CN116317247A - 一种宽调速永磁扁线驱动电机及磁开关设计方法 - Google Patents

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CN116317247A CN202310354248.7A CN202310354248A CN116317247A CN 116317247 A CN116317247 A CN 116317247A CN 202310354248 A CN202310354248 A CN 202310354248A CN 116317247 A CN116317247 A CN 116317247A
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樊德阳
郑诗玥
周雪
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Abstract

本发明公开一种宽调速永磁扁线驱动电机及磁开关设计方法，转子上沿圆周方向均匀布置若干个结构相同的永磁体磁障单元，第一、第二永磁体呈开口朝向外侧的V形布置且在内端处不接触，第二永磁体和辅助永磁体呈开口朝向内侧的V形布置且在外端处相接触，第一、第二永磁体和辅助永磁体的结构均是矩形，第一、第二永磁体分别位于q轴的两侧，在d轴位置处的以相邻的两个永磁体磁障单元的辅助永磁体和第一永磁体的一部分以及基间的区域形成磁开关区域，磁开关区域以d轴对称，第一、第二永磁体的内端共同连接一个隔磁磁障，第二永磁体与辅助永磁体的外端共同连接聚磁磁障，满足电机在高速范围内的弱磁能力和低速范围内的高输出转矩能力。

Description

一种宽调速永磁扁线驱动电机及磁开关设计方法
技术领域
本发明涉及一种用于电动汽车的永磁电机，具体是一种宽调速永磁扁线驱动电机及其磁开关设计方法。
背景技术
近年来，传统燃油汽车产业的快速发展与环境污染、材料短缺等矛盾日益突出。电动汽车以零排放、高效率的优点，已成为新能源汽车的主攻方向之一。为了满足具有高速巡航和爬坡能力的电动汽车的动力特性，对输出转矩性能与调速范围提出更高的要求。
为提高永磁电机转矩密度，引入扁线绕组技术。电机定子绕组采用扁线方式，大大增加槽满率的同时，也可以实现槽内绕组的良好散热。但是该类电机结构磁通相对固定，无法实现宽调速性能需求。中国专利公开号为CN110808645A文献中公开了一种应用于油冷扁线电机定子的冷却结构，记载了定子铁芯上相邻两个绕组槽口的外径端之间设置有通油孔，其通油孔位置处于定子齿部的中线上，在定子轭部也占有一定区域，这样会影响磁力线的走向，削弱了磁场的流通性，影响电机扭矩的输出，会使得电机的扭矩减小。中国专利公开号为的CN115566819A文献中公开一种扁线电机，其将最靠近定子的内径侧的导线设计为包括至少两个导体，导体的直径相较于其他层导线的导体的直径更小，因而可以减弱电流通入导体时产生的集肤效应，进而就可以减少额外的交流电阻，达到减轻甚至抑制交流损耗产生的效果，这样既能有效减少交流损耗，又能保障并提升扁线电机的工作效能。
为了提高电机的调速特性，改善气隙磁场，克服永磁磁势难以被弱化的不足，提出“混合励磁”的思想，基于该思想的混合励磁电机是在永磁电机基础上，增设一套励磁绕组，以辅助调节永磁磁场，实现电机气隙磁场灵活调节与控制的一类电机，该类电机在一定程度上解决了电机弱磁困难、恒功率调速区窄的问题，然而该类电机增加了一套励磁绕组，损耗增加，且增加了机械结构的复杂性，导致其在电动汽车应用领域较难推广。
