采用Halbach永磁阵列的绕组分离型无轴承同步磁阻电机制造技术

本发明专利技术公开了一种采用Halbach永磁阵列的绕组分离型无轴承同步磁阻电机，包括定子和转子；该定子上设置有由交流电独立控制的交流绕组包括电枢绕组和可根据需要作为交流励磁使用来调节电机的励磁磁场亦可作为交流电枢使用来提供电机的功率输入的励磁绕组，且该定子交替分布有电枢齿和励磁齿；电枢绕组位于电枢齿上，励磁绕组位于励磁齿上；该转子包括转子铁心、磁障和位于磁障内部的Halbach永磁阵列；励磁绕组内叠加有以实现转子悬浮的直流电流。通过将电枢绕组/功率绕组和励磁绕组相分离，实现了电枢电流和励磁电流的分离，从根本上解决了功率因数低的问题，并且为实现电机的转子悬浮功能提供了可能。

Winding separated bearingless synchronous reluctance motor using Halbach permanent magnet array

The invention discloses a method for using Halbach permanent magnet array separation type winding bearingless synchronous reluctance motor, including a stator and a rotor; the stator is provided by the independent control of the alternating current AC winding comprises an armature winding and can be used as AC excitation excitation magnetic field can also adjust the electric machine to use as AC armature excitation winding provide input power of the motor, and the stator armature and excitation have alternate distribution gear teeth; the armature winding on the armature teeth, teeth in field winding excitation; the rotor includes a rotor core, magnetic barrier and Halbach in magnetic barrier inside the permanent magnet array; excitation winding superimposed DC current to realize rotor suspension the. The armature winding / power winding and excitation winding phase separation, to achieve the separation of the armature current and exciting current, fundamentally solve the problem of low power factor, and provides the possibility to realize the function of motor rotor suspension.

