一種多定子混合磁路永磁同步電機(jī)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多定子混合磁路永磁同步電機(jī)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著永磁材料耐高溫性能的提高和價(jià)格的降低，永磁電機(jī)在國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面得到更為廣泛的應(yīng)用，正向大功率化、高性能化和微型化方向發(fā)展。目前永磁電機(jī)的功率從幾毫瓦到幾千千瓦，應(yīng)用范圍從玩具電機(jī)、工業(yè)應(yīng)用到艦船牽引用的大型永磁電機(jī)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、日常生活、軍事工業(yè)、航空航天的各個(gè)方面得到了廣泛應(yīng)用。
[0003]但是現(xiàn)有永磁同步電機(jī)存在如下缺點(diǎn):
[0004]1、永磁同步電機(jī)由于永磁體磁動(dòng)勢(shì)固定，電機(jī)主磁通不可調(diào)，導(dǎo)致恒功率運(yùn)行范圍窄，調(diào)速范圍不夠?qū)挿骸?br>[0005]2、現(xiàn)有內(nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子永磁體通過(guò)各種組合實(shí)現(xiàn)“聚磁效應(yīng)”，因此轉(zhuǎn)子鐵芯磁極磁密很高，使得其端部存在較大漏磁通，轉(zhuǎn)子漏磁通通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)子的端部或者端蓋閉合，由于永磁體產(chǎn)生的總磁通量一定，端部漏磁通的存在不但使得電機(jī)兩個(gè)端部磁場(chǎng)分布不均勻，而且降低了電機(jī)的有效磁通利用率，從而降低了電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，為克服端部漏磁通的影響，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)常采用overhang結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子鐵芯軸向長(zhǎng)度大于電機(jī)定子鐵芯軸向長(zhǎng)度，但該結(jié)構(gòu)顯著增加了電機(jī)的軸向長(zhǎng)度，進(jìn)而增加了電機(jī)的鐵芯材料用量和制造成本，而且該結(jié)構(gòu)本質(zhì)上沒(méi)有起到抑制端部漏磁通的效果。
[0006]3、現(xiàn)有永磁同步電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，通常只有iq電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，此時(shí)id = O，弱磁運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)轉(zhuǎn)子施加d軸電流，此時(shí)i d在O，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子磁極的去磁作用，由于d軸電流由電機(jī)的功率逆變器產(chǎn)生，因此當(dāng)電機(jī)進(jìn)行弱磁控制時(shí)，會(huì)顯著增大電機(jī)繞組電流的幅值，并大大增加功率逆變器的容量，當(dāng)需要進(jìn)行深度弱磁時(shí)，此時(shí)需要的d軸電流很大，電機(jī)的功角將迅速減小，電機(jī)電流將很快超過(guò)變頻器的容量，因此，對(duì)需要進(jìn)行弱磁擴(kuò)速運(yùn)行的永磁同步電機(jī)，通常需要采取額外的措施和方法進(jìn)行弱磁調(diào)節(jié)，以此減弱每極磁通。
[0007]4、按照弱磁時(shí)d軸磁通經(jīng)過(guò)的路徑不同，現(xiàn)有內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)可以分為兩類(lèi)，其中一類(lèi)，當(dāng)進(jìn)行弱磁控制時(shí)，電樞繞組產(chǎn)生的d軸磁通會(huì)穿過(guò)電機(jī)的永磁體，引起永磁體不可逆退磁，另外一類(lèi)，當(dāng)進(jìn)行弱磁控制時(shí)，電樞繞組產(chǎn)生的d軸磁通不經(jīng)過(guò)永磁體閉合，但d軸電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)迫更多的轉(zhuǎn)子磁通通過(guò)電機(jī)的端部和端蓋閉合，顯著增大了電機(jī)的漏磁通，而且由于電機(jī)端部磁阻通常比氣隙磁阻大得多，因此，弱磁所需要的d軸電流較大，顯著增加了電機(jī)功率逆變器的成本和繞組銅耗。