目前，出现一种基于漏磁通调控的永磁电机利用转子漏磁桥的设计，利用q轴电枢磁势控制漏磁桥饱和程度，实现轻载多漏磁、重载无漏磁的效果，从而间接调节气隙磁场，然而由于该电机永磁体漏磁的存在，永磁利用率相对较低。中国专利号为201910676159.8的文献中提出了一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁电机，通过在q轴磁路引入“导磁桥”，引导q轴电流与漏磁通路相交于一处，利用q轴电流对漏磁进行调控，利用“q轴漏磁”与“d轴弱磁”同时调节气隙磁场，拓宽调速范围，但是漏磁的存在降低了转矩输出能力，且由于漏磁桥的存在，电机q轴电感下降，磁阻利用率低，导致电机的铜耗高于传统永磁电机。
由此可见，目前的永磁电机几乎都是针对单一工况的性能要求进行设计改进来满足部分性能需求，然而电机面临的工况复杂多变的，很容易出现爬坡能力不足，调速范围较窄、效率低等问题，因此，目前的永磁电机难以满足车用驱动电机所需的多工况要求。
发明内容
本发明的目的是为解决上述现有技术的足，为满足永磁扁线电机在高速范围内的弱磁能力和低速范围内的高输出转矩能力而提出一种主辅磁通分区的宽调速永磁扁线驱动电机及该电机的磁开关设计方法，以获得更宽的调速范围，保证在轻载情况下具有较高的转矩密度。
为了实现上述目的，本发明一种宽调速永磁扁线驱动电机采用的技术方案是：
转子位于定子内部，转子上沿圆周方向均匀布置若干个结构相同的永磁体磁障单元，每个永磁体磁障单元均由第一永磁体、第二永磁体、辅助永磁体、隔磁磁障和聚磁磁障组成，第一永磁体和第二永磁体呈开口朝向外侧的V形布置且在内端处不接触，第二永磁体和辅助永磁体呈开口朝向内侧的V形布置且在外端处相接触，第一永磁体、第二永磁体和辅助永磁体的结构均是矩形，矩形的长度方向是沿V形两个边的长度方向且与q轴、d轴分别都呈夹角，第一永磁体与第二永磁体分别位于q轴的两侧；
在d轴位置处的以相邻的两个永磁体磁障单元的辅助永磁体和第一永磁体的一部分以及基间的区域形成磁开关区域，磁开关区域以d轴对称；
第一永磁体和第二永磁体的内端共同连接一个隔磁磁障，隔磁磁障位于第一永磁体和第二永磁体之间，隔磁磁障的内端填充第一永磁体和第二永磁体的内端之间的间隙；
第二永磁体与辅助永磁体的外端共同连接聚磁磁障，聚磁磁障位于第二永磁体与辅助永磁体的外侧；
每个永磁体磁障单元中的第一永磁体、第二永磁体和辅助永磁体的充磁方向均是沿永磁体的宽度方向，第一永磁体与第二永磁体由内侧向外侧是按S极至N极充磁，辅助永磁体由外侧向内侧按S极至N极充磁，相邻的两个永磁体磁障单元中的同类形永磁体的充磁方向相反。
进一步地，第一永磁体的内端与q轴相交，与转子中心之间的最小距离为O2＝0.64O1～0.68O1，O1是转子外径；第一永磁体的长度为ωl，第二永磁体的长度为ω2，辅助永磁体的长度为ωf，ωl>ω2>ωf，ωl＝0.28O1～0.31O1，第一永磁体的宽度为hl，第二永磁体宽度为h2，辅助永磁体的宽度为hf，hl<h2+hf，hl＝0.14ωl～0.18ωl。
更进一步地，隔磁磁障由内外相折的连续两段组成，第一折段的长度是b1＝0.07O1～0.09O1，第二折段的长度为ωas，第二折段外端与转子外表面之间的距离为b2＝0.07O1～0.09O1，两折段的宽度相同均为has，hl<h2+has。
本发明所述的宽调速永磁扁线驱动电机的磁开关的设计方法采用的技术方案是包括：
基于传统永磁电机，去掉两个呈V形布置的永磁体在靠近气隙侧的磁障；
保持永磁体总用量一致，由第二永磁体分化出辅助永磁体5，q轴磁通路径由气隙穿过转子两极之间；
