CN113541430A - 裂极型永磁辅助同步磁阻电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种裂极型永磁辅助同步磁阻电机，包括定子、裂极型同步磁阻转子和电枢绕组；电枢绕组极对数与裂极型同步磁阻转子的极对数相等，均为p；裂极型同步磁阻转子的转子极为裂极或裂极与磁阻极的组合，每个裂极均包括永磁部分和磁阻部分；当转子极均为裂极时，裂极的极对数p s =p；当转子极为裂极与磁阻极的组合时，裂极的极对数p s ＜p，且裂极的极对数p s 与磁阻极的极对数p r 之和等于p。本发明具有反凸极特性，能在低速运行时，采用正的i d 利用磁阻转矩，避免永磁体发生不可逆退磁；能获得更大的直轴电感，弱磁扩速能力强；能拓宽恒功率调速范围。还能在抑制了偶次谐波的同时，提高有效的相磁链或相反电动势。

Description

裂极型永磁辅助同步磁阻电机
技术领域
本发明涉及电机设计和制造领域，特别是一种裂极型永磁辅助同步磁阻电机。
背景技术
永磁电机具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点，已在多个领域得到应用。根据永磁体的在转子上的安装方式分类，转子永磁型电机可分为表贴式永磁电机和内置式永磁电机。在电动汽车等需要宽范围调速(广域)运行的应用中，常采用内置式永磁电机。
传统的内置式永磁电机通过正凸极(Lq大于Ld)设计以利用磁阻转矩，从而提高基速以下(低速区)运行时的转矩输出能力。而且它们通常采用弱磁控制(即控制电枢绕组的直轴电流为负，-id)以实现扩速(高速区)运行。
然而，传统正凸极内置式永磁电机存在难以兼顾高功率密度、宽转速运行范围、抗退磁能力、高可靠性和低成本的问题，具体表现如下：
1)、由于Lq＞Ld(直轴磁阻大于交轴磁阻)，正凸极内置永磁电机在低速区利用磁阻转矩时，必须采用负的直轴电流(即-id)，永磁体的不可逆退磁风险增加。
2)、若要降低其不可逆退磁风险，必须增加永磁体的厚度，进而增加了永磁材料成本(注：稀土永磁材料是不可再生的自然资源，也是战略资源)。
3)、正凸极内置永磁电机的直轴磁路经过永磁体，直轴电感小(直轴磁阻大)。增加的永磁体厚度又进一步降低了直轴电感(注：弱磁能力与直轴电感密切相关)，从而降低了弱磁能力，限制了扩速运行范围。
4)、正凸极内置永磁电机的空载反电动势大，若高速运行时出现故障，不仅可能会产生大的短路电流(容易损坏电机)，还可能会出现弱磁失效而产生回馈发电状况(容易损坏控制系统中的功率器件等)，降低可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种裂极型永磁辅助同步磁阻电机，该裂极型永磁辅助同步磁阻电机具有反凸极特性，能在低速运行时，采用正的id利用磁阻转矩，避免永磁体发生不可逆退磁；能获得更大的直轴电感，弱磁扩速能力强；能拓宽恒功率调速范围。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种裂极型永磁辅助同步磁阻电机，包括同轴套设的定子和裂极型同步磁阻转子。
定子包括定子铁心和绕设在定子铁心定子槽中的电枢绕组；电枢绕组极对数与裂极型同步磁阻转子的极对数相等，均为p。
裂极型同步磁阻转子包括转子铁心和沿周向布设在转子铁心上的转子极。
转子极为裂极或裂极与磁阻极的组合，每个裂极均包括永磁部分和磁阻部分。
当转子极均为裂极时，裂极的极对数ps＝p；裂极的直轴磁路经过转子铁心闭合，裂极的直轴磁路磁阻小于裂极的交轴磁路磁阻。
当转子极为裂极与磁阻极的组合时，裂极的极对数ps＜p，且裂极的极对数ps与磁阻极的极对数pr之和等于p；裂极和磁阻极的直轴磁路均经过转子铁心闭合，裂极的直轴磁路磁阻小于裂极的交轴磁路磁阻，同时，磁阻极的直轴磁路磁阻小于磁阻极的交轴磁路磁阻。
ps对裂极在转子铁心的圆周上形成至少ps个圆周相接的裂极对；每个圆周相接裂极对中两个裂极的永磁部分极性相反，且每个圆周相接裂极对中两个裂极的永磁部分相接或相离。
