、负相带绕组功率变换器输出的直流分量逐渐变小，从而调节定子铁心1-1的磁路，实现同步电机的降速调节。
优选的是，根据第二或四种结构所述的多相永磁同步电机系统，同步电机系统还包括正相带绕组功率变换器和负相带绕组功率变换器；
两个定子1上的两套电枢绕组1-2的正相带绕组对应相串联或并联在一起后，其引出线与正相带绕组功率变换器的输出端相连；
两个定子1上的两套电枢绕组1-2的负相带绕组对应相串联或并联在一起后，其引出线与负相带绕组功率变换器的输出端相连；
正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组1-2的电流由直流分量、1个基波分量和n个谐波分量构成，其中，n为自然数。
采用第二或四种结构所述的多相永磁同步电机系统实现的驱动方法，该驱动方法的实现方式包括：
当同步电机工作在电动机状态时，需要在基速状态继续升速时，控制正、负相带绕组功率变换器分别供给电枢绕组1-2中正、负相带绕组的直流分量，使正、负相带绕组功率变换器输出的直流分量逐渐变大，从而调节定子铁心1-1的磁路，实现同步电机的升速调节；
当同步电机工作在电动机状态时，需要在高速状态向基速状态降速时，控制正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组1-2中正、负相带绕组的直流分量，使正、负相带绕组功率变换器输出的直流分量逐渐变小，从而调节定子铁心1-1的磁路，实现同步电机的降速调节。
具体调速过程中，当同步电机工作在电动机状态时，需要在基速状态继续升速时，转速越高，所需直流电流越大，因此，通过控制正、负相带绕组功率变换器分别供给电枢绕组1-2中正、负相带绕组的直流分量逐渐变大，使得定子1磁路饱和，实现转子2上永磁体2-1磁链ψf减小，从而使转速提高；反之，使通入正、负相带绕组的直流分量流逐渐变小，使得定子1磁路饱和度减少，实现转子2上永磁体2-1磁链ψf增加，从而降低转速。
本发明带来的有益效果：本发明所述多相永磁同步电机可应用于同步电机系统，电机结构简单，可通过对定子铁心1-1上电枢绕组1-2的正、负相带绕组通入的电流大小进行控制，从而改变定子铁心1-1的磁路饱和度，来改变转子2上永磁体2-1产生的磁链ψf，最终实现多相永磁同步电机的转速的调节。本发明通过控制电机定子铁心轭部磁路的饱和程度来间接调节永磁体产生的磁链ψf，进而拓宽电机的恒功率调速范围。
本发明所述的同步电机系统包括多相永磁同步电机、正相带绕组功率变换器和负相带绕组功率变换器。本发明调速范围与电机的电磁结构无关，电机调速系统及方法恒功率调速范围宽；系统结构与控制方法简单；在调速的过程中不会对直轴电流id和交轴电流iq产生影响，因此，系统的功率因数高、效率高；既可以应用于宽恒功率调速范围的电动机系统，又可以应用于宽恒电压输出范围的发电机调速系统。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是具体实施方式一中，定子铁心1-1的结构示意图；
图2是具体实施方式一中定子1的结构示意图；
图3为具体实施方式一中所述的多相永磁同步电机的结构示意图；
图4为转子2的第一种结构示意图；
图5为转子2的第二种结构的相关示意图；其中，
图5a为转子2的第二种结构的整体结构示意图；
图5b为转子2的第二种结构中转子基板2-3的结构示意图；
图5c为转子2的第二种结构中相同磁极的分布图；
图5d为转子2的第二种结构中导磁体2-4的分布图；
图6为具体实施方式二中多相永磁同步电机的相关结构示意图；其中，
图6a为具体实施方式二中，定子铁心1-1的结构示意图；
图6b为具体实施方式二中，定子1的第一种结构示意图；
图6c为具体实施方式二中，多相永磁同步电机的整体结构示意图；
图7为具体实施方式五中，多相永磁同步电机的相关结构示意图；其中，
图7a为具体实施方式五中，定子铁心1-1的结构示意图；
图7b为具体实施方式五中，定子1的定子铁心1-1、和电枢绕组1-2之间的相对位置关系图；
图7c为具体实施方式五中，外转子的结构示意图；
图7d为具体实施方式五中，内转子的结构示意图；
图7e为具体实施方式五中，多相永磁同步电机的整体结构示意图；
图8为具体实施方式六中，多相永磁同步电机的相关结构示意图；其中，
图8a为具体实施方式六中，定子铁心1-1的结构示意图；
