混合磁路雙定子弱磁擴(kuò)速實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種永磁同步電機(jī)，具體涉及一種混合磁路雙定子弱磁擴(kuò)速實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著永磁材料耐高溫性能的提高和價格的降低，永磁電機(jī)在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面得到更為廣泛的應(yīng)用，正向大功率化、高性能化和微型化方向發(fā)展。目前永磁電機(jī)的功率從幾毫瓦到幾千千瓦，應(yīng)用范圍從玩具電機(jī)、工業(yè)應(yīng)用到艦船牽引用的大型永磁電機(jī)，在國民經(jīng)濟(jì)、日常生活、軍事工業(yè)、航空航天的各個方面得到了廣泛應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)有交流永磁同步電機(jī)存在如下技術(shù)缺點(diǎn):
[0004]1、永磁同步電機(jī)由于永磁體磁動勢固定，電機(jī)主磁通不可調(diào)，導(dǎo)致恒功率運(yùn)行范圍窄，調(diào)速范圍不夠?qū)挿骸?br>[0005]2、現(xiàn)有內(nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子永磁體通過各種組合實(shí)現(xiàn)“聚磁效應(yīng)”，因此轉(zhuǎn)子鐵芯磁極磁密很高，使得其端部存在較大漏磁通，轉(zhuǎn)子漏磁通通過電機(jī)轉(zhuǎn)子的端部或者端蓋閉合，由于永磁體產(chǎn)生的總磁通量一定，端部漏磁通的存在不但使得電機(jī)兩個端部磁場分布不均勻，而且降低了電機(jī)的有效磁通利用率，從而降低了電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，為克服端部漏磁通的影響，實(shí)際設(shè)計時，電機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)常采用overhang結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子鐵芯軸向長度大于電機(jī)定子鐵芯軸向長度，但該結(jié)構(gòu)顯著增加了電機(jī)軸向長度，進(jìn)而增加了電機(jī)的鐵芯材料用量和制造成本，而且該結(jié)構(gòu)本質(zhì)上沒有起到抑制端部漏磁通的效果。
[0006]3、現(xiàn)有永磁同步電機(jī)正常運(yùn)行時，通常只有iq電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，此時id = O，弱磁運(yùn)行時，需要對轉(zhuǎn)子施加d軸電流，此時i d在O，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子磁極的去磁作用，由于d軸電流由電機(jī)的功率逆變器產(chǎn)生，因此當(dāng)電機(jī)進(jìn)行弱磁控制時，會顯著增大電機(jī)繞組電流的幅值，并大大增加功率逆變器的容量，當(dāng)需要進(jìn)行深度弱磁時，此時需要的d軸電流很大，電機(jī)的功角將迅速減小，電機(jī)電流將很快超過變頻器的容量，因此，對需要進(jìn)行弱磁擴(kuò)速運(yùn)行的永磁同步電機(jī)，通常需要采取額外的措施和方法進(jìn)行弱磁調(diào)節(jié)，以此減小每極磁通。
[0007]4、按照弱磁時d軸磁通經(jīng)過的路徑不同，現(xiàn)有內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)可以分為兩類，其中一類，當(dāng)進(jìn)行弱磁控制時，電樞繞組產(chǎn)生的d軸磁通會穿過電機(jī)的永磁體，引起永磁體不可逆退磁，另外一類，當(dāng)進(jìn)行弱磁控制時，電樞繞組產(chǎn)生的d軸磁通不經(jīng)過永磁體閉合，但d軸電流產(chǎn)生的磁場強(qiáng)迫更多的轉(zhuǎn)子磁通通過電機(jī)的端部和端蓋閉合，顯著增大了電機(jī)的漏磁通，而且由于電機(jī)端部磁阻通常比氣隙磁阻大得多，因此，弱磁所需要的d軸電流較大，顯著增加了電機(jī)功率逆變器的成本和繞組銅耗。
[0008]5、現(xiàn)有永磁同步電機(jī)通常電樞反電動勢諧波較大，齒槽轉(zhuǎn)矩問題突出，帶來嚴(yán)重的振動和噪聲問題，目前通常是采用定子斜槽或者轉(zhuǎn)子斜極的方法來改善反電動勢諧波并削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，但定子斜槽和轉(zhuǎn)子斜極加工工藝較復(fù)雜，大大增加了制造成本，而且會一定程度減小電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。
[0009]在這種情況下，尋求一種端部漏磁小，磁通利用率高，正弦度好，調(diào)磁功能靈活但功率逆變器容量小的交流永磁同步電機(jī)至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了混合磁路雙定子弱磁擴(kuò)速實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)及其方法，本發(fā)明電機(jī)永磁體產(chǎn)生的徑向磁通和軸向磁通均得到了利用，消除了端部漏磁效應(yīng)，提高了電機(jī)材料利用利用率，減輕了電機(jī)的重量，提高了功率密度，而且能夠靈活地實(shí)現(xiàn)增磁運(yùn)行和弱磁擴(kuò)速運(yùn)行，拓寬了電機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍，對提高電動汽車用驅(qū)動電機(jī)的性能具有重要意義。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下:
[0012]混合磁路雙定子弱磁擴(kuò)速實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，包括徑向定子、軸向定子及轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子內(nèi)置在徑向定子中且與徑向定子同軸放置，所述軸向定子安放在轉(zhuǎn)子端部，與轉(zhuǎn)子同心放置，所述徑向定子及軸向定子分別安放有徑向電樞繞組及軸向電樞繞組；
[0013]所述轉(zhuǎn)子為實(shí)心轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子內(nèi)放置有永磁體，用于產(chǎn)生徑向磁極和軸向磁極，永磁體產(chǎn)生的磁通一部分通過徑向磁極進(jìn)入徑向定子與徑向電樞繞組交鏈形成徑向主磁通，永磁體產(chǎn)生的磁通另一部分通過軸向磁極進(jìn)入軸向定子與軸向電樞繞組交鏈形成軸向主磁通，徑向主磁通與軸向主磁通并聯(lián)；
