多相永磁同步驱动电机、应用及其方法转让专利
申请号 : CN201811308187.6
文献号 : CN109217602B
文献日 : 2020-04-10
发明人 : 王道涵 , 彭晨
申请人 : 山东大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种多相永磁同步驱动电机,其特征是:包括径向定子、轴向定子和转子,其中,所述转子内设置有转子槽,转子槽以U形排布,所述转子槽内放置永磁体,所述转子槽内永磁体同极性相对,通过聚磁效应使转子上产生径向磁通和轴向磁通;
所述转子的端部也设置有永磁体,且端部的永磁体在转子铁芯内侧产生的极性和转子槽内永磁体在转子铁芯上产生的极性相同,两处的永磁体在转子上共同作用形成径向磁极和轴向磁极;
所述转子套装于径向定子内部,与径向定子同轴布设,所述转子的至少一个端部设置有轴向定子,轴向定子与转子同心布设,所述径向定子的定子槽内设置有径向电枢绕组,所述轴向定子的定子槽内设置有轴向电枢绕组;
转子上的磁通一部分沿电机的径向方向沿径向磁极通过径向气隙进入到径向定子当中,形成径向主磁通,另一部分沿电机的轴向方向沿轴向磁极通过轴向气隙进入到轴向定子当中,形成轴向主磁通;所述径向主磁通与径向电枢绕组产生的磁场作用,所述轴向主磁通与轴向电枢绕组产生的磁场作用,使得电机的径向、轴向均产生转矩;
所述径向电枢绕组与轴向电枢绕组所产生的三相磁势错开60°或30°角度。
2.如权利要求1所述的一种多相永磁同步驱动电机,其特征是:所述径向定子和转子外沿之间存在径向气隙,所述轴向定子和转子端部之间存在轴向气隙。
3.如权利要求1所述的一种多相永磁同步驱动电机,其特征是:所述转子的端部设有扇环结构,扇环上放置有永磁体,所述扇环上表贴的永磁体在转子铁芯内侧产生的极性和转子槽内永磁体在转子铁芯上产生的极性相同。
4.如权利要求1所述的一种多相永磁同步驱动电机,其特征是:所述电机在径向或轴向定子上的相数均大于等于三,极对数大于等于一,径向电枢绕组和轴向电枢绕组为单层绕组或双层绕组,径向电枢绕组产生的磁场的极数与径向磁极极数相等,轴向电枢绕组产生的磁场的极数与轴向磁极极数相等。
5.如权利要求3所述的一种多相永磁同步驱动电机,其特征是:所述转子槽内永磁体与所述扇环上表贴的永磁体共同作用在转子上形成径向磁极和轴向磁极,轴向磁极的极数和径向磁极的极数相等。
6.如权利要求1所述的一种多相永磁同步驱动电机,其特征是:所述径向定子,包括定子槽、定子齿和定子轭部,其中,定子轭部为圆环状,定子齿有多个,沿定子轭部圆周均匀分布,定子齿之间有定子槽,所述定子槽内放置有径向电枢绕组。
7.如权利要求1所述的一种多相永磁同步驱动电机,其特征是:所述轴向定子包括轴向定子背轭、轴向定子槽和轴向定子齿,所述轴向定子背轭位于轴向定子的轴向的一侧,轴向定子齿设置在轴向定子背轭上,轴向定子齿之间设置有轴向定子槽,轴向定子槽内安放有轴向电枢绕组。
8.一种驱动机构,其特征是:包括如权利要求1-7中任一项所述的多相永磁同步驱动电机。
9.基于权利要求1-7中任一项所述的多相永磁同步驱动电机的运行方法,其特征是:根据电机工作的额定转速、额定转矩以及性能要求,设置电机的径向气隙长度和轴向气隙长度,同时根据径向定子和轴向定子所需要产生的磁动势的关系,确定轴向电枢绕组和径向电枢绕组所需要的线圈匝数与额定电流,对径向电枢绕组和轴向电枢绕组使用单独的三相逆变器和驱动控制策略进行控制,并使轴向定子的磁势和径向定子的三相 磁势错开60°或
30°角度,实现电机的多相运行。