图8b为具体实施方式六中，定子1的定子铁心1-1、和电枢绕组1-2之间的相对位置关系图；
图8c为具体实施方式六中，转子2的结构示意图；
图8d为具体实施方式六中，多相永磁同步电机的整体结构示意图；
图9为具体实施方式九所述多相永磁同步电机系统的原理示意图；
图10为具体实施方式十所述多相永磁同步电机系统的原理示意图；
图10a两套电枢绕组1-2的正相带绕组对应相并联时，多相永磁同步电机系统的原理示意图；
图10b两套电枢绕组1-2的正相带绕组对应相串联时，多相永磁同步电机系统的原理示意图；
图11为传统永磁同步电机的转子结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述多相永磁同步电机系统，该同步电机系统包括多相永磁同步电机，所述同步电机为轴向磁场结构，同步电机包括一个定子1和两个转子2，且三者同轴；两个转子2分别位于定子1轴向两侧，两个转子2机械上固定连接在一起，两个转子2与定子1之间均存在气隙；
定子1包括定子铁心1-1和电枢绕组1-2；其中，
定子铁心1-1为圆环形结构，在定子铁心1-1的两个气隙面上均开设有径向槽1-1-1，使定子铁心1-1形成轭部1-1-2和定子齿；每个气隙面上各径向槽1-1-1沿圆周方向均匀分布；
电枢绕组1-2包括多个环形线圈，每个环形线圈的两个有效边分别嵌放在定子铁心1-1两个气隙面上相对设置的两个径向槽1-1-1中；其中，环形线圈的有效边为嵌放在气隙面上径向槽1-1-1中的边；
电枢绕组1-2为多相对称的环形绕组，且多相对称的环形绕组中每相的正相带内环形线圈有效边联结成正相带绕组，每相的负相带内环形线圈有效边联结成负相带绕组；
转子2为表贴永磁体结构、内嵌永磁体结构或Halbach永磁体阵列结构；
每个转子2气隙面上的所有永磁体2-1均轴向充磁，其中，一个或多个永磁体2-1作为一个磁极，每个磁极上的永磁体充磁方向相同；每个转子2上相邻磁极的永磁体2-1的充磁方向相反，两个转子2上相对磁极的永磁体2-1的充磁方向相反。
图1中，定子铁心1-1上每个气隙面上开有36个径向槽1-1-1，各径向槽1-1-1沿圆周方向均匀分布；
图4和图5中，转子2的磁极数为6，每极每相所对应的两个气隙面上相对应的径向槽1-1-1个数等于2；
图2中，电枢绕组1-2为三相环形绕组；电枢绕组1-2包括36个线圈，构成三相对称电枢绕组的36个线圈也均匀嵌放在径向槽1-1-1中，每相正相带的6个线圈串联或者混联在一起，其两个引出端与正相带绕组功率变换器连接在一起，每相负相带的6个线圈串联或者混联在一起，其两个引出端与负相带绕组功率变换器连接在一起。
图4中，构成每极磁极的三块永磁体2-1嵌放在圆环形转子铁心2-2的气隙侧的槽中。永磁体2-1轴向充磁，相邻磁极的永磁体2-1充磁方向相反。两个转子2上相对磁极永磁体2-1的充磁方向相反。
本实施方式中，所述多相永磁同步电机可应用于同步电机系统，电机结构简单，可通过对定子铁心1-1上电枢绕组1-2的正、负相带绕组通入的电流大小进行控制，通入的电流大小进行控制，从而改变定子铁心1-1的磁路饱和度，来改变转子2上永磁体2-1产生的磁链ψf，最终实现多相永磁同步电机的转速的调节；
将电枢绕组1-2设置在定子1上，便于对通入的电流进行控制，对同步电机转速进行控制时，升速时，通入电枢绕组1-2的直流电流越大，使得定子1磁路饱和，实现转子2上永磁体2-1磁链ψf减小，从而使转速提高；降速时，减小通入电枢绕组1-2的直流电流，使得定子1磁路饱和度减少，实现转子2上永磁体2-1磁链ψf增加，从而降低转速，调速简单方便。
具体实施方式二：下面结合图4至图6说明本实施方式，本实施方式所述多相永磁同步电机系统，该同步电机系统包括多相永磁同步电机，所述同步电机为轴向磁场结构，同步电机包括两个定子1和一个转子2，且三者同轴；两个定子1分别位于转子2轴向两侧，两个定子1机械上固定连接在一起，两个定子1与转子2之间均存在气隙；
每个定子1包括定子铁心1-1和电枢绕组1-2；
定子铁心1-1为圆环形结构，定子铁心1-1的两个端面中，有一个端面为气隙面，在定子铁心1-1的两个端面上均开设有径向槽1-1-1，使定子铁心1-1形成轭部1-1-2和定子齿；每个端面上各径向槽1-1-1沿圆周方向均匀分布；
