一种变极磁通切换永磁同步电机及其设计方法

本发明属于电机领域，涉及一种永磁同步电机，具体是变极磁通切换的永磁同步电机及其设计方法。

背景技术：

1、磁通切换永磁电机的特点是转子结构简单、转矩密度高、效率高且温度易控，但是，由于传统磁通切换永磁电机在恒转矩区的转矩输出能力与弱磁扩速能力相矛盾，使得其无法同时兼顾低速大转矩和宽调速范围的性能，这也限制了其在一些牵引场合的应用，如电动汽车。如何在保证磁通切换永磁电机转矩输出转矩能力的同时拓宽其调速范围已经成为研究的问题。

2、中国专利号为201611005861.4的文献中提出了一种e型铁芯混合励磁电机，该电机在定子上不仅绕制了一套电枢绕组，还绕有一套励磁绕组来实现电机励磁磁场气隙磁通的可调。中国专利号为201611054259.x的文献中提出了一种混合磁钢磁通切换记忆电机，该电机同时采用高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体，通过额外设置的调磁脉冲绕组对低矫顽力永磁体进行在线充去磁，进而实现励磁磁场气隙磁通的可调。可知现有的调磁电机均需要引入额外的可变磁通单元，与高矫顽力永磁体形成混合磁场，最终实现磁通的在线调节。但是，对于引入直流励磁绕组调磁的方案，会增加电机的铜耗，降低电机的运行效率；而对于引入低矫顽力永磁材料的方案，则会面临着低矫顽力永磁材料磁化状态不稳定导致的电机运行稳定性低的缺点，同时，引入额外励磁源不可避免地会造成电机结构过于复杂，不利于电机的装配与加工。

技术实现思路

1、发明目的：本发明针对现有的磁通切换永磁电机需引入额外励磁源实现磁通可调导致电机本体结构复杂等问题，提出了一种变极磁通切换永磁电机及该电机的设计方法，在不引入额外励磁源的前提下，仅通过绕组的变换实现变极的目的，不仅使电机拥有较高的转矩密度，同时还具有很宽的调速范围。

2、为实现上述目的，本发明一种变极磁通切换永磁同步电机采用的技术方案是：具有定子和转子，定子同轴心地套在转子外部，转子为齿槽结构，定子由沿圆周方向均匀布置的2ppm个e型铁心组成，相邻两个e型铁心之间固定嵌有一个永磁体，所有的永磁体均切向充磁，相邻两块永磁体的充磁方向相反，ppm为永磁体极对数；每个e型铁心均由一个定子轭、三个定子齿和两个定子槽组成，在所有包含或者不包含永磁体的定子齿上绕有绕组，绕组之间连接机械开关来通断。

3、定子由沿圆周方向均匀布置的4ppm块u型铁心组成，相邻两个u型铁心之间固定嵌有一个永磁体，所有的永磁体均切向充磁，每相邻两块永磁体为一组，一组永磁体的充磁方向一致，相邻两永磁体组的充磁方向相反，所有包含永磁体的定子齿以及所有的不包含永磁体的定子齿上绕有电枢绕组，ppm为永磁体极对数；每个u型铁心均由一个定子轭、两个定子齿和一个定子槽组成，在所有包含或者不包含永磁体的定子齿上绕有绕组，绕组之间连接机械开关来通断。

4、定子和转子的齿数以及永磁体的极对数需满足的条件：ns为定子齿数，nr为转子齿数，x为非0的自然数，n为非0的自然数，且n不能取以1为首项且公差为3的等差数列数。

5、本发明一种变极磁通切换永磁同步电机的设计方法采用的技术方案是包括以下步骤：

6、步骤1)：基于永磁体极对数和转子齿数确定电机的永磁气隙磁密，基于所述的永磁气隙磁密得到不同极对数的主要工作谐波，计算出所述的主要工作谐波的槽距角；

7、步骤2)：将拥有一样槽距角的谐波组成谐波组1和谐波组2，且谐波组1和谐波组2的槽距角的值相差180电角度；依据所有的槽距角绘制谐波组1和谐波组2的槽电势星形图；

