CN114825725B - 一种低成本轴向永磁电机及其控制*** - Google Patents
一种低成本轴向永磁电机及其控制*** Download PDFInfo
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Abstract
本申请提供一种低成本轴向永磁电机及其控制***，涉及电机技术领域，该永磁电机包括：转轴，以及设置于转轴上的两个转子和位于两个转子之间的定子；转子包括端盘、永磁体和磁阻，永磁体和磁阻具有相同的结构和尺寸，并且对称设置于端盘的表面上构成表贴式转子；两块相邻的永磁体的磁极相反且关于转轴中心对称。其结构代替了传统的磁极N‑S对称排列方式，将永磁体用磁阻代替，降低成本，磁路上相似对称，充分利用了磁阻产生的磁阻转矩，单位永磁体用量下显著提升转矩密度，磁阻和永磁体镜像相呼应使电机永磁转矩和磁阻转子最大值能够在相同的电流相位角处叠加，实现了永磁转矩和磁阻转矩的叠加利用，从而提高电机的转矩密度。
Description
技术领域
本申请属于电机技术领域，尤其涉及一种低成本轴向永磁电机及其控制***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本申请相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来，随着稀土永磁材料在电机中的广泛应用，电励磁同步电机中的电磁铁已逐渐被永磁体材料所取代。与传统感应电机相比，永磁同步电机具有体积小、重量轻、功率密度高、转矩密度大、功率因数高、效率高等优点。
作为永磁电机的一种，轴向永磁电机也称盘式永磁电机，因其结构紧凑、效率高、功率密度大等优点获得越来越多的关注。近年来，轴向永磁电机的拓扑结构被广泛研究以提高扭矩密度，大部分研究集中在五个部分：定子/转子组合、转子铁芯、PM排列、定子铁芯和线圈布局。与径向磁通电机相比，轴向磁通电机具有较高的直径与长度比(紧凑性)和转矩与重量比(转矩密度)，因此具备广泛的应用前景。然而，由于电机制造工艺、永磁材料性能、绕组配置技术、驱动器容量等限制，轴向磁场永磁同步电机一直未能得到有效的发展。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供一种低成本轴向永磁电机及其控制***，不仅具有较低的成本而且具有较高的转矩密度和运行效率，从而适用于运行工况。
为了实现上述目的，本申请采用的技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供一种低成本轴向永磁电机，包括：转轴，以及设置于转轴上的两个转子和位于两个转子之间的定子；所述转子包括端盘、永磁体和磁阻，所述永磁体和磁阻具有相同的结构和尺寸，并且对称设置于端盘的表面上构成表贴式转子；两块相邻的永磁体的磁极相反且关于转轴中心对称。
作为一可选实施方式，所述永磁体为双正弦结构，由双正弦不等幅值切割而成，磁阻在结构上与所述永磁体对应；
或者，所述磁阻采用与永磁体密度相同或几近相同的材料。
作为一可选实施方式，所述定子包括定子铁心和定子绕组，所述定子绕组为两相绕组，沿所述定子铁心圆周的垂直方向均匀缠绕。
作为一可选实施方式，所述定子铁心为圆环套筒状的空心铁心，不包含定子齿或其相应的槽。
作为一可选实施方式，所述定子铁心由软磁复合材料轴向叠压而成。
作为一可选实施方式，多个扁平线圈在定子周围空间定向，四个集中绕组对应两相绕组并环绕定子铁心。
作为一可选实施方式，两相绕组在空间上呈180度对称排列，电磁相位上一相超前另一相90度，构成电机的电磁相位关系。
作为一可选实施方式，所述转子还包括转子护套，所述转子护套紧贴在端盘的表面上并与永磁体、磁阻紧密接触，其外径与端盘相同。