电枢绕组1-2包括多个环形线圈，每个环形线圈的一个有效边嵌放在定子铁心1-1气隙面上的一个径向槽1-1-1中；其中，环形线圈的有效边为嵌放在气隙面上径向槽1-1-1中的边；
电枢绕组1-2为多相对称的环形绕组，且多相对称的环形绕组中每相的正相带内环形线圈有效边联结成正相带绕组，每相的负相带内环形线圈有效边联结成负相带绕组；；
转子2为表贴永磁体结构、内嵌永磁体结构或Halbach永磁体阵列结构；
转子2同一气隙面上的所有永磁体2-1均轴向充磁，其中，一个或多个永磁体2-1作为一个磁极；转子2同一气隙面上相邻磁极的永磁体2-1的充磁方向相反。
本实施方式中，所述多相永磁同步电机可应用于同步电机系统，电机结构简单，可通过对定子铁心1-1上电枢绕组1-2的正、负相带绕组通入的电流大小进行控制，通入的电流大小进行控制，从而改变定子铁心1-1的磁路饱和度，来改变转子2上永磁体2-1产生的磁链ψf，最终实现多相永磁同步电机的转速的调节；
将电枢绕组1-2设置在定子1上，便于对通入的电流进行控制，对同步电机转速进行控制时，升速时，通入电枢绕组1-2的直流电流越大，使得定子1磁路饱和，实现转子2上永磁体2-1磁链ψf减小，从而使转速提高；降速时，减小通入电枢绕组1-2的直流电流，使得定子1磁路饱和度减少，实现转子2上永磁体2-1磁链ψf增加，从而降低转速，调速简单方便。
具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二所述的多相永磁同步电机系统作进一步说明，定子铁心1-1的内、外侧壁上还开设有轴向槽1-1-3，各轴向槽1-1-3沿其所在侧壁的圆周方向均匀分布，每个轴向槽1-1-3与其所对应的径向槽1-1-1连通。
具体实施方式四：下面结合图4和5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二所述的多相永磁同步电机系统作进一步说明，转子2的构成包括两种：
第一种为：转子2包括永磁体2-1和转子铁心2-2；转子铁心2-2为圆环形结构，各永磁体2-1沿圆周方向表贴在转子铁心2-2的气隙面或沿圆周方向嵌入在转子铁心2-2的气隙面内；
第二种为：转子2包括永磁体2-1、转子基板2-3和导磁体2-4；转子基板2-3为圆环形结构，各永磁体2-1沿圆周方向表贴在转子基板2-3的气隙面或沿圆周方向嵌入在转子基板2-3的气隙面内，同一气隙面相邻磁极间设有一个导磁体2-4。
具体实施方式五：下面结合图7说明本实施方式，本实施方式所述多相永磁同步电机系统，该同步电机系统包括多相永磁同步电机，所述同步电机为径向磁场结构，同步电机包括一个定子1和两个转子2，且三者同轴；两个转子2分别位于定子1径向两侧，两个转子2机械上固定连接在一起，两个转子2与定子1之间均存在气隙；两个转子2分别定义为内转子和外转子；
定子1包括定子铁心1-1、和电枢绕组1-2；其中，
定子铁心1-1为圆筒形结构，在定子铁心1-1的两个气隙面上均开设有轴向槽1-1-1，使定子铁心1-1形成轭部1-1-2和定子齿；每个气隙面上各轴向槽1-1-1沿圆周方向均匀分布；
电枢绕组1-2包括多个环形线圈，每个环形线圈的两个有效边分别嵌放在定子铁心1-1两个气隙面上相对设置的两个轴向槽1-1-1中；其中，环形线圈的有效边为嵌放在气隙面上轴向槽1-1-1中的边；
电枢绕组1-2为多相对称的环形绕组，且多相对称的环形绕组中所有相的正相带内环形线圈有效边联结成正相带绕组所有相的负相带内环形线圈有效边联结成负相带绕组；转子2为表贴永磁体结构、内嵌永磁体结构或Halbach永磁体阵列结构；
每个转子2气隙面上的所有永磁体2-1均径向充磁，其中，一个或多个永磁体2-1作为一个磁极，每个磁极上的永磁体充磁方向相同；每个转子2上相邻磁极的永磁体2-1的充磁方向相反，两个转子2上相对磁极的永磁体2-1的充磁方向相反。
本实施方式中，图7b中，电枢绕组1-2为三相环形绕组；电枢绕组1-2包括36个线圈，构成三相对称电枢绕组的36个线圈也均匀嵌放在轴向槽1-1-1中，每相正相带的6个线圈串联或者混联在一起，其两个引出端与正相带绕组功率变换器连接在一起，每相负相带的6个线圈串联或者混联在一起，其两个引出端与负相带绕组功率变换器连接在一起。
图7c和7d中，构成每极磁极的三块永磁体2-1表贴在圆筒形转子铁心2-2的气隙侧。永磁体2-1径向充磁或径向平行充磁，相邻磁极的永磁体2-1充磁方向相反。两个转子2上相对磁极永磁体2-1的充磁方向相反。