10.基于权利要求1-7中任一项所述的多相永磁同步驱动电机的转矩驱动方法,其特征是:转子上的轴向磁通进入轴向定子中,轴向电枢绕组通电流产生驱动转矩,所述转子上的径向磁通进入径向定子,径向电枢绕组通电流后产生驱动转矩,所述径向定子和轴向定子所产生的合成磁势,根据其磁势之间的夹角分为多种双三相运行模式,具体包括:对称六相电机运行方式:所述径向定子和所述轴向定子所产生的磁势进行合成,其相带角为60°;
不对称六相电机运行方式:所述轴向定子和所述径向定子所产生的磁势进行合成,其相带角为30°。
说明书 :
多相永磁同步驱动电机、应用及其方法
技术领域
背景技术
环境和使用不可再生能源的缺点,正飞速发展着。
压、均流等问题会大大降低系统的可靠性。目前在中高电压大功率应用中,主要采用多电平逆变器通过低电压等级功率器件级联来实现,但也存在需要中点电位控制和控制算法复杂
等问题。在电动汽车、舰船和轨道交通驱动电机等大功率场合采用多相电机驱动系统更为
合适。据发明人了解,目前的多相电机多存在端部漏磁、电机铁芯材料的利用率不高的问
题,同时,多定子电机中其中一个定子安放在电机转子内部,为内定子,一个在转子外部,为外定子,电机发热集中在电机轴向,电机热负荷很高,而且内定子不与外界环境相连,电机散热较为困难。
发明内容
磁极和轴向磁极;
向定子当中,形成轴向主磁通;所述径向主磁通与径向绕组产生的磁场作用,所述轴向主磁通与轴向绕组产生的磁场作用,使得电机的径向、轴向均产生转矩。
轴向定子槽,轴向定子槽内安放有轴向绕组。
高电机的功率密度,转子槽内永磁体和扇环上表贴的永磁体在转子上共同作用形成径向磁
极和轴向磁极。
驱动控制策略,并根据轴向定子和径向定子所通电流产生磁势相差的角度实现多种多相运
行方式。可以充分利用电流的三次及高次谐波增大转矩输出能力,由于电机的径向绕组和
轴向绕组相互物理隔离,能够各自独立运行,因此电机在缺相等故障情况下运行时性能增
强,可以显著增强电机的容错运行能力;
磁场的极数与径向磁极极数相等,轴向电枢绕组产生的磁场的极数与轴向磁极极数相等。
密,扇环上永磁体直接面对电机的轴向气隙,轴向气隙磁密也很高,有利于提高电机的功率密度。所述转子槽内永磁体与所述扇环上表贴的永磁体共同作用在转子上形成径向磁极和
轴向磁极,轴向磁极的极数和径向磁极的极数相等。
电枢绕组和轴向电枢绕组使用单独的三相逆变器和驱动控制策略进行控制,并使轴向定子
的磁势和径向定子的磁势错开一定的夹角,实现电机的多相运行。
矩,所述径向定子和轴向定子所产生的合成磁势,根据其磁势之间的夹角分为多种双三相
运行模式,具体包括:
子,该双定子结构的两个定子分别安放在电机的轴向和径向方向,充分利用了电机的端部
和转子的端部,与传统多定子电机相比,增大了电机的散热面积,提高了电机的总电热负
荷,进而提高了电机的功率密度。轴向定子的设置利用了转子的轴向磁通,减小了电机的端部漏磁效应,永磁体利用率增加。
导磁率均很高,运行时铁耗低,本公开电机转子的端部加工成扇环形状,并在扇环上安放有永磁体,能够增强电机轴向的铁芯和气隙磁密,同时通过聚磁效应获得很高的径向铁芯和
气隙磁密,提高了电机材料的利用率,减轻了电机的重量,显著提高了电机的转矩和功率密度。转子槽内的永磁体与扇环上的永磁体共同作用在转子上形成磁极,磁极分为径向和轴
向两部分,轴向磁极与电机的轴向定子配合产生转矩,径向磁极与电机的径向定子配合产
生转矩,电机转子的结构相对简单,易于机械加工,制造成本较低。
轴向定子成为轴向主磁通,本公开电机中,永磁转子的径向磁通和端部磁通都得到了充分