在每个圆周相接裂极对中，一个裂极的永磁部分为正极永磁部分，另一个裂极的永磁部分为负极永磁部分，正极永磁部分在电枢绕组中产生的相磁链或相反电动势与负极永磁部分产生的相磁链或相反电动势互补叠加，从而能在抑制偶次谐波的同时，提高有效的相磁链或相反电动势。
每个裂极中的永磁部分和磁阻部分各占一半。
当转子极为裂极与磁阻极的组合时，裂极和磁阻极在整个机械圆周上均对称分布。
当转子极为裂极与磁阻极的组合时，对于圆周相接的裂极和磁阻极，磁阻极的直轴中心线与裂极的中心线相差一个极距。
磁阻极和裂极的磁阻部分均采用磁障、凸极或凸极和磁障相结合的方式。
当磁阻极和裂极的磁阻部分均采用磁障时，磁障设置在交轴磁路上，增加交轴磁路的磁阻；当磁阻极和裂极的磁阻部分均采用凸极时，直轴为凸极或裂极的中心线；当磁阻极和裂极的磁阻部分均采用凸极和磁障相结合的方式时，磁障设置在交轴磁路上，直轴为凸极或裂极的中心线。
裂极的永磁部分也设置有交轴磁障。
裂极的永磁部分相对裂极的磁阻部分具有一个偏移角，且偏移角小于或等于1/4极距，使得永磁转矩取得最大转矩的电流角逼近磁阻转矩取得最大转矩的电流角，从而提高永磁转矩与磁阻转矩的利用率。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明具有反凸极特性(即Lq＜Ld)。在基速以下(低速区)运行时，采用正的id利用磁阻转矩。正的id为增磁电流，避免了永磁体发生不可逆退磁。
2、由于本发明的裂极和磁阻极的直轴磁路经过铁心闭合，故本发明可以获得更大的直轴电感，弱磁扩速能力更强。
3、在全速运行范围内，本发明的电流角调节范围宽(id由正值过渡到副值)，因而本发明可以拓宽恒功率调速范围。
4、本发明的空载反电动势低，具有更强的短路电流抑制能力及更高的可靠性。
5、本发明裂极的永磁部分可进行偏移设计，使得永磁转矩取得最大值的电流角逼近磁阻转矩取得最大值的电流角(简称:矩角逼近)，从而提高永磁转矩与磁阻转矩的合成率，提高输出转矩。
6、本发明裂极的分布满足“磁路互补条件”，从而实现正极的永磁部分在电枢绕组中产生的相磁链(或相反电动势)与负极的永磁部分产生的相磁链(或相反电动势)的互补叠加，也即在抑制了偶次谐波的同时，提高了有效的相磁链(或相反电动势)。
附图说明
图1为本发明实施例1中裂极型永磁辅助同步磁阻电机的结构示意图。
图2为发明实施例1中裂极型同步磁阻转子的结构示意图。
图3为本发明实施例1中单个裂极的结构示意图。
图4为实施例1中正极/负极永磁部分单独产生的相反电动势随转子位置的曲线图。
图5为实施例1中正极和负极永磁部分共同产生的相反电动势随转子位置的曲线图。
图6为实施例1中正极、负极、两部分共同产生相反电动势随阶次的对比分析图。
图7为实施例2中裂极的永磁部分位置偏移示意图。
图8为本发明实施例3中裂极型永磁辅助同步磁阻电机的结构示意图。
图9为本发明实施例4中裂极型永磁辅助同步磁阻电机的结构示意图。
其中有：
10.定子铁心；11.电枢绕组；
20.转子铁心；21.磁阻极；22.裂极；23.磁阻部分；24.永磁部分；25.交轴磁障；26.永磁体；27.永磁部分偏移空隙；28.机械连接桥。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
实施例1内转子，以三相m＝3，Ns＝24，p＝4，ps＝2，pr＝2为例
如图1所示，一种裂极型永磁辅助同步磁阻电机，包括同轴套设的定子和裂极型同步磁阻转子。裂极型同步磁阻转子可以为内转子，也可以为外转子。
定子包括定子铁心10和绕设在定子铁心定子槽中的电枢绕组11。本实施例1中，定子槽数优选为Ns＝24，电枢绕组为三相绕组，包括A、B、C三相绕组，其中A相可由A1、A2、A3、A4线圈串联而成，也可由A1-A2、A3-A4分别串联后再并联；B相和C相以此类推。
电枢绕组极对数与裂极型同步磁阻转子的极对数相等，均优选为p＝4。
如图2所示，裂极型同步磁阻转子包括转子铁心20和沿周向布设在转子铁心上的转子极。