本实施方式中，所述多相永磁同步电机可应用于同步电机系统，电机结构简单，可通过对定子铁心1-1上电枢绕组1-2的正、负相带绕组通入的电流大小进行控制，通入的电流大小进行控制，从而改变定子铁心1-1的磁路饱和度，来改变转子2上永磁体2-1产生的磁链ψf，最终实现多相永磁同步电机的转速的调节；
将电枢绕组1-2设置在定子1上，便于对通入的电流进行控制，对同步电机转速进行控制时，升速时，通入电枢绕组1-2的直流电流越大，使得定子1磁路饱和，实现转子2上永磁体2-1磁链ψf减小，从而使转速提高；降速时，减小通入电枢绕组1-2的直流电流，使得定子1磁路饱和度减少，实现转子2上永磁体2-1磁链ψf增加，从而降低转速，调速简单方便。
具体实施方式六：下面结合图8说明本实施方式，本实施方式所述多相永磁同步电机系统，该同步电机系统包括多相永磁同步电机，所述同步电机为径向磁场结构，同步电机包括两个定子1和一个转子2，且三者同轴；两个定子1分别位于转子2径向两侧，两个定子1机械上固定连接在一起，两个定子1与转子2之间均存在气隙；两个定子1分别定义为内定子和外定子；
每个定子1包括定子铁心1-1和电枢绕组1-2；其中，
定子铁心1-1为圆筒形结构，在定子铁心1-1的内、外侧壁上均开设有轴向槽1-1-1，使定子铁心1-1形成轭部1-1-2和定子齿；每个侧壁上各轴向槽1-1-1沿圆周方向均匀分布；定子铁心1-1的内、外两个侧壁中靠近转子2的侧壁作为气隙面；
电枢绕组1-2包括多个环形线圈，每个环形线圈的一个有效边嵌放在定子铁心1-1气隙面上的一个轴向槽1-1-1中；其中，环形线圈的有效边为嵌放在气隙面上轴向槽1-1-1中的边；
电枢绕组1-2为多相对称的环形绕组，且多相对称的环形绕组中每相的正相带内环形线圈有效边联结成正相带绕组，每相的负相带内环形线圈有效边联结成负相带绕组；转子2为表贴永磁体结构、内嵌永磁体结构或Halbach永磁体阵列结构；
转子2同一气隙面上的所有永磁体2-1均径向充磁，其中，一个或多个永磁体2-1作为一个磁极，每个磁极上的永磁体充磁方向相同；转子2同一气隙面上相邻磁极的永磁体2-1的充磁方向相反。
本实施方式中，所述多相永磁同步电机可应用于同步电机系统，电机结构简单，可通过对定子铁心1-1上电枢绕组1-2的正、负相带绕组通入的电流大小进行控制，通入的电流大小进行控制，从而改变定子铁心1-1的磁路饱和度，来改变转子2上永磁体2-1产生的磁链ψf，最终实现多相永磁同步电机的转速的调节；
将电枢绕组1-2设置在定子1上，便于对通入的电流进行控制，对同步电机转速进行控制时，升速时，通入电枢绕组1-2的直流电流越大，使得定子1磁路饱和，实现转子2上永磁体2-1磁链ψf减小，从而使转速提高；降速时，减小通入电枢绕组1-2的直流电流，使得定子1磁路饱和度减少，实现转子2上永磁体2-1磁链ψf增加，从而降低转速，调速简单方便。
具体实施方式七：下面结合图7c、7d、8c说明本实施方式，本实施方式对实施方式五或六所述的多相永磁同步电机系统作进一步说明，转子2包括永磁体2-1、转子基板2-2和导磁体2-3；
转子基板2-2为圆筒形结构，各永磁体2-1沿圆周方向表贴在转子基板2-3的气隙面或沿圆周方向嵌入在转子基板2-3的气隙面内，同一气隙面相邻磁极间设有一个导磁体2-4。
图7c、7d、8c中每个转子2包括永磁体2-1、转子基板2-2和导磁体2-3。转子为表贴永磁体结构。构成每极磁极的三块永磁体表贴在圆筒形转子基板2-2的气隙面。每块永磁体径向充磁或径向平行充磁，径向充磁为磁力线集体指向或远离圆心，径向平行充磁为在径向方向上各磁力线平行，相邻磁极的永磁体充磁方向相反。两个转子上相对磁极永磁体的充磁方向相反。
具体实施方式八：下面结合图7a、8a说明本实施方式，本实施方式对实施方式五或六所述的多相永磁同步电机系统作进一步说明，定子铁心1-1的两个端面上还开设有径向槽1-1-3，各径向槽1-1-3沿其所在端面的圆周方向均匀分布，每个径向槽1-1-3与其所对应的轴向槽1-1-1连通。
具体实施方式九：下面结合图9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或五所述的多相永磁同步电机系统作进一步说明，同步电机系统还包括正相带绕组功率变换器和负相带绕组功率变换器；