辅助永磁体内端和第一永磁体外端之间的最短距离小于辅助永磁体与气隙之间的距离，
在第二永磁体与辅助永磁体之间设置聚磁磁障，第一永磁体与第二永磁体之间设置隔磁磁障；
永磁转矩Tm和磁阻转矩Tr设计为：
Figure BDA0004162856270000031
α为永磁磁链与d轴之间的夹角，β为定子电流与q轴之间的夹角。
进一步地，第一永磁体、隔磁磁障、聚磁磁障三者的外端位置为
Figure BDA0004162856270000032
θlap为第一永磁体外端与隔磁磁障外端之间的弧距，θap为第一永磁体外端与聚磁磁障外端之间的弧距，θrap为隔磁磁障外端与聚磁磁障外端之间的弧距。
进一步地，第一永磁体、第二永磁体与隔磁磁障满足：
Figure BDA0004162856270000033
has为隔磁磁障的宽度，hl为第一永磁体的宽度，h2为第二永磁体的宽度，ωl为第一永磁体的长度，ω2为第二永磁体的长度。
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：
1、弱磁控制是通过减小磁通的方法来提升转速，对于永磁电机来说，永磁体产生的气隙磁场无法直接调节，只能通过施加去磁电流id产生与永磁磁势相反的电枢磁势来削弱气隙磁场。但永磁体一般放置在d轴上，d轴磁阻较大，若需抵消相同的永磁磁链，则所需的d轴电流更大，本发明电机设计主辅磁通分区，利用两个不同区域的磁阻变化达到减小d轴磁阻，增大d轴电感的目的，不仅可以减小所需的去磁电流，还可以提高电机调速范围。
2、当电机处于重载爬坡工况时，永磁体的自漏磁显著降低，磁开关区域磁通饱和，可变磁阻增大，d轴磁链增大，提供转矩输出能力；在高速巡航区时，q轴电流减小，磁开关区域磁通不饱和，可变磁阻减小，d轴磁链减小，满足电机多工况需求。
3、本发明电机由于采用单一励磁源实现了气隙磁场可变的优势，不需要增加额外的电励磁绕组，也不需要额外引入能在线调磁的低矫顽力永磁材料，结构紧凑，便于制造加工，并且避免额外的损耗，有利于提升电机的效率。
4、本发明电机独特的永磁体摆放及充磁方式，使得电机磁场分布不对称，转子磁势大，气隙磁场强，使得最大永磁转矩与磁阻转矩相位角差值相接近，转矩提高，满足电机低速重载区需求。
5、本发明根据多工况需求，突破传统设计，引入磁开关理念，以控制漏磁通为手段，设计漏磁通与q轴磁通平行，从而提高q轴电感以及电机高速区的带载能力，实现低速重载时高转矩输出；高速巡航时漏磁增多，提高弱磁扩速能力的多目标需求。
6、本发明电机在q轴不增设导磁桥的情况下，不仅可以实现漏磁可变特性，而且增强了电机高速下的机械强度。
附图说明
下面根据附图和具体实施方式对本发明作进一步详细分析；
图1是本发明一种宽调速永磁扁线驱动电机的径向截面结构示意图；
图2是转子局部结构及几何尺寸标注放大示意图；
图3是转子局部结构及弧距尺寸标注放大示意图；
图4是本发明宽调速永磁扁线电机永磁体充磁方向；
图5是传统永磁电机的一个永磁体单元的布置结构以及磁势示意图；
图6是本发明磁开关设计时形成极间漏磁示意图；
图7是本发明磁开关设计时添加磁障控制q轴磁通与漏磁通路径汇合示意图；
图8是本发明磁开关设计时的漏磁通路径与q轴磁通路径方向一致的示意图；
图9是本发明磁开关设计时的无效漏磁路径示意图；
图10是本发明磁开关设计时的磁通路径二的示意图；
图11是本发明磁开关设计时的磁通路径三的示意图；
图12是本发明磁开关设计时的电机dq轴坐标中的矢量示意图；
图13是本发明电机在空载运行状态时漏磁情况图；
图14是本发明电机在q轴电流0.25运行工况时漏磁情况图；
