CN115912719A - 径向磁场反凸极永磁同步电机系统 - Google Patents
径向磁场反凸极永磁同步电机系统 Download PDFInfo
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Abstract
径向磁场反凸极永磁同步电机系统,涉及电机领域,为了解决传统的永磁同步电机无法同时提高输出转矩并拓宽恒功率调速范围的问题。定子铁心外圆周面有多条轴向槽,功率绕组和磁场控制绕组均嵌放在槽中,功率绕组连接交流电源,磁场控制绕组通过励磁功率变换器连接交流电源。转子铁心上设有2P个第一通孔组和2P个第二通孔组,每个第二通孔内均嵌有一块所述永磁体,磁场控制绕组直轴电流产生的磁力线方向与永磁体产生的磁力线方向相同,直轴同步电感大于交轴同步电感;电机在基速以下运行,励磁功率变换器输出交流电流至磁场控制绕组,使磁场控制绕组电流的直轴分量大于零且不变,反之磁场控制绕组电流的直轴分量随电机转速的升高而减小。
Description
技术领域
本发明属于电机领域,尤其涉及电机的转子结构。
背景技术
现代工业中,随着变频驱动装置综合性能的不断提高,其应用范围越来越广泛。永磁同步电机具有效率高、功率因数高、功率密度大等优点,在电力拖动系统中的应用越来越广泛。但是永磁同步电机在基速以上运行时,因电机的反电势与转速成正比地增大,而电源电压的限制以及电流控制器的饱和会制约其速度运行范围的进一步拓宽。通过增大直轴去磁电流能够减弱磁场,增大电机恒功率运行范围。
对于永磁同步电机调速系统,当电机端电压和电流达到最大值、电流全部为直轴电流分量、并且忽略定子电阻的影响时,可以得到电机采用普通弱磁控制策略时的理想最高转速nmax为:
其中,ulim为极限电压,ilim为极限电流,Ld为直轴同步电感,ψf为电机空载永磁体磁链,p为电机极对数。
同步电机电磁转矩Te的表达式为:
Te=p[ψdid-ψqiq] (2)
其中,ψd为直轴永磁体磁链,id和iq分别为直轴和交轴电流。
对于传统的内嵌永磁体转子结构永磁同步电机,由于永磁体位于转子直轴位置处,因此有:
其中,Lq为交轴同步电感、ψq为交轴永磁体磁链。
将式(3)带入式(2)可得:
Te=p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq] (4)
从式(1)可以看出,当电机的极限电压和极限电流一定时,电机的理想最高转速主要取决于电机空载永磁体磁链ψf和直轴同步电感Ld,而与交轴同步电感Lq无关。ψf越小,电机的弱磁调速范围越宽,但是ψf越小,从式(4)可以看出,电磁转矩Te就会越小。因此除非磁阻转矩增加,否则永磁同步电机不可能有好的表现。虽然提高凸极率可以有效增加磁阻转矩,但考虑到由于铁心的磁饱和而Lq会受到限制,因此通常要求通过减小Ld来增加磁阻转矩。然而传统的内嵌永磁体转子结构,如图3所示。永磁同步电机ψf大,而Ld较小,因此必须通过大大增加id来拓宽电机的恒功率调速范围,这样就会增加逆变器的容量,降低驱动系统的效率和功率因数,同时,也会增加弱磁失控反电势过高给逆变器带来的破坏风险。同时,由于负向的直轴电流id产生的直轴电枢反应磁通与永磁体的极性相反,永磁体存在不可逆去磁的风险。因此,通过上述分析可以看出,对于传统的内嵌永磁体转子结构永磁同步电机来说,提高输出转矩(功率)与拓宽恒功率调速范围是相互矛盾的。
发明内容
本发明是为了解决传统的内嵌永磁体转子结构永磁同步电机无法同时提高输出转矩并拓宽恒功率调速范围的问题,现提供径向磁场反凸极永磁同步电机系统。
径向磁场反凸极永磁同步电机系统,包括双绕组径向磁场反凸极永磁同步电机和励磁功率变换器,双绕组径向磁场反凸极永磁同步电机包括同轴嵌套的定子和转子,定子和转子之间留有气隙;
定子包括定子铁心、功率绕组和磁场控制绕组,定子铁心圆周面均匀开设有多条轴向槽,功率绕组和磁场控制绕组均为多相对称绕组、并且嵌放在多条轴向槽中,功率绕组的引出线用于连接交流电源,磁场控制绕组的引出线与励磁功率变换器的交流输出端相连,励磁功率变换器的交流输入端用于连接交流电源;
转子包括转子铁心和永磁体,转子铁心上设有2P个第一通孔组和2P个第二通孔组,2P个第一通孔组和2P个第二通孔组交替沿转子铁心的周向均匀排布,第一通孔组靠近转子铁心的外表面,第二通孔组靠近转子铁心的主轴,
