CN204559342U - 永磁体分段pwm排列正弦波盘式电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型永磁体分段PWM排列正弦波盘式电机，涉及盘式电机领域，特别涉及一种正弦波盘式永磁同步电机。包括转子盘、定子盘和永磁体，永磁体安装在转子盘上；定子盘安装在两个转子盘之间，转子盘个数比定子盘个数至少多一个，定子盘和转子盘同轴安装，定子盘和转子盘在轴向上交替排列；转子盘上的每极永磁体分段设置，每极下的永磁体段数为奇数，所述转子上每极安装2k+1块永磁体，其中k为大于零的正整数，第k+1块永磁体安装在每极的中心线处，其他2k块永磁体分为两份，对称的安装在第k+1块两边，每边安装k块永磁体，每块永磁体的宽度从中间向边缘逐渐减小，对于中心线对称的两块永磁体宽度一样。分成多段永磁体后，减小定子上的损耗，提高电机运行效率，利于安装工艺的简化。

Description

永磁体分段PWM排列正弦波盘式电机

技术领域

本实用新型永磁体分段PWM排列正弦波盘式电机涉及盘式电机领域，特别涉及一种正弦波盘式永磁同步电机。 

背景技术

在电机领域中，永磁电机由于其结构紧凑、功率密度高，因此一直受到学术界和工业界的持续广泛关注。盘式电机作为永磁电机的一个重要分支，随着永磁材料的发展，特别是高性能钕铁硼永磁材料的出现，得到了进一步的发展。盘式永磁同步电机相比于径向永磁同步电机具有轴向尺寸小，过载能力强等重要特性，因此在一些环境要求较高的场合具有较高的应用价值。

尽管盘式电机具有转矩密度高等特点，但是由于永磁体的存在，在空载和带载下都有比较大的铁心损耗。对于气隙磁密波形谐波含量大的盘式电机（如方波永磁盘式电机），由于气隙磁场含有大量的高次谐波，对于有铁心定子结构，在高速旋转的过程会在定子铁心上产生大量的铁心损耗，从而减小盘式电机的运行效率；对于无铁心定子结构，定子绕组直接裸露在气隙磁场中，因此高速运行，定子绕组会产生涡流损耗，而且涡流损耗与气隙磁密的频率二次方成正比例，到导致高次谐波会带来很大的涡流损耗。因此，在保证功率密度不变的条件下，提高气隙磁密波形正弦度是盘式电机设计优化的一个重要方向。

对于气隙磁密波形的正弦化，从转子结构上优化有不同的方案。无论对于径向永磁同步电机还是盘式电机，通过改变每极下的永磁体的形状，都可以形成较为正弦的气隙磁密。如表贴式永磁同步电机，通过改变每个转子极下的永磁体的极弧系数或改变永磁体弧度都可以实现每个极下的气隙磁场正弦化。专利201010293089.7公开了一种永磁同步电机，尽管其是永磁体内置式转子结构，但转子极采用一种特殊结构，达到气隙磁密正弦的目的。这些方法实际上也带来了永磁体加工难度的增大，同时气隙长度不均匀，会影响到电机的功率密度。专利200910310623.8公开了一种复合结构永磁电机的Halbach阵列外转子，由于采用Halbach阵列结构，因此很容易实现气隙磁密的正弦的化。未授权专利：200510047678.6提出一种基于Halbach阵列的交流盘式无铁心永磁同步电动机，其转子采用的也是是Halbach阵列永磁体结构。需要注意的是，尽管Halbach阵列永磁体应用在永磁电机中具有提高气隙磁场正弦度和磁密幅值等诸多好处，但是，每个极下Halbach阵列的每段永磁体的充磁方向不同，增大了永磁体的加工的难度，同时也带来了在转子上安装困难的诸多问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对盘式电机的不足之处，提供一种永磁体分段PWM排列正弦波盘式电机，依据PWM原理将每极下的永磁体分成若干段并且排列，从而实现气隙磁密波形的正弦化，有利于减小电机气隙磁密的高次谐波，提高气隙磁密的正弦度，从而减小定子上的损耗，提高电机运行效率。

永磁体分段PWM排列正弦波盘式电机时采取以下技术方案实现的：永磁体分段PWM排列正弦波盘式电机包括转子盘、定子盘和永磁体，永磁体安装在转子盘上；定子盘安装在两个转子盘之间，转子盘个数比定子盘个数至少多一个，定子盘和转子盘同轴安装，定子盘和转子盘在轴向上交替排列；转子盘上的每极永磁体分段设置，每极下的永磁体段数为奇数，每段永磁体的宽度根据脉宽调制（PWM）原理来确定。