图15是本发明电机在q轴电流0.5运行工况时漏磁情况图；
图16是本发明电机在q轴电流0.75运行工况时漏磁情况图；
图17是本发明电机在最大负载状态运行工况时漏磁情况图；
图18是本发明永磁扁线驱动电机运行过程中形成的磁路图；
图19是传统永磁电机的调速能力图；
图20是本发明永磁扁线驱动电机的调速能力图；
图21是传统永磁电机的转矩能力图；
图22是本发明永磁扁线驱动电机的转矩能力图。
图中，1.定子；2.转子；3.主磁通永磁体；4.辅磁通永磁体；5.辅助永磁体；6.隔磁磁障；7.聚磁磁障；8.转轴；9.定子齿；10.定子轭；11.定子绕组；12.磁开关区域。
具体实施方式
参见图1，本发明一种宽调速永磁扁线电机，包括定子1和转子2，其中转子2位于定子1内部，定子1与转子2之间设置有一层气隙，定子1与转子2同轴；转子2的中心用于安放转轴8，定子1和转子2均由相等厚度的硅钢片叠压而成，转轴8是由非导磁材料组成。定子1包括定子齿9、定子轭10及定子绕组11，相邻两个定子齿9间是定子槽，定子槽的槽型为矩形槽，定子绕组11为扁线结构，层数为8。
在转子2上沿圆周方向均匀布置若干个独立的永磁体磁障单元，每个永磁体磁障单元的结构完全相同。参见图2和图3所示，每个永磁体磁障单元由三个永磁体和两个磁障组成，即由第一永磁体3、第二永磁体4、辅助永磁体5、隔磁磁障6和聚磁磁障7组成。第一永磁体3和第二永磁体4呈V形布置，V形的开口朝向外侧，且第一永磁体3和第二永磁体4在内端处不接触，之间留有间隙，也就是在V形的底部尖处在内侧且不接触。第二永磁体4和辅助永磁体5也呈V形布置，但V形的开口朝向内侧，第二永磁体4和辅助永磁体5两者在外端处相接触，也就是V形的底部尖处在外侧且相接触。第一永磁体3、第二永磁体4和辅助永磁体5这三个永磁体的结构均是矩形，矩形的长度方向分别均是沿V形的两个边的长度方向；而且这三个永磁体与q轴、d轴分别都呈一定的夹角。d轴在相邻的两个永磁体磁障单元的中间，本发明在d轴位置处，以相邻的两个永磁体磁障单元的辅助永磁体5和第一永磁体3的一部分以及之间的区域形成磁开关区域12，磁开关区域12是以d轴对称的区域，磁开关区域12包含辅助永磁体5和第一永磁体3的一部分以及在两者之间的转子部分。
第一永磁体3与第二永磁体4分别位于q轴的两侧，其中第一永磁体3的内端与q轴相交，位于q轴上。
第一永磁体3的内端与转子2的中心O之间的最小距离为O2，O2与转子2的外径O1的约束关系是O2＝0.64O1～0.68O1；
第一永磁体3的长度为ωl，第二永磁体4的长度为ω2，辅助永磁体5的长度为ωf，需要满足的约束关系为ωl>ω2>ωf。第一永磁体3的长度ωl与转子外径O1的约束关系为ωl＝0.28O1～0.31O1。第一永磁体3的宽度为hl，第二永磁体4宽度为h2，辅助永磁体5的宽度为hf，需要满足的约束关系为hl<h2+hf。第一永磁体3的宽度hl与其长度ωl的约束关系是hl＝0.14ωl～0.18ωl。
第一永磁体3和第二永磁体4的内端共同连接一个隔磁磁障6，隔磁磁障6整体位于第一永磁体3和第二永磁体4之间。隔磁磁障6由内外相折的连续两段组成，内侧是第一折段，外侧是第二折段，两段的长度方向都是沿内外的方向，第一折段的内端填充了第一永磁体3和第二永磁体4的内端之间的间隙。第一折段的内端与转子中心O之间的最小距离为O2，第一折段的长度是b1，b1与转子外径O1的约束关系为b1＝0.07O1～0.09O1。第二折段是向第二永磁体4的方向偏折，第二折段的长度为ωas，第二折段外端与转子2外表面之间的距离为b2，b2与转子外径O1之间的约束关系为b2＝0.07O1～0.09O1。隔磁磁障6两折段的宽度相同均为has，has与第一永磁体3之间的约束关系为hl<h2+has。
