CN116247895A - 一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于永磁同步电机技术领域，涉及一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机及其方法，包括定子、转子和永磁圆盘，其中，所述转子内置在定子中且与定子同轴放置，所述永磁圆盘包括两个，分别放置于转子的不同端部，所述永磁圆盘靠近转子的一侧表贴有多个永磁体，所述定子安放有电枢绕组；定子电枢绕组施加q轴电流与转子主磁场相互作用产生驱动转矩，调节转子端部永磁圆盘上永磁体与电机转子轴向磁极的相对位置角度调节电机主磁场的幅值。本发明电机通过永磁圆盘进行调磁，调磁方式相对简单，且不需添加额外的电枢绕组，调磁效率高，不会给电机造成新的损耗。

Description

一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机及其方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机技术领域，涉及一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机及其方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

永磁电机系统因为效率高、损耗小、功率密度高和结构紧凑等一系列优点，被广泛应用于工业伺服、电力驱动、新能源发电等重要装备领域。然而，受到永磁材料固有特性的制约，永磁电机系统在磁场调节和广速域运行方面的性能明显不足，尤其是新能源汽车、多电/全电飞机等新兴装备领域对电机系统的功率密度、恒功率运行能力及力能品质提出了更为严苛的要求。然而，由于永磁电机采用固定磁通的永磁体进行励磁，其主极磁通在电机制造完成后即固定且难以调节，起动能力和弱磁扩速能力等关键电磁性能严重受限，原因如下：

1、永磁电机运行在基速以上的工作状态时，必须通过增加电枢绕组中d轴退磁电流比例，实现磁场弱磁限制反电势升高。然而，受到电机绕组承载电流幅值和变频器容量的限制，电枢绕组中d轴退磁电流增加会导致q轴驱动电流迅速下降，从而显著降低电机系统高转速状态下的转矩输出能力；

2、大部分传统永磁电机具有d轴电感较低的特点，因此其弱磁调节较为困难，并且深度弱磁时迅速增加的绕组铜耗，会大幅降低电机系统的弱磁运行效率；

3、电枢绕组所引入的弱磁磁场与永磁励磁磁场直接在气隙中实现交互耦合，所以当d轴退磁电流较大时会显著增加永磁体不可逆退磁风险；

4、永磁电机深度弱磁运行会导致气隙磁场畸变、谐波含量上升、功率因数降低、永磁磁通利用率下降、功率器件线路损耗增加等多种严重影响电机系统运行品质的问题。

混合励磁是解决传统永磁电机系统磁场调节性能不足和弱磁运行品质较差问题的重要方法之一，通过布设电励磁磁路并添加电励磁线圈，集合了永磁电机与电励磁电机的优点，有效的提升了电机的弱磁扩速能力。然而，当前混合励磁电机磁通调节能力有限，磁路布设方式与电机辅助导磁磁路设计复杂，电励磁绕组大幅增加了电机的调磁损耗，整体运行效率偏低。存在永磁磁通利用率低，励磁组件结构冗杂，调磁绕组和电枢绕组物理空间相互制约、电机调磁性能与功率密度矛盾突出等问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机及其方法。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机，包括定子、转子和永磁圆盘，其中，所述转子内置在定子中且与定子同轴放置，所述永磁圆盘包括两个，分别放置于转子的不同端部，所述永磁圆盘靠近转子的一侧表贴有多个永磁体，所述定子安放有电枢绕组；

所述转子由两段结构相同的转子段拼接而成，每个转子段具有交错分布的多个肋部结构，两个转子段的肋部结构错开一定的角度，两个转子段的肋部结构呈现相反的磁极性；

每个肋部结构都连接有导磁辐条，不同个转子段连接的导磁辐条磁极性相反，所述导磁辐条延伸至转子的两侧端部之外，形成轴向磁极，轴向磁极与转子两端部的永磁圆盘上的永磁体对应；