每个第一通孔组均包括n个沿轴向贯通的第一通孔,第一通孔的横截面为两端向转子铁心表面弯曲的条形,n个第一通孔沿径向排布,n个第一通孔横截面的中轴线分别为电机的n个交轴,
每个第二通孔组均包括j个沿轴向贯通的第二通孔,第二通孔的横截面为条形,j个第二通孔沿周向排布,j个第二通孔以转子铁心的一个直轴为对称轴构成径向对称结构,
每个第二通孔内均嵌有一块永磁体,永磁体平行充磁、且充磁方向均垂直于第二通孔的长度方向,长度方向为第二通孔横截面的长度方向,同一极下各永磁体的充磁方向相同,相邻两极永磁体的充磁方向相反,
p为电机的极对数,n和j均为正整数,且j≥2;
磁场控制绕组直轴电流产生的磁力线方向与永磁体产生的磁力线方向相同,直轴同步电感大于交轴同步电感;
当电机在基速以下运行时,励磁功率变换器输出交流电流至磁场控制绕组,使磁场控制绕组电流的直轴分量大于零且保持不变,当电机在基速以上运行时,磁场控制绕组电流的直轴分量大于零且随着电机转速的升高而减小。
进一步的,上述功率绕组的引出线通过切换开关与三相电网电气连接,或者,功率绕组的引出线用于通过逆变器或整流器与直流电源电气连接。
进一步的,上述磁场控制绕组的引出线与励磁功率变换器的交流输出端之间串联有电抗器,且磁场控制绕组的引出线上并联有多相电容器组。
进一步的,上述永磁体的磁化厚度大于等于0mm。
进一步的,上述第一通孔的横截面为弧形,或者由多段矩形框或梯形框首尾连通而成。
进一步的,上述第一通孔两侧的转子铁心径向厚度大于1mm。
进一步的,上述第一通孔横截面的两端至转子铁心表面的径向距离h满足:1mm≤h≤5mm。
进一步的,每一极中相邻两个第二通孔之间的慈桥宽度大于等于1mm。
进一步的,上述双绕组径向磁场反凸极永磁同步电机包括一个定子和一个转子,定子位于转子外部、且轴向槽位于定子内圆周面,或转子位于定子外部、且轴向槽位于定子外圆周面;
或者,双绕组径向磁场反凸极永磁同步电机包括外定子、转子和内定子,转子位于外定子和内定子之间、且轴向槽位于外定子的内圆周面和内定子的外圆周面。
进一步的,上述功率绕组和磁场控制绕组为整数槽绕组或分数槽绕组。
本发明改变了传统的内嵌永磁体永磁同步电机转子结构,在电机转子的直轴位置处设置永磁体,直轴位置处设置由高磁导率材料构成的导磁体,在交轴位置处设置磁障,这样能够减小交轴同步电感Lq、增大直轴同步电感Ld,使得Ld>Lq,且让直轴电枢反应磁场方向与永磁体产生磁场的方向相同。
在电机运行过程中保持直轴电流id>0,这时的直轴电流id有两个作用:一是产生直轴磁链ψd,进而产生磁阻转矩;二是控制永磁体磁链ψf,使永磁体磁链ψf随直轴电流id的增大而增大,随直轴电流id的减小而减小。从式(4)和式(1)可以看出,这样,既可以提高电机的电磁转矩,又能够拓宽电机的恒功率调速范围。这时,直轴电流id作为励磁电流,在基速以上运行时,随着速度升高,逐渐减小直轴电流id,从而可实现类似直流电机的弱磁控制。
本发明的径向磁场反凸极永磁同步电机系统的恒功率运行速度范围宽、转子永磁体用量少、结构强度高、效率高、短路容错能力强,使得本发明在电动车辆驱动系统、电主轴系统、飞轮储能系统以及变速起动发电系统中具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述径向磁场反凸极永磁同步电机系统结构示意图;
图2为本发明所述径向磁场反凸极永磁同步电机的端面结构示意图,其中(a)为定子和转子的嵌套结构,(b)为转子;
图3为磁场控制绕组的引出线上并联有多相电容器组的结构示意图;
图4为传统径向磁场永磁同步电机的转子端面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
参照图1和图2具体说明本实施方式,本实施方式所述的径向磁场反凸极永磁同步电机系统,如图1所示,包括双绕组径向磁场反凸极永磁同步电机和励磁功率变换器,双绕组径向磁场反凸极永磁同步电机包括同轴嵌套的定子和转子,定子和转子之间留有气隙。
定子包括定子铁心、功率绕组和磁场控制绕组,定子铁心圆周面均匀开设有多条轴向槽。功率绕组和磁场控制绕组均为多相对称绕组、并且嵌放在多条轴向槽中。功率绕组的引出线通过切换开关与三相电网电气连接;或者,功率绕组的引出线用于通过逆变器或整流器与直流电源电气连接。磁场控制绕组的引出线与励磁功率变换器的交流输出端相连,励磁功率变换器的交流输入端与三相电网相连。
