本發(fā)明涉及一種同步磁阻永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)，屬于電機(jī)設(shè)計相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

能源危機(jī)及環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重使得電動汽車的研究收到廣泛重視。采用稀土材料的內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)憑借高功率和轉(zhuǎn)矩密度、高效率、較寬的恒功率運(yùn)行范圍，在電動汽車領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。但由于稀土永磁材料價格昂貴，資源有限，且生產(chǎn)制造過程中對環(huán)境有較大影響。故研究和開發(fā)少稀土/無稀土永磁驅(qū)動電機(jī)及系統(tǒng)具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。而同步磁阻電機(jī)憑借其可以不使用或僅使用少量廉價永磁體的優(yōu)勢，被認(rèn)為是一種極具工業(yè)潛力的少稀土/無稀土電機(jī)。

為解決純同步磁阻電機(jī)因?yàn)樾枰^大的勵磁電流這一問題，將永磁體嵌入轉(zhuǎn)子磁障以提供永磁勵磁的方案應(yīng)運(yùn)而生，為了降低成本，一般不使用稀土永磁材料，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩主要來源于磁阻轉(zhuǎn)矩。目前同步磁阻電機(jī)的設(shè)計目標(biāo)主要集中于增大轉(zhuǎn)矩密度、削弱轉(zhuǎn)矩脈動、提高功率因數(shù)、提高永磁體抗去磁能力四個方面。針對以上四個設(shè)計目標(biāo)的電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計方法，電機(jī)設(shè)計人員提出了多種新結(jié)構(gòu)，可以歸結(jié)為對磁障結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和對永磁體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。然而，這些新結(jié)構(gòu)只是針對轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行改良設(shè)計，而未對電機(jī)定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。僅對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良設(shè)計對提高電機(jī)的電磁性能有限，尤其是未能從根本上解決功率因數(shù)和凸極率低的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提出一種新型的同步磁阻永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，通過將電樞繞組/功率繞組和勵磁繞組相分離，實(shí)現(xiàn)了電樞電流和勵磁電流的分離，從根本上解決了功率因數(shù)低的問題，并且為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子懸浮功能提供了可能。另外，通過采用Halbach永磁陣列，利用該永磁陣列所特有的磁場定向聚積和發(fā)散作用，提高了電機(jī)的凸極率和永磁體的抗去磁能力。

技術(shù)方案：本發(fā)明公開了一種采用Halbach永磁陣列的繞組分離型無軸承同步磁阻電機(jī)，其特征在于，包括定子和轉(zhuǎn)子；該定子上設(shè)置有由交流電獨(dú)立控制的交流繞組包括電樞繞組和可根據(jù)需要作為交流勵磁使用來調(diào)節(jié)電機(jī)的勵磁磁場亦可作為交流電樞使用來提供電機(jī)的功率輸入的勵磁繞組，且該定子交替分布有電樞齒和勵磁齒；電樞繞組位于電樞齒上，勵磁繞組位于勵磁齒上；該轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心、磁障和位于磁障內(nèi)部的Halbach永磁陣列；勵磁繞組內(nèi)疊加有以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮的直流電流。

將電機(jī)繞組分為多相電樞繞組和多相勵磁繞組，實(shí)現(xiàn)了電樞電流和勵磁電流相分離的效果，提高了電機(jī)的功率因數(shù)和效率。該多相勵磁繞組中同時通入直流電流，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在垂直方向上的懸浮功能和在水平方向上位置的調(diào)節(jié)。該多相交流勵磁繞組在需要增磁和弱磁時作為交流勵磁繞組使用，在無需調(diào)磁時作為冗余電樞繞組，與主電樞繞組正常運(yùn)行；當(dāng)永磁體發(fā)生不可逆退磁時，該多相繞組可以作為勵磁繞組，提供氣隙磁場，維持電機(jī)輸出功率；在主電樞繞組故障時，該套繞組作為熱備份電樞繞組運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)故障下容錯運(yùn)行。另一方面，轉(zhuǎn)子采用Halbach永磁陣列勵磁，提高了電機(jī)的凸極率，進(jìn)而提高了電磁轉(zhuǎn)矩輸出和永磁體利用率，并使得靠近磁障邊緣的永磁體具有更強(qiáng)的抗去磁能力。

進(jìn)一步的，電樞繞組和勵磁繞組采用集中式繞組。

進(jìn)一步的，勵磁繞組和電樞繞組槽面積比例由所述電樞齒和勵磁齒大小決定，電樞齒和勵磁齒大小不同，可以增加氣隙磁密諧波含量，降低定位力矩，當(dāng)與Halbach永磁陣列相配合時，可以進(jìn)一步提高電機(jī)的凸極率。

進(jìn)一步的，該定轉(zhuǎn)子可靈活設(shè)置為外定子/內(nèi)轉(zhuǎn)子或者外轉(zhuǎn)子/內(nèi)定子結(jié)構(gòu)，磁場方向可靈活設(shè)置為軸向磁場或橫向磁場結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，該電機(jī)可作純發(fā)電、純電動或發(fā)電-電動組合運(yùn)行。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

第一，本發(fā)明通過分離繞組的方式，將其中一套繞組兼做交流勵磁繞組和冗余電樞繞組之用。通過勵磁電流調(diào)節(jié)電機(jī)的氣隙磁場，既可以增磁以產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩，又可弱磁來實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速范圍，從根本上解決了同步磁阻永磁電機(jī)功率因數(shù)低的問題。另一方面提高了電機(jī)的容錯能力，在永磁體發(fā)生不可逆退磁時，提供氣隙磁場，使電機(jī)持續(xù)運(yùn)行；而在電樞繞組故障時或需要增大功率時，作熱備份電樞繞組運(yùn)行。將勵磁和電樞線圈分開控制，降低了控制的難度。

