CN104883017A - 一种高转矩密度的五相永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高转矩密度五相永磁同步电机。电机本体包括定子和转子，定子包括定子铁心、五相分数槽集中绕组；动子包括开槽式动子铁心和内置式永磁体。所述转子的外侧有沿圆周方向交替排列的凹槽，该电机的特征在于选择合适的凹槽宽度，可以增加三次谐波气隙磁动势，从而充分利用五相永磁电机的特点，即定子绕组可以同时注入基波电流和三次谐波电流，从而增加电流控制自由度，提高电机转矩密度的同时，还可以降低电机磁场饱和度。

Description

一种高转矩密度的五相永磁同步电机

技术领域

本发明涉及一种高转矩密度的五相永磁同步电机。

背景技术

近年来，随着全球环境恶化以及石油资源的日益短缺，传统汽车产业面临着严峻考验。因此，节能环保新能源汽车的研发已经成为世界各国政府的战略性产业和国内外专家学者关注的热点之一。作为新能源汽车的一类，混合动力汽车以其燃油经济性高、尾气排放低、续航里程长的显著优点脱颖而出，并得到了快速的发展。作为混合动力汽车动力源之一的电机，对其设计的要求也越来越高。混合动力电机设计的目标就是避免对原有汽车动力***空间的改变，换言之，由于空间的限制，希望使用的电动机体积更小、重量更轻、效率更高，也就是要求电动机有较高的功率密度或转矩密度。

分数槽集中绕组永磁电机具有转矩密度高、效率高和绕组结构简单等特点。电机采用分数槽绕组使得每对极下的槽数大为减少，以较少数量的大槽代替数量较多的小槽，可以减少槽绝缘占据的空间，有利于提高槽满率，进而提高电机性能。分数槽绕组电机缩短了线圈周长和绕组端部深处长度，减低用铜量，降低了电机所占空间；另外分数槽集中绕组便于使用专用绕线机，直接将线圈绕在齿上，取代传统嵌线工艺，提高工作效率，但是三相分数槽集中绕组永磁电机气隙磁场含有丰富的分数次和高次谐波，带来较大的纹波转矩脉动和转子铁心损耗。五相永磁电机容错能力强，是***具有较高的可靠性，同时可以利用注入3次谐波电流提高电机转矩密度，降低转矩脉动。三次谐波注入式五相永磁同步电机可以进一步提高电机的功率和转矩密度，但由于传统的永磁电机转子产生的气隙磁动势三次谐波含量相对较少，所以转矩密度的提高并不显著。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种高转矩密度的五相永磁同步电机，该装置通过定子绕组采用五相对称分数槽集中绕组，转子包括内置式永磁体和沿圆周方向交替排列的凹槽的设计，使电机绕组具有较高的三次谐波绕组系数。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高转矩密度的五相永磁同步电机，包括转轴、转子绕组和定子绕组，其中，转轴外设转子绕组，定子绕组采用五相对称分数槽集中绕组，转子为内置式永磁转子，永磁体与转子铁心构成切向式磁路结构。

所述转子沿外圆周方向交替排列有凹槽。

所述永磁体下部与转子铁心的空腔中设有非导磁材料。

所述电机磁极数和定子槽数目相配合。

所述永磁体与转子铁心构成切向式磁路结构。

所述定子绕组同时注入基波和三次谐波电流，分别与永磁气隙基波磁场和三次谐波磁场相互作用产生转矩。

本发明的有益效果为：

(1)电机转子沿外圆周方向交替排列的凹槽，提高永磁体气隙磁场三次谐波含量；

(2)永磁体下部与转子铁心的空腔中设有非导磁材料，降低了漏磁率，提高了永磁材料的利用；

(3)永磁气隙基波磁场和三次谐波磁场在定子绕组中感应产生基波和三次谐波反电动势，与注入定子绕组的基波和三次谐波电流相互作用产生转矩，与传统三相永磁电机相比，在电流有效值不变的前提下，五相永磁电机由于三次谐波电流的注入，增加了对电机控制的自由度，提高了电机的转矩密度。

