混合磁路双定子弱磁扩速实心转子永磁同步电机及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种永磁同步电机，具体涉及一种混合磁路双定子弱磁扩速实心转子永磁同步电机及其方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着永磁材料耐高温性能的提高和价格的降低，永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面得到更为广泛的应用，正向大功率化、高性能化和微型化方向发展。目前永磁电机的功率从几毫瓦到几千千瓦，应用范围从玩具电机、工业应用到舰船牵引用的大型永磁电机，在国民经济、日常生活、军事工业、航空航天的各个方面得到了广泛应用。
[0003]现有交流永磁同步电机存在如下技术缺点:
[0004]1、永磁同步电机由于永磁体磁动势固定，电机主磁通不可调，导致恒功率运行范围窄，调速范围不够宽泛。
[0005]2、现有内置式永磁同步电机转子结构中，转子永磁体通过各种组合实现“聚磁效应”，因此转子铁芯磁极磁密很高，使得其端部存在较大漏磁通，转子漏磁通通过电机转子的端部或者端盖闭合，由于永磁体产生的总磁通量一定，端部漏磁通的存在不但使得电机两个端部磁场分布不均匀，而且降低了电机的有效磁通利用率，从而降低了电机的功率密度和转矩密度，为克服端部漏磁通的影响，实际设计时，电机转子经常采用overhang结构，使得转子铁芯轴向长度大于电机定子铁芯轴向长度，但该结构显著增加了电机轴向长度，进而增加了电机的铁芯材料用量和制造成本，而且该结构本质上没有起到抑制端部漏磁通的效果。
[0006]3、现有永磁同步电机正常运行时，通常只有iq电流产生转矩，此时id = O，弱磁运行时，需要对转子施加d轴电流，此时i d在O，进而实现对转子磁极的去磁作用，由于d轴电流由电机的功率逆变器产生，因此当电机进行弱磁控制时，会显著增大电机绕组电流的幅值，并大大增加功率逆变器的容量，当需要进行深度弱磁时，此时需要的d轴电流很大，电机的功角将迅速减小，电机电流将很快超过变频器的容量，因此，对需要进行弱磁扩速运行的永磁同步电机，通常需要采取额外的措施和方法进行弱磁调节，以此减小每极磁通。
[0007]4、按照弱磁时d轴磁通经过的路径不同，现有内置式转子结构的永磁同步电机可以分为两类，其中一类，当进行弱磁控制时，电枢绕组产生的d轴磁通会穿过电机的永磁体，引起永磁体不可逆退磁，另外一类，当进行弱磁控制时，电枢绕组产生的d轴磁通不经过永磁体闭合，但d轴电流产生的磁场强迫更多的转子磁通通过电机的端部和端盖闭合，显著增大了电机的漏磁通，而且由于电机端部磁阻通常比气隙磁阻大得多，因此，弱磁所需要的d轴电流较大，显著增加了电机功率逆变器的成本和绕组铜耗。
[0008]5、现有永磁同步电机通常电枢反电动势谐波较大，齿槽转矩问题突出，带来严重的振动和噪声问题，目前通常是采用定子斜槽或者转子斜极的方法来改善反电动势谐波并削弱齿槽转矩，但定子斜槽和转子斜极加工工艺较复杂，大大增加了制造成本，而且会一定程度减小电机的平均电磁转矩，降低电机的转矩密度和功率密度。
[0009]在这种情况下，寻求一种端部漏磁小，磁通利用率高，正弦度好，调磁功能灵活但功率逆变器容量小的交流永磁同步电机至关重要。
【发明内容】
[0010]为解决现有技术存在的不足，本发明公开了混合磁路双定子弱磁扩速实心转子永磁同步电机及其方法，本发明电机永磁体产生的径向磁通和轴向磁通均得到了利用，消除了端部漏磁效应，提高了电机材料利用利用率，减轻了电机的重量，提高了功率密度，而且能够灵活地实现增磁运行和弱磁扩速运行，拓宽了电机的经济运行范围，对提高电动汽车用驱动电机的性能具有重要意义。
[0011]为实现上述目的，本发明的具体方案如下:
[0012]混合磁路双定子弱磁扩速实心转子永磁同步电机，包括径向定子、轴向定子及转子，所述转子内置在径向定子中且与径向定子同轴放置，所述轴向定子安放在转子端部，与转子同心放置，所述径向定子及轴向定子分别安放有径向电枢绕组及轴向电枢绕组；
[0013]所述转子为实心转子，转子内放置有永磁体，用于产生径向磁极和轴向磁极，永磁体产生的磁通一部分通过径向磁极进入径向定子与径向电枢绕组交链形成径向主磁通，永磁体产生的磁通另一部分通过轴向磁极进入轴向定子与轴向电枢绕组交链形成轴向主磁通，径向主磁通与轴向主磁通并联；
[0014]电机运行时，通过向径向电枢绕组和轴向电枢绕组施加电流来动态调节电机的运行时的轴向主磁通和径向主磁通，以此实现弱磁控制。
[0015]进一步的，所述径向定子由硅钢片叠压而成，所述径向定子包括定子槽，定子齿和定子轭部，所述定子槽内安放有径向电枢绕组。
[0016]进一步的，所述转子上有转子槽，转子槽内安放有永磁体，所述永磁体通过串并联组合实现“聚磁效应”，在转子上产生磁极，所述磁极分为径向磁极和轴向磁极，轴向磁极的极数和径向磁极的极数相等。
[0017]进一步的，所述径向磁极面向电机的径向定子，径向磁极与转子之间为径向气隙，所述轴向磁极加工成凸极形状，面向电机轴向定子，所述轴向磁极和轴向定子之间为轴向气隙。
[0018]进一步的，所述径向主磁通与径向电枢绕组产生的磁场相互作用产生转矩，轴向主磁通与轴向电枢绕组产生的磁场相互作用产生转矩。电机不存在端部漏磁场，磁通利用率高，功率密度和转矩密度高。
[0019]进一步的，电机正常运行时，轴向电枢绕组同时产生d轴和q轴电流，d轴电流产生的磁场使得转子产生的绝大部分磁通沿径向进入到径向铁芯，与径向电枢绕组产生的磁场相互作用产生主转矩，另外一小部分磁通沿轴向进入到轴向定子中，这部分磁通与轴向电枢绕组的q轴电流相互作用产生助力转矩。
[0020]更进一步的，电机正常运行时，轴向定子绕组起到增大电机径向主磁通并产生助力转矩；当需要弱磁扩速运行时，减小电机轴向定子绕组的d轴电流，这使得相当多的转子磁通沿轴向进入到轴向铁芯中，减小电机的径向主磁通，使得径向定子工作在弱磁条件下，显著增大电机的调速范围，实现弱磁扩速。
[0021]进一步的，所述径向电枢绕组和轴向电枢绕组可为单层绕组，或为双层绕组，径向电枢绕组和轴向电枢绕组产生的磁场的极数均和转子磁极极数相等。其中，电机相数3，极对数P > I。
[0022]进一步的，上述混合磁路双定子弱磁扩速实心转子永磁同步电机中的轴向定子的数量为两个时，分别安放在转子相应的两个端部，转子的两个端部均加工成扇环的形状形成轴向磁极。
[0023]进一步的，一种电动汽车，包括上述混合磁路双定子弱磁扩速实心转子永磁同步电机。
[0024]混合磁路双定子弱磁扩速实心转子永磁同步电机的转矩驱动方法，径向定子产生主驱动转矩，轴向定子实现弱磁功能并产生助力转矩，具体包括:
[0025]当电机正常工作不需要弱磁运行时，轴向定子的电枢绕组产生d轴电流，使得电机轴向主磁通减小，径向主磁通增大，电机转矩主要由径向主磁通和径向电枢绕组磁场产生，此时电机轴向电枢绕组只施加d轴电流，径向主磁通最大，通过调节电机轴向电枢绕组的d轴电流可以调节径向主磁通的大小；
[0026]当电机需要进行弱磁运行时，轴向电枢绕组的d轴电流减小，电机径向主磁通减小，轴向主磁通增大，此时径向部分电机工作在弱磁条件，减小轴向电枢绕组的d轴电流的同时，同时增大其q轴电流，此时轴向定子电枢绕组与轴向主磁通产生助力转矩，增大电机的转矩密度和功率密度。
[0027]混合磁路双定子弱磁扩速实心转子永磁同步电机的转矩驱动方法，轴向定子产生主驱动转矩，径向定子实现弱磁功能产生助力转矩，具体包括:
[0028]当电机正常工作不需要弱磁运行时，径向定子的电枢绕组产生d轴电流，使得电机径向主磁通减小，轴向主磁通增大，电机转矩主要由轴向主磁通和轴向电枢绕组磁场产生，此时电机径向电枢绕组只施加d轴电流，轴向主磁通最大，通过调节电机