[0008]5、現(xiàn)有永磁同步電機(jī)通常電樞反電動(dòng)勢(shì)諧波較大，齒槽轉(zhuǎn)矩問(wèn)題突出，帶來(lái)嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，目前通常是采用定子斜槽或者轉(zhuǎn)子斜極的方法來(lái)改善反電動(dòng)勢(shì)諧波并削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，但定子斜槽和轉(zhuǎn)子斜極加工工藝較復(fù)雜，大大增加了制造成本，而且會(huì)一定程度減小電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。
[0009]在這種情況下，尋求一種端部漏磁小，磁通利用率高，正弦度好，渦流損耗小，調(diào)磁功能靈活但功率逆變器容量小的交流永磁同步電機(jī)至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種多定子混合磁路永磁同步電機(jī)及方法，本發(fā)明采用軸向定子和徑向定子的結(jié)構(gòu)方式，使得永磁體產(chǎn)生的徑向磁通和軸向磁通均得到了利用，消除了端部漏磁效應(yīng)，提高了電機(jī)材料利用利用率，減輕了電機(jī)的重量，提高了功率密度，而且能夠靈活地實(shí)現(xiàn)增磁運(yùn)行和弱磁擴(kuò)速運(yùn)行，拓寬了電機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍，對(duì)提高電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能具有重要意義。
[0011 ]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0012]—種多定子混合磁路永磁同步電機(jī)，包括徑向定子、軸向定子和轉(zhuǎn)子，其中，所述轉(zhuǎn)子內(nèi)放置有永磁體，所述永磁體使轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生磁通，一部分磁通沿電機(jī)的徑向方向通過(guò)徑向氣隙進(jìn)入到徑向定子當(dāng)中，形成徑向主磁通，另一部分磁通沿軸向方向通過(guò)軸向氣隙進(jìn)入到軸向定子當(dāng)中，形成軸向主磁通，徑向主磁通和軸向主磁通組成混合磁路，通過(guò)調(diào)控混合磁路，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)在增磁運(yùn)行狀態(tài)和弱磁擴(kuò)速運(yùn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。
[0013]進(jìn)一步的，一種多定子混合磁路永磁同步電機(jī)，包括徑向定子、軸向定子和轉(zhuǎn)子，其中，所述轉(zhuǎn)子套裝于徑向定子內(nèi)部，與徑向定子同軸布設(shè)，所述轉(zhuǎn)子的一端或兩端設(shè)置有軸向定子，軸向定子與轉(zhuǎn)子同心布設(shè)；
[0014]所述徑向定子的定子槽內(nèi)設(shè)置有徑向繞組，所述軸向定子的定子槽內(nèi)設(shè)置有軸向繞組；
[0015]所述轉(zhuǎn)子上設(shè)置有轉(zhuǎn)子槽，轉(zhuǎn)子槽內(nèi)放置有永磁體，所述永磁體使轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向磁極和軸向磁極，所述徑向磁極面向電機(jī)徑向定子，所述軸向磁極面向電機(jī)軸向定子，使得電機(jī)徑向、軸向均產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，形成混合磁路，通過(guò)調(diào)控混合磁路，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)在增磁運(yùn)行狀態(tài)和弱磁擴(kuò)速運(yùn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。
[0016]所述徑向定子，包括定子槽、定子齒和定子軛部，其中，定子軛部為圓環(huán)狀，定子齒有多個(gè)，沿定子軛部圓周均勻分布，定子齒之間有定子槽，所述定子槽內(nèi)放置有徑向繞組。
[0017]所述軸向定子包括軸向定子背軛、軸向定子槽和軸向定子齒，所述軸向定子背軛位于軸向定子的軸向的一側(cè)，軸向定子齒設(shè)置在軸向定子背軛上，軸向定子齒之間設(shè)置有軸向定子槽，軸向定子槽內(nèi)安放有軸向繞組。
[0018]所述徑向定子和轉(zhuǎn)子外沿之間存在徑向氣隙，所述軸向定子和轉(zhuǎn)子端部之間存在軸向氣隙。