作为一可选实施方式，所述转子包括N极永磁磁阻辅助转子和S极永磁磁阻辅助转子；所述N极永磁磁阻辅助转子与定子之间的气隙长度等于所述S极永磁磁阻辅助转子与定子之间的气隙长度。
第二方面，本申请实施例还提供一种低成本轴向永磁电机的控制***，包括如第一方面及第一方面的任一可选实施方式所述的低成本轴向永磁电机和两相连接控制器，所述两相连接控制器用于实现机电能量交直流变换，控制所述低成本轴向永磁电机的定子绕组，所述两相连接控制器为两相六开关电桥电路。
本申请的有益效果是：
(1)本申请提供的低成本轴向永磁电机，其结构代替了传统的磁极N-S对称排列方式，将永磁体用磁阻代替，降低成本，磁路上相似对称，充分利用了磁阻产生的磁阻转矩，单位永磁体用量下显著提升转矩密度，磁阻和永磁体镜像相呼应使电机永磁转矩和磁阻转子最大值能够在相同的电流相位角处叠加，实现了永磁转矩和磁阻转矩的叠加利用，从而提高电机的转矩密度。
(2)轴向永磁电机的永磁体和磁阻基于正弦曲线进行优化设计，永磁体采用双正弦结构，定义外正弦曲线为Asinθ，内正弦曲线为Bsinθ，磁极面积为：由双正弦不等幅值切割而成，导线切割磁极磁力线的有效面积始终正弦变化，实现磁链和反电动势的正弦化，正弦的气隙场分布以减少涡流损耗，降低气隙磁场谐波，降低转矩脉动和振动噪声，提高运行效率。相应的，磁阻在结构上与永磁体对应，可以降低轴向磁拉力和净轴向力，磁阻使用与永磁体密度相似的材料，能够平衡转子运行转动惯量，降低径向力。
双正弦结构永磁体-磁阻结构为便于加工而设计，降低成本，永磁体与磁阻相对应，形成后的转子磁路相似对称，引入磁阻转子相对降低电机转矩脉动，提高单位体积永磁体可输出的转矩。
(3)轴向磁通永磁电机的定子绕组采用两相绕组，两相绕组集中绕线，采用长方形横截面的扁平铜线，增加导线与气隙的有效面积，其端部绕组短、铜损低且结构简单，气隙磁场调制更简洁理想。
(4)轴向磁通永磁电机的定子绕组采用两相连接控制器进行控制，三相绕组连接控制的开关需要同时协同控制，两相连接的控制器绕组共用的第三相独立开关可以独立控制，不受前两相开关干扰。在整体绕组导线电阻不变的情况下，三相绕组中每一相分配额定电流I，两相绕组相应每相分配额定电流1.5I，三相和两相集中绕组产生相同的平均转矩。此外，三相六开关电桥的开关管运行功率要求：而两相六开关电桥的开关管功率要求：/>两相控制器在功率器件上要求更低。
(5)轴向永磁电机的定子采用空心定子，减少定子材料的使用，同时能够消除齿槽转矩，减小轴向磁力，减少定子铁心损耗。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例所提供的低成本轴向永磁电机的结构***示意图；
图2是本申请实施例所提供的定子结构及绕组相分布示意图；
图3是本申请实施例所提供的定子1/2横截面示意图；
图4是本申请实施例所提供的定子控制电路拓扑示意图；
图5是本申请实施例所提供的N极永磁磁阻辅助转子的结构示意图；
图6是本申请实施例所提供的S极永磁磁阻辅助转子的结构示意图。
附图标记：1、S极永磁磁阻辅助转子；1-1、S极双正弦结构永磁体；1-2、S极双正弦结构磁阻；1-3、S极永磁磁阻辅助转子端盘；1-4、S极永磁磁阻辅助转子护套；2、N极永磁磁阻辅助转子；2-1、N极双正弦结构永磁体；2-2、N极双正弦结构磁阻；2-3、N极永磁磁阻辅助转子端盘；2-4、N极永磁磁阻辅助转子护套；3、定子；3-1、定子铁心；3-2、定子绕组；4、转轴。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本申请作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