8、步骤3)：根据槽电势星形图，将1号槽跨到2号槽所组成的线圈称为1’，2号槽跨到3号槽所组成的线圈称为2’，依次类推；两个线圈顺向串联表示为1’+2’，两个线圈反向串联表示为1’-2’；当n的取值首项是2且公差是3的等差数列时，谐波组1所对应的a相绕组为：(1’+7’+…)+(4’+10’+…)，b相绕组为：(3’+9’+…)+(6’+12’+…)，c相绕组为：(5’+11’+…)+(2’+8’+…)；谐波组2所对应的a相绕组为：(1’+7’+…)-(4’+10’+…)，b相绕组为：(3’+9’+…)-(6’+12’+…)，c相绕组为：(5’+11’+…)-(2’+8’+…)；当n的取值为首项是3且公差是3的等差数列时，谐波组1所对应的a相绕组为：(1’+7’+…)+(4’+10’+…)，b相绕组为：(5’+11’+…)+(2’+8’+…)，c相绕组为：(3’+9’+…)+(6’+12’+…)；谐波组2所对应的a相绕组为：(1’+7’+…)-(4’+10’+…)，b相绕组为：(5’+11’+…)-(2’+8’+…)，c相绕组为：(3’+9’+…)-(6’+12’+…)；依次类推；

9、步骤4)：将谐波组1和谐波组2对应三相绕组具有相同串联方式的线圈组成一个子相，在子相之间连接机械开关，通断机械开关形成不同的绕组结构。

10、优选地，(1’+7’+…)为子相sp1，进线端和出线端分别为1j和1c；(4’+10’+…)为子相sp2，进线端和出线端分别为2j和2c；(3’+9’+…)为子相sp3，进线端和出线端分别为3j和3c；(6’+12’+…)为子相sp4，进线端和出线端分别为4j和4c；(5’+11’+…)为子相sp5，进线端和出线端分别为5j和5c；(2’+8’+…)为子相sp6，进线端和出线端分别为6j和6c，sp1，sp3，sp5为一套三相绕组，sp2，sp4，sp6为另一套三相绕组；

11、在sp1的1c端并联两个开关k1和开关k2，开关k1的另一个端子连接2j，开关k2的另一个端子连接2c，2j再串接一个新的开关k2的一个端子，2c再串接一个新的开关k1的一个端子，这两个开关剩余下来的两个端子连接不同的中性点，在3c端、5c端各自分别并联两个开关k1和开关k2，并联3c端的开关k1的另一个端子连接4j，并联3c端的开关k2的另一个端子连接4c，4j再串接一个新的开关k2的一个端子，4c再串接一个新的开关k1的一个端子，这两个开关剩余下来的两个端子用于连接不同的中性点，并联5c端的开关k1的另一个端子连接6j，并联5c端的开关k2的另一个端子连接6c，6j再串接一个新的开关k2的一个端子，6c再串接一个新的开关k1的一个端子，这两个开关剩余下来的两个端子用于连接不同的中性点；闭合所有的开关k1且断开全部开关k2，子相sp1和sp2，sp3和sp4，sp5和sp6为顺向串联，谐波组1被绕组利用；

12、闭合所有的开关k2且断开全部开关k1，子相sp1和sp2，sp3和sp4，sp5和sp6为反向串联，谐波组2被绕组利用。

13、本发明采用上述技术方案后突显的技术效果是：

14、1、本发明利用磁通切换永磁电机存在的磁场调制效应，通过合理设计电机结构参数，在永磁气隙磁密中调制出变极所需的具有不同槽距角的主要工作谐波为变极提供基础，通过机械开关的开通与闭合改变绕制于定子齿上的双三相绕组的连接方式，形成不同的绕组结构，进而实现对不同极对数谐波磁场的利用，实现变极的目的，最终形成变极磁通切换永磁电机。

15、2、本发明在没有引入额外励磁源的前提下，仅通过绕组的变换便可实现变极的目的，实现不同的模式输出。利用磁场调制效应和变极的方法实现了磁通切换永磁电机的双模式运行，两种模式分别满足磁通切换永磁电机对低速大转矩和高速宽调速范围的要求，不仅使电机拥有较高的转矩密度，同时还具有很宽的调速范围，具有结构简单，运行稳定性高，易于控制的优点。

16、3、利用磁通切换永磁电机含有丰富的永磁气隙磁密谐波这一特点，通过合理选择电机结构参数，在永磁气隙磁密中产生两组具有不同槽距角的主要工作谐波，分别适用于低速大转矩运行和高速运行。利用变换绕组结构的方式，实现了对不同极对数主要工作谐波的利用，进而实现了双模式输出的目的。