一种高磁阻转矩的混合磁极式永磁同步电机

1.本发明涉及混合磁极式永磁同步电机，尤其涉及一种高磁阻转矩的混合磁极式永磁同步电机。


背景技术：

2.永磁同步电机由于采用永磁体代替励磁绕组，省去的电刷换向器等，提高了电机运行可靠性的同时省去了励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。近年来，高性能的永磁电机被广泛应用于汽车、航空航天、家电等领域。
3.永磁同步电机也有定子、转子、端盖等器件构成。定子基本与异步感应电机相同，一般采用叠片设计以减小铁心铁耗。转子铁心可以做成实心的，也可以用叠片叠压而成。
4.永磁同步电机与其他电机最主要的区别是转子的磁路结构，而磁路结构与永磁体在转子上的位置密切相关，所以根据永磁体在转子上的位置，可以将转子结构分为三种：表贴式、内嵌式和爪极式。
5.表面式转子结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子表面，具有结构简单，制造成本较低等优点的同时气隙磁密波形也接近正弦波形，可以显著提高整个系统的传动性能。但这种结构直轴电感往往都比较小，所以在弱磁升速的能力上不如内嵌式结构。内嵌式结构的磁极一般由相邻两个永磁体共同提供磁通，所以具有更大的每极磁通。此外，采取切向式充磁的转子结构还具有比较大的磁阻转矩，但由于组成磁极的两块永磁体对称分布，在采用i
d
＝0控制时并不能充分利用电机的磁阻转矩。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明的目的是提供一种实现高转矩密度和宽调速范围的高磁阻转矩的混合磁极式永磁同步电机。
7.技术方案：本发明的混合磁极式永磁同步电机，包括定子和转子，定子侧嵌有电枢绕组，转子上设有永磁体槽，永磁体槽内嵌有l形永磁体；所述l形永磁体包括沿轴向分布的内嵌式永磁体和表贴式永磁体，表贴式永磁体和内嵌式永磁体呈l形并有一夹角；所述内嵌式永磁体靠近转轴端设有第一隔磁槽，所述表贴式永磁体后端设有第二隔磁槽。
8.所述l形永磁体的个数为4p，其中p为电机极对数；所述内嵌式永磁体和表贴式永磁体之间的夹角取值范围为60～90
°
；所述l形永磁体的极弧系数α
p
为：
9.α
p
＝α
p1
+α
p2
10.其中，α
p1
为表贴式永磁体的极弧系数，α
p2
为内嵌式永磁体的极弧系数；
11.α
p1
＝θ
m1
·
p/π，其中，θ
m1
为表贴式永磁体弧长所占的圆心角；
12.α
p2
＝θ
m2
·
p/π，其中，θ
m2
为内嵌式永磁体极靴弧长所占的圆心角，π为圆周率。
13.进一步，α
p1
的取值范围为0.2～0.8，α
p2
的取值范围为0.2～0.8，α
p
的取值范围为0.4～1。
14.进一步，内嵌式永磁体的厚度系数k
b2
为：
15.k
b2
＝b
m2
/b
m1
16.其中，b
m1
、b
m2
分别为表贴式永磁体和内嵌式永磁体的厚度，k
b2
的取值范围为0.5～2；
17.内嵌式永磁体的长度系数k
h2
为：
18.k
h2
＝θ
m2
·
d/h
m2
19.其中，d为转子的外径，h
m2
是内嵌式永磁体的长度，k
h2
的取值范围为0.5～2。
20.进一步，所述第一隔磁槽的长度为4mm。
21.进一步，所述电枢绕组为双层分布式绕组，或单层分布式绕组，或集中式绕组。
22.进一步，所述定子和转子的铁心采用硅钢片或软磁材料。
23.进一步，所述内嵌式永磁体采用平行充磁，所述表贴式永磁体采用平行充磁或者径向充磁。
24.本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、表贴式永磁体和内嵌式永磁体相互靠近，在两块永磁体相互靠近的地方几乎没有漏磁，因此不需设置相应的隔磁槽；2、本发明通过调节表贴式永磁体弧长所占圆心角α
p1
和隔磁槽弧长所占圆心角θ
g
的大小调节极弧系数，通过优化表贴式永磁体的极弧系数和位置，能有效提高平均转矩，降低转矩脉动；3、本发明使得转子凸极轴线超前磁极直轴轴线45
°
，当采用i
d
＝0控制时，能利用上全部的磁阻转矩，从而避免采用提前角控制时电磁转矩减小的情况；4、本发明在表贴式永磁体后端位置设置了隔磁槽结构，这使得当电机采用i
d
＝0控制时，永磁体具有良好的抗退磁能力；5、本发明在通入相同幅值的相电流时能够输出更大的转矩，从而提高电机效率；6、本发明兼具了内嵌式永磁电机和表贴式永磁电机的特点，具有高转矩密度和宽调速范围，适用范围广。
附图说明
25.图1为本发明的截面总示意图；
26.图2为本发明的定子部分的截面结构示意图；
27.图3为本发明的转子部分的截面结构示意图；
28.图4为本发明单个极的截面结构示意图；