【技术实现步骤摘要】
采用Halbach永磁阵列的绕组分离型无轴承同步磁阻电机
本专利技术涉及一种同步磁阻永磁电机结构技术，属于电机设计相关

技术介绍
能源危机及环境污染问题的日益严重使得电动汽车的研究收到广泛重视。采用稀土材料的内嵌式转子永磁电机凭借高功率和转矩密度、高效率、较宽的恒功率运行范围，在电动汽车领域中获得了广泛应用。但由于稀土永磁材料价格昂贵，资源有限，且生产制造过程中对环境有较大影响。故研究和开发少稀土/无稀土永磁驱动电机及系统具有重要的理论意义和应用价值。而同步磁阻电机凭借其可以不使用或仅使用少量廉价永磁体的优势，被认为是一种极具工业潜力的少稀土/无稀土电机。为解决纯同步磁阻电机因为需要较大的励磁电流这一问题，将永磁体嵌入转子磁障以提供永磁励磁的方案应运而生，为了降低成本，一般不使用稀土永磁材料，电机的电磁转矩主要来源于磁阻转矩。目前同步磁阻电机的设计目标主要集中于增大转矩密度、削弱转矩脉动、提高功率因数、提高永磁体抗去磁能力四个方面。针对以上四个设计目标的电机拓扑结构和优化设计方法，电机设计人员提出了多种新结构，可以归结为对磁障结构的优化和对永磁体结构的优化。然而，这些新结构只是针对转子侧进行改良设计，而未对电机定子结构进行创新设计。仅对转子结构进行改良设计对提高电机的电磁性能有限，尤其是未能从根本上解决功率因数和凸极率低的问题。
技术实现思路
技术问题：为克服现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提出一种新型的同步磁阻永磁电机结构，通过将电枢绕组/功率绕组和励磁绕组相分离，实现了电枢电流和励磁电流的分离，从根本上解决了功率因数低的问题，并且为实现电机的转子悬浮功能提供了可能。另外，通过采用Halbach永磁阵列，利用该永磁阵列所特有的磁场定向聚积和发散作用，提高了电机的凸极率和永磁体的抗去磁能力。技术方案：本专利技术公开了一种采用Halbach永磁阵列的绕组分离型无轴承同步磁阻电机，其特征在于，包括定子和转子；该定子上设置有由交流电独立控制的交流绕组包括电枢绕组和可根据需要作为交流励磁使用来调节电机的励磁磁场亦可作为交流电枢使用来提供电机的功率输入的励磁绕组，且该定子交替分布有电枢齿和励磁齿；电枢绕组位于电枢齿上，励磁绕组位于励磁齿上；该转子包括转子铁心、磁障和位于磁障内部的Halbach永磁阵列；励磁绕组内叠加有以实现转子悬浮的直流电流。将电机绕组分为多相电枢绕组和多相励磁绕组，实现了电枢电流和励磁电流相分离的效果，提高了电机的功率因数和效率。该多相励磁绕组中同时通入直流电流，实现转子在垂直方向上的悬浮功能和在水平方向上位置的调节。该多相交流励磁绕组在需要增磁和弱磁时作为交流励磁绕组使用，在无需调磁时作为冗余电枢绕组，与主电枢绕组正常运行；当永磁体发生不可逆退磁时，该多相绕组可以作为励磁绕组，提供气隙磁场，维持电机输出功率；在主电枢绕组故障时，该套绕组作为热备份电枢绕组运行，实现故障下容错运行。另一方面，转子采用Halbach永磁阵列励磁，提高了电机的凸极率，进而提高了电磁转矩输出和永磁体利用率，并使得靠近磁障边缘的永磁体具有更强的抗去磁能力。进一步的，电枢绕组和励磁绕组采用集中式绕组。进一步的，励磁绕组和电枢绕组槽面积比例由所述电枢齿和励磁齿大小决定，电枢齿和励磁齿大小不同，可以增加气隙磁密谐波含量，降低定位力矩，当与Halbach永磁阵列相配合时，可以进一步提高电机的凸极率。进一步的，该定转子可灵活设置为外定子/内转子或者外转子/内定子结构，磁场方向可灵活设置为轴向磁场或横向磁场结构。进一步的，该电机可作纯发电、纯电动或发电-电动组合运行。有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：第一，本专利技术通过分离绕组的方式，将其中一套绕组兼做交流励磁绕组和冗余电枢绕组之用。通过励磁电流调节电机的气隙磁场，既可以增磁以产生较大的起动转矩，又可弱磁来实现宽调速范围，从根本上解决了同步磁阻永磁电机功率因数低的问题。另一方面提高了电机的容错能力，在永磁体发生不可逆退磁时，提供气隙磁场，使电机持续运行；而在电枢绕组故障时或需要增大功率时，作热备份电枢绕组运行。将励磁和电枢线圈分开控制，降低了控制的难度。第二，本专利技术通过令电枢齿和励磁齿大小不同，通过优化设计，可以通过削弱气隙磁密谐波含量，进而减小电机转矩脉动和反电势谐波含量，同时提高了电机设计的灵活性。第三，本专利技术的励磁绕组中通入直流电，即在励磁电流中叠加直流分量，以实现转子的悬浮功能，和在水平方向上的位置调节。