所述转子上每极安装2k+1块永磁体，其中k为大于零的正整数，第k+1块永磁体安装在每极的中心线处，其他2k块永磁体分为两份，对称的安装在第k+1块两边，每边安装k块永磁体，每块永磁体的宽度从中间向边缘逐渐减小，对于中心线对称的两块永磁体宽度一样； 2k+1块永磁体的宽度是根据脉宽调制原理（PWM）计算得到，其在每极下的安装位置也是按照脉宽调制原理（PWM）计算的比例设计得到的。

所述盘式电机采用无铁心定子结构或有铁心定子结构。

所述转子上的永磁体的厚度根据所需气隙磁密的大小来确定，磁密越大，所需永磁体越厚。

转子上每极的永磁体分成若干段，所分段数不少于3段，每极下的永磁体分段数为3、5、7、9…奇数块数，每极下的永磁体根据该极下永磁体分段数和其所安装的位置共同决定。

为了实现气隙磁场的正弦分布，每极下多段永磁体按照脉宽调制原理安装在转子上，每段的宽度也据此设计，从而达到气隙磁场正弦分布的效果。具体的来讲，转子上每极安装2k+1块永磁体，其中k为大于零的正整数；根据脉宽调制原理，每极下的2k+1块永磁体中第k+1块永磁体安装在每极的中心线处，其他2k块永磁体分为两份，对称安装在第k+1块永磁体中心线的两边，每边安装k块永磁体，每块永磁体的宽度从中间向边缘逐渐减小，相对中心线对称的两块永磁体的宽度一样；2k+1块永磁体的宽度根据脉宽调制原理计算得到，其在每极下的安装位置也是按照脉宽调制原理（PWM）计算的比例设计得到的。脉宽调制原理（PWM）实际上用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波；将正弦半波2k+1等分，然后可看成2k+1个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；最后用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积相等。即，第n块永磁体的安装位置中心点与第n个矩形波脉冲的中心点相同，永磁体宽度等于矩形脉冲的宽度。所述每段永磁体的宽度以及永磁体的位置根据脉宽调制原理确定，计算方法如下：转子每极下分N个永磁体，其中N大于等于3，设定磁状态下永磁体每极的弧长为L，每极下的位置坐标为 ，那么正弦波调制波的表达式设定为；H为大于0的数值；则在这个极下相对应的波形幅值也为H，通过在这个极下相对应的载波与正弦波调制波之间的交点来确定每段永磁体的宽度和位置；每块永磁体的中心线以这个极下相对应的载波与正弦波的交点形成的矩形波的中心线保持一致，宽度即为矩形波的宽度。

上述技术方案主要在于转子上每极永磁体的分段数以及安装位置的确定，从而达到气隙磁场理想的正弦波分布。根据脉宽调制原理（PWM），一般每极下永磁体的分段数为奇数，而且分段数越多气隙磁密的正弦度越高。但是，由于永磁体分段太多，加工难度和永磁体安装工艺也越复杂。另外，每段永磁体块的宽度是根据PWM原理和分段数确定的，不同的永磁体块在一个极下沿圆周方向更具不同位置安装不同宽度的永磁体块。而气隙的磁场密度可以通过每块永磁体的厚度的选取来调整设计保证。

永磁体的厚度通过盘式电机磁路计算获得，根据需要气隙磁场密度的大小设置对应的永磁的厚度，计算方法如下：

气隙磁密幅值： ，

其中为为每块磁极厚度，为转子盘数，为永磁体剩磁密度，为转子盘之间定子区域的轴向空间长度。

本实用新型的盘式永磁电机具有如下突出有益效果：

1)     采用永磁体PWM分段技术，从电机本体上实现了气隙磁场的正弦分布，从而有利于降低电机感应电势的谐波分量，减小电机的谐波损耗。

2)     由于采用了每极下永磁体分段技术，从而降低了永磁体的涡流损耗，减小转子上永磁体的温度，降低永磁体高温退磁风险，提高电机效率。

3)     采用分段永磁体，每极永磁体厚度相同有利于加工设计；同时分成多段永磁体后，永磁体的安装相互之间的磁场斥力会减小，从而有利于安装工艺的简化。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1是本实用新型的排列永磁正弦波盘式无铁心电机电气部件结构示意图；

