一种全谐波转矩永磁同步电动机的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种全谐波转矩永磁同步电动机，包括：直流电源、设置有定子线圈的定子、至少两个控制装置以及上面设置有至少两块永磁体的转子；定子线圈为至少两个，至少两个定子线圈与至少两块永磁体对应设置，每个定子线圈与直流电源并联连接，每个控制装置连接一个定子线圈，用于根据永磁体在转子上的预设位置和预设的转子转速控制定子线圈中的电流方向为产生与转子磁场同步旋转且相位超前转子磁场90°的三角波的定子磁场的电流方向。由于本发明的全谐波转矩永磁同步电动机可产生与转子磁场同步旋转且相位超前转子磁场90°的三角波的定子磁场，即利用全谐波转矩永磁同步电动机的谐波磁场，因此可产生稳定的电磁转矩，从而提高了转矩密度。
【专利说明】
一种全谐波转矩永磁同步电动机
技术领域
[0001] 本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种全谐波转矩永磁同步电动机。
【背景技术】
[0002] 目前的永磁同步电动机分为正弦波永磁同步电动机和方波永磁同步电动机(无刷 直流电动机)两类。
[0003] 正弦永磁同步电机定子通入多相对称正弦电流，定子磁场近似为正弦旋转磁场， 利用基波磁场产生电磁转矩;方波永磁同步电机多采用两相导电的运行方式，定子磁场为 以60°电角度跳跃的三角波。
[0004] 上述两类永磁同步电动机都没有充分利用谐波磁场产生电磁转矩，因此交流永磁 电机的转矩密度还有提升空间。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种全谐波转矩 永磁同步电动机。
[0006] 第一方面，本发明提供一种全谐波转矩永磁同步电动机，包括:直流电源、设置有 定子线圈的定子、至少两个控制装置以及上面设置有至少两块永磁体的转子；
[0007] 所述定子线圈为至少两个，至少两个定子线圈与所述至少两块永磁体对应设置， 每个所述定子线圈与所述直流电源并联连接，每个所述控制装置连接一个所述定子线圈， 用于根据所述永磁体在所述转子上的预设位置和预设的转子转速控制所述定子线圈中的 电流方向为产生与转子磁场同步旋转且相位超前所述转子磁场90°的三角波的定子磁场的 电流方向。
[0008] 优选的，所述控制装置包括一个双向DC-DC变换器和一个控制器；
[0009] 所述双向DC-DC变换器分别连接所述直流电源和一个所述定子线圈，所述控制器 连接所述双向DC-DC变换器的开关管，用于根据所述永磁体在所述转子上的预设位置和预 设的转子转速控制所述开关管的打开和关闭。
[0010] 优选的，一个所述双向DC-DC变换器包括四个并联单元，每个所述并联单元包括一 个开关管和并联在所述开关管的导通端的一个二极管，所述控制器连接所述四个并联单元 的开关管的控制端；
[0011] 所述四个并联单元中的第一并联单元和第二并联单元中的两个二极管串联连接， 使所述第一并联单元和第二并联单元串联形成第一串联支路，所述四个并联单元中的第三 并联单元和第四并联单元中的两个二极管串联连接，使所述第三并联单元和第四并联单元 串联形成第二串联支路，所述第一串联支路和第二串联支路并联连接所述直流电源，一个 所述定子线圈的一端连接在所述第一串联支路的两个二极管之间，所述定子线圈的另一端 连接在所述第二串联支路的两个二极管之间。
[0012] 优选的，所述开关管为三极管。
[0013] 优选的，所述开关管为场效应管。
[0014] 优选的，所述定子线圈之间的跨距为整距。
[0015] 优选的，所述转子还包括:转子铁心，所述至少两块永磁体均匀布置在所述转子铁 心的外表面上。
[0016] 优选的，所述至少两块永磁体凸装所述转子铁心的圆周表面上。
[0017]优选的，所述至少两块永磁体嵌装在所述转子铁心的圆周表面上。