上述定子铁心和转子铁心均采用导磁材料。
如图3所示，每个裂极均包括永磁部分24和磁阻部分23。本实施例1中，每个裂极均由一半永磁极(永磁部分)和一半磁阻极(磁阻部分)构成，作为替换，也可略大于或略小于一半。本实施例1中，永磁部分的永磁体26采用表贴式永磁体。
上述转子极为裂极22或裂极与磁阻极21的组合。
A、当转子极均为裂极时，裂极的极对数ps＝p；裂极的直轴磁路经过转子铁心闭合，裂极的直轴磁路磁阻小于裂极的交轴磁路磁阻。
B、当转子极为裂极与磁阻极的组合时，裂极的极对数ps＜p，且裂极的极对数ps与磁阻极的极对数pr之和等于p。
在本实例1中，裂极的极对数ps＝2、磁阻极的极对数pr＝2。作为替换，可根据不同应用场合和要求，可灵活选取裂极和磁阻极的极对数。
为避免引入不平衡磁拉力，裂极和磁阻极在整个机械圆周上均对称分布。
对于圆周相接的裂极和磁阻极，磁阻极的直轴中心线与裂极的中心线优选相差一个极距，但也可略大于或略小于一个极距，以满足转矩脉动抑制和矩角逼近等特殊的设计需要。
上述磁阻极和裂极的磁阻部分均可采用磁障、凸极或凸极和磁障相结合的方式。
A、当磁阻极和裂极的磁阻部分均采用磁障时，磁障设置在交轴磁路上，增加交轴磁路的磁阻。本实施例1便采用此种方式，设置在交轴磁路上的磁障也称为交轴磁障25。每个磁阻极的磁障可以对称分布，也可以非对称分布。每条交轴磁障的两侧均设置有机械连接桥28。
B、当磁阻极和裂极的磁阻部分均采用凸极时，直轴为凸极或裂极的中心线，其交轴磁路经过非均匀气隙的较厚气隙区域，也增加了交轴磁路的磁阻。
C、当磁阻极和裂极的磁阻部分均采用凸极和磁障相结合的方式时，磁障设置在交轴磁路上，直轴为凸极或裂极的中心线。
裂极和磁阻极的直轴磁路均经过转子铁心闭合，裂极的直轴磁路磁阻小于裂极的交轴磁路磁阻，同时，磁阻极的直轴磁路磁阻小于磁阻极的交轴磁路磁阻。此时，交轴电感Lq＜直轴电感Ld，因而本发明可以获得反凸极特性。采用正的id可获得正的磁阻转矩；即本发明可以通过正的id利用磁阻转矩。
本实例1中，裂极的分布满足“磁路互补条件”，具体为：
ps对裂极在转子铁心的圆周上形成至少ps个圆周相接的裂极对；每个圆周相接裂极对中两个裂极的永磁部分极性相反，且每个圆周相接裂极对中两个裂极的永磁部分相接或相离。其中，两个相接裂极的永磁部分相离，不是简单的相离，是呈“永磁部分-磁阻部分-磁阻部分-永磁部分”的相离方式。
在每个圆周相接裂极对中，一个裂极的永磁部分为正极永磁部分，另一个裂极的永磁部分为负极永磁部分，正极永磁部分在电枢绕组中产生的相磁链(或相反电动势)与负极永磁部分产生的相磁链(或相反电动势)的互补叠加，也即在抑制了偶次谐波的同时，提高了有效的相磁链(或相反电动势)。如图4至图6所示。正极永磁部分单独工作下的相反电动势和负极永磁部分单独工作下的相反电动势均具有偶次谐波(如2次和4次等)，且基波(有效成分)幅值较低；而正极和负极两部分永磁共同作用下的相反电势的偶次谐波得以消除，且基波得到有效提升。
实例2：裂极的永磁部分偏移
如图7所示，裂极的永磁部分相对磁阻部分进行一定角度的偏移(实例2偏移的角度为极距的1/8，一般偏移角度应小于或等于极距的1/4)，使得永磁转矩取得最大值的电流角逼近磁阻转矩取得最大值的电流角(简称:矩角逼近)，从而提高永磁转矩与磁阻转矩的合成率，提高输出转矩。
偏移的角度对应的位置，也即永磁部分偏移空隙27处，可采用磁障或不导磁材料填充。
实例3：p＝3，采用ps＝2，pr＝1
如图8所示，本实例p＝3，ps＝2，pr＝1。裂极的永磁部分设置了交轴磁障，从而永磁部分的直轴磁路磁阻也小于其交轴磁路的磁阻，从而进一步增强本发明电机的反凸极特性。
实例4：p＝3，采用ps＝2，pr＝1
如图9所示，本实例裂极的永磁部分采用内置的V型永磁体。作为替换，内置永磁体也可以为“一”字型、V型、C型、W型和U型等，也可以为多层混合型。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种裂极型永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：包括同轴套设的定子和裂极型同步磁阻转子；