基于此，本申请提供一种低成本轴向永磁电机，不仅成本较低而且具有较高的运行效率和转矩密度，适用于各种运行工况。
请参阅图1，图1是本发明实施例所提供的低成本轴向永磁电机的结构***示意图，如图1中所示，所述低成本轴向永磁电机包括：转轴4，以及设置于转轴4上的两个转子和位于两个转子之间的定子3；所述转子包括端盘、永磁体和磁阻，所述永磁体和磁阻具有相同的结构和尺寸，并且对称设置于端盘的表面上构成表贴式转子；两块相邻的永磁体的磁极相反且关于转轴中心对称。
在具体实施中，两个转子分别为S极永磁磁阻辅助转子1和N极永磁磁阻辅助转子2，定子3位于S极永磁磁阻辅助转子1和N极永磁磁阻辅助转子2之间。转子为轴向双层结构，包括转轴4，固定于转轴上的转子端盘1-3、2-3，永磁体和磁阻具有相同的结构和尺寸，并且对称设置于端盘的表面上构成表贴式转子；两块相邻的永磁体的磁极相反且关于转轴中心对称。
本申请通过将永磁体用磁阻代替，降低了成本，同时磁路上相似对称，充分利用了磁阻产生的磁阻转矩，单位永磁体用量下显著提升转矩密度，磁阻和永磁体镜像相呼应使电机永磁转矩和磁阻转子最大值能够在相同的电流相位角处叠加，实现了永磁转矩和磁阻转矩的叠加利用，从而提高了电机的转矩密度。
本申请实施例中，作为一可选实施例，所述永磁体为双正弦结构结构，磁阻在结构上与所述永磁体对应；
或者，所述磁阻采用与永磁体密度相同或几近相同的材料。
在具体实施中，永磁体采用双正弦结构，定义外正弦曲线为Asinθ，内正弦曲线为Bsinθ，磁极面积为：磁阻在结构上与永磁体对应，由双正弦不等幅值切割而成，导线切割磁极磁力线的有效面积始终正弦变化，实现磁链和反电动势的正弦化，正弦的气隙场分布以减少涡流损耗，降低气隙磁场谐波，降低转矩脉动和振动噪声，提高运行效率。如图2和图3中所示，S极双正弦结构永磁体1-1、S极双正弦结构磁阻1-2、N极双正弦结构永磁体2-1、N极双正弦结构磁阻2-2采用基于双正弦结构的正弦化设计，紧贴在相应S极永磁磁阻辅助转子端盘1-3、N极永磁磁阻辅助转子端盘2-3的表面上，S极双正弦结构永磁体1-1关于N极双正弦结构磁阻2-2镜像对称，N极双正弦结构永磁体2-1关于S极双正弦结构磁阻1-2镜像对称。
本申请实施例中，作为一可选实施例，所述定子包括定子铁心和定子绕组，所述定子绕组为两相绕组，沿所述定子铁心圆周的垂直方向均匀缠绕；可选的，所述定子铁心为圆环套筒状的空心铁心，不包含定子齿或其相应的槽。可选的，所述定子铁心由软磁复合材料轴向叠压而成；可选的，作为一可选实施例，多个扁平线圈在定子周围空间定向，四个集中绕组对应两相绕组并环绕定子铁心。
在具体实施中，如图4和图5中所示，定子3包括空心定子铁心3-1和定子两相绕组3-2，所述定子铁心3-1采用无槽定子结构，由软磁复合材料轴向叠压而成。定子绕组3-2为两相绕组，使用扁平绕线沿定子铁心3-1圆周的垂直方向均匀缠绕在定子铁心3-1上。图中“+”代表每相绕组的进线方向，“-”代表每相绕组的出线方向，A、B分别代表定子绕组3-2的两相，每相间隔90°机械角度。定子绕组3-2的每相内的分布形式可改变，此处的每相绕组的分布只做说明使用。
这里，定子铁心为圆环套筒状空心铁心，不包含定子齿或其相应的槽，即无槽定子结构，能够消除齿槽转矩，从而有效降低振动噪声；定子绕组采用两相绕组，两相绕组集中绕线，采用长方形横截面的扁平铜线，可以增加导线与气隙的有效面积，气隙磁场调制更理想。定子绕组采用了扁平绕线使得端部较小，易于制造与绕制且有良好的散热性能，此外，还具有较高的刚度，减小电机绕组的振动噪声，从而提升电机整体性能。可选的，两相绕组在空间上呈180度对称排列，构成电机的电磁相位关系。