如图2所示,转子包括转子铁心和永磁体,转子铁心上设有4个第一通孔组和4个第二通孔组,4个第一通孔组和4个第二通孔组交替沿转子铁心的周向均匀排布,第一通孔组靠近转子铁心的外表面,第二通孔组靠近转子铁心的主轴。
每个第一通孔组均包括2个沿轴向贯通的第一通孔,第一通孔的横截面为两端向转子铁心表面弯曲的条形。2个第一通孔沿径向排布,2个第一通孔横截面的中轴线分别为电机的2个交轴,2个第一通孔似相互平行,以增大交、轴磁路磁阻的差异。
每个第二通孔组均包括2个沿轴向贯通的第二通孔,第二通孔的横截面为条形,2个第二通孔沿周向排布,2个第二通孔以转子铁心的一个直轴为对称轴构成径向对称结构。
每个第二通孔内均嵌有一块永磁体,永磁体平行充磁、且充磁方向均垂直于第二通孔的长度方向,长度方向为第二通孔横截面的长度方向,同一极下各永磁体的充磁方向相同,相邻两极永磁体的充磁方向相反。
磁场控制绕组直轴电流产生的磁力线方向与永磁体产生的磁力线方向相同,直轴同步电感大于交轴同步电感。
当电机在基速以下运行时,励磁功率变换器输出交流电流至磁场控制绕组,使磁场控制绕组电流的直轴分量大于零且保持不变,当电机在基速以上运行时,磁场控制绕组电流的直轴分量大于零且随着电机转速的升高而减小。
本实施方式采用直轴电流id控制永磁体磁链ψf,电机空载损耗低、效率高。在转子直轴处设置永磁体,交轴位置处设置磁障,电机的直轴同步电感Ld大,电机的恒功率调速范围宽。电机空载反电势小、短路容错能力强、可靠性与安全性高。
进一步的,在实际应用时,本实施方式还有以下能够灵活变换或优选的结构:
磁场控制绕组的引出线与励磁功率变换器的交流输出端之间串联有电抗器,且磁场控制绕组的引出线上并联有多相电容器组,用以减小励磁功率变换器容量,如图4所示。
永磁体的磁化厚度大于等于0mm。
第一通孔的横截面为弧形,或者由多段矩形框或梯形框首尾连通而成。
第一通孔两侧的转子铁心径向厚度大于1mm。
第一通孔横截面的两端至转子铁心表面的径向距离h满足:1mm≤h≤5mm。
每一极中相邻两个第二通孔之间的慈桥宽度大于等于1mm。
双绕组径向磁场反凸极永磁同步电机包括一个定子和一个转子,定子位于转子外部、且轴向槽位于定子内圆周面,或转子位于定子外部、且轴向槽位于定子外圆周面;
或者,双绕组径向磁场反凸极永磁同步电机包括外定子、转子和内定子,转子位于外定子和内定子之间、且轴向槽位于外定子的内圆周面和内定子的外圆周面。
功率绕组和磁场控制绕组为整数槽绕组或分数槽绕组。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明,但是应该理解的是,这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是,可以对示例性的实施例进行许多修改,并且可以设计出其他的布置,只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是,可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是,结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (10)
1.径向磁场反凸极永磁同步电机系统,包括双绕组径向磁场反凸极永磁同步电机和励磁功率变换器,所述双绕组径向磁场反凸极永磁同步电机包括同轴嵌套的定子和转子,所述定子和所述转子之间留有气隙;
其特征在于,所述定子包括定子铁心、功率绕组和磁场控制绕组,所述定子铁心圆周面均匀开设有多条轴向槽,所述功率绕组和所述磁场控制绕组均为多相对称绕组、并且嵌放在所述多条轴向槽中,所述功率绕组的引出线用于连接交流电源,所述磁场控制绕组的引出线与所述励磁功率变换器的交流输出端相连,所述励磁功率变换器的交流输入端用于连接交流电源;
所述转子包括转子铁心和永磁体,所述转子铁心上设有2P个第一通孔组和2P个第二通孔组,所述2P个第一通孔组和2P个第二通孔组交替沿转子铁心的周向均匀排布,第一通孔组靠近所述转子铁心的外表面,第二通孔组靠近所述转子铁心的主轴,