附图说明

图1为本发明永磁电机结构示意图；

图2为本发明永磁电机径向气隙磁密分布曲线；

图3为转子无槽永磁电机径向气隙磁密分布曲线；

图4(a)为开槽转子的气隙磁密谐波柱状图；

图4(b)为无槽转子的气隙磁密谐波柱状图；

图5为转子开槽后永磁电机的输出转矩示意图；

图6为转子无槽永磁电机的输出转矩示意图；

其中，1-转轴，2-非导磁材料，3-转子铁心，4-永磁体，5-定子槽，6-定子齿，7-定子轭。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种高转矩密度的五相永磁同步电机，沿转子外圆周方向交替排列的凹槽，同时注入基波和三次谐波电流，选择合适的凹槽半径，合适的基波和三次谐波电流幅值及相位，可以显著的提高电机输出转矩，以上方法均得到有限元方法的验证。

定子绕组采用五相对称分数槽集中绕组；采用合适的极槽数配合，使电机绕组具有较高的三次谐波绕组系数。

采用内置式永磁转子，永磁体采用高性能永磁材料制成，与转子铁心构成切向式磁路结构。

电机转子沿外圆周方向交替排列的凹槽，提高永磁体气隙磁动势三次谐波含量。

图2所示为转子开槽永磁电机中由永磁体产生的径向气隙磁密分布曲线，图3为转子无槽的改电机由永磁体产生的径向气隙磁密分布曲线。两条曲线对比之下，可以很直观的看出，开槽电机的磁密曲线比不开槽的波形曲线多出一个凹陷部分，且开槽电机磁密的幅值大于不开槽电机得磁密幅值，说明转子开槽后具有聚磁效应。图4(a)、(b)为对应永磁体气隙磁密的谐波分析，其中图4(a)为开槽转子的气隙磁密谐波柱状图，图4(b)为无槽转子的气隙磁密谐波柱状图。通过比较可知，通过转子开槽，可以提高永磁体气隙磁密三次谐波的含量。

磁体下部与转子铁心的空腔中设有非导磁材料，降低了漏磁率，提高了永磁材料的利用。

图5所示定子绕组通入三次谐波电流之后，该电机输出转矩的对比。

由Δ符号标注的曲线为注入基波电流I1＝Irms，三次谐波电流I3＝0时的输出转矩，输出转矩的平均值为31.2Nm；

由o符号标注的曲线为注入基波电流I1＝0，三次谐波电流I3＝Irms时的输出转矩，输出转矩的平均值为37.4Nm；

由*符号标注的曲线为注入基波电流I1≠0，三次谐波电流I3≠0，且同时满足，即保持注入电流有效值不变时，输出转矩的平均值为43.23Nm。

由以上四条曲线对比可知，在保持注入电流有效值不变的前提下，本发明通过合理的选择注入基波电流和三次谐波电流可以明显提高电机输出转矩，其中比单独注入基波电流时，转矩提高了38.56％。

图6为转子未开槽五相电机的输出转矩。由Δ符号标注的曲线为只注入基波电流时的电机转矩，输出转矩的平均值为38.9Nm。

由图5和图6的对比可知，在保持注入电流有效值不变的前提下，转子开槽后的五相内置永磁体电机比未开槽电机的输出转矩提高了11.13％。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种高转矩密度的五相永磁同步电机，其特征是：包括转轴、转子绕组和定子绕组，其中，转轴外设转子绕组，定子绕组采用五相对称分数槽集中绕组，转子为内置式永磁转子，永磁体与转子铁心构成切向式磁路结构。

2.如权利要求1所述的一种高转矩密度的五相永磁同步电机，其特征是：所述转子沿外圆周方向交替排列有凹槽。

3.如权利要求1所述的一种高转矩密度的五相永磁同步电机，其特征是：所述永磁体下部与转子铁心的空腔中设有非导磁材料。

4.如权利要求1所述的一种高转矩密度的五相永磁同步电机，其特征是：所述电机磁极数和定子槽数目相配合。

5.如权利要求1所述的一种高转矩密度的五相永磁同步电机，其特征是：所述永磁体与转子铁心构成切向式磁路结构。

6.如权利要求1所述的一种高转矩密度的五相永磁同步电机，其特征是：所述电机永磁体产生的气隙基波磁场和三次谐波磁场在定子绕组中感应产生基波和三次谐波反电动势，与注入定子绕组的基波和三次谐波电流相互作用产生转矩。