本發(fā)明涉及一種高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機(jī)，屬于永磁同步電機(jī)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著永磁體材料性能的不斷提高，永磁同步電機(jī)得到了快速發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用到航空航天、醫(yī)療機(jī)械、工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防建設(shè)等眾多領(lǐng)域當(dāng)中。與傳統(tǒng)電勵(lì)磁同步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)由于采用永磁體勵(lì)磁，不僅結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，且無(wú)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁損耗，效率比電勵(lì)磁同步電機(jī)要高，更加節(jié)能環(huán)保，具有廣闊的發(fā)展前景，成為人們研究的熱點(diǎn)。但由于采用永磁體勵(lì)磁，永磁同步電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)，對(duì)于轉(zhuǎn)速范圍較寬的應(yīng)用場(chǎng)合，其高速性能受到一定限制。

為了解決上述問(wèn)題，受他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)磁控制啟發(fā)，學(xué)者們提出了永磁同步電機(jī)的弱磁控制方法。該方法在永磁同步電機(jī)端電壓達(dá)到逆變器輸出電壓極限時(shí)，通過(guò)增加電樞直軸去磁電流分量i_d來(lái)減小電機(jī)內(nèi)的磁通，以維持電壓平衡，達(dá)到“弱磁”效果。但為了保證電樞電流不超過(guò)電機(jī)的額定值，在增加直軸去磁電流分量i_d的同時(shí)，需要相應(yīng)減小交軸電流分量i_q，輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)有所下降，電機(jī)將運(yùn)行在恒功率區(qū)域內(nèi)。同時(shí)，弱磁控制方法的效果與直軸電抗X_d密切相關(guān)，X_d越大則相同直軸去磁電流對(duì)氣隙磁場(chǎng)的削弱效果越好，目前多用于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)中。而表貼式永磁同步電機(jī)由于永磁體位于轉(zhuǎn)子表面，一方面使得電機(jī)氣隙較大，直軸電抗X_d越較小，難以獲得較好的弱磁效果；另一方面永磁體易受電樞直軸去磁電流的影響發(fā)生不可逆退磁，導(dǎo)致弱磁控制在表貼式永磁同步電機(jī)中的應(yīng)用受到一定限制，難以適應(yīng)寬轉(zhuǎn)速范圍的應(yīng)用場(chǎng)合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述表貼式永磁同步電機(jī)在弱磁性能上的不足，本發(fā)明通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)表貼式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提供一種高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機(jī)。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案

本發(fā)明提供一種高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機(jī)，包括定子鐵心、三相電樞繞組、轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心與定子鐵心之間存在氣隙。轉(zhuǎn)子鐵心的表面設(shè)置有轉(zhuǎn)子磁極，在轉(zhuǎn)子磁極的直軸方向設(shè)置了一定寬度的扇形鐵心塊作為轉(zhuǎn)子鐵心凸極。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，每極磁極由分段式Halbach陣列永磁體組成。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，每極磁極中分段式Halbach陣列永磁體尺寸相同。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，每塊永磁體所占的極弧系數(shù)α_PM為：

式中，α_Fe為轉(zhuǎn)子鐵心凸極的極弧系數(shù)，N_H為每極Halbach陣列永磁體的永磁體塊數(shù)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，每塊永磁體所占弧度角θ_PM為：

式中，p為永磁同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，每塊永磁體的充磁角度為：

式中，為極坐標(biāo)系下以任一轉(zhuǎn)子鐵心凸極的中心線位置為起始位置、逆時(shí)針?lè)较虻趇塊永磁體的充磁角度，θ_i為第i塊永磁體中心線的位置角，p為永磁同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，扇形鐵心塊的寬度根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)需求確定，扇形鐵心塊的寬度越寬，電機(jī)的弱磁效果越好。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明提出的高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機(jī)，工藝簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)；通過(guò)增加轉(zhuǎn)子鐵心凸極提高直軸電抗，給電樞去磁磁場(chǎng)提供通路，增強(qiáng)電樞電流的弱磁效果，避免永磁體在弱磁磁場(chǎng)下發(fā)生不可逆退磁故障；每極磁極均采用分段式Halbach陣列結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化氣隙磁場(chǎng)分布，減小轉(zhuǎn)子鐵心凸極效應(yīng)帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問(wèn)題，有效改善表貼式永磁同步電機(jī)的弱磁擴(kuò)速性能。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所描述的一種4極12槽內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機(jī)；

圖2為圖1中轉(zhuǎn)子Halbach陣列永磁體充磁角度示意圖；

圖3為圖1中四分之一電機(jī)的磁通路徑示意圖；

圖4為本發(fā)明所描述的一種4極12槽外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機(jī)；