电枢绕组1-2的正相带绕组的引出线与正相带绕组功率变换器的输出端相连；
电枢绕组1-2的负相带绕组的引出线与负相带绕组功率变换器的输出端相连；
正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组1-2的电流由直流分量、1个基波分量和n个谐波分量构成，其中，n为自然数。
本实施方式中，正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组1-2的电流由直流分量、1个基波分量和n个谐波分量构成。电枢绕组1-2各有效边内流过电流的直流分量的大小相等、方向相同，即所有线圈电流直流分量产生的磁动势方向相同，共同作用在定子铁心轭部。当该电机工作在电动机状态时，需要在基速以上继续升速时，控制正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组电流的直流分量，直流分量越大，转速越高；当需要在高速状态向基速降速时，逐渐减小直流分量，可实现降速。
本实施方式所述的同步电机系统包括多相永磁同步电机、正相带绕组功率变换器和负相带绕组功率变换器，调速范围与电机的电磁结构无关，电机调速系统恒功率调速范围宽；系统结构与控制方法简单；在调速的过程中不会对直轴电流id和交轴电流iq产生影响，因此，系统的功率因数高、效率高；既可以应用于宽恒功率调速范围的电动机系统，又可以应用于宽恒电压输出范围的发电机调速系统。
具体实施方式十：下面结合图10说明本实施方式，本实施方式对实施方式二或六所述的多相永磁同步电机系统作进一步说明，同步电机系统还包括正相带绕组功率变换器和负相带绕组功率变换器；
两个定子1上的两套电枢绕组1-2的正相带绕组对应相串联或并联在一起后，其引出线与正相带绕组功率变换器的输出端相连；
两个定子1上的两套电枢绕组1-2的负相带绕组对应相串联或并联在一起后，其引出线与负相带绕组功率变换器的输出端相连；
正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组1-2的电流由直流分量、1个基波分量和n个谐波分量构成，其中，n为自然数。
本实施方式中，正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组1-2的电流由直流分量、1个基波分量和n个谐波分量构成。电枢绕组1-2各有效边内流过电流的直流分量的大小相等、方向相同，即所有线圈电流直流分量产生的磁动势方向相同，共同作用在定子铁心轭部。当该电机工作在电动机状态时，需要在基速以上继续升速时，控制正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组电流的直流分量，直流分量越大，转速越高；当需要在高速状态向基速降速时，逐渐减小直流分量，可实现降速。
本实施方式所述的同步电机系统包括多相永磁同步电机、正相带绕组功率变换器和负相带绕组功率变换器，调速范围与电机的电磁结构无关，电机调速系统恒功率调速范围宽；系统结构与控制方法简单；在调速的过程中不会对直轴电流id和交轴电流iq产生影响，因此，系统的功率因数高、效率高；既可以应用于宽恒功率调速范围的电动机系统，又可以应用于宽恒电压输出范围的发电机调速系统。
具体实施方式十一：下面结合图9说明本实施方式，本实施方式采用实施方式九所述的多相永磁同步电机系统实现的驱动方法，该驱动方法的实现方式包括：
当同步电机工作在电动机状态时，需要在基速状态继续升速时，控制正、负相带绕组功率变换器分别供给电枢绕组1-2中正、负相带绕组的直流分量，使正、负相带绕组功率变换器输出的直流分量逐渐变大，从而调节定子铁心1-1的磁路，实现同步电机的升速调节；
当同步电机工作在电动机状态时，需要在高速状态向基速状态降速时，控制正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组1-2中正、负相带绕组的直流分量，使正、负相带绕组功率变换器输出的直流分量逐渐变小，从而调节定子铁心1-1的磁路，实现同步电机的降速调节。
本实施方式中，当同步电机工作在电动机状态时，需要在基速状态继续升速时，转速越高，所需直流电流越大，因此，通过控制正、负相带绕组功率变换器分别供给电枢绕组1-2中正、负相带绕组的直流分量逐渐变大，使得定子1磁路饱和，实现转子2上永磁体2-1磁链ψf减小，从而使转速提高；