29.图5为本发明磁极直轴、交轴、转子凸极轴线、永磁体磁化方向和电机旋转方向的示意图；
30.图6为本发明气隙磁密的波形图；
31.图7为本发明的一相绕组磁链波形图；
32.图8为本发明实施例与传统内嵌式永磁同步电机在采用提前角控制时的转矩对比图。
具体实施方式
33.下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
34.以6对极混合磁极式永磁同步电机为例，如图1、图2、图3所示，为本发明的混合磁极式永磁同步电机，包括定子1和转子2，定子1侧嵌设有电枢绕组5；定子1上分布着n个齿槽，槽型采用梨形槽，内部嵌放着一组三相绕组，三相绕组采用双层叠式短距绕组。
35.转子2在半径r上均匀分布着4p个永磁体槽，其中p为电机极对数，永磁体槽上嵌有l形永磁体，每个永磁磁极由两块永磁体组成，分别是表贴式永磁体4和内嵌式永磁体3，两块永磁体之间的夹角γ，其中γ的取值范围为60～90
°
。内嵌式永磁体3均采用平行充磁，表贴式永磁体4既可以采用平行充磁也可以采用径向充磁。
36.在内嵌式永磁体3内侧端部设置有第一隔磁槽6，按旋转方向，表贴式永磁体4后端设置有第二隔磁槽7，其中内嵌式永磁体2末端的第一隔磁槽6为固定长度，表贴式永磁体4末端的第二隔磁槽7所占的弧度定义为θ
g
。
37.如图4所示，表贴式永磁体的极弧系数为：
38.α
p1
＝θ
m1
·
p/π
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
39.式(1)中，θ
m1
为表贴式永磁体弧长所占的圆心角；α
p1
的取值范围为0.2～0.8。
40.内嵌式永磁体的极弧系数为：
41.α
p2
＝θ
m2
·
p/π
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
42.式(2)中，θ
m2
为内嵌式永磁体极靴弧长所占的圆心角。α
p2
的取值范围为0.2～0.8。
43.永磁磁极的极弧系数为：
44.α
p
＝α
p1
+α
p2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
45.其中α
p
的取值范围为0.4～1。
46.内嵌式永磁体3的厚度系数为：
47.k
b2
＝b
m2
/b
m1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
48.其中b
m1
、b
m2
分别为表贴式永磁体和内嵌式永磁体的厚度，k
b2
的取值范围为0.5～2。
49.内嵌式永磁体3的长度系数为：
50.k
h2
＝θ
m2
·
d/h
m2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
51.其中d是电子转子的外径，h
m2
是内嵌式永磁体的长度，k
h2
的取值范围为0.5～2。
52.本发明采用6对极三相混合磁极式永磁同步电机，具有12块表贴式永磁体4和12块内嵌式永磁体3。内嵌式永磁3在靠近转轴的部分设定有固定长度为4mm的第一隔磁槽6；表贴式永磁体4在靠近铁心的地方设置有第二隔磁槽7，其弧长所占的圆心角θ
g
＝5.5
°
。
53.通过对内嵌式永磁体3的长度h
m2
和厚度b
m2
进行优化设计，可以使得内嵌式永磁体3极靴内和表贴式永磁体4在气隙中的磁密相接近，如图6所示。经过优化设计后，可以得到随转子角度正弦变化的磁链，对应的磁链波形如图7所示。
54.如图5所示为转子凸极轴线d’、永磁磁极直轴d和交轴q轴线的示意图，可以看出转子凸极轴线d’超前于永磁磁极直轴d的电角度为45
°
。这使得电机在采用i
d
＝0控制时，能够利用上最大的磁阻转矩。其中n是电机的转速，转向为逆时针方向。
55.图8给出了本发明的电机和传统内嵌式永磁同步电机在相同体积、相同永磁体用量的情况下，采用提前角控制时转矩输出曲线的对比示意图。由图8可以得出，在i
d
＝0时，也就是电流矢量超前直轴90
°
时，本发明的同步电机输出转矩最大，且比传统内嵌式永磁电机在输出转矩最大值时高出25％。
56.若本发明的电机由原动机驱动，可以进行发电工作。若此时仍采用i
d
＝0控制，则在电机按顺时针方向旋转时，同样的i
q
电流下，电机会输出更大的电功率。
57.本发明的电枢绕组5为双层分布式绕组或单层分布式绕组或集中式绕组。定子铁
心和转子铁心采用硅钢片叠压而成或由其它软磁材料制成。
58.本发明兼具了内嵌式和表贴式永磁电机的特点，具有高转矩密度和宽调速范围，可适合用于电动汽车领域。
59.本发明的混合磁极式永磁同步电机，还可用作外转子结构电机。
60.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。