第四，由于本专利技术在转子直角边缘磁障内嵌入Halbach永磁阵列，相比于已有的整块永磁体以及普通的分块永磁体和磁障结构，可提高电机的凸极率和电磁转矩，以及永磁利用率，并且可以改善电机的转子饱和程度和功率因数。第五，本专利技术中电枢齿和励磁齿大小不同的组合形式，可以和转子Halbach永磁阵列所特有的聚磁效应相配合，进一步提高电机凸极率，改善功率因数和转矩输出能力。第六，本专利技术采用Halbach永磁阵列，可以使得永磁体具有更强的抗去磁能力。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；其中：定子(1)，电枢绕组(1.1)，励磁绕组(1.2)，电枢齿(1.3)，励磁齿(1.4)，转子2，转子铁心(2.1)，磁障(2.2)，Halbach永磁阵列(2.3)。具体实施方式图1所示的本实施例的一种采用Halbach永磁阵列的绕组分离型无轴承同步磁阻电机，从拓扑结构上分为定子1和转子2；该定子1上设置有电枢绕组1.1和励磁绕组1.2，电枢绕组1.1和励磁绕组1.2均为交流绕组，分别通过交流电独立控制。励磁绕组1.2可根据需要作交流励磁使用，亦可作交流电枢使用，该定子1交替分布有电枢齿1.3和励磁齿1.4；电枢绕组1.1以集中绕组的形式套在电枢齿1.3上，励磁绕组1.2以集中绕组的形式套在励磁齿1.4上；电枢齿1.3和励磁齿1.4的大小可根据实际需要灵活调整，励磁绕组1.2和电枢绕组1.1槽面积比例由电枢齿1.3和励磁齿1.4大小决定，电枢齿和励磁齿大小不同，可以增加气隙磁密谐波含量，降低定位力矩，当与Halbach永磁阵列相配合时，可以进一步提高电机的凸极率。该转子2包括转子铁心2.1、磁障2.2和位于磁障2.2内部的Halbach永磁阵列2.3；励磁绕组1.2内叠加有以实现转子悬浮的直流电流，即在电枢绕组1.1和励磁绕组1.2中通入交流电流的同时，励磁绕组1.2中通入直流分量，用以实现转子在垂直方向上的悬浮功能和水平方向上的位置调节将电机绕组分为多相电枢绕组和多相励磁绕组，实现了电枢电流和励磁电流相分离的效果，提高了电机的功率因数和效率。且在励磁绕组1.2中叠加通入直流电流，实现转子在垂直方向上的悬浮功能和在水平方向上位置的调节。该励磁绕组1.2在需要增磁和弱磁时作为交流励磁绕组使用，在无需调磁时作为冗余电枢绕组，与电枢绕组1.1正常运行；当永磁体发生不可逆退磁时，该励磁绕组1.2提供气隙磁场，维持电机输出功率；在电枢绕组1.1故障时，该励磁绕组1.2作为热备份电枢绕组运行，实现故障下容错运行。本实施例的Halbach永磁阵列可采用铁氧体、钐钴、钕铁硼材料制成。具体的，本实施例的定子1采用24槽，三相电枢绕组和三相交流励磁绕组间隔绕在电枢齿1.3和励磁齿1.4上，每相分别由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用Halbach永磁阵列的绕组分离型无轴承同步磁阻电机，其特征在于，包括定子(1)和转子(2)；所述定子(1)上设置有由交流电独立控制的交流绕组包括电枢绕组(1.1)和可根据需要作为交流励磁使用来调节电机的励磁磁场亦可作为交流电枢使用来提供电机的功率输入的励磁绕组(1.2)，该定子(1)交替分布有电枢齿(1.3)和励磁齿(1.4)；所述电枢绕组(1.1)位于电枢齿(1.3)上，所述励磁绕组(1.2)位于励磁齿(1.4)上；所述转子(2)包括转子铁心(2.1)、磁障(2.2)和位于磁障(2.2)内部的Halbach永磁阵列(2.3)；所述励磁绕组(1.2)内叠加有以实现转子悬浮的直流电流。

【技术特征摘要】
1.一种采用Halbach永磁阵列的绕组分离型无轴承同步磁阻电机，其特征在于，包括定子(1)和转子(2)；所述定子(1)上设置有由交流电独立控制的交流绕组包括电枢绕组(1.1)和可根据需要作为交流励磁使用来调节电机的励磁磁场亦可作为交流电枢使用来提供电机的功率输入的励磁绕组(1.2)，该定子(1)交替分布有电枢齿(1.3)和励磁齿(1.4)；所述电枢绕组(1.1)位于电枢齿(1.3)上，所述励磁绕组(1.2)位于励磁齿(1.4)上；所述转子(2)包括转子铁心(2.1)、磁障(2.2)和位于磁障(2.2)内部的Halbach永磁阵列(2.3)；所述励磁绕组(1.2)内叠加有以实现转子悬浮的直流电流。2.根据权利要求1所述的一种采用Halbach永磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：张淦，吴旭东，花为，程明，徐小涵，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32