当同步电机工作在电动机状态时，需要在高速状态向基速状态降速时，转速越低，所需直流电流越小，因此，通过控制正、负相带绕组功率变换器分别供给电枢绕组1-2中正、负相带绕组的直流分量流逐渐变小，使得定子1磁路饱和度减少，实现转子2上永磁体2-1磁链ψf增加，从而降低转速。
具体实施方式十二：下面结合图10说明本实施方式，本实施方式采用实施方式十所述的多相永磁同步电机系统实现的驱动方法，该驱动方法的实现方式包括：
当同步电机工作在电动机状态时，需要在基速状态继续升速时，控制正、负相带绕组功率变换器分别供给电枢绕组1-2中正、负相带绕组的直流分量，使正、负相带绕组功率变换器输出的直流分量逐渐变大，从而调节定子铁心1-1的磁路，实现同步电机的升速调节；
当同步电机工作在电动机状态时，需要在高速状态向基速状态降速时，控制正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组1-2中正、负相带绕组的直流分量，使正、负相带绕组功率变换器输出的直流分量逐渐变小，从而调节定子铁心1-1的磁路，实现同步电机的降速调节。
本实施方式中，当同步电机工作在电动机状态时，需要在基速状态继续升速时，转速越高，所需直流电流越大，因此，通过控制正、负相带绕组功率变换器分别供给电枢绕组1-2中正、负相带绕组的直流分量逐渐变大，使得定子1磁路饱和，实现转子2上永磁体2-1磁链ψf减小，从而使转速提高；
当同步电机工作在电动机状态时，需要在高速状态向基速状态降速时，转速越低，所需直流电流越小，因此，通过控制正、负相带绕组功率变换器分别供给电枢绕组1-2中正、负相带绕组的直流分量流逐渐变小，使得定子1磁路饱和度减少，实现转子2上永磁体2-1磁链ψf增加，从而降低转速。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (12)

1.多相永磁同步电机系统，该同步电机系统包括多相永磁同步电机，其特征在于，所述同步电机为轴向磁场结构，同步电机包括一个定子(1)和两个转子(2)，且三者同轴；两个转子(2)分别位于定子(1)轴向两侧，两个转子(2)机械上固定连接在一起，两个转子(2)与定子(1)之间均存在气隙；
定子(1)包括定子铁心(1-1)和电枢绕组(1-2)；其中，
定子铁心(1-1)为圆环形结构，在定子铁心(1-1)的两个气隙面上均开设有径向槽(1-1-1)，使定子铁心(1-1)形成轭部(1-1-2)和定子齿；每个气隙面上各径向槽(1-1-1)沿圆周方向均匀分布；
电枢绕组(1-2)包括多个环形线圈，每个环形线圈的两个有效边分别嵌放在定子铁心(1-1)两个气隙面上相对设置的两个径向槽(1-1-1)中；其中，环形线圈的有效边为嵌放在气隙面上径向槽(1-1-1)中的边；
电枢绕组(1-2)为多相对称的环形绕组，且多相对称的环形绕组中每相的正相带内环形线圈有效边联结成正相带绕组，每相的负相带内环形线圈有效边联结成负相带绕组；
通过对定子铁心(1-1)上电枢绕组(1-2)的正、负相带绕组通入的电流大小进行控制，从而改变定子铁心(1-1)的磁路饱和度，来改变转子(2)上永磁体(2-1)产生的磁链ψf；
转子(2)为表贴永磁体结构、内嵌永磁体结构或Halbach永磁体阵列结构；
每个转子(2)气隙面上的所有永磁体(2-1)均轴向充磁，其中，一个或多个永磁体(2-1)作为一个磁极，每个磁极上的永磁体充磁方向相同；每个转子(2)上相邻磁极的永磁体(2-1)的充磁方向相反，两个转子(2)上相对磁极的永磁体(2-1)的充磁方向相反。
2.多相永磁同步电机系统，该同步电机系统包括多相永磁同步电机，其特征在于，所述同步电机为轴向磁场结构，同步电机包括两个定子(1)和一个转子(2)，且三者同轴；两个定子(1)分别位于转子(2)轴向两侧，两个定子(1)机械上固定连接在一起，两个定子(1)与转子(2)之间均存在气隙；
每个定子(1)包括定子铁心(1-1)和电枢绕组(1-2)；
定子铁心(1-1)为圆环形结构，定子铁心(1-1)的两个端面中，有一个端面为气隙面，在定子铁心(1-1)的两个端面上均开设有径向槽(1-1-1)，使定子铁心(1-1)形成轭部(1-1-2)和定子齿；每个端面上各径向槽(1-1-1)沿圆周方向均匀分布；