[0018] 优选的，所述转子磁场为平顶波分布式的磁场。
[0019] 由上述技术方案可知，由于本发明的全谐波转矩永磁同步电动机可产生与转子磁 场同步旋转且相位超前所述转子磁场90°的三角波的定子磁场，即利用全谐波转矩永磁同 步电动机的谐波磁场，因此可产生稳定的电磁转矩，从而提高了转矩密度。
【附图说明】
[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些图获得其他的附图。
[0021] 图1是本发明一实施例提供的一种全谐波转矩永磁同步电动机的线路结构示意 图；
[0022] 图2是本发明一实施例提供的一种全谐波转矩永磁同步电动机的一个定子线圈的 线路结构不意图；
[0023]图3是转子结构图；
[0024]图4是转子气隙磁密波形图；
[0025]图5是一对极下定子磁场、转子磁场分布图；
[0026]图6a和图6b分别是永磁同步电机转子磁密波形图和定子磁密波形图。
【具体实施方式】
[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028] 图1是本发明一实施例提供的一种全谐波转矩永磁同步电动机的结构示意图；
[0029] 图2是本发明一实施例提供的一种全谐波转矩永磁同步电动机的一个定子线圈 101的线路结构不意图；
[0030] 图3是转子结构图。
[0031 ]如图1 -图3所示的一种全谐波转矩永磁同步电动机，包括:直流电源VCC、设置有定 子线圈101的定子、至少两个控制装置以及上面设置有至少两块永磁体105的转子；
[0032] 所述定子线圈101为至少两个，至少两个定子线圈101与所述至少两块永磁体105 对应设置，每个所述定子线圈101与所述直流电源VCC并联连接，每个所述控制装置连接一 个所述定子线圈101，用于根据所述永磁体在所述转子上的预设位置和预设的转子转速控 制所述定子线圈101中的电流方向为产生与转子磁场同步旋转且相位超前所述转子磁场 90°的三角波的定子磁场的电流方向。
[0033] 可以理解的是，定子线圈101的数量和永磁体105的数量可根据需要具体设定，比 如4块永磁体，50个定子线圈，对此本发明不做限制。
[0034] 如图3所示，所述转子还可包括:转子铁心106,所述至少两块永磁体105均匀布置 在所述转子铁心106的外表面上。
[0035] 所述至少两块永磁体105可凸装在所述转子铁心106的圆周表面上（如图3所示)或 所述至少两块永磁体105嵌装在所述转子铁心106的圆周表面上，在气隙中可产生图4所示 的平顶波分布式的转子磁场E1 (即平顶波形状的气隙磁密）。所述转子还可包括所述转子铁 心106内的转轴107。
[0036]图5显示出了本发明中永磁体105、定子线圈101的结构以及定子磁场E2、转子磁场 E1分布关系，所述转子磁场E1为平顶波分布式的磁场，定子磁场E2为与转子磁场E1同步旋 转且相位超前所述转子磁场90°的三角波的定子磁场。图5中V为转子转速。
[0037]由于本发明的全谐波转矩永磁同步电动机可产生与转子磁场同步旋转且相位超 前所述转子磁场90°的三角波的定子磁场，即利用全谐波转矩永磁同步电动机的谐波磁场， 因此可产生稳定的电磁转矩，从而提高了转矩密度。
[0038]下面说明本发明的原理。
[0039]电机电磁转矩产生的物理本质是定子磁场Bs和转子磁场Br相互作用的结果，电机 瞬时电磁转矩可以表示为：
[0040] Te(t)=KtBsXBr (1)
[0041]式中Kt为与电机结构相关的常数。
[0042] 上式用标量表示时有：
[0043] Te(t)=KtBs ? Brsin0S)r (2)
[0044] 式中0s,r为定、转子磁场向量之间的夹角。
[0045] 当考虑到定子、转子磁场中所有谐波时，
[0046] 戽=S&sill(鄉）
[0047] sinf/cw,./) k