[0019]所述永磁體產(chǎn)生的磁通，一部分沿電機(jī)徑向通過(guò)徑向氣隙進(jìn)入到徑向定子當(dāng)中，形成徑向主磁通，另一部分沿軸向通過(guò)軸向氣隙進(jìn)入到軸向定子當(dāng)中，形成軸向主磁通，徑向主磁通與徑向電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，軸向主磁通與軸向電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
[0020]所述電機(jī)的徑向主磁通和軸向主磁通為并聯(lián)關(guān)系。
[0021 ]由于永磁體產(chǎn)生的總磁通量是一定的，由于電機(jī)的徑向主磁通和軸向主磁通為并聯(lián)關(guān)系，當(dāng)徑向電樞繞組施加d軸去磁電流時(shí)，電機(jī)的徑向主磁通減小，軸向主磁通增大，相反，當(dāng)電機(jī)的軸向電樞繞組施加d軸去磁電流時(shí)，電機(jī)的軸向主磁通減小，徑向主磁通增大。
[0022]當(dāng)電機(jī)正常工作不需要弱磁時(shí)，電機(jī)軸向電樞繞組施加d軸去磁電流，此時(shí)電機(jī)徑向主磁通最大，電機(jī)徑向磁密也最大，電機(jī)輸出額定最大轉(zhuǎn)矩和功率，當(dāng)電機(jī)需要進(jìn)行弱磁擴(kuò)速時(shí)，減小軸向電樞繞組的d軸去磁電流，此時(shí)電機(jī)徑向主磁通減小，徑向磁密隨之降低，電機(jī)實(shí)現(xiàn)弱磁運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，此時(shí)軸向電樞繞組可以施加q軸電流，對(duì)電機(jī)產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)弱磁運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出能力，進(jìn)一步提高電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。
[0023]優(yōu)選的，所述徑向定子由硅鋼片疊壓而成，所述軸向定子由硅鋼片卷疊并加工而成。
[0024]優(yōu)選的，所述電機(jī)相數(shù)m23，極對(duì)數(shù)I，徑向電樞繞組和軸向電樞繞組為單層繞組或雙層繞組，徑向電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)極數(shù)與徑向磁極極數(shù)相等，軸向電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)的極數(shù)與軸向磁極極數(shù)相等。
[0025]優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)子為軟磁復(fù)合材料制成，轉(zhuǎn)子上設(shè)有安放永磁體的槽，所述轉(zhuǎn)子端部加工成扇環(huán)形狀，形成軸向磁極，軸向磁極的極數(shù)和徑向磁極的極數(shù)相等。
[0026]所述永磁體按照同性磁極相對(duì)的規(guī)則在轉(zhuǎn)子中排列，實(shí)現(xiàn)聚磁效應(yīng)，形成磁極。
[0027]優(yōu)選的，所述永磁體為高性能永磁材料制成，如釹鐵綳，稀土鈷等，或者低磁能積永磁材料制成，如鐵氧體等。
[0028]基于上述電機(jī)的磁通調(diào)控方法，包括:根據(jù)電機(jī)工作的額定轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)矩以及性能要求，設(shè)置電機(jī)的徑向氣隙長(zhǎng)度、軸向氣隙長(zhǎng)度和徑向電樞繞組和軸向電樞繞組的匝數(shù)，確定電機(jī)徑向定子和軸向定子的作用為產(chǎn)生主驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩或?qū)崿F(xiàn)弱磁，以決定電機(jī)的工作狀
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[0029]進(jìn)一步的，所述電機(jī)的工作狀態(tài)具體包括三種:
[0030](I)軸向電樞繞組施加d軸電流，徑向定子產(chǎn)生主驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，軸向定子實(shí)現(xiàn)弱磁功能并產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩；
[0031](2)徑向電樞繞組施加d軸電流，軸向定子產(chǎn)生主驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，徑向定子實(shí)現(xiàn)弱磁功能產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩；
[0032](3)電機(jī)的徑向電樞繞組和軸向電樞繞組均不施加d軸