电枢绕组(1-2)包括多个环形线圈，每个环形线圈的一个有效边嵌放在定子铁心(1-1)气隙面上的一个径向槽(1-1-1)中；其中，环形线圈的有效边为嵌放在气隙面上径向槽(1-1-1)中的边；
电枢绕组(1-2)为多相对称的环形绕组，且多相对称的环形绕组中每相的正相带内环形线圈有效边联结成正相带绕组，每相的负相带内环形线圈有效边联结成负相带绕组；
通过对定子铁心(1-1)上电枢绕组(1-2)的正、负相带绕组通入的电流大小进行控制，从而改变定子铁心(1-1)的磁路饱和度，来改变转子(2)上永磁体(2-1)产生的磁链ψf；
转子(2)为表贴永磁体结构、内嵌永磁体结构或Halbach永磁体阵列结构；
转子(2)同一气隙面上的所有永磁体(2-1)均轴向充磁，其中，一个或多个永磁体(2-1)作为一个磁极；转子(2)同一气隙面上相邻磁极的永磁体(2-1)的充磁方向相反。
3.根据权利要求1或2所述的多相永磁同步电机系统，其特征在于，定子铁心(1-1)的内、外侧壁上还开设有轴向槽(1-1-3)，各轴向槽(1-1-3)沿其所在侧壁的圆周方向均匀分布，每个轴向槽(1-1-3)与其所对应的径向槽(1-1-1)连通。
4.根据权利要求1或2所述的多相永磁同步电机系统，其特征在于，转子(2)的构成包括两种：
第一种为：转子(2)包括永磁体(2-1)和转子铁心(2-2)；转子铁心(2-2)为圆环形结构，各永磁体(2-1)沿圆周方向表贴在转子铁心(2-2)的气隙面或沿圆周方向嵌入在转子铁心(2-2)的气隙面内；
第二种为：转子(2)包括永磁体(2-1)、转子基板(2-3)和导磁体(2-4)；转子基板(2-3)为圆环形结构，各永磁体(2-1)沿圆周方向表贴在转子基板(2-3)的气隙面或沿圆周方向嵌入在转子基板(2-3)的气隙面内，同一气隙面相邻磁极间设有一个导磁体(2-4)。
5.多相永磁同步电机系统，该同步电机系统包括多相永磁同步电机，其特征在于，所述同步电机为径向磁场结构，同步电机包括一个定子(1)和两个转子(2)，且三者同轴；两个转子(2)分别位于定子(1)径向两侧，两个转子(2)机械上固定连接在一起，两个转子(2)与定子(1)之间均存在气隙；两个转子(2)分别定义为内转子和外转子；
定子(1)包括定子铁心(1-1)、和电枢绕组(1-2)；其中，
定子铁心(1-1)为圆筒形结构，在定子铁心(1-1)的两个气隙面上均开设有轴向槽(1-1-1)，使定子铁心(1-1)形成轭部(1-1-2)和定子齿；每个气隙面上各轴向槽(1-1-1)沿圆周方向均匀分布；
电枢绕组(1-2)包括多个环形线圈，每个环形线圈的两个有效边分别嵌放在定子铁心(1-1)两个气隙面上相对设置的两个轴向槽(1-1-1)中；其中，环形线圈的有效边为嵌放在气隙面上轴向槽(1-1-1)中的边；
电枢绕组(1-2)为多相对称的环形绕组，且多相对称的环形绕组中所有相的正相带内环形线圈有效边联结成正相带绕组所有相的负相带内环形线圈有效边联结成负相带绕组；转子(2)为表贴永磁体结构、内嵌永磁体结构或Halbach永磁体阵列结构；
通过对定子铁心(1-1)上电枢绕组(1-2)的正、负相带绕组通入的电流大小进行控制，从而改变定子铁心(1-1)的磁路饱和度，来改变转子(2)上永磁体(2-1)产生的磁链ψf；
每个转子(2)气隙面上的所有永磁体(2-1)均径向充磁，其中，一个或多个永磁体(2-1)作为一个磁极，每个磁极上的永磁体充磁方向相同；每个转子(2)上相邻磁极的永磁体(2-1)的充磁方向相反，两个转子(2)上相对磁极的永磁体(2-1)的充磁方向相反。
6.多相永磁同步电机系统，该同步电机系统包括多相永磁同步电机，其特征在于，所述同步电机为径向磁场结构，同步电机包括两个定子(1)和一个转子(2)，且三者同轴；两个定子(1)分别位于转子(2)径向两侧，两个定子(1)机械上固定连接在一起，两个定子(1)与转子(2)之间均存在气隙；两个定子(1)分别定义为内定子和外定子；
每个定子(1)包括定子铁心(1-1)和电枢绕组(1-2)；其中，
定子铁心(1-1)为圆筒形结构，在定子铁心(1-1)的内、外侧壁上均开设有轴向槽(1-1-1)，使定子铁心(1-1)形成轭部(1-1-2)和定子齿；每个侧壁上各轴向槽(1-1-1)沿圆周方向均匀分布；定子铁心(1-1)的内、外两个侧壁中靠近转子(2)的侧壁作为气隙面；