[0048] 式中e、k分别为定子磁场和转子磁场的谐波次数，e = l，3,5,7......;k=l，3,5， 7......。ws、wr分别为定子、转子磁场基波角频率，且《s= ?r。
[0049] 瞬时电磁转矩可表示为：
[0050] T： (0 = K,Y,BS!： sin(?；；z) Brk %m{kau)-sinOsy rk ^3 ) s. k
[0051 ]电机稳态平均转矩大小可由下式进行计算
[0053] 可求得
[0055]式中，Bsh、Brh分别为定、转子磁场第h次谐波幅值，0h为定、转子磁场第h次谐波向量 之间的夹角，0hG (-90°，+90° )。当定子磁场Bsh超前于转子磁场Brh时，9h>0,电磁转矩为正； 反之，0h〈〇，电磁转矩为负。
[0056]式(3)_(5)表明，只有次数相同的定、转子谐波磁场相互作用才会产生恒定的平均 电磁转矩;次数不相同的定、转子谐波磁场相互作用虽然也产生瞬时电磁转矩，但它们的平 均值为零。
[0057] 永磁同步电机转子磁场由永磁体105产生，转子气隙磁密波形近似为一平顶波，其 富含3、5、7等奇数次谐波，这是永磁同步电机永磁励磁磁场的基本特性，如图6a所示。将其 进行傅里叶分解有：
[0059]定子磁场中应包含转子磁场所有次数的谐波，并且定子各次谐波磁场的相位都应 超前转子，而且相位角为90°，由此可得定子磁场傅里叶表达式应为：
[0061]将其绘制成曲线如图6b所示，可以看出，定子磁场应为一三角波，其相位超前转子 平顶波磁场90°。
[0062]图4、图6a和图6b中的纵坐标为磁场强度，横坐标为磁场相位角度。
[0063]综上所分析，交流永磁电机充分利用谐波磁场产生最大电磁转矩的条件是定子磁 场为一超前转子磁场相量90°、与之同步旋转的三角波，即定子磁场为与转子磁场同步旋转 且相位超前所述转子磁场90°的三角波的定子磁场。
[0064] 如图2所示，作为一种优选实施例，所述控制装置包括一个双向DC-DC变换器L和一 个控制器(图中未示出）；
[0065] 所述双向DC-DC变换器L分别连接所述直流电源VCC和一个所述定子线圈101，所述 控制器连接所述双向DC-DC变换器的开关管，用于根据所述永磁体在所述转子上的预设位 置和预设的转子转速控制所述开关管的打开和关闭。
[0066]如图5所示，本实施例中，当电机以转速V转动时，永磁体的N、S磁极移动，根据转子 磁场的位置信息(实际的程序执行中是根据所述永磁体在所述转子上的预设位置和预设的 转子转速)控制所述双向DC-DC变换器对应的开关管打开和关闭，进而控制定子线圈上呈现 上述的电流方向。采用双向DC-DC变换器控制定子线圈上电流的方向更加可靠，且市场上可 购买双向DC-DC变换器，价格便宜，从而降低了成本。
[0067]如图2所示，作为一种优选实施例，一个所述双向DC-DC变换器L包括四个并联单 元，每个所述并联单元包括一个开关管103和并联在所述开关管103的导通端的一个二极管 104,所述控制器连接所述四个并联单元的开关管103的控制端；
[0068]所述四个并联单元中的第一并联单元和第二并联单元中的两个二极管串联连接， 使所述第一并联单元和第二并联单元串联形成第一串联支路，所述四个并联单元中的第三 并联单元和第四并联单元中的两个二极管串联连接，使所述第三并联单元和第四并联单元 串联形成第二串联支路，所述第一串联支路和第二串联支路并联连接所述直流电源VCC，一 个所述定子线圈101的一端连接在所述第一串联支路的两个二极管之间，所述定子线圈101 的另一端连接在所述第二串联支路的两个二极管之间。
[0069]当然，还可采用其他结构的双向DC-DC变换器，本发明在此不做限制。
[0070]本实施例中双向DC-DC变换器的结构简单，便于实现，且可靠，从而保证定子线圈 中电流方向的可靠控制。
