【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种磁阻转矩与永磁转矩在相同电流角下达到峰值的多层磁障式永磁同步电机，属于永磁同步电机领域。
技术介绍
1、稀土永磁电机具有转矩密度高和效率高的优点，被广泛应用于新能源汽车、航空航天、机器人等领域，其性能直接影响到能源的利用效率和碳排放。据统计，我国目前电机系统总容量超过4亿千瓦，耗能约占国内总用电量的60％，提高电机效率可大幅节约用电量。但稀土永磁材料成本较高，且在近些年价格波动较大，在这种背景下，研究在不增加稀土永磁材料使用的条件下增加扭矩的新型永磁电机成为热点。
2、永磁电机的电磁转矩通常由磁阻转矩和永磁转矩构成，传统永磁电机的设计中，磁阻转矩与永磁转矩幅值对应的电流相位角相差45°，因此电磁转矩达到最大值时，磁阻转矩和永磁转矩不能同时达到最大，没有充分发挥电机性能，造成一定性能浪费。
技术实现思路
1、针对现有永磁电机的磁阻转矩和永磁转矩无法同时达到最大值，导致不能实现二者幅值叠加来增加电磁转矩的问题，本专利技术提供一种磁场偏移式多层磁障永磁同步电机及设计方法。
2、本专利技术所述磁场偏移式多层磁障永磁同步电机，包括定子、转子和轴4，转子固定于轴4上，且位于定子内部，定子和转子之间存在径向间隙；
3、转子包括转子铁心3、多个永磁体2和径向隔磁磁障7；
4、转子铁心3每极下设置一组沿轴向贯通的磁铁槽组，磁铁槽组包括至少两层沿转子径向间隔开布置的磁铁槽1，每个磁铁槽1包括磁铁插入槽和隔磁槽，磁铁插入槽沿垂直于转子d轴
5、磁铁槽组被径向隔磁磁障7均分为对称两部分，分别为永磁半极和磁障半极，永磁体2插入永磁半极部分的磁铁插入槽中；磁障半极部分的磁铁插入槽空置；相邻两极的永磁体充磁方向相反；
6、每极下磁场偏移设置使得永磁转矩滞后，实现磁阻转矩与永磁转矩在幅值处叠加。
7、优选地，定子包括定子铁心6和定子绕组5，定子铁心6内圆侧设置定子齿槽，定子绕组5沿周向均布于定子齿槽内。
8、优选地，磁铁槽组包括沿转子径向间隔开布置的第一磁铁槽11和第二磁铁槽12，第一磁铁槽11位于第二磁铁槽12的外侧，第一磁铁槽11包括第一磁铁插入槽和第一隔磁槽，所述第二磁铁槽12包括第二磁铁插入槽和第二隔磁槽。
9、优选地，永磁体2包括第一永磁体21和第二永磁体22，第一永磁体21和第二永磁体22分别插入永磁半极的两层磁铁插入槽中。
10、优选地，径向隔磁磁障7位于磁铁槽组中间位置，径向隔磁磁障7沿转子d轴方向延伸，径向隔磁磁障7将磁铁槽1均分为两部分，径向隔磁磁障7与磁铁槽1的两部分不连通。
11、本专利技术还提供另一种技术方案，磁场偏移式多层磁障永磁同步电机的设计方法，该方法基于所述磁场偏移式多层磁障永磁同步电机实现，该方法包括以下步骤：
12、s1、建立电机中永磁半极的简化磁路模型，第一永磁体21等效为串联的第一等效磁动势fpm1和第一永磁磁阻rpm1，第二永磁体22等效为串联的第二等效磁动势fpm2和第二永磁磁阻rpm2，定转子之间的径向间隙按磁路分为两段，靠近第一永磁体21为第一段气隙，另一段气隙为第二段气隙，第一段气隙的磁阻为rg1，通过第一段气隙的磁通为φg1，第二段气隙的磁阻为rg2，通过第二段气隙的磁通为φg2；
13、s2、对磁场偏移式多层磁障永磁同步电机的磁密进行傅里叶分解，获取基波分量的傅里叶系数a1、b1与电角度的关系式；
14、s3、令a1＝-b1，使得永磁转矩滞后偏移45°，获取磁密幅值的比值h1h2与电角度的关系式；
15、s4、根据磁路模型计算磁密幅值h1、h2与电机结构和材料参数的关系式，进而获取磁密幅值的比值h1h2与电机结构和材料参数的关系式；
16、s5、结合步骤s3和s4的两个关系式获取电机实现永磁转矩滞后偏移45°时结构和材料参数之间的限制条件。
17、优选地，步骤s2的具体过程为：对磁场偏移式多层磁障永磁同步电机的磁密进行傅里叶分解，周期性的磁密b被分解为正余弦函数的线性组合：
18、
19、其中a0表示一个周期内平均值，an，bn为傅里叶系数，n为谐波次数，θ为电角度；
20、n＝1时基波分量的傅里叶系数a1，b1可按下式获取：
21、
22、
23、上式中，p为电机的极对数；θ1为第一磁铁槽11的磁障机械角度，θ2为第二磁铁槽12的磁障机械角度；
24、h1为经过第二段气隙的磁密大小，按下式获取：
25、
26、式中，r为转子外径；l为轴向长度；
27、h2为经过第一段气隙的磁密大小，按下式获取：
28、
29、优选地，步骤s3的具体过程为：
30、令a1＝-b1，联立公式(2)和公式(3)获取关系式：
31、
32、优选地，步骤s4的具体过程为：
