基于磁场偏移原理的组合磁极型永磁同步电机及方法技术

基于磁场偏移原理的组合磁极型永磁同步电机及方法，属于永磁电机领域，本发明专利技术为解决现有内置式永磁同步电机的永磁、磁阻转矩最大值对应电流角的差值较大，电机无法同时输出设计的永磁转矩和磁阻转矩最大值的问题。本发明专利技术在转子铁心上每极以d轴为对称轴内嵌布置有n层d轴方向永磁体槽，d轴方向永磁体槽两侧端部各开有一个q轴方向永磁体槽，所述q轴方向永磁体槽延伸至转子铁心表面，n个d轴方向永磁体槽与位于其端部的个q轴方向永磁体槽连通，槽均沿轴向贯穿整个电机，d轴方向永磁体放置于d轴方向永磁体槽内，q轴方向永磁体放置于q轴方向永磁体槽内；d轴方向永磁体的磁场与两端部对称的q轴方向永磁体的磁场通过合成实现磁场偏移。移。移。

【技术实现步骤摘要】
基于磁场偏移原理的组合磁极型永磁同步电机及方法


[0001]本专利技术涉及一种基于磁场偏移原理的组合磁极型永磁同步电机拓扑结构，属于永磁电机领域。

技术介绍

[0002]永磁同步电机因为具有高功率密度、转矩密度、效率的特点被广泛应用在交通电气化等工业领域中，但随着新能源领域交通运输设备的不断发展，对电机的转矩转速范围提出了更高的需求。此时内置式永磁同步电机由于其调速范围宽、能够利用磁阻转矩、机械强度较高等优势更多的被作为电动汽车用核心动力部件；其电枢d轴电感远大于同等规格的表贴式永磁同步电机，所以可通过弱磁控制策略大幅提升电机的转速范围；且由于其永磁体安放在转子铁心内部的永磁体槽中，机械强度和安全可靠性优于采用粘接固定的表贴式磁体，可以输出更高转速和更大转矩；通过合理的设计转子磁路结构可以提升电机的磁阻转矩从而进一步提高电机的转矩密度。但现有的内置式永磁同步电机由于永磁转矩和磁阻转矩各自峰值对应的电流角相差45
°
，无法同时输出设计的永磁转矩和磁阻转矩最大值，存在转矩浪费的问题。磁场偏移原理是通过电机拓扑结构的特殊设计实现电机永磁磁链和电感间的角度偏移，体现在转矩特性中为减小永磁、磁阻转矩峰值点的电流角差值从而提高电机的输出转矩。有些学者提出利用不对称的转子结构实现磁场偏移效应，但这会导致转子动平衡难保证、加工装配复杂、磁阻转矩峰值受影响等问题。
[0003]因此，针对以上不足，需要提供一种对称结构的可实现磁场偏移效应的电机拓扑结构以减小磁阻转矩和永磁转矩对应电流角的差值，是进一步提升驱动电机转矩密度等性能的研究重点。