[0071]作为一种优选实施例，所述开关管可为三极管(如图2所示的开关管103)或场效应 管。实际中，还可采用其他开关管，本发明不做限制。
[0072]作为一种优选实施例，所述定子线圈101之间的跨距为整距。
[0073]本文上述永磁同步电机可理解为永磁同步电动机。
[0074] 应当注意的是，在本发明的装置的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的 部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或 者组合，例如，可以将一些部件组合为单个部件，或者可以将一些部件进一步分解为更多的 子部件。
[0075] 以上实施方式仅适于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有 等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
【主权项】
1. 一种全谐波转矩永磁同步电动机，其特征在于，包括:直流电源、设置有定子线圈的 定子、至少两个控制装置以及上面设置有至少两块永磁体的转子； 所述定子线圈为至少两个，至少两个定子线圈与所述至少两块永磁体对应设置，每个 所述定子线圈与所述直流电源并联连接，每个所述控制装置连接一个所述定子线圈，用于 根据所述永磁体在所述转子上的预设位置和预设的转子转速控制所述定子线圈中的电流 方向为产生与转子磁场同步旋转且相位超前所述转子磁场90°的三角波的定子磁场的电流 方向。2. 根据权利要求1所述的全谐波转矩永磁同步电动机，其特征在于，所述控制装置包括 一个双向DC-DC变换器和一个控制器； 所述双向DC-DC变换器分别连接所述直流电源和一个所述定子线圈，所述控制器连接 所述双向DC-DC变换器的开关管，用于根据所述永磁体在所述转子上的预设位置和预设的 转子转速控制所述开关管的打开和关闭。3. 根据权利要求2所述的全谐波转矩永磁同步电动机，其特征在于，一个所述双向DC-DC变换器包括四个并联单元，每个所述并联单元包括一个开关管和并联在所述开关管的导 通端的一个二极管，所述控制器连接所述四个并联单元的开关管的控制端； 所述四个并联单元中的第一并联单元和第二并联单元中的两个二极管串联连接，使所 述第一并联单元和第二并联单元串联形成第一串联支路，所述四个并联单元中的第三并联 单元和第四并联单元中的两个二极管串联连接，使所述第三并联单元和第四并联单元串联 形成第二串联支路，所述第一串联支路和第二串联支路并联连接所述直流电源，一个所述 定子线圈的一端连接在所述第一串联支路的两个二极管之间，所述定子线圈的另一端连接 在所述第二串联支路的两个二极管之间。4. 根据权利要求2或3所述的全谐波转矩永磁同步电动机，其特征在于，所述开关管为 三极管。5. 根据权利要求2或3所述的全谐波转矩永磁同步电动机，其特征在于，所述开关管为 场效应管。6. 根据权利要求1 _3中任一项所述的全谐波转矩永磁同步电动机，其特征在于，所述定 子线圈之间的跨距为整距。7. 根据权利要求1-3中任一项所述的全谐波转矩永磁同步电动机，其特征在于，所述转 子还包括:转子铁心，所述至少两块永磁体均匀布置在所述转子铁心的外表面上。8. 根据权利要求7所述的全谐波转矩永磁同步电动机，其特征在于，所述至少两块永磁 体凸装所述转子铁心的圆周表面上。9. 根据权利要求7所述的全谐波转矩永磁同步电动机，其特征在于，所述至少两块永磁 体嵌装在所述转子铁心的圆周表面上。10. 根据权利要求1-3中任一项所述的全谐波转矩永磁同步电动机，其特征在于，所述 转子磁场为平顶波分布式的磁场。
【文档编号】H02K1/27GK105958739SQ201610382035
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】张文娟, 张志刚, 雷敏
【申请人】长沙学院