第二，本發(fā)明通過令電樞齒和勵磁齒大小不同，通過優(yōu)化設(shè)計，可以通過削弱氣隙磁密諧波含量，進(jìn)而減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動和反電勢諧波含量，同時提高了電機(jī)設(shè)計的靈活性。

第三，本發(fā)明的勵磁繞組中通入直流電，即在勵磁電流中疊加直流分量，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮功能，和在水平方向上的位置調(diào)節(jié)。

第四，由于本發(fā)明在轉(zhuǎn)子直角邊緣磁障內(nèi)嵌入Halbach永磁陣列，相比于已有的整塊永磁體以及普通的分塊永磁體和磁障結(jié)構(gòu)，可提高電機(jī)的凸極率和電磁轉(zhuǎn)矩，以及永磁利用率，并且可以改善電機(jī)的轉(zhuǎn)子飽和程度和功率因數(shù)。

第五，本發(fā)明中電樞齒和勵磁齒大小不同的組合形式，可以和轉(zhuǎn)子Halbach永磁陣列所特有的聚磁效應(yīng)相配合，進(jìn)一步提高電機(jī)凸極率，改善功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩輸出能力。

第六，本發(fā)明采用Halbach永磁陣列，可以使得永磁體具有更強(qiáng)的抗去磁能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：定子(1)，電樞繞組(1.1)，勵磁繞組(1.2)，電樞齒(1.3)，勵磁齒(1.4)，轉(zhuǎn)子2，轉(zhuǎn)子鐵心(2.1)，磁障(2.2)，Halbach永磁陣列(2.3)。

具體實(shí)施方式

圖1所示的本實(shí)施例的一種采用Halbach永磁陣列的繞組分離型無軸承同步磁阻電機(jī)，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上分為定子1和轉(zhuǎn)子2；該定子1上設(shè)置有電樞繞組1.1和勵磁繞組1.2，電樞繞組1.1和勵磁繞組1.2均為交流繞組，分別通過交流電獨(dú)立控制。勵磁繞組1.2可根據(jù)需要作交流勵磁使用，亦可作交流電樞使用，該定子1交替分布有電樞齒1.3和勵磁齒1.4；電樞繞組1.1以集中繞組的形式套在電樞齒1.3上，勵磁繞組1.2以集中繞組的形式套在勵磁齒1.4上；電樞齒1.3和勵磁齒1.4的大小可根據(jù)實(shí)際需要靈活調(diào)整，勵磁繞組1.2和電樞繞組1.1槽面積比例由電樞齒1.3和勵磁齒1.4大小決定，電樞齒和勵磁齒大小不同，可以增加氣隙磁密諧波含量，降低定位力矩，當(dāng)與Halbach永磁陣列相配合時，可以進(jìn)一步提高電機(jī)的凸極率。

該轉(zhuǎn)子2包括轉(zhuǎn)子鐵心2.1、磁障2.2和位于磁障2.2內(nèi)部的Halbach永磁陣列2.3；勵磁繞組1.2內(nèi)疊加有以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮的直流電流，即在電樞繞組1.1和勵磁繞組1.2中通入交流電流的同時，勵磁繞組1.2中通入直流分量，用以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在垂直方向上的懸浮功能和水平方向上的位置調(diào)節(jié)將電機(jī)繞組分為多相電樞繞組和多相勵磁繞組，實(shí)現(xiàn)了電樞電流和勵磁電流相分離的效果，提高了電機(jī)的功率因數(shù)和效率。且在勵磁繞組1.2中疊加通入直流電流，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在垂直方向上的懸浮功能和在水平方向上位置的調(diào)節(jié)。該勵磁繞組1.2在需要增磁和弱磁時作為交流勵磁繞組使用，在無需調(diào)磁時作為冗余電樞繞組，與電樞繞組1.1正常運(yùn)行；當(dāng)永磁體發(fā)生不可逆退磁時，該勵磁繞組1.2提供氣隙磁場，維持電機(jī)輸出功率；在電樞繞組1.1故障時，該勵磁繞組1.2作為熱備份電樞繞組運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)故障下容錯運(yùn)行。

本實(shí)施例的Halbach永磁陣列可采用鐵氧體、釤鈷、釹鐵硼材料制成。

具體的，本實(shí)施例的定子1采用24槽，三相電樞繞組和三相交流勵磁繞組間隔繞在電樞齒1.3和勵磁齒1.4上，每相分別由4個線圈組成；轉(zhuǎn)子2為2對極，即4極結(jié)構(gòu)，Halbach永磁陣列2.3由鐵氧體制成，定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心2.1由硅鋼片沖片疊壓制成。

本實(shí)施例的磁障的填充材料為空氣或其他不導(dǎo)磁材料。電樞繞組和勵磁繞組的每相線圈數(shù)、線圈匝數(shù)、并聯(lián)支路數(shù)可分別相同或不同，電樞繞組和勵磁繞組可使用同一電源或不同電源，Halbach永磁陣列的永磁體的邊緣可以是直角，也可以是弧形。該定轉(zhuǎn)子可靈活設(shè)置為外定子/內(nèi)轉(zhuǎn)子或者外轉(zhuǎn)子/內(nèi)定子結(jié)構(gòu)，磁場方向可靈活設(shè)置為軸向磁場或橫向磁場結(jié)構(gòu)。

本實(shí)施例的電機(jī)可作純發(fā)電、純電動或發(fā)電-電動組合運(yùn)行。