33、根据磁路模型，第二等效磁动势fpm2、第二永磁磁阻rpm2、第一等效磁动势fpm1、第一永磁磁阻rpm1和第一段气隙磁阻rg1依次串联，第二段气隙磁阻rg2并联在第一等效磁动势fpm1、第一永磁磁阻rpm1和第一段气隙磁阻rg1两端；通过第一段和第二段气隙的磁通分别为φg1和φg2；
34、根据基尔霍夫定律存在关系式：
35、fpm1＝(rg1+rpm1)φg1-rg2φg2 (7)
36、fpm2＝rpm2φg1+(rpm2+rg2)φg2 (8)
37、整理为：
38、
39、
40、将公式(9)代入公式(5)，将公式(10)代入公式(4)，并联立获取如下关系式：
41、
42、式中，δ为径向气隙长度；μ0为真空磁导率；μr为永磁体的相对回复磁导率；hpm1和bpm1分别为第一永磁体21的厚度和宽度，hpm2和bpm2分别为第二永磁体22的厚度和宽度。
43、优选地，步骤s5的具体过程为：
44、公式(6)和公式(11)联立获取限定条件：
45、
46、当电机参数满足公式(12)时，电机的永磁转矩滞后偏移45°，进而实现磁阻转矩与永磁转矩在幅值处叠加。
47、本专利技术的有益效果：本专利技术提出了一种新型的磁场偏移式多层磁障永磁同步电机，不同于传统的永磁同步电机，磁场偏移式多层磁障永磁同步电机的磁极在转子槽内不对称安装，在转子槽的对称轴位置设置隔磁磁障，以最大限度实现磁场偏移的目的。不对称的磁极结构使得永磁转矩的矩角特性滞后一定的角度，改变其结构参数可使得滞后的角度发生变化。...
【技术保护点】
1.磁场偏移式多层磁障永磁同步电机，其特征在于，包括定子、转子和轴(4)，转子固定于轴(4)上，且位于定子内部，定子和转子之间存在径向间隙；
2.根据权利要求1所述磁场偏移式多层磁障永磁同步电机，其特征在于，定子包括定子铁心(6)和定子绕组(5)，定子铁心(6)内圆侧设置定子齿槽，定子绕组(5)沿周向均布于定子齿槽内。
3.根据权利要求1所述磁场偏移式多层磁障永磁同步电机，其特征在于，磁铁槽组包括沿转子径向间隔开布置的第一磁铁槽(11)和第二磁铁槽(12)，第一磁铁槽(11)位于第二磁铁槽(12)的外侧，第一磁铁槽(11)包括第一磁铁插入槽和第一隔磁槽，所述第二磁铁槽(12)包括第二磁铁插入槽和第二隔磁槽。
4.根据权利要求3所述磁场偏移式多层磁障永磁同步电机，其特征在于，永磁体(2)包括第一永磁体(21)和第二永磁体(22)，第一永磁体(21)和第二永磁体(22)分别插入永磁半极的两层磁铁插入槽中。
5.根据权利要求1、3或4所述磁场偏移式多层磁障永磁同步电机，其特征在于，径向隔磁磁障(7)位于磁铁槽组中间位置，径向隔磁磁障(7)
6.磁场偏移式多层磁障永磁同步电机的设计方法，该方法基于权利要求5所述磁场偏移式多层磁障永磁同步电机实现，其特征在于，该方法包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述磁场偏移式多层磁障永磁同步电机的设计方法，其特征在于，步骤S2的具体过程为：对磁场偏移式多层磁障永磁同步电机的磁密进行傅里叶分解，周期性的磁密B被分解为正余弦函数的线性组合：
8.根据权利要求7所述磁场偏移式多层磁障永磁同步电机的设计方法，其特征在于，步骤S3的具体过程为：
9.根据权利要求8所述磁场偏移式多层磁障永磁同步电机的设计方法，其特征在于，步骤S4的具体过程为：
10.根据权利要求9所述磁场偏移式多层磁障永磁同步电机的设计方法，其特征在于，步骤S5的具体过程为：
...【技术特征摘要】
1.磁场偏移式多层磁障永磁同步电机，其特征在于，包括定子、转子和轴(4)，转子固定于轴(4)上，且位于定子内部，定子和转子之间存在径向间隙；
2.根据权利要求1所述磁场偏移式多层磁障永磁同步电机，其特征在于，定子包括定子铁心(6)和定子绕组(5)，定子铁心(6)内圆侧设置定子齿槽，定子绕组(5)沿周向均布于定子齿槽内。
3.根据权利要求1所述磁场偏移式多层磁障永磁同步电机，其特征在于，磁铁槽组包括沿转子径向间隔开布置的第一磁铁槽(11)和第二磁铁槽(12)，第一磁铁槽(11)位于第二磁铁槽(12)的外侧，第一磁铁槽(11)包括第一磁铁插入槽和第一隔磁槽，所述第二磁铁槽(12)包括第二磁铁插入槽和第二隔磁槽。
4.根据权利要求3所述磁场偏移式多层磁障永磁同步电机，其特征在于，永磁体(2)包括第一永磁体(21)和第二永磁体(22)，第一永磁体(21)和第二永磁体(22)分别插入永磁半极的两层磁铁插入槽中。
5.根据权利要求1、3或4所述磁场偏移式多...
【专利技术属性】
技术研发人员：王伟男，王硕，赵晓坤，刘一琦，朱良宽，韦坚，
申请(专利权)人：东北林业大学，
类型：发明
国别省市：
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