多模式永磁电机及其最优功率分配控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多模式永磁电机及其最优功率分配控制方法，该电机包括内、外两个定子和一个转子。外定子槽内采用分布式绕组结构，内定子槽内采用集中绕组结构，转子由外侧的开关磁阻转子和内侧的Halbach永磁体阵列构成。外定子和开关磁阻转子构成一个同步磁阻电机，只产生磁阻转矩；内定子和Halbach永磁体构成一个轮毂式Halbach永磁电机，只产生永磁转矩。内、外定子和转子的相互配合，使得电机在永磁转矩和磁阻转矩独立可调，从而实现该电机的三种模式运行：低速区，以轮毂式Halbach永磁电机运行(只使用永磁转矩)；中速区，以内嵌式永磁电机运行(既使用永磁转矩又使用磁阻转矩)；高速区，以同步磁阻电机运行(只使用磁阻转矩)；进而实现电机运行的高效率、宽调速运行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电机
，特指一种多模式永磁电机及其最优功率分配控制方法。
技术介绍
近年来，永磁电机以其高转矩密度、高功率因数和高效率的优势，越来越多的受到电动汽车和混合电动汽车的青睐。内嵌式永磁电机因为其在中高速区具有较高的效率，被广泛的应用于商用电动汽车。近年来，稀土永磁体的价格大幅上涨，为减少永磁体的用量，提出了永磁辅助式同步磁阻电机。与内嵌式永磁电机相比，永磁辅助式同步磁阻电机价格便宜，且其在高速区运行时具有更高的效率，但是在低速区运行时效率较低。此外，轮毂式Halbach永磁电机与内嵌式永磁电机相比在低速区时拥有更高的效率，但是在中高速区的运行效率比内嵌式永磁电机低。总的来说，不同形式的永磁电机只在特定的运行区域内拥有较高的效率，无法在整个运行区域内都保持较高的运行效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服不同形式的永磁电机只能在特定运行区域内保持高效率运行的不足，提出一种多模式永磁电机及其最优功率分配控制方法。本专利技术的装置采用的技术方案是：多模式永磁电机，电机由外定子、内定子和一个转子组成；所述转子可以分为内侧转子和外侧转子；外定子和外侧转子结合成一个同步磁阻电机，内定子和内侧转子结合成一个轮毂式Halbach永磁电机，同步磁阻电机和轮毂式Halbach永磁电机共同作用时构成内嵌式永磁电机；所述多模式永磁电机在低速区，以轮毂式Halbach永磁电机模式运行；中速区，以内嵌式永磁电机模式运行；高速区，以同步磁阻电机模式运行。进一步，所述低速区的工作模式为：由内定子和内侧转子构成的轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，而由外定子和外侧转子构成的同步磁阻电机为随动作用，此时多模式永磁电机只利用永磁转矩，为轮毂式Halbach永磁电机工作模式。所述中速区的工作模式为：由内定子和内侧转子构成的轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，同时由外定子和外侧转子构成的同步磁阻电机也起主动作用，此时多模式永磁电机既利用永磁转矩又利用磁阻转矩，为内嵌式永磁电机工作模式。所述高速区的工作模式为：由外定子和外侧转子构成的同步磁阻电机起主动作用，而由内定子和内侧转子构成的轮毂式Halbach永磁电机起随动作用，此时多模式永磁电机只利用磁阻转矩，为同步磁阻电机工作模式。进一步，所述外定子上采用直槽结构，直槽内绕组为整数槽分布式绕组，外侧转子采用开关磁阻结构，以使得外电机同步磁阻电机只产生磁阻转矩。进一步，所述内定子上采用分数槽集中绕组结构，内侧转子由Halbach永磁体组成，以使得内电机轮毂式Halbach永磁电机只产生永磁转矩。进一步，所述内侧转子采用Halbach永磁体结构排列，Halbach永磁体通过环氧树脂胶黏剂粘结在所述外侧转子的内壁上，组成一个完整的特殊转子结构。