在第二永磁体4与辅助永磁体5的外端处的外侧共同连接聚磁磁障7，聚磁磁障7整体位于第二永磁体4与辅助永磁体5的外侧，聚磁磁障7向气隙侧延伸，并且聚磁磁障7延伸时的走向是向隔磁磁障6方向靠近，聚磁磁障7与转子2外表面之间的距离为b3，b3的取值为b3＝0.5mm。
参见图3，第一永磁体3外端与隔磁磁障6外端之间的弧距为θlap，第一永磁体3外端与聚磁磁障7外端之间的弧距为θap，隔磁磁障6外端与聚磁磁障7外端之间的弧距为θrap，需要满足的约束关系为θap＝θlap+θrap，θlap>θap/2>θrap。第一永磁体3与q轴垂直线之间的夹角为θl，辅助永磁体5与q轴垂直线之间的夹角为θf，需要满足的约束关系为0<θf≤θl，0.14π<θl<0.22π。
图3中，属于磁开关区域12，辅助永磁体5内端和第一永磁体3外端之间的最短距离是b4，辅助永磁体5内端距离转子外表面的距离是b5，需要满足的约束关系为b4<b5。
参见图4，每个的永磁体磁障单元中的第一永磁体3、第二永磁体4和辅助永磁体5的充磁方向均是沿永磁体的宽度方向充磁，其中，第一永磁体3与第二永磁体4由内侧向外侧是按S极至N极充磁，而辅助永磁体5则是由外侧向内侧按S极至N极充磁。相邻的两个永磁体磁障单元中的同类形永磁体的充磁方向相反，采用交替充磁方式。
第一永磁体3、第二永磁体4和辅助永磁体5材料为钕铁硼；隔磁磁障6与聚磁磁障7材料为空气磁障；定子1与转子2的材料均为无取向硅钢片。
根据本发明电机的结构，对于磁开关区域12的设计，要在q轴磁路设置辅助永磁体，引导电机形成自漏磁，则电机磁通被分为两个主要部分，漏磁与有效磁通；引导电机形成自漏磁的途径主要是：设计磁通路径与磁开关区域12的宽度b4，使得相邻永磁体优先形成自漏磁而非漏磁串联支路。其具体步骤为：
步骤一，参见图5所示的传统永磁电机的一个永磁体单元的结构以及磁势，一个永磁体单元由两个呈V形布置的永磁体，V形开口朝外。传统的永磁电机为了充分利用永磁磁势，在永磁体的两端设置了磁障，为了减少漏磁，靠近气隙侧的磁障设计的无限接近气隙，在转矩提高的同时，也阻挡了d轴去磁磁通的路径，为弱磁升速带来了极大的不便。
本发明基于传统永磁电机弱磁升速的问题，参见图6，将传统永磁电机靠近气隙侧的磁障去掉，为d轴去磁磁通提供路径，同时在两极之间形成极间漏磁，可利用q轴电流控制漏磁的多少进而满足电机需求。
参见图7，通过添加磁障，控制q轴磁通与漏磁通路径汇合，引导q轴磁通路径，由于空气磁障的存在，q轴电感降低。电机在高速巡航区时，q轴电感小，会降低电机高速区的带载能力，同时，在d轴电感恒定的条件下，q轴电感小，则无法充分利用磁阻转矩，导致电机峰值转矩输出能力低，无法满足电机重载区的转矩需求。可参见公式(1)所示的电机的电磁转矩Te，为永磁转矩和磁阻转矩两个部分，其中d、q轴电感Ld和Lq的差值会影响磁阻转矩的大小：
Figure BDA0004162856270000071
式中，Te、Tm、Tr为分别为电磁转矩、永磁转矩和磁阻转矩；p为电机极对数；ψfd、ψfq分别为电机d、q轴磁链；Ld、Lq分别为电机d、q轴电感；id、iq分别为定子电流的d、q轴分量；