定子包括定子铁心和绕设在定子铁心定子槽中的电枢绕组；电枢绕组极对数与裂极型同步磁阻转子的极对数相等，均为p；
裂极型同步磁阻转子包括转子铁心和沿周向布设在转子铁心上的转子极；
转子极为裂极或裂极与磁阻极的组合，每个裂极均包括永磁部分和磁阻部分；
当转子极均为裂极时，裂极的极对数p s =p；裂极的直轴磁路经过转子铁心闭合，裂极的直轴磁路磁阻小于裂极的交轴磁路磁阻；
当转子极为裂极与磁阻极的组合时，裂极的极对数p s ＜p，且裂极的极对数p s 与磁阻极的极对数p r 之和等于p；裂极和磁阻极的直轴磁路均经过转子铁心闭合，裂极的直轴磁路磁阻小于裂极的交轴磁路磁阻，同时，磁阻极的直轴磁路磁阻小于磁阻极的交轴磁路磁阻。
2.根据权利要求1所述的裂极型永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：p s 对裂极在转子铁心的圆周上形成至少p s 个圆周相接的裂极对；每个圆周相接裂极对中两个裂极的永磁部分极性相反，且每个圆周相接裂极对中两个裂极的永磁部分相接或相离。
3.根据权利要求2所述的裂极型永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：在每个圆周相接裂极对中，一个裂极的永磁部分为正极永磁部分，另一个裂极的永磁部分为负极永磁部分，正极永磁部分在电枢绕组中产生的相磁链或相反电动势与负极永磁部分产生的相磁链或相反电动势互补叠加，从而能在抑制偶次谐波的同时，提高有效的相磁链或相反电动势。
4.根据权利要求1所述的裂极型永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：每个裂极中的永磁部分和磁阻部分各占一半。
5.根据权利要求1所述的裂极型永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：当转子极为裂极与磁阻极的组合时，裂极和磁阻极在整个机械圆周上均对称分布。
6.根据权利要求5所述的裂极型永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：当转子极为裂极与磁阻极的组合时，对于圆周相接的裂极和磁阻极，磁阻极的直轴中心线与裂极的中心线相差一个极距。
7.根据权利要求1所述的裂极型永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：磁阻极和裂极的磁阻部分均采用磁障、凸极或凸极和磁障相结合的方式。
8.根据权利要求7所述的裂极型永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：当磁阻极和裂极的磁阻部分均采用磁障时，磁障设置在交轴磁路上，增加交轴磁路的磁阻；当磁阻极和裂极的磁阻部分均采用凸极时，直轴为凸极或裂极的中心线；当磁阻极和裂极的磁阻部分均采用凸极和磁障相结合的方式时，磁障设置在交轴磁路上，直轴为凸极或裂极的中心线。
9.根据权利要求1所述的裂极型永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：裂极的永磁部分也设置有交轴磁障。
10.根据权利要求1所述的裂极型永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：裂极的永磁部分相对裂极的磁阻部分具有一个偏移角，且偏移角小于或等于1/4极距，使得永磁转矩取得最大转矩的电流角逼近磁阻转矩取得最大转矩的电流角，从而提高永磁转矩与磁阻转矩的利用率。
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CN113541430B (zh) 2023-11-03

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