进一步，所述内侧转子的Halbach永磁体为铷铁硼稀土永磁材料，Halbach永磁体阵列的每极由一块径向充磁和两块切向充磁永磁体组成，径向充磁永磁体沿转子的圆周径向充磁，切向充磁永磁体充磁方向与径向充磁永磁体充磁方向成90°夹角；每相邻两极中的径向充磁永磁体的充磁方向相反，每相邻两极中的切向充磁永磁体的充磁方向相反。进一步，所述同步磁阻电机和轮毂式Halbach永磁电机共用一个转子，但Halbach永磁阵列的磁通只经过永磁体阵列本身，而不经过开关磁阻结构的轭部，进而同步磁阻电机和轮毂式Halbach永磁电机的磁通相互解耦。进一步，所述外定子上采用整数槽分布式绕组结构的槽极配合需保证q＝S/(2*P*m)为整数；所述内定子上采用分数槽集中绕组的槽极配合应满足S＝2P±2；其中m为电机的相数，S为电机的槽数，P为电机极对数，q为电机的每极每相槽数。本专利技术的方法的技术方案为：进一步，所述多模式永磁电机的最优功率分配控制方法，其特征在于，该方法结合所述多模式永磁电机能够以三种电机模式运行的特点，分三段来来执行，第一段为低速区，第二段为中速区，第三段为高速区；在第一段以永磁转矩为驱动力矩，所述轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，电机的输出功率全部由所述轮毂式Halbach永磁电机提供。在第二段以永磁转矩和磁阻转矩为驱动力矩，所述轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，所述同步磁阻电机也起主动作用，此时电机的输出功率由所述轮毂式Halbach永磁电机和同步磁阻电机共同提供。在第三段以磁阻转矩为驱动力矩，所述同步磁阻电机起主动作用，此时电机的输出功率全部由所述同步磁阻电机提供，且此时所述同步磁阻电机采用恒功率法控制。本专利技术一种多模式永磁电机具有以下效果：1、所述多模式永磁电机是由外电机同步磁阻电机和内电机轮毂式Halbach永磁电机组合而成的一个电机，且外电机同步磁阻电机和内电机轮毂式Halbach永磁电机都适合在高速下运行。当内电机轮毂式Halbach永磁电机单独工作时只产生永磁转矩；外电机同步磁阻电机单独工作时只产生磁阻转矩；当内外两个电机同时作用时，产生的转矩中包含了永磁转矩和磁阻转矩，此时的电机相当于一个内嵌式永磁电机。可以看出，所述多模式永磁电机能够以三种不同的电机模式运行，分别为：a、只产生磁阻转矩的同步磁阻电机，b、只产生永磁转矩的轮毂式Halbach永磁电机，c、同时产生永磁转矩和磁阻转矩的内嵌式永磁同步电机。2、在低速区，只产生永磁转矩的轮毂式Halbach永磁电机具有较高的运行效率；在中速区，能同时产生永磁转矩和磁阻转矩的内嵌式永磁电机具有良好的弱磁能力和较高的运行效率；在高速区，只产生磁阻转矩的同步磁阻电机具有较高的运行效率。与普通单模式电机相比，所述多模式永磁电机能够分别运行在轮毂式Halbach永磁电机模式、内嵌式永磁电机模式和同步磁阻电机模式。因此可以根据上述结论，在低速区，以只产生永磁转矩的内电机轮毂式Halbach永磁电机运行；在中速区，外电机同步磁阻电机和内电机轮毂式Halbach永磁电机同时作用以能够同时产生永磁转矩和磁阻转矩的内嵌式永磁电机模式运行；在高速区，以只产生磁阻转矩的外电机同步磁阻电机运行。所述多模式永磁电机与普通单模式永磁电机相比的优点是：所述多模式永磁电机可以在整个速度范围内一直保持高效率的运行，提高电机的整体运行效率和调速范围。3、Halbach永磁阵列粘贴在外侧转子内壁上，在外侧转子的保护下，其机械强度大大提高，不用担心永磁体的脱落或飞出。采用这种Halbach结构不仅可以提高永磁体的利用率增大电机的功率密度，而且可以减小气隙磁密中的谐波含量提高空载反电势的正弦度。