技术实现思路

[0004]针对现有内置式永磁同步电机的永磁、磁阻转矩最大值对应电流角的差值较大，电机无法同时输出设计的永磁转矩和磁阻转矩最大值的问题，本专利技术提供一种基于磁场偏移原理的组合磁极型永磁同步电机及方法。该结构通过两个具有正交方向磁场的永磁体组协同合成电机转子永磁磁场，从而实现电机磁链和电感分布相对位置关系的灵活调节；在不采用复杂拓扑、不增加额外材料用量的情况下增加电机的输出转矩。
[0005]本专利技术所述基于磁场偏移原理的组合磁极型永磁同步电机，包括定子铁心1、定子绕组2、转子铁心3和转轴8；电枢绕组2设置在定子铁心1上，转子铁心3固定在转轴8上，并位于定子铁心1内部；
[0006]在转子铁心3上每极以d轴为对称轴内嵌布置有n层d轴方向永磁体槽4，其开槽由d轴轴线两侧靠近转子铁心3表面的两端直至d轴轴线上近圆心方向连通，d轴方向永磁体槽4两侧端部各开有一个q轴方向永磁体槽6，所述q轴方向永磁体槽6延伸至转子铁心3表面，n个d轴方向永磁体槽4与位于其端部的2个q轴方向永磁体槽6连通，n个d轴方向永磁体槽4和2n个q轴方向永磁体槽6均沿轴向贯穿整个电机，d轴方向永磁体5放置于d轴方向永磁体槽4
内，q轴方向永磁体7放置于q轴方向永磁体槽6内，n取2～5之间；
[0007]d轴方向永磁体5的磁场与两端部对称的q轴方向永磁体7的磁场通过合成实现磁场偏移。
[0008]优选地，d轴方向永磁体槽4为一字型、V型或U型结构，当d轴方向永磁体槽4为一字型时，每个d轴方向永磁体槽4内嵌入一个d轴方向永磁体5；当d轴方向永磁体槽4为V型时，以d轴轴线为对称轴，每个d轴方向永磁体槽4中对称放置两个d轴方向永磁体5；当d轴方向永磁体槽4为U型时，每个d轴方向永磁体槽4内嵌入两个或三个d轴方向永磁体5，若嵌入两个d轴方向永磁体5，其在每个d轴方向永磁体槽4中两侧对称放置；若嵌入三个d轴方向永磁体5，除了在每个d轴方向永磁体槽4中两侧对称放置外，在底侧再嵌入一块d轴方向永磁体5；
[0009]q轴方向永磁体槽6为一字型、V型或U型结构，当q轴方向永磁体槽6为一字型时，每个q轴方向永磁体槽6内嵌入一个q轴方向永磁体7；当q轴方向永磁体槽6为V型时，每个q轴方向永磁体槽6中两侧对称放置两个q轴方向永磁体7；当q轴方向永磁体槽6为U型时，每个q轴方向永磁体槽6内嵌入两个或三个q轴方向永磁体7，若嵌入两个q轴方向永磁体7，其在每个q轴方向永磁体槽6中两侧对称放置；若嵌入三个q轴方向永磁体7，除了在每个q轴方向永磁体槽6中两侧对称放置外，在底侧再嵌入一块q轴方向永磁体7。
[0010]优选地，充磁方向是否相同的规则为：充磁后永磁体产生的磁通是否同时由转子进入气隙或由气隙进入转子；
[0011]d轴方向永磁体5的充磁方向垂直于d轴方向永磁体5的长边，每极下d轴方向永磁体5的充磁方向相同，相邻极的d轴方向永磁体5的充磁方向相反；
[0012]q轴方向永磁体7的充磁方向垂直于q轴方向永磁体7的长边；每极下的所有q轴方向永磁体7以d轴轴线为界均分为两组，其中转子旋转方向侧的一组q轴方向永磁体7的充磁方向与该极下d轴方向永磁体5相同，转子旋转方向对侧的一组q轴方向永磁体7的充磁方向与该极下d轴方向永磁体5相反；相邻极的两组相邻的q轴方向永磁体7的充磁方向相同。
[0013]优选地，q轴方向永磁体槽6为一字型时，q轴方向永磁体7靠近转子铁心3表面侧不布置磁桥，q轴方向永磁体槽6为V型或U型结构时，q轴方向永磁体7靠近转子铁心3表面侧布置磁桥。
[0014]本专利技术还提供另一个技术方案，电机的磁场偏移方法，本方法基于所述基于磁场偏移原理的组合磁极型永磁同步电机实现，该方法为：
[0015]d轴方向永磁体共同产生d轴磁场，q轴方向永磁体共同产生q轴磁场，d轴磁场与q轴磁场为正交方向；
[0016]两组永磁体产生的d、q轴磁场的合成实现了电机转子磁场的偏移，通过调整d、q轴磁场的幅值大小关系来控制合成磁场的方向，以使电机具备不同程度的磁场偏移能力，进而提高电机的电磁转矩；
[0017]通过设计各参数调节电机的磁场偏移角度β，以表征偏移能力：
[0018][0019]式中：
[0020]b