圖5為圖4中轉(zhuǎn)子Halbach陣列永磁體充磁角度示意圖；

圖6為圖4中四分之一電機(jī)的磁通路徑示意圖。

圖中，1-定子鐵心，2-三相電樞繞組，3-氣隙，4-轉(zhuǎn)子鐵心，5-分段式Halbach陣列永磁體磁極。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機(jī)，包括定子鐵心、三相電樞繞組、轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心與定子鐵心之間存在氣隙。轉(zhuǎn)子鐵心的表面設(shè)置有轉(zhuǎn)子磁極，在轉(zhuǎn)子磁極的中間位置(即直軸方向)設(shè)置了一定寬度的扇形鐵心塊(即轉(zhuǎn)子鐵心凸極)，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)凸極特性，一方面使得直軸電抗X_d大于交軸電抗X_q，有利于增強(qiáng)電樞電流的弱磁效果；另一方面轉(zhuǎn)子鐵心凸極的聚磁作用可避免電樞去磁磁場(chǎng)通過(guò)永磁體，保護(hù)永磁體在強(qiáng)去磁磁場(chǎng)下不發(fā)生退磁。扇形鐵心塊的寬度根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)需求確定，扇形鐵心塊的寬度越寬，電機(jī)的弱磁效果越好。每極磁極由分段式Halbach陣列永磁體組成，以改善永磁同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)分布，減小由于轉(zhuǎn)子鐵心凸極效應(yīng)帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)過(guò)大問(wèn)題。

轉(zhuǎn)子磁極中采用的分段式Halbach陣列永磁體尺寸相同，每塊永磁體所占的極弧系數(shù)α_PM為：α_Fe為轉(zhuǎn)子鐵心凸極的極弧系數(shù)，N_H為每極Halbach陣列永磁體的永磁體塊數(shù)。每塊扇形永磁體所占弧度角θ_PM為：p為永磁同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。在極坐標(biāo)系下，以任一轉(zhuǎn)子鐵心凸極的中心線位置(即直軸)為起始位置(θ＝0°)，以逆時(shí)針?lè)较驅(qū)﹄姍C(jī)的每塊永磁體進(jìn)行依次標(biāo)號(hào)，則第i塊Halbach陣列永磁體的充磁角度為θ_i為第i塊永磁體中心線的位置角，其中，“+”用于外轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)，而“-”用于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施例一：

本實(shí)施例所述的一種內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括外定子鐵心、三相電樞繞組、氣隙、內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心以及分段式Halbach陣列永磁體磁極等部分。

本實(shí)施例中，電機(jī)定子槽數(shù)為12，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)p為2，每極磁極由5塊尺寸相同的永磁體組成，轉(zhuǎn)子鐵心凸極所占角度為10°(即極弧系數(shù)α_Fe為0.11)，則每塊永磁體所占角度為16°，其極弧系數(shù)為0.178。

根據(jù)永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心凸極尺寸，可計(jì)算出每塊永磁體的位置角以及其對(duì)應(yīng)的充磁角度，如表1所示。

表1 實(shí)施例一中永磁體位置角與充磁角度

在本實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)表1，轉(zhuǎn)子Halbach陣列永磁體位置和充磁方式如圖2所示，電機(jī)一極下的磁通如圖3所示。由圖可以看出，電機(jī)的勵(lì)磁主磁通路徑由Halbach陣列永磁體提供，其路徑為永磁體—?dú)庀丁ㄗ育X部—定子軛部—定子齒部—?dú)庀丁来朋w。由于轉(zhuǎn)子鐵心存在凸極，在永磁體邊緣存在少許漏磁通，其路徑為永磁體—?dú)庀丁D(zhuǎn)子鐵心凸極—轉(zhuǎn)子軛部—永磁體。此外，由于轉(zhuǎn)子鐵心凸極位于直軸，因此直軸去磁磁場(chǎng)可以通過(guò)凸極進(jìn)入轉(zhuǎn)子鐵心，其路徑為定子軛部—定子齒部—?dú)庀丁D(zhuǎn)子鐵心凸極—轉(zhuǎn)子軛部—轉(zhuǎn)子鐵心凸極—?dú)庀丁ㄗ育X部—定子軛部。且勵(lì)磁主磁通與電樞去磁磁通方向相反，兩者在氣隙中相互抵消，削弱氣隙磁場(chǎng)，有利于電機(jī)進(jìn)行弱磁擴(kuò)速。

具體實(shí)施例二：

本實(shí)施例所述的一種外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其包括內(nèi)定子鐵心、三相電樞繞組、氣隙、外轉(zhuǎn)子鐵心以及分段式Halbach陣列永磁體磁極等部分。

與實(shí)施例一相同，本實(shí)施例中電機(jī)定子槽數(shù)為12，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為2，每極磁極由5塊尺寸相同的永磁體組成，轉(zhuǎn)子凸極所占角度為10°(即極弧系數(shù)α_Fe為0.11)，則每塊永磁體所占角度為16°，其極弧系數(shù)為0.178。

根據(jù)永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心凸極尺寸，可計(jì)算出每塊永磁體的位置角以及其對(duì)應(yīng)的充磁角度，如表2所示。

表2 實(shí)施例二中永磁體位置角與充磁角度

在本實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)表2，轉(zhuǎn)子Halbach陣列永磁體位置和充磁方式如圖5所示，電機(jī)一極下的磁通如圖6所示。由圖6可以看到，與內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)相似，外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)同時(shí)存在勵(lì)磁主磁通、漏磁通和電樞去磁磁通，其路徑與內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相同。但同時(shí)，由于兩個(gè)實(shí)施例的電機(jī)結(jié)構(gòu)不同，Halbach陣列永磁體的充磁角度也應(yīng)不同，才能使電機(jī)產(chǎn)生合理的磁通路徑，達(dá)到使永磁同步電機(jī)弱磁擴(kuò)速的目的。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。