所述多模式永磁电机在考虑Halbach结构上述优点的基础上，利用Halbach结构自屏蔽效应产生的单边磁场，实现了内电机轮毂式Halbach永磁电机和外电机同步磁阻电机的磁路解耦。从而使得所述多模式永磁电机产生的永磁转矩和磁阻转矩独立可调，可以在轮毂式Halbach永磁电机模式、同步磁阻电机模式和内嵌式永磁电机模式独立运行互不影响。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术的转子结构和永磁体磁化方向示意图；图3是内外电机的磁路；图4为反电势仿真结果图；(a)空载时外定子整数槽分布式绕组和内定子分数槽集中绕组反电势；(b)外定子整数槽分布式绕组通入电流时内定子分数槽集中绕组反电势；图5为本专利技术在不同电机模式下运行时输出转矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
多模式永磁电机，其特征在于：电机由外定子(1)、内定子(2)和一个转子组成；所述转子可以分为内侧转子(6)和外侧转子(5)；外定子(1)和外侧转子(5)结合成一个同步磁阻电机，内定子(2)和内侧转子(6)结合成一个轮毂式Halbach永磁电机，同步磁阻电机和轮毂式Halbach永磁电机共同作用时构成内嵌式永磁电机；所述多模式永磁电机在低速区，以轮毂式Halbach永磁电机模式运行；中速区，以内嵌式永磁电机模式运行；高速区，以同步磁阻电机模式运行。

【技术特征摘要】
1.多模式永磁电机，其特征在于：电机由外定子(1)、内定子(2)和一个转子组成；所述转子可以分为内侧转子(6)和外侧转子(5)；外定子(1)和外侧转子(5)结合成一个同步磁阻电机，内定子(2)和内侧转子(6)结合成一个轮毂式Halbach永磁电机，同步磁阻电机和轮毂式Halbach永磁电机共同作用时构成内嵌式永磁电机；所述多模式永磁电机在低速区，以轮毂式Halbach永磁电机模式运行；中速区，以内嵌式永磁电机模式运行；高速区，以同步磁阻电机模式运行。2.根据权利要求1所述的多模式永磁电机，其特征在于，低速区的工作模式为：由内定子(2)和内侧转子(6)构成的轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，而由外定子(1)和外侧转子(5)构成的同步磁阻电机为随动作用，此时多模式永磁电机只利用永磁转矩，为轮毂式Halbach永磁电机工作模式；中速区的工作模式为：由内定子(2)和内侧转子(6)构成的轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，同时由外定子(1)和外侧转子(5)构成的同步磁阻电机也起主动作用，此时多模式永磁电机既利用永磁转矩又利用磁阻转矩，为内嵌式永磁电机工作模式；高速区的工作模式为：由外定子(1)和外侧转子(5)构成的同步磁阻电机起主动作用，而由内定子(2)和内侧转子(6)构成的轮毂式Halbach永磁电机起随动作用，此时多模式永磁电机只利用磁阻转矩，为同步磁阻电机工作模式。3.根据权利要求1所述的多模式永磁电机，其特征在于，所述外定子(1)采用直槽结构，直槽内绕组为整数槽分布式绕组，外侧转子(5)采用开关磁阻结构，以使得外电机同步磁阻电机只产生磁阻转矩。4.根据权利要求1所述的多模式永磁电机，其特征在于，所述内定子(2)上采用分数槽集中绕组结构，内侧转子(6)由Halbach永磁体组成，以使得内电机轮毂式Halbach永磁电机只产生永磁转矩。5.根据权利要求1所述的多模式永磁电机，其特征在于，所述内侧转子(6)采用Halbach永磁体结构排列...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈前，赵文祥，刘国海，林志鹏，徐高红，刘正蒙，郑皓，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32