一種高轉矩密度的五相永磁同步電機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高轉矩密度的五相永磁同步電機。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著全球環(huán)境惡化以及石油資源的日益短缺，傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)面臨著嚴峻考驗。因此，節(jié)能環(huán)保新能源汽車的研發(fā)已經(jīng)成為世界各國政府的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)和國內(nèi)外專家學者關注的熱點之一。作為新能源汽車的一類，混合動力汽車以其燃油經(jīng)濟性高、尾氣排放低、續(xù)航里程長的顯著優(yōu)點脫穎而出，并得到了快速的發(fā)展。作為混合動力汽車動力源之一的電機，對其設計的要求也越來越高?；旌蟿恿﹄姍C設計的目標就是避免對原有汽車動力系統(tǒng)空間的改變，換言之，由于空間的限制，希望使用的電動機體積更小、重量更輕、效率更高，也就是要求電動機有較高的功率密度或轉矩密度。
[0003]分數(shù)槽集中繞組永磁電機具有轉矩密度高、效率高和繞組結構簡單等特點。電機采用分數(shù)槽繞組使得每對極下的槽數(shù)大為減少，以較少數(shù)量的大槽代替數(shù)量較多的小槽，可以減少槽絕緣占據(jù)的空間，有利于提高槽滿率，進而提高電機性能。分數(shù)槽繞組電機縮短了線圈周長和繞組端部深處長度，減低用銅量，降低了電機所占空間；另外分數(shù)槽集中繞組便于使用專用繞線機，直接將線圈繞在齒上，取代傳統(tǒng)嵌線工藝，提高工作效率，但是三相分數(shù)槽集中繞組永磁電機氣隙磁場含有豐富的分數(shù)次和高次諧波，帶來較大的紋波轉矩脈動和轉子鐵心損耗。五相永磁電機容錯能力強，是系統(tǒng)具有較高的可靠性，同時可以利用注入3次諧波電流提高電機轉矩密度，降低轉矩脈動。三次諧波注入式五相永磁同步電機可以進一步提高電機的功率和轉矩密度，但由于傳統(tǒng)的永磁電機轉子產(chǎn)生的氣隙磁動勢三次諧波含量相對較少，所以轉矩密度的提高并不顯著。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種高轉矩密度的五相永磁同步電機，該裝置通過定子繞組采用五相對稱分數(shù)槽集中繞組，轉子包括內(nèi)置式永磁體和沿圓周方向交替排列的凹槽的設計，使電機繞組具有較高的三次諧波繞組系數(shù)。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0006]一種高轉矩密度的五相永磁同步電機，包括轉軸、轉子繞組和定子繞組，其中，轉軸外設轉子繞組，定子繞組采用五相對稱分數(shù)槽集中繞組，轉子為內(nèi)置式永磁轉子，永磁體與轉子鐵心構成切向式磁路結構。
[0007]所述轉子沿外圓周方向交替排列有凹槽。
[0008]所述永磁體下部與轉子鐵心的空腔中設有非導磁材料。
[0009]所述電機磁極數(shù)和定子槽數(shù)目相配合。
[0010]所述永磁體與轉子鐵心構成切向式磁路結構。
[0011]所述定子繞組同時注入基波和三次諧波電流，分別與永磁氣隙基波磁場和三次諧波磁場相互作用產(chǎn)生轉矩。
[0012]本發(fā)明的有益效果為:
[0013](I)電機轉子沿外圓周方向交替排列的凹槽，提高永磁體氣隙磁場三次諧波含量;
[0014](2)永磁體下部與轉子鐵心的空腔中設有非導磁材料，降低了漏磁率，提高了永磁材料的利用；
[0015](3)永磁氣隙基波磁場和三次諧波磁場在定子繞組中感應產(chǎn)生基波和三次諧波反電動勢，與注入定子繞組的基波和三次諧波電流相互作用產(chǎn)生轉矩，與傳統(tǒng)三相永磁電機相比，在電流有效值不變的前提下，五相永磁電機由于三次諧波電流的注入，增加了對電機控制的自由度，提高了電機的轉矩密度。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明永磁電機結構示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明永磁電機徑向氣隙磁密分布曲線；
[0018]圖3為轉子無槽永磁電機徑向氣隙磁密分布曲線；
[0019]圖4(a)為開槽轉子的氣隙磁密諧波柱狀圖；
[0020]圖4(b)為無槽轉子的氣隙磁密諧波柱狀圖；
[0021]圖5為轉子開槽后永磁電機的輸出轉矩不意圖；
[0022]圖6為轉子無槽永磁電機的輸出轉矩示意圖；
[0023]其中，1-轉軸，2-非導磁材料，3-轉子鐵心，4-永磁體，5-定子槽，6_定子齒，7_定子軛。