的利用,消除了电机的端部漏磁通,提高了磁通利用率,有效改善了电机端部磁场分布,提高了电机的功率密度和转矩密度。
便可实现电机的双三相运行,电机的多相控制方式更容易实现。可以充分利用电流的三次
及高次谐波增大转矩输出能力,对电机进行各种灵活的控制。由于电机的径向绕组和轴向
绕组相互物理隔离,能够各自独立运行,因此电机在缺相等故障情况运行时性能增强,可以显著增强电机的容错运行能力,非常适用于高可靠性要求的场合。
斜槽来抑制谐波并削弱齿槽转矩的缺点。
附图说明
设有扇环结构,扇环上放置有永磁体,所述扇环上表贴的永磁体在转子铁芯内侧产生的极
性和转子槽内永磁体在转子铁芯上产生的极性相同,从而进一步通过聚磁效应增大电机的
铁芯磁密和径向轴向的气隙磁密,有利于提高电机的功率密度,转子槽内永磁体和扇环上
表贴的永磁体在转子上共同作用形成径向磁极和轴向磁极;
通,另一部分沿电机的轴向方向沿轴向磁极通过轴向气隙进入到轴向定子当中,形成轴向
主磁通;所述径向主磁通与径向绕组产生的磁场作用,所述轴向主磁通与轴向绕组产生的
磁场作用,使得电机的径向、轴向均产生转矩。将径向绕组与轴向绕组所产生的三相磁势错开一定角度,便可以实现所述电机的多种多相运行,根据径向定子和轴向定子所产生的磁
势所具体错开的角度,所述电机有对称六相与不对称六相(相移30°双三相电机)等多种运
行方式。
定子槽,轴向定子槽内安放有轴向绕组。
互作用产生转矩,轴向主磁通与轴向电枢绕组产生的磁场相互作用产生转矩。
运行方式,可以充分利用电流的三次及高次谐波增大转矩输出能力。由于电机的径向绕组
和轴向绕组相互物理隔离,能够各自独立运行,因此电机在缺相等故障情况下运行时性能
增强,可以显著增强电机的容错运行能力;
成,所述轴向定子包括轴向定子槽,轴向定子齿和轴向定子背轭,所述轴向定子槽内安放有轴向电枢绕组。
向电枢绕组产生的磁场的极数与轴向磁极极数相等。
磁通的极性相同,通过聚磁效应进一步提高电机的径向气隙磁密,扇环上永磁体直接面对
电机的轴向气隙,轴向气隙磁密也很高,有利于提高电机的功率密度。所述转子槽内永磁体与所述扇环上表贴的永磁体共同作用在转子上形成径向磁极和轴向磁极,轴向磁极的极数
和径向磁极的极数相等。
并使轴向定子的磁势和径向定子的磁势错开一定的夹角,实现电机的多相(六相或双三相)
运行。
定子,径向绕组通电流后产生驱动转矩,所述径向定子和轴向定子所产生的合成磁势,可根据其磁势之间的夹角分为多种双三相运行模式,具体包括:
度,减轻了电机的重量。由于电机的径向绕组和轴向绕组可以分别独立运行,可以灵活地实现六相或者双三相等多相运行模式,可以充分利用电流的三次及高次谐波增大转矩输出能
力,对电机进行各种灵活的控制,由于电机的径向绕组和轴向绕组相互物理隔离,能够各自独立运行,因此电机在缺相等故障情况运行时性能增强,可以显著增强电机的容错能力,使多相控制方式更易于实现。
磁通极性相同,本实施方式包括径向定子,轴向定子和转子,径向定子由硅钢片叠压而成,径向定子包括径向定子齿1,径向定子轭2和径向定子槽3,径向定子槽3内放置有径向电枢
绕组4,径向电枢绕组4可以分为分布绕组、集中绕组或叠绕组,径向电枢绕组的极数与转子径向磁极极数一致,径向定子和转子同轴,径向定子和转子之间有径向气隙5,轴向定子由硅钢片卷叠并加工而成,轴向定子包括轴向定子齿6,轴向定子轭7和轴向定子槽8,轴向定子槽8内安放有轴向电枢绕组9,轴向电枢绕组9可分为分布绕组,集中绕组或者叠绕组,轴向电枢绕组的极数与转子轴向磁极极数保持一致,轴向定子与转子同心,轴向定子和转子