[0014]電機(jī)運(yùn)行時，通過向徑向電樞繞組和軸向電樞繞組施加電流來動態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行時的軸向主磁通和徑向主磁通，以此實(shí)現(xiàn)弱磁控制。
[0015]進(jìn)一步的，所述徑向定子由硅鋼片疊壓而成，所述徑向定子包括定子槽，定子齒和定子軛部，所述定子槽內(nèi)安放有徑向電樞繞組。
[0016]進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)子上有轉(zhuǎn)子槽，轉(zhuǎn)子槽內(nèi)安放有永磁體，所述永磁體通過串并聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)“聚磁效應(yīng)”，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生磁極，所述磁極分為徑向磁極和軸向磁極，軸向磁極的極數(shù)和徑向磁極的極數(shù)相等。
[0017]進(jìn)一步的，所述徑向磁極面向電機(jī)的徑向定子，徑向磁極與轉(zhuǎn)子之間為徑向氣隙，所述軸向磁極加工成凸極形狀，面向電機(jī)軸向定子，所述軸向磁極和軸向定子之間為軸向氣隙。
[0018]進(jìn)一步的，所述徑向主磁通與徑向電樞繞組產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，軸向主磁通與軸向電樞繞組產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。電機(jī)不存在端部漏磁場，磁通利用率高，功率密度和轉(zhuǎn)矩密度高。
[0019]進(jìn)一步的，電機(jī)正常運(yùn)行時，軸向電樞繞組同時產(chǎn)生d軸和q軸電流，d軸電流產(chǎn)生的磁場使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分磁通沿徑向進(jìn)入到徑向鐵芯，與徑向電樞繞組產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生主轉(zhuǎn)矩，另外一小部分磁通沿軸向進(jìn)入到軸向定子中，這部分磁通與軸向電樞繞組的q軸電流相互作用產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩。
[0020]更進(jìn)一步的，電機(jī)正常運(yùn)行時，軸向定子繞組起到增大電機(jī)徑向主磁通并產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩；當(dāng)需要弱磁擴(kuò)速運(yùn)行時，減小電機(jī)軸向定子繞組的d軸電流，這使得相當(dāng)多的轉(zhuǎn)子磁通沿軸向進(jìn)入到軸向鐵芯中，減小電機(jī)的徑向主磁通，使得徑向定子工作在弱磁條件下，顯著增大電機(jī)的調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速。
[0021]進(jìn)一步的，所述徑向電樞繞組和軸向電樞繞組可為單層繞組，或?yàn)殡p層繞組，徑向電樞繞組和軸向電樞繞組產(chǎn)生的磁場的極數(shù)均和轉(zhuǎn)子磁極極數(shù)相等。其中，電機(jī)相數(shù)3，極對數(shù)P > I。
[0022]進(jìn)一步的，上述混合磁路雙定子弱磁擴(kuò)速實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)中的軸向定子的數(shù)量為兩個時，分別安放在轉(zhuǎn)子相應(yīng)的兩個端部，轉(zhuǎn)子的兩個端部均加工成扇環(huán)的形狀形成軸向磁極。
[0023]進(jìn)一步的，一種電動汽車，包括上述混合磁路雙定子弱磁擴(kuò)速實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)。
[0024]混合磁路雙定子弱磁擴(kuò)速實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動方法，徑向定子產(chǎn)生主驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，軸向定子實(shí)現(xiàn)弱磁功能并產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，具體包括:
[0025]當(dāng)電機(jī)正常工作不需要弱磁運(yùn)行時，軸向定子的電樞繞組產(chǎn)生d軸電流，使得電機(jī)軸向主磁通減小，徑向主磁通增大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩主要由徑向主磁通和徑向電樞繞組磁場產(chǎn)生，此時電機(jī)軸向電樞繞組只施加d軸電流，徑向主磁通最大，通過調(diào)節(jié)電機(jī)軸向電樞繞組的d軸電流可以調(diào)節(jié)徑向主磁通的大小；
[0026]當(dāng)電機(jī)需要進(jìn)行弱磁運(yùn)行時，軸向電樞繞組的d軸電流減小，電機(jī)徑向主磁通減小，軸向主磁通增大，此時徑向部分電機(jī)工作在弱磁條件，減小軸向電樞繞組的d軸電流的同時，同時增大其q軸電流，此時軸向定子電樞繞組與軸向主磁通產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，增大電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。
[0027]混合磁路雙定子弱磁擴(kuò)速實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動方法，軸向定子產(chǎn)生主驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，徑向定子實(shí)現(xiàn)弱磁功能產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，具體包括:
[0028]當(dāng)電機(jī)正常工作不需要弱磁運(yùn)行時，徑向定子的電樞繞組產(chǎn)生d軸電流，使得電機(jī)徑向主磁通減小，軸向主磁通增大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩主要由軸向主磁通和軸向電樞繞組磁場產(chǎn)生，此時電機(jī)徑向電樞繞組只施加d軸電流，軸向主磁通最大，通過調(diào)節(jié)電機(jī)