所述转子上圆周设置有多个永磁体，所述永磁体利用聚磁效应在转子上产生磁通，一部分形成径向磁极，另一部分形成轴向磁极；

所述电机径向磁极磁通通过径向气隙进入到定子中，与定子上电枢绕组产生的磁通相互作用，形成电机主磁通；

所述轴向磁极与永磁圆盘上永磁体相对应，当同极性相对时，主磁通增大；当电机端部永磁体圆盘与电机轴系磁极不同极性相对时，主磁通减小。

作为可选择的实施方式，所述定子由硅钢片叠压而成，所述定子包括定子槽、定子齿和定子轭部，所述定子槽内安放有电枢绕组。

作为可选择的实施方式，所述永磁圆盘由硅钢片卷叠加工制成，或为纯钢一体化加工而成。

作为可选择的实施方式，所述永磁圆盘对称设置，每个永磁圆盘上表贴的永磁体个数相同，永磁体与转子的轴向磁极形状对应且相同。

作为可选择的实施方式，所述永磁圆盘上表贴的永磁体的横截面形状与所述导磁辐条的横截面形状一致。

作为可选择的实施方式，所述永磁圆盘为可转动部件，通过伺服电机拖动，在正常运行时拖动永磁圆盘与转子保持相同转速，或在需要进行主磁路动态调节时，调节永磁圆盘与转子轴向磁极的相对角度。

作为可选择的实施方式，所述转子为硅钢片叠压而成，通过紧固件或螺栓等方式与导磁辐条连接；或，采用软磁复合材料制成的实心转子，通过浇注等方法一体加工制成。为提升转子机械强度，可通过环氧树脂对转子进行封装填充，以保证转子导磁辐条的机械可靠性。

作为可选择的实施方式，所述转子上的永磁体所产生的磁通分为两部分，形成径向主磁通与轴向主磁通，径、轴向磁路为并联关系。

作为可选择的实施方式，通过控制电机端部永磁圆盘上永磁体与转子轴向磁极的相对位置角度调节电机主磁通。

一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机的转矩驱动方法，包括以下步骤：

定子电枢绕组施加q轴电流与转子主磁场相互作用产生驱动转矩，调节转子端部永磁圆盘上永磁体与电机转子轴向磁极的相对位置角度调节电机主磁场的幅值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明电机两轴向侧为永磁圆盘，永磁圆盘上表贴永磁体调节磁通，相对于电枢绕组的设置体积较小，且不会产生额外的损耗与热能。

本发明电机的转子端部设置有两个调磁永磁圆盘、径向设置有一个定子，形成径、轴向并联磁路，电机转子上永磁体产生的磁通总量一定，且依据电机径、轴向方向具有不同的去向。径向定子的电枢绕组电流对该支路磁通具有调节作用，其绕组电流中的d轴电流分量可抑制永磁体磁通从该支路经过；轴向磁路的调节则通过调节端部永磁圆盘上永磁体与转子轴向磁极的相对位置角实现。依据电机在起动、额定、高速运行等不同的转速运行区间，可调节转子两侧的永磁圆盘上永磁体与转子轴向磁极的相对位置角，得到不同的电机磁场分布状态，从而改善电机运行性能，得到更优秀的起动、弱磁运行能力。相对于传统调磁永磁电机，本发明电机通过永磁圆盘进行调磁，调磁方式相对简单，且不需添加额外的电枢绕组，调磁效率高，不会给电机造成新的损耗。

本电机转子两侧设置永磁圆盘，采用端部圆盘端面上表贴的永磁体进行产生磁通并进行电机主磁通调节，调磁效率高，不会产生额外的调磁损耗。两侧可安放高磁性能的钕铁硼等材料，电机的调磁范围大幅提升；或采用低磁性能的铁氧体材料，大幅降低电机的制造成本。两侧永磁圆盘可设计有很小的轴向长度，不增加永磁电机的轴向长度与体积，有利于保持永磁电机的高功率密度的优点。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明电机整体结构示意图；