每个第一通孔组均包括n个沿轴向贯通的第一通孔,所述第一通孔的横截面为两端向转子铁心表面弯曲的条形,n个所述第一通孔沿径向排布,n个所述第一通孔横截面的中轴线分别为电机的n个交轴,
每个第二通孔组均包括j个沿轴向贯通的第二通孔,所述第二通孔的横截面为条形,j个第二通孔沿周向排布,j个第二通孔以所述转子铁心的一个直轴为对称轴构成径向对称结构,
每个第二通孔内均嵌有一块所述永磁体,所述永磁体平行充磁、且充磁方向均垂直于所述第二通孔的长度方向,所述长度方向为所述第二通孔横截面的长度方向,同一极下各永磁体的充磁方向相同,相邻两极永磁体的充磁方向相反,
所述p为电机的极对数,n和j均为正整数,且j≥2;
所述磁场控制绕组直轴电流产生的磁力线方向与永磁体产生的磁力线方向相同,直轴同步电感大于交轴同步电感;
当电机在基速以下运行时,励磁功率变换器输出交流电流至磁场控制绕组,使磁场控制绕组电流的直轴分量大于零且保持不变,当电机在基速以上运行时,磁场控制绕组电流的直轴分量大于零且随着电机转速的升高而减小。
2.根据权利要求1所述的径向磁场反凸极永磁同步电机系统,其特征在于,所述功率绕组的引出线通过切换开关与三相电网电气连接,
或者,所述功率绕组的引出线用于通过逆变器或整流器与直流电源电气连接。
3.根据权利要求1或2所述的径向磁场反凸极永磁同步电机系统,其特征在于,所述磁场控制绕组的引出线与所述励磁功率变换器的交流输出端之间串联有电抗器,且所述磁场控制绕组的引出线上并联有多相电容器组。
4.根据权利要求1所述的径向磁场反凸极永磁同步电机系统,其特征在于,所述永磁体的磁化厚度大于等于0mm。
5.根据权利要求1所述的径向磁场反凸极永磁同步电机系统,其特征在于,
所述第一通孔的横截面为弧形,或者由多段矩形框或梯形框首尾连通而成。
6.根据权利要求1所述的径向磁场反凸极永磁同步电机系统,其特征在于,
所述第一通孔两侧的转子铁心径向厚度大于1mm。
7.根据权利要求1、5或6所述的径向磁场反凸极永磁同步电机系统,其特征在于,
所述第一通孔横截面的两端至所述转子铁心表面的径向距离h满足:1mm≤h≤5mm。
8.根据权利要求1所述的径向磁场反凸极永磁同步电机系统,其特征在于,每一极中相邻两个所述第二通孔之间的慈桥宽度大于等于1mm。
9.根据权利要求1所述的径向磁场反凸极永磁同步电机系统,其特征在于,
所述双绕组径向磁场反凸极永磁同步电机包括一个定子和一个转子,所述定子位于所述转子外部、且所述轴向槽位于所述定子内圆周面,或所述转子位于所述定子外部、且所述轴向槽位于所述定子外圆周面;
或者,所述双绕组径向磁场反凸极永磁同步电机包括外定子、转子和内定子,所述转子位于所述外定子和所述内定子之间、且轴向槽位于所述外定子的内圆周面和所述内定子的外圆周面。
10.根据权利要求1所述的径向磁场反凸极永磁同步电机系统,其特征在于,功率绕组和磁场控制绕组为整数槽绕组或分数槽绕组。
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CN202211456777.XA CN115912719A (zh) | 2022-11-21 | 2022-11-21 | 径向磁场反凸极永磁同步电机系统 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN118040929A (zh) * | 2024-01-10 | 2024-05-14 | 山东理工大学 | 一种新型实心转子超高速同步磁阻发电机及直流发电系统 |
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2022
- 2022-11-21 CN CN202211456777.XA patent/CN115912719A/zh active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN118040929A (zh) * | 2024-01-10 | 2024-05-14 | 山东理工大学 | 一种新型实心转子超高速同步磁阻发电机及直流发电系统 |
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