【具體實施方式】
:
[0024]下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0025]如圖1所示，一種高轉矩密度的五相永磁同步電機，沿轉子外圓周方向交替排列的凹槽，同時注入基波和三次諧波電流，選擇合適的凹槽半徑，合適的基波和三次諧波電流幅值及相位，可以顯著的提高電機輸出轉矩，以上方法均得到有限元方法的驗證。
[0026]定子繞組采用五相對稱分數(shù)槽集中繞組；采用合適的極槽數(shù)配合，使電機繞組具有較高的三次諧波繞組系數(shù)。
[0027]采用內(nèi)置式永磁轉子，永磁體采用高性能永磁材料制成，與轉子鐵心構成切向式磁路結構。
[0028]電機轉子沿外圓周方向交替排列的凹槽，提高永磁體氣隙磁動勢三次諧波含量。
[0029]圖2所不為轉子開槽永磁電機中由永磁體產(chǎn)生的徑向氣隙磁密分布曲線，圖3為轉子無槽的改電機由永磁體產(chǎn)生的徑向氣隙磁密分布曲線。兩條曲線對比之下，可以很直觀的看出，開槽電機的磁密曲線比不開槽的波形曲線多出一個凹陷部分，且開槽電機磁密的幅值大于不開槽電機得磁密幅值，說明轉子開槽后具有聚磁效應。圖4(a)、(b)為對應永磁體氣隙磁密的諧波分析，其中圖4(a)為開槽轉子的氣隙磁密諧波柱狀圖，圖4(b)為無槽轉子的氣隙磁密諧波柱狀圖。通過比較可知，通過轉子開槽，可以提高永磁體氣隙磁密三次諧波的含量。
[0030]磁體下部與轉子鐵心的空腔中設有非導磁材料，降低了漏磁率，提高了永磁材料的利用。
[0031]圖5所示定子繞組通入三次諧波電流之后，該電機輸出轉矩的對比。
[0032]由Λ符號標注的曲線為注入基波電流Il = Irms,三次諧波電流13 = O時的輸出轉矩，輸出轉矩的平均值為31.2Nm ；
[0033]由ο符號標注的曲線為注入基波電流11=0，三次諧波電流13 = Irms時的輸出轉矩，輸出轉矩的平均值為37.4Nm ；
[0034]由*符號標注的曲線為注入基波電流Il ^ 0，三次諧波電流13 ^ 0，且同時滿足，即保持注入電流有效值不變時，輸出轉矩的平均值為43.23Nm。
[0035]由以上四條曲線對比可知，在保持注入電流有效值不變的前提下，本發(fā)明通過合理的選擇注入基波電流和三次諧波電流可以明顯提高電機輸出轉矩，其中比單獨注入基波電流時，轉矩提高了 38.56%。
[0036]圖6為轉子未開槽五相電機的輸出轉矩。由Δ符號標注的曲線為只注入基波電流時的電機轉矩，輸出轉矩的平均值為38.9Nm。
[0037]由圖5和圖6的對比可知，在保持注入電流有效值不變的前提下，轉子開槽后的五相內(nèi)置永磁體電機比未開槽電機的輸出轉矩提高了 11.13%。
[0038]上述雖然結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【主權項】
1.一種高轉矩密度的五相永磁同步電機，其特征是:包括轉軸、轉子繞組和定子繞組，其中，轉軸外設轉子繞組，定子繞組采用五相對稱分數(shù)槽集中繞組，轉子為內(nèi)置式永磁轉子，永磁體與轉子鐵心構成切向式磁路結構。2.如權利要求1所述的一種高轉矩密度的五相永磁同步電機，其特征是:所述轉子沿外圓周方向交替排列有凹槽。3.如權利要求1所述的一種高轉矩密度的五相永磁同步電機，其特征是:所述永磁體下部與轉子鐵心的空腔中設有非導磁材料。4.如權利要求1所述的一種高轉矩密度的五相永磁同步電機，其特征是:所述電機磁極數(shù)和定子槽數(shù)目相配合。5.如權利要求1所述的一種高轉矩密度的五相永磁同步電機，其特征是:所述永磁體與轉子鐵心構成切向式磁路結構。6.如權利要求1所述的一種高轉矩密度的五相永磁同步電機，其特征是:所述電機永磁體產(chǎn)生的氣隙基波磁場和三次諧波磁場在定子繞組中感應產(chǎn)生基波和三次諧波反電動勢，與注入定子繞組的基波和三次諧波電流相互作用產(chǎn)生轉矩。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高轉矩密度五相永磁同步電機。電機本體包括定子和轉子，定子包括定子鐵心、五相分數(shù)槽集中繞組；動子包括開槽式動子鐵心和內(nèi)置式永磁體。所述轉子的外側有沿圓周方向交替排列的凹槽，該電機的特征在于選擇合適的凹槽寬度，可以增加三次諧波氣隙磁動勢，從而充分利用五相永磁電機的特點，即定子繞組可以同時注入基波電流和三次諧波電流，從而增加電流控制自由度，提高電機轉矩密度的同時，還可以降低電機磁場飽和度。
【IPC分類】H02K1/27, H02K21/14
【公開號】CN104883017
【申請?zhí)枴緾N201510305848
【發(fā)明人】宮金林
【申請人】山東大學
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年6月4日