电枢绕组(1-2)包括多个环形线圈，每个环形线圈的一个有效边嵌放在定子铁心(1-1)气隙面上的一个轴向槽(1-1-1)中；其中，环形线圈的有效边为嵌放在气隙面上轴向槽(1-1-1)中的边；
电枢绕组(1-2)为多相对称的环形绕组，且多相对称的环形绕组中每相的正相带内环形线圈有效边联结成正相带绕组，每相的负相带内环形线圈有效边联结成负相带绕组；转子(2)为表贴永磁体结构、内嵌永磁体结构或Halbach永磁体阵列结构；
通过对定子铁心(1-1)上电枢绕组(1-2)的正、负相带绕组通入的电流大小进行控制，从而改变定子铁心(1-1)的磁路饱和度，来改变转子(2)上永磁体(2-1)产生的磁链ψf；
转子(2)同一气隙面上的所有永磁体(2-1)均径向充磁，其中，一个或多个永磁体(2-1)作为一个磁极，每个磁极上的永磁体充磁方向相同；转子(2)同一气隙面上相邻磁极的永磁体(2-1)的充磁方向相反。
7.根据权利要求5或6所述的多相永磁同步电机系统，其特征在于，转子(2)包括永磁体(2-1)、转子基板(2-2)和导磁体(2-3)；
转子基板(2-2)为圆筒形结构，各永磁体(2-1)沿圆周方向表贴在转子基板(2-2)的气隙面或沿圆周方向嵌入在转子基板(2-2)的气隙面内，同一气隙面相邻磁极间设有一个导磁体(2-4)。
8.根据权利要求5或6所述的多相永磁同步电机系统，其特征在于，定子铁心(1-1)的两个端面上还开设有径向槽(1-1-3)，各径向槽(1-1-3)沿其所在端面的圆周方向均匀分布，每个径向槽(1-1-3)与其所对应的轴向槽(1-1-1)连通。
9.根据权利要求1或5所述的多相永磁同步电机系统，其特征在于，同步电机系统还包括正相带绕组功率变换器和负相带绕组功率变换器；
电枢绕组(1-2)的正相带绕组的引出线与正相带绕组功率变换器的输出端相连；
电枢绕组(1-2)的负相带绕组的引出线与负相带绕组功率变换器的输出端相连；
正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组(1-2)的电流由直流分量、1个基波分量和n个谐波分量构成，其中，n为自然数。
10.根据权利要求2或6所述的多相永磁同步电机系统，其特征在于，同步电机系统还包括正相带绕组功率变换器和负相带绕组功率变换器；
两个定子(1)上的两套电枢绕组(1-2)的正相带绕组对应相串联或并联在一起后，其引出线与正相带绕组功率变换器的输出端相连；
两个定子(1)上的两套电枢绕组(1-2)的负相带绕组对应相串联或并联在一起后，其引出线与负相带绕组功率变换器的输出端相连；
正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组(1-2)的电流由直流分量、1个基波分量和n个谐波分量构成，其中，n为自然数。
11.采用权利要求9所述的多相永磁同步电机系统实现的驱动方法，其特征在于，该驱动方法的实现方式包括：
当同步电机工作在电动机状态时，需要在基速状态继续升速时，控制正、负相带绕组功率变换器分别供给电枢绕组(1-2)中正、负相带绕组的直流分量，使正、负相带绕组功率变换器输出的直流分量逐渐变大，从而调节定子铁心(1-1)的磁路，实现同步电机的升速调节；
当同步电机工作在电动机状态时，需要在高速状态向基速状态降速时，控制正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组(1-2)中正、负相带绕组的直流分量，使正、负相带绕组功率变换器输出的直流分量逐渐变小，从而调节定子铁心(1-1)的磁路，实现同步电机的降速调节。
12.采用权利要求10所述的多相永磁同步电机系统实现的驱动方法，其特征在于，该驱动方法的实现方式包括：
当同步电机工作在电动机状态时，需要在基速状态继续升速时，控制正、负相带绕组功率变换器分别供给电枢绕组(1-2)中正、负相带绕组的直流分量，使正、负相带绕组功率变换器输出的直流分量逐渐变大，从而调节定子铁心(1-1)的磁路，实现同步电机的升速调节；
当同步电机工作在电动机状态时，需要在高速状态向基速状态降速时，控制正、负相带绕组功率变换器供给电枢绕组(1-2)中正、负相带绕组的直流分量，使正、负相带绕组功率变换器输出的直流分量逐渐变小，从而调节定子铁心(1-1)的磁路，实现同步电机的降速调节。
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