图2为本发明电机转子及端部永磁体圆盘立体结构示意图；

图3为本发明电机转子结构示意立体图；

图4为本发明电机转子端部永磁圆盘结构示意图；

图中，1.第一段转子，2.第二段转子，3.永磁体，4.第一段转子肋部结构，5.第二段转子肋部结构，6.第一段转子与肋部相连的导磁辐条，7.第二段转子与肋部相连的导磁辐条，8.定子，9.定子电枢绕组，10.定子槽，11.定子齿，12.转子端部永磁圆盘，13.永磁圆盘上表贴的永磁体。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机，本实施例中，电机相数为3，定子齿数为48，端部永磁圆盘上永磁体块数与极数为16与8，转子槽数为8，两段转子共有8个肋，永磁体块数为16，转子磁极数为8，本实施方式包括定子8、永磁圆盘12及圆盘上表贴的永磁体13、转子1、2及定子上的电枢绕组9；定子8由硅钢片叠压而成，永磁圆盘12由硅钢片卷叠加工而成，其上表贴有永磁体13，定子8包括定子齿11和定子槽10，定子槽内安放有电枢绕组9，电枢绕组9可分为分布绕组、集中绕组或者叠绕组，电枢绕组的极数与转子磁极极数一致。定子和轴向永磁圆盘均与转子同轴，定子与转子之间存在径向气隙，轴向永磁圆盘与转子之间存在轴向气隙。

如图2、3所示转子整体结构示意图，整个转子由两段相同的转子1、2，导磁辐条6、7，转子肋部4、5组成，两段转子同轴连接，第二段转子2的肋部5与第一段转子1的肋部4交错45度(示例图中为8极电机，交错度数为360/2p度)，从而在转子的端轴部形成一个交错的肋部结构4、5，每段转子上有8个转子槽，可以用来安放永磁体3，相邻的两块永磁体的充磁方向相反，相邻两块永磁体和之间的转子铁芯沿径向生成径向磁极，永磁体产生的磁通通过径向磁极经过气隙进入定子铁芯与电枢绕组交链形成主磁通；在转子上，由于两段转子肋部及其对应导磁轴的磁极性相反，每段转子的一部分磁通可以通过交错转子肋结构4、5、导磁辐条6、7到达转子端部，形成轴向磁极，并与端部永磁圆盘12上的永磁体13对应。

电机处于起动状态或额定正常运行时，调节端部永磁圆盘上12上的永磁体13与转子轴向磁极同极性相对，转子上永磁体所产生的磁通更多的进入到定子中，同时，端部永磁圆盘上永磁体所产生的磁通也沿“转子导磁辐条-转子肋部-转子轭部”进入到定子中，增大电机主磁通，电机转矩输出能力得到增强；当电机处于高速运行状态需要弱磁时，调节调节端部永磁圆盘上12上的永磁体13与转子轴向磁极不同极性相对，转子上永磁体3产生的磁通更多的被引入轴向永磁圆盘中，进入定子的磁通量减小，电机的主磁通减小。根据电机的实际运行状态，可实时调控电机轴向永磁圆盘12上永磁体13与转子轴向磁极的相对位置角度，从而调控并联磁路，获得不同的电机磁场分布状态，使电机在不同的运行状态下获得良好的运行性能。

其中，在上述实施例子中，转子3可以采用硅钢片叠压而成，通过紧固件或螺栓与导磁辐条6、7进行连接，并通过环氧树脂材料进行浇筑固定，以提升整体的机械结构强度；还可以是一体制成的高磁导率的软磁复合材料制成的实心转子，实心转子具有高磁导率，所述转子内安放有永磁体，转子为永磁体内置式结构，永磁体按照一定的组合排列，实现聚磁效应，永磁体产生的磁通可以沿径向进入气隙，所述实心转子在电机起动时能够产生涡流，实现自起动。