之间有轴向气隙10,软磁复合转子11上设置有转子槽12,转子槽呈U型排布,转子槽12内安放有永磁体13,转子槽内的永磁体13同极性相对,通过聚磁效应在转子上形成径向磁通和
轴向磁通,转子的端部加工成扇环形状17,扇环17上安放有永磁体16,所述扇环上表贴的永磁体16在铁芯侧产生的极性与转子槽内永磁体13产生的极性相同,永磁体13、16共同作用
在转子上形成径向磁极14和轴向磁极15,永磁体产生的磁通通过径向磁极经过径向气隙进
入径向定子铁芯与径向电枢绕组交链形成径向主磁通,永磁体产生的磁通通过轴向磁极经
过轴向气隙进入轴向定子铁芯与轴向电枢绕组交链形成轴向主磁通,径向绕组磁通与轴向
绕组磁通相互独立,可以通过分别设计径向气隙和轴向气隙的长度来控制电机空载时的径
向主磁通和轴向主磁通,径向主磁通与径向电枢绕组4产生的磁场相互作用产生转矩,轴向主磁通与轴向电枢绕组9产生的磁场相互作用产生转矩,径向定子和轴向定子的绕组4、9为三相对称绕组,可分别看作独立运行的三相绕组并能分别独立的产生转矩,采用成熟的三
相功率逆变器和驱动控制策略,并根据轴向定子和径向定子所通电流产生磁势相差的角度
可实现多种多相(六相或者双三相)运行方式
成轴向磁极,而实施例一中只有电机的一个端部有轴向定子,电机转子铁芯只有一个端部
加工成扇环的形状形成轴向磁极,(2)实施例二中由于转子两段均加工为扇环形状,所需要在扇环上表贴的永磁体增多,实施例二中的结构,由于转子两个端部均有转子,能够消除转子上的不平衡磁拉力。本实施方式电机相数为6,径向定子齿数为48,轴向定子齿数为48,转子槽数为8,径向磁极数为8,轴向磁极数为8,转子的两个端部均设计有扇环结构17,扇环17上表贴有永磁体16,扇环上永磁体16在铁芯侧所产生的极性与转子槽内永磁体所生成的轴
向磁通极性相同,本实施方式包括径向定子,轴向定子和转子,径向定子由硅钢片叠压而
成,径向定子包括径向定子齿1,径向定子轭2和径向定子槽3,径向定子槽3内放置有径向电枢绕组4,径向电枢绕组4可以分为分布绕组、集中绕组或叠绕组,径向电枢绕组的极数与转子径向磁极极数一致,径向定子和转子同轴,径向定子和转子之间有径向气隙5,轴向定子由硅钢片卷叠并加工而成,轴向定子包括轴向定子齿6,轴向定子轭7和轴向定子槽8,轴向定子槽8内安放有轴向电枢绕组9,轴向电枢绕组9可分为分布绕组,集中绕组或者叠绕组,轴向电枢绕组的极数与转子轴向磁极极数保持一致,轴向定子与转子同心,轴向定子和转
子之间有轴向气隙10,软磁复合转子11上设置有转子槽12,转子槽呈U型排布,转子槽12内安放有永磁体13,转子槽内的永磁体13同极性相对,通过聚磁效应在转子上形成径向磁通
和轴向磁通,转子的端部加工成扇环形状17,扇环17上安放有永磁体16,所述扇环上表贴的永磁体16在铁芯侧产生的极性与转子槽内永磁体13产生的极性相同,永磁体13、16共同作
用在转子上形成径向磁极14和轴向磁极15,永磁体产生的磁通通过径向磁极经过径向气隙
进入径向定子铁芯与径向电枢绕组交链形成径向主磁通,永磁体产生的磁通通过轴向磁极
经过轴向气隙进入轴向定子铁芯与轴向电枢绕组交链形成轴向主磁通,径向绕组磁通与轴
向绕组磁通相互独立,可以通过分别设计径向气隙和轴向气隙的长度来控制电机空载时的
径向主磁通和轴向主磁通,径向主磁通与径向电枢绕组4产生的磁场相互作用产生转矩,轴向主磁通与轴向电枢绕组9产生的磁场相互作用产生转矩,径向定子和轴向定子的绕组4、9为三相对称绕组,可分别看作独立运行的三相绕组并能分别独立的产生转矩,采用成熟的
三相功率逆变器和驱动控制策略,并根据轴向定子和径向定子所通电流产生磁势相差的角
度可实现多种多相(六相或者双三相)运行方式。