混合磁路雙定子弱磁擴速實心轉(zhuǎn)子永磁同步電機及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種永磁同步電機，具體涉及一種混合磁路雙定子弱磁擴速實心轉(zhuǎn)子永磁同步電機及其方法。
【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。目前永磁電機的功率從幾毫瓦到幾千千瓦，應用范圍從玩具電機、工業(yè)應用到艦船牽引用的大型永磁電機，在國民經(jīng)濟、日常生活、軍事工業(yè)、航空航天的各個方面得到了廣泛應用。
[0003]現(xiàn)有交流永磁同步電機存在如下技術(shù)缺點:
[0004]1、永磁同步電機由于永磁體磁動勢固定，電機主磁通不可調(diào)，導致恒功率運行范圍窄，調(diào)速范圍不夠?qū)挿骸?br>[0005]2、現(xiàn)有內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子永磁體通過各種組合實現(xiàn)“聚磁效應”，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兩個端部磁場分布不均勻，而且降低了電機的有效磁通利用率，從而降低了電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，為克服端部漏磁通的影響，實際設(shè)計時，電機轉(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定子鐵芯軸向長度，但該結(jié)構(gòu)顯著增加了電機軸向長度，進而增加了電機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)有永磁同步電機正常運行時，通常只有iq電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，此時id = O，弱磁運行時，需要對轉(zhuǎn)子施加d軸電流，此時i d在O，進而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子磁極的去磁作用，由于d軸電流由電機的功率逆變器產(chǎn)生，因此當電機進行弱磁控制時，會顯著增大電機繞組電流的幅值，并大大增加功率逆變器的容量，當需要進行深度弱磁時，此時需要的d軸電流很大，電機的功角將迅速減小，電機電流將很快超過變頻器的容量，因此，對需要進行弱磁擴速運行的永磁同步電機，通常需要采取額外的措施和方法進行弱磁調(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)的永磁同步電機可以分為兩類，其中一類，當進行弱磁控制時，電樞繞組產(chǎn)生的d軸磁通會穿過電機的永磁體，引起永磁體不可逆退磁，另外一類，當進行弱磁控制時，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)生的磁場強迫更多的轉(zhuǎn)子磁通通過電機的端部和端蓋閉合，顯著增大了電機的漏磁通，而且由于電機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，顯著增加了電機功率逆變器的成本和繞組銅耗。
[0008]5、現(xiàn)有永磁同步電機通常電樞反電動勢諧波較大，齒槽轉(zhuǎn)矩問題突出，帶來嚴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雜，大大增加了制造成本，而且會一定程度減小電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩，降低電機的轉(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速實心轉(zhuǎn)子永磁同步電機及其方法，本發(fā)明電機永磁體產(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，提高了電機材料利用利用率，減輕了電機的重量，提高了功率密度，而且能夠靈活地實現(xiàn)增磁運行和弱磁擴速運行，拓寬了電機的經(jīng)濟運行范圍，對提高電動汽車用驅(qū)動電機的性能具有重要意義。
[0011]為實現(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速實心轉(zhuǎn)子永磁同步電機，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]電機運行時，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)電機的運行時的軸向主磁通和徑向主磁通，以此實現(xiàn)弱磁控制。
[0015]進一步的，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)組合實現(xiàn)“聚磁效應”，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]進一步的，所述徑向磁極面向電機的徑向定子，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，面向電機軸向定子，所述軸向磁極和軸向定子之間為軸向氣隙。
[0018]進一步的，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]進一步的，電機正常運行時，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]更進一步的，電機正常運行時，軸向定子繞組起到增大電機徑向主磁通并產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩；當需要弱磁擴速運行時，減小電機軸向定子繞組的d軸電流，這使得相當多的轉(zhuǎn)子磁通沿軸向進入到軸向鐵芯中，減小電機的徑向主磁通，使得徑向定子工作在弱磁條件下，顯著增大電機的調(diào)速范圍，實現(xiàn)弱磁擴速。
[0021]進一步的，所述徑向電樞繞組和軸向電樞繞組可為單層繞組，或為雙層繞組，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，電機相數(shù)3，極對數(shù)P > I。
[0022]進一步的，上述混合磁路雙定子弱磁擴速實心轉(zhuǎn)子永磁同步電機中的軸向定子的數(shù)量為兩個時，分別安放在轉(zhuǎn)子相應的兩個端部，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]進一步的，一種電動汽車，包括上述混合磁路雙定子弱磁擴速實心轉(zhuǎn)子永磁同步電機。
[0024]混合磁路雙定子弱磁擴速實心轉(zhuǎn)子永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動方法，徑向定子產(chǎn)生主驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，軸向定子實現(xiàn)弱磁功能并產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，具體包括:
[0025]當電機正常工作不需要弱磁運行時，軸向定子的電樞繞組產(chǎn)生d軸電流，使得電機軸向主磁通減小，徑向主磁通增大，電機轉(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)電機軸向電樞繞組的d軸電流可以調(diào)節(jié)徑向主磁通的大??；
[0026]當電機需要進行弱磁運行時，軸向電樞繞組的d軸電流減小，電機徑向主磁通減小，軸向主磁通增大，此時徑向部分電機工作在弱磁條件，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，增大電機的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。
[0027]混合磁路雙定子弱磁擴速實心轉(zhuǎn)子永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動方法，軸向定子產(chǎn)生主驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，徑向定子實現(xiàn)弱磁功能產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，具體包括:
[0028]當電機正常工作不需要弱磁運行時，徑向定子的電樞繞組產(chǎn)生d軸電流，使得電機徑向主磁通減小，軸向主磁通增大，電機轉(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