永磁体为高性能永磁材料，如钕铁硼，稀土钴，或者低性能永磁材料，如铝镍钴或者铁氧体。

永磁同步电机在工作时，电机空载不通电流时，永磁体产生的一部分磁通通过径向磁极经过气隙进入定子铁芯与电枢绕组交链形成电机主磁通，另一部分通过转子交错肋部结构、转子导磁辐条形成转子轴向磁极，并与转子端部永磁圆盘12上的永磁体13对应。电机带载运行时，工作模式为：

调节端部永磁圆盘上12上的永磁体13与转子轴向磁极同极性相对，转子上永磁体所产生的磁通更多的进入到定子中，同时，端部永磁圆盘上永磁体所产生的磁通也沿“转子导磁辐条-转子肋部-转子轭部”进入到定子中，增大电机主磁通，电机转矩输出能力得到增强；

当电机需要进行弱磁运行时，调节调节端部永磁圆盘上12上的永磁体13与转子轴向磁极不同极性相对，转子上永磁体3产生的磁通更多的被引入轴向永磁圆盘中，进入定子的磁通量减小，电机的主磁通减小。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机，其特征是，包括定子、转子和永磁圆盘，其中，所述转子内置在定子中且与定子同轴放置，所述永磁圆盘包括两个，分别放置于转子的不同端部，所述永磁圆盘靠近转子的一侧表贴有多个永磁体，所述定子安放有电枢绕组；

所述转子由两段结构相同的转子段拼接而成，每个转子段具有交错分布的多个肋部结构，两个转子段的肋部结构错开一定的角度，两个转子段的肋部结构呈现相反的磁极性；

每个肋部结构都连接有导磁辐条，不同个转子段连接的导磁辐条磁极性相反，所述导磁辐条延伸至转子的两侧端部之外，形成轴向磁极，轴向磁极与转子两端部的永磁圆盘上的永磁体对应；

所述转子上圆周设置有多个永磁体，所述永磁体利用聚磁效应在转子上产生磁通，一部分形成径向磁极，另一部分形成轴向磁极；

所述电机径向磁极磁通通过径向气隙进入到定子中，与定子上电枢绕组产生的磁通相互作用，形成电机主磁通；

所述轴向磁极与永磁圆盘上永磁体相对应，当同极性相对时，主磁通增大；当电机端部永磁体圆盘与电机轴系磁极不同极性相对时，主磁通减小。

2.如权利要求1所述的一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机，其特征是，所述定子由硅钢片叠压而成，所述定子包括定子槽、定子齿和定子轭部，所述定子槽内安放有电枢绕组。

3.如权利要求1所述的一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机，其特征是，所述永磁圆盘由硅钢片卷叠加工制成，或为纯钢一体化加工而成。

4.如权利要求1所述的一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机，其特征是，所述永磁圆盘对称设置，每个永磁圆盘上表贴的永磁体个数相同，永磁体与转子的轴向磁极形状对应且相同。

5.如权利要求1所述的一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机，其特征是，所述永磁圆盘上表贴的永磁体的横截面形状与所述导磁辐条的横截面形状一致。

6.如权利要求1所述的一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机，其特征是，所述永磁圆盘为可转动部件，通过伺服电机拖动，在正常运行时拖动永磁圆盘与转子保持相同转速，或在需要进行主磁路动态调节时，调节永磁圆盘与转子轴向磁极的相对角度。

7.如权利要求1所述的一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机，其特征是，所述转子为硅钢片叠压而成，与导磁辐条连接；或，采用软磁复合材料制成的实心转子。

8.如权利要求1所述的一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机，其特征是，所述转子上的永磁体所产生的磁通分为两部分，形成径向主磁通与轴向主磁通，径、轴向磁路为并联关系。

9.如权利要求1所述的一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机，其特征是，通过控制电机端部永磁圆盘上永磁体与转子轴向磁极的相对位置角度调节电机主磁通。

10.一种圆盘式永磁调磁型永磁同步电机的转矩驱动方法，其特征是，包括以下步骤：

定子电枢绕组施加q轴电流与转子主磁场相互作用产生驱动转矩，调节转子端部永磁圆盘上永磁体与电机转子轴向磁极的相对位置角度调节电机主磁场的幅值。

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