图2是本实用新型实施例每极下分三段永磁体的转子结构示意图；

图3是本实用新型实施例每极下分五段永磁体的转子结构示意图；

图4是本实用新型实施例每极下分三段永磁体的三角载波波形图；

图5是本实用新型实施例每极下分五段永磁体的三角载波波形图；

图中：1、盘式定子电枢绕组，2、转子轭，3、永磁体。

具体实施方式

参照附图1~4，本实用新型永磁体分段PWM排列正弦波盘式电机包括转子盘、定子盘和永磁体，永磁体安装在转子盘上；定子盘安装在两个转子盘之间，转子盘个数比定子盘个数至少多一个，定子盘和转子盘同轴安装，定子盘和转子盘在轴向上交替排列；转子盘上的每极永磁体分段设置，每极下的永磁体段数为奇数，每段永磁体的宽度根据脉宽调制（PWM）原理来确定。

所述转子上每极安装2k+1块永磁体，其中k为大于零的正整数，第k+1块永磁体安装在每极的中心线处，其他2k块永磁体分为两份，对称的安装在第k+1块两边，每边安装k块永磁体，每块永磁体的宽度从中间向边缘逐渐减小，对于中心线对称的两块永磁体宽度一样； 2k+1块永磁体的宽度是根据脉宽调制原理（PWM）计算得到，其在每极下的安装位置也是按照脉宽调制原理（PWM）计算的比例设计得到的。

所述盘式电机采用无铁心定子结构或有铁心定子结构。

所述转子上的永磁体的厚度根据所需气隙磁密的大小来确定，磁密越大，所需永磁体越厚。

如图1所示，本实用新型解决了一种生成正弦波气隙磁场的转子结构，如图2和图3所示为本实用新型的正弦波盘式电机的转子结构，其转子都是为2对极结构，每极下分别分成三段永磁体和四段永磁体，一个极下的每块永磁体的宽度是根据脉宽调制技术PWM原理计算得到的。脉宽调制技术的基本原理是将一个正弦波可以通过等面积原理等效成多个等幅不等宽的矩形波。

以上论述转子上的永磁体在每个极下的位置和宽度需要满足一定关系，是依据PWM原理来确定的，下面将具体举例说明如何确定永磁体的安装位置、宽度和厚度。

参照图2所示的转子结构，每极下分三个永磁体，设定磁状态下永磁体每极的弧长为L，每极下的位置坐标为，那么如图4所示正弦波调制波的表达式可以设定为：

；

H可以设定为1等任意大于0的数值。

三角波载波的幅值也为H，在一个极下的波形由每极下的永磁体的分段数确定，图4中所示为三段下的三角载波。通过三角载波与正弦波调制波之间的交点来确定每段永磁体的宽度和位置，由图4中下面的三个矩形波可以计算得到每极下面永磁体分段的安装位置和宽度；每块永磁体的中心线以三角载波与正弦波的交点形成的矩形波的中心线保持一致，宽度即为矩形波的宽度。而永磁体的厚度可以通过盘式电机磁路计算获得，需要气隙磁场密度多大设置对应的永磁的厚度。需要注意的一点，也可以通过保持上述三角波载波幅值不变，调整正弦波的幅值，使其幅值减小，这样即可相应的减小永磁体的宽度，从而来减小气磁磁场的磁密。

同理可得，如图3所示每极下的永磁体分为五段，其分段位置和宽度可以按照图5计算获得。依此原理，每极下永磁体分为7段、9段、… 的位置和宽度的计算方法类似。 

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (2)

1.一种永磁体分段PWM排列正弦波盘式电机，其特征在于，包括转子盘、定子盘和永磁体，永磁体安装在转子盘上；定子盘安装在两个转子盘之间，转子盘个数比定子盘个数至少多一个，定子盘和转子盘同轴安装，定子盘和转子盘在轴向上交替排列；转子盘上的每极永磁体分段设置，每极下的永磁体段数为奇数；

所述转子上每极安装2k+1块永磁体，其中k为大于零的正整数，第k+1块永磁体安装在每极的中心线处，其他2k块永磁体分为两份，对称的安装在第k+1块两边，每边安装k块永磁体，每块永磁体的宽度从中间向边缘逐渐减小，对于中心线对称的两块永磁体宽度一样。

2.根据权利要求1所述的永磁体分段PWM排列正弦波盘式电机，其特征在于：所述盘式电机采用无铁心定子结构或有铁心定子结构。