因此，本发明突破该设计理念，在保持永磁体总用量一致的情况下，设置了辅助永磁体5，即在q轴不增设导磁桥的情况下，设计q轴磁通路径由气隙穿过转子两极之间，提高q轴电感，从而提高电机的转矩输出能力。同时，参见图8所示，在磁开关区域12，磁通路径一，即漏磁通路径，与q轴磁通路径方向一致，都是由气隙向转子铁芯，共同调控着汇合区域的饱和程度，以满足漏磁可控，从而满足电机多工况需求。辅助永磁体5是由第二永磁体4分化而来，因要保持永磁体用量一致，所以形成倾斜V型的第一、第二永磁体腔3、4，此时，第二永磁体4与辅助永磁体5均沿永磁体宽度方向充磁，不同的是，这两个永磁体的充磁方向相反。
若要形成磁通路径一：第一永磁体3与辅助永磁体5的自漏磁不是两个永磁体之间的串联支路，则根据最小磁阻原理，磁通会选择磁阻较小的路径，因此辅助永磁体5与第一永磁体3之间的距离，即磁开关区域12的宽度b4要小于辅助永磁体5内端距离转子外表面的距离b5，即b4<b5。这样，磁通才不会选择进入定子与绕组匝链，因为进入定子的磁路长度大于形成自漏磁的路径长度，相应的形成自漏磁的磁阻就会小于进入定子的磁阻。
步骤二，参见图9，第二永磁体4与辅助永磁体5之间形成了无效漏磁路径，磁开关区域12中的辅助永磁体5优先与第一永磁体3形成串联支路，为了减少无效漏磁的存在，同时为了使第一永磁体3与辅助永磁体5自漏磁增多，形成磁开关效果，在第二永磁体4与辅助永磁体5之间设置聚磁磁障7，参见图10，根据最小磁阻原理，由于空气磁障的磁阻远远大于硅钢片，电机磁路发生变化，第二永磁体4和辅助永磁体5进入定子1与绕组11匝链，形成磁通路径二，且辅助永磁体5的自漏磁增多。
步骤三，参见图11，通过在第一永磁体3与第二永磁体4之间设计隔磁磁障6，引导电机磁通走向。隔磁磁障6的添加，会增加第一永磁体3与辅助永磁体5之间的串联支路的磁阻，因此辅助永磁体5由于串联支路磁阻增加，会优先形成自漏磁，同时第一永磁体3与相邻磁极的第一永磁体3形成磁通路径三，进入定子与绕组匝链。
步骤四，因漏磁的存在势必会影响转矩输出能力，为了满足电机重载区的转矩需求，需要进一步提高转矩。第一永磁体3与第二永磁体4的V型的转子本身固有的会带来磁场偏移效应，减小最大磁阻转矩与永磁转矩之间的电流角度差，进而提高电机总转矩。因此，基于本发明电机结构的特点，引入非对称磁场偏移设计，参见图12，则将公式(1)中的永磁转矩Tm和磁阻转矩Tr表示为：
Figure BDA0004162856270000081
式中，α为永磁磁链与d轴之间的夹角，β为定子电流与q轴之间的夹角。
从公式(2)可以进一步验证，若要提高电机转矩输出能力，可以通过减小最大磁阻转矩与永磁转矩之间的电流角度差实现。
因此，参见图2和图3，为了实现不对称的磁场分布，对于V型的第一永磁体3、隔磁磁障6、聚磁磁障7三者的外端位置的极弧和弧距应满足以下公式：
Figure BDA0004162856270000091
式中，θlap为第一永磁体3外端与隔磁磁障6外端之间的弧距，θap为第一永磁体3外端与聚磁磁障7外端之间的弧距，θrap为隔磁磁障6外端与聚磁磁障7外端之间的弧距。
第一永磁体3、第二永磁体4的厚度与隔磁磁障6之间的关系以及永磁体之间的长度应该满足的关系为：
Figure BDA0004162856270000092
式中，has为隔磁磁障6的宽度，hl为第一永磁体3的宽度，h2为第二永磁体4的宽度，ωl为第一永磁体3的长度，ω2为第二永磁体4的长度。
在电机运行时，磁开关区域12利用磁通对某区域的饱和程度进行控制，以此控制该区域磁通路径的“开、关”。在需要磁通大量存在时，“磁开关”利用磁通使该区域饱和程度降低，为磁通提供路径；在不需要磁通存在时，“磁开关”控制该区域磁通饱和，将路径关断。