di
为各d轴磁场下最靠近圆心方向一层的第j个d轴方向永磁体5的永磁体工作点，b
qi
为各q轴磁场下第i个q轴方向永磁体7的永磁体工作点，B
dj
为各d轴磁场下最靠近圆心方向一层的第j个d轴方向永磁体5的饱和磁密，B
qi
为各q轴磁场下第i个q轴方向永磁体7的饱和磁密，W
dj
为各d轴磁场下最靠近圆心方向一层的第j个d轴方向永磁体5的宽度，W
qi
为各q轴磁场下第i个q轴方向永磁体7的宽度，n
d
为各d轴磁场下最靠近圆心方向一层的永磁体个数，当d轴方向永磁体槽4为一字型时，n
d
为1；当d轴方向永磁体槽4为V型时，n
d
为2；当d轴方向永磁体槽4为U型结构时，n
d
为2或3；
[0021]电机电磁转矩T
e
在磁场偏移角度β作用下提升为：
[0022]T
e
＝T
pp
cos(α+β
‑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于磁场偏移原理的组合磁极型永磁同步电机，包括定子铁心(1)、定子绕组(2)、转子铁心(3)和转轴(8)；电枢绕组(2)设置在定子铁心(1)上，转子铁心(3)固定在转轴(8)上，并位于定子铁心(1)内部；其特征在于，在转子铁心(3)上每极以d轴为对称轴内嵌布置有n层d轴方向永磁体槽(4)，其开槽由d轴轴线两侧靠近转子铁心(3)表面的两端直至d轴轴线上近圆心方向连通，d轴方向永磁体槽(4)两侧端部各开有一个q轴方向永磁体槽(6)，所述q轴方向永磁体槽(6)延伸至转子铁心(3)表面，n个d轴方向永磁体槽(4)与位于其端部的2个q轴方向永磁体槽(6)连通，n个d轴方向永磁体槽(4)和2n个q轴方向永磁体槽(6)均沿轴向贯穿整个电机，d轴方向永磁体(5)放置于d轴方向永磁体槽(4)内，q轴方向永磁体(7)放置于q轴方向永磁体槽(6)内，n取2～5之间；d轴方向永磁体(5)的磁场与两端部对称的q轴方向永磁体(7)的磁场通过合成实现磁场偏移。2.根据权利要求1所述基于磁场偏移原理的组合磁极型永磁同步电机，其特征在于，d轴方向永磁体槽(4)为一字型、V型或U型结构，当d轴方向永磁体槽(4)为一字型时，每个d轴方向永磁体槽(4)内嵌入一个d轴方向永磁体(5)；当d轴方向永磁体槽(4)为V型时，以d轴轴线为对称轴，每个d轴方向永磁体槽(4)中对称放置两个d轴方向永磁体(5)；当d轴方向永磁体槽(4)为U型时，每个d轴方向永磁体槽(4)内嵌入两个或三个d轴方向永磁体(5)，若嵌入两个d轴方向永磁体(5)，其在每个d轴方向永磁体槽(4)中两侧对称放置；若嵌入三个d轴方向永磁体(5)，除了在每个d轴方向永磁体槽(4)中两侧对称放置外，在底侧再嵌入一块d轴方向永磁体(5)；q轴方向永磁体槽(6)为一字型、V型或U型结构，当q轴方向永磁体槽(6)为一字型时，每个q轴方向永磁体槽(6)内嵌入一个q轴方向永磁体(7)；当q轴方向永磁体槽(6)为V型时，每个q轴方向永磁体槽(6)中两侧对称放置两个q轴方向永磁体(7)；当q轴方向永磁体槽(6)为U型时，每个q轴方向永磁体槽(6)内嵌入两个或三个q轴方向永磁体(7)，若嵌入两个q轴方向永磁体(7)，其在每个q轴方向永磁体槽(6)中两侧对称放置；若嵌入三个q轴方向永磁体(7)，除了在每个q轴方向永磁体槽(6)中两侧对称放置外，在底侧再嵌入一块q轴方向永磁体(7)。3.根据权利要求2所述基于磁场偏移原理的组合磁极型永磁同步电机，其特征在于，充磁方向是否相同的规则为：充磁后永磁体产生的磁通是否同时由转子进入气隙或由气隙进入转子；d轴方向永磁体(5)的充磁方向垂直于d轴方向永磁体(5)的长边，每极下d轴方向永磁体(5)的充磁方向相同，相邻极的d轴方向永磁体(5)的充磁方向相反；q轴方向永磁体(7)的充磁方向垂直于q轴方向永磁体(7)的长边；每极下的所有q轴方向永磁体(7)以d轴轴线为界均分为两组，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑萍，梁晓宇，王铭浩，李万铨，刘蔚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：