进一步，参见电机实例，基于电机多种工况需求，图13-图17给出本发明电机不同的运行工况，图13为电机的空载状态，存在大量漏磁。参见图14，图15，图16，图中p.u代表标幺值，随着q轴电流的增大，磁开关区域12的饱和程度增加，漏磁减少。参见图17的电机最大负载状态，电机重载运行时，往往需要大的d轴电流和小的漏磁通来保证转矩输出能力。从图17中可以看出，q轴电流产生的磁通在磁开关区域12形成完全饱和，封堵了漏磁路径，磁开关区域自漏磁消失，全部由d轴经过气隙进入定子与电枢绕组匝链产生转矩，满足电动汽车低速重载区需求。
本发明电机在运行过程中主要形成三个磁路路径，参见图18，磁通路径一是漏磁路径为第一永磁体3的自漏磁以及辅助永磁体5的自漏磁。磁通路径二是辅磁通路径：第二永磁体4—气隙—定子齿12—定子轭13—定子齿12—气隙—辅助永磁体5—第二永磁体4；磁通路径三为主磁通路径：第一永磁体3—气隙—定子齿12—定子轭13—定子齿12—气隙—相邻极的第一永磁体3—第一永磁体3。
参见图19-图22，将传统内置式永磁扁线电机与本发明进行对比。对传统电机和本发明电机采用相同的控制方法，通过有限元仿真，得到两个电机的转矩与调速范围曲线。由图19-图20可以看出，由于本发明电机的不对称磁场分布，本发明电机最大永磁转矩与磁阻转矩电流角差值小于传统永磁电机，总转矩提高。由图21-图22可以看出，在电机恒转矩区，本发明电机与传统永磁电机输出相同的转矩，由于本发明电机磁开关区域12的存在，本发明电机调速范围相较于传统永磁电机具有明显的优势。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种宽调速永磁扁线驱动电机，转子位于定子内部，其特征是：
转子上沿圆周方向均匀布置若干个结构相同的永磁体磁障单元，每个永磁体磁障单元均由第一、第二永磁体(3、4)、辅助永磁体(5)、隔磁磁障(6)和聚磁磁障(7)组成，第一、第二永磁体(3、4)呈开口朝向外侧的V形布置且在内端处不接触，第二永磁体(4)和辅助永磁体(5)呈开口朝向内侧的V形布置且在外端处相接触，第一永磁体(3)、第二永磁体(4)和辅助永磁体(5)的结构均是矩形，矩形的长度方向是沿V形两个边的长度方向且与q轴、d轴分别都呈夹角，第一、第二永磁体(3、4)分别位于q轴的两侧；
在d轴位置处的以相邻的两个永磁体磁障单元的辅助永磁体(5)和第一永磁体(3)的一部分以及基间的区域形成磁开关区域(12)，磁开关区域(12)以d轴对称；
第一、第二永磁体(3、4)的内端共同连接一个隔磁磁障(6)，隔磁磁障(6)位于第第一、第二永磁体(3、4)之间，隔磁磁障(6)的内端填充第一、第二永磁体(3、4)的内端之间的间隙；
第二永磁体(4)与辅助永磁体(5)的外端共同连接聚磁磁障(7)，聚磁磁障(7)位于第二永磁体(4)与辅助永磁体(5)的外侧；
每个永磁体磁障单元中的第一、第二永磁体(3、4)和辅助永磁体(5)的充磁方向均是沿永磁体的宽度方向，第一、第二永磁体(3、4)由内侧向外侧是按S极至N极充磁，辅助永磁体(5)由外侧向内侧按S极至N极充磁，相邻的两个永磁体磁障单元中的同类形永磁体的充磁方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种宽调速永磁扁线驱动电机，其特征是：第一永磁体(3)的内端与q轴相交，与转子中心之间的最小距离为O2＝0.64O1～0.68O1，O1是转子外径；第一永磁体(3)的长度为ωl，第二永磁体(4)的长度为ω2，辅助永磁体(5)的长度为ωf，ωl>ω2>ωf，ωl＝0.28O1～0.31O1，第一永磁体(3)的宽度为hl，第二永磁体(4)宽度为h2，辅助永磁体5的宽度为hf，hl<h2+hf，hl＝0.14ωl～0.18ωl。
3.根据权利要求2所述的一种宽调速永磁扁线驱动电机，其特征是：隔磁磁障(6)由内外相折的连续两段组成，第一折段的长度是b1＝0.07O1～0.09O1，第二折段的长度为ωas，第二折段外端与转子外表面之间的距离为b2＝0.07O1～0.09O1，两折段的宽度相同均为has，hl<h2+has。
4.根据权利要求2所述的一种宽调速永磁扁线驱动电机，其特征是：聚磁磁障(7)与转子外表面之间的距离b3＝0.5mm。
5.根据权利要求2所述的一种宽调速永磁扁线驱动电机，其特征是：第一永磁体(3)外端与隔磁磁障(6)外端之间的弧距为θlap，第一永磁体(3)外端与聚磁磁障(7)外端之间的弧距为θap，隔磁磁障(6)外端与聚磁磁障(7)外端之间的弧距为θrap，θap＝θlap+θrap，θlap>θap/2>θrap。
6.根据权利要求2所述的一种宽调速永磁扁线驱动电机，其特征是：第一永磁体(3)与q轴垂直线之间的夹角为θl，辅助永磁体(5)与q轴垂直线之间的夹角为θf，0<θf≤θl，0.14π<θl<0.22π。
7.根据权利要求2所述的一种宽调速永磁扁线驱动电机，其特征是：辅助永磁体(5)内端距离转子外表面的距离是b5，磁开关区域(12)中的辅助永磁体(5)内端和第一永磁体(3)外端之间的最短距离是b4，b4<b5。
8.一种权利要求1中宽调速永磁扁线驱动电机的磁开关的设计方法，其特征是包括：
基于传统永磁电机，去掉两个呈V形布置的永磁体在靠近气隙侧的磁障；
保持永磁体总用量一致，由第二永磁体(4)分化出辅助永磁体(5)，q轴磁通路径由气隙穿过转子两极之间；
辅助永磁体(5)内端和第一永磁体(3)外端之间的最短距离小于辅助永磁体(5)与气隙之间的距离；
在第二永磁体(4)与辅助永磁体(5)之间设置聚磁磁障(7)，第一永磁体(3)与第二永磁体(4)之间设置隔磁磁障(6)；
永磁转矩Tm和磁阻转矩Tr设计为：
Figure FDA0004162856260000021
α为永磁磁链与d轴之间的夹角，β为定子电流与q轴之间的夹角。
9.根据权利要求8所述的磁开关的设计方法，其特征是：第一永磁体(3)、隔磁磁障(6)、聚磁磁障(7)三者的外端位置为
Figure FDA0004162856260000022
θlap为第一永磁体(3)外端与隔磁磁障(6)外端之间的弧距，θap为第一永磁体(3)外端与聚磁磁障7外端之间的弧距，θrap为隔磁磁障(6)外端与聚磁磁障(7)外端之间的弧距。
10.根据权利要求8所述的磁开关的设计方法，其特征是：第一、第二永磁体(3、4)与隔磁磁障(6)满足
Figure FDA0004162856260000023
ha为隔磁磁障(6)宽度，hl为第一永磁体(3)宽度，h2为第二永磁体(4)宽度，ωl为第一永磁体(3)长度，ω2为第二永磁体(4)长度。
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CN116742856A (zh) * 2023-07-03 2023-09-12 山东理工大学 一种带有圆弧形隔磁障的磁场分布可调电机
CN117040156A (zh) * 2023-07-18 2023-11-10 山东理工大学 具有径向隔磁障的非对称内置永磁电机
CN116742856B (zh) * 2023-07-03 2024-05-31 山东理工大学 一种带有圆弧形隔磁障的磁场分布可调电机

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