本申请实施例中，作为一可选实施例，所述转子还包括转子护套，所述转子护套紧贴在端盘的表面上并与永磁体、磁阻紧密接触，其外径与端盘相同。
在具体实施中，S极双正弦结构永磁体1-1、S极双正弦结构磁阻1-2、N极双正弦结构永磁体2-1、N极双正弦结构磁阻2-2分别固定在相应S极永磁磁阻辅助转子护套1-4和N极永磁磁阻辅助转子护套2-4上，并紧贴在相应S极永磁磁阻辅助转子端盘1-3、N极永磁磁阻辅助转子端盘2-3的表面上，S极双正弦结构永磁体1-1关于N极双正弦结构磁阻2-2镜像对称，N极双正弦结构永磁体2-1关于S极双正弦结构磁阻1-2镜像对称。
这里，转子护套安装在转子表面除形状优化设计后的永磁体外的剩余空间上，结构紧凑且不影响电机的有效气隙长度。
本申请实施例中，作为一可选实施例，所述转子包括N极永磁磁阻辅助转子和S极永磁磁阻辅助转子；所述N极永磁磁阻辅助转子与定子之间的气隙长度等于所述S极永磁磁阻辅助转子与定子之间的气隙长度。
上述技术方案的优点在于，永磁体由双正弦不等幅值切割而成，导线切割磁极磁力线的有效面积始终正弦变化，双正弦结构实现磁链和反电动势的正弦化，降低气隙磁场谐波，降低转矩脉动和振动噪声，提高运行效率。磁阻双正弦结构设计，结构上对应双正弦结构永磁体，降低轴向磁拉力和净轴向力，磁阻使用与永磁体密度相似的材料，平衡转子运行转动惯量，降低径向力。将永磁体用磁阻代替，降低成本，磁路上相似对称，充分利用了磁阻产生的磁阻转矩，单位永磁体用量下显著提升转矩密度，磁阻和永磁体镜像相呼应使电机永磁转矩和磁阻转子最大值能够在相同的电流相位角处叠加，实现了永磁转矩和磁阻转矩的叠加利用。
本申请实施例通过采用轴向磁通结构使轴向有效气隙长度可调且不受永磁体护套影响、体积紧凑和散热性能优越；定子采用无槽空心定子结构消除齿槽转矩，减小振动噪声并增加功率密度；定子绕组通过使用扁线绕线技术提高散热性能和效率；转子永磁体和磁阻通过形状优化设计实现磁链和反电动势的正弦化，使电机具有低谐波畸变、低振动噪声、高效率等优点。
本申请实施例还提供一种低成本轴向永磁电机的控制***，包括上述的低成本轴向永磁电机和两相连接控制器，所述两相连接控制器用于实现机电能量交直流变换，控制所述低成本轴向永磁电机的定子绕组，所述两相连接控制器为两相六开关电桥电路。
在具体实施中，两相连接控制器的一个重要优点是，对驱动电路的要求更低。三相绕组连接控制的开关需要同时协同控制，两相连接的控制器绕组共用的第三相独立开关可以独立控制，不受前两相开关干扰。在整体导线电阻不变的情况下，三相绕组中每一相分配额定电流I，两相绕组相应每相分配额定电流1.5I，三相和两相集中绕组产生相同的平均转矩。此外，三相六开关电桥的开关管运行功率要求：而两相六开关电桥的开关管功率要求：/>两相控制器在功率器件上要求更低。这里，定子控制电路拓扑示意图如图6中所示，两相连接控制器为两相六开关电桥电路，该电路用于实现机电能量交直流变换，控制低成本轴向永磁电机的定子绕组。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低成本轴向永磁电机，其特征在于，包括：转轴，以及设置于转轴上的两个转子和位于两个转子之间的定子；所述两个转子都包括端盘、永磁体和磁阻；所述两个转子分别为S极永磁磁阻辅助转子和N极永磁磁阻辅助转子；转子为轴向双层结构;所述端盘固定于转轴上；所述永磁体和磁阻具有相同的结构和尺寸，并且对称设置于端盘的表面上构成表贴式转子；
所述永磁体为双正弦结构,定义外正弦曲线为，内正弦曲线为/>，磁极面积为：/>，磁阻在结构上与所述永磁体对应，由双正弦不等幅值切割而成;所述磁阻采用与永磁体密度相同或几近相同的材料;
S极双正弦结构永磁体关于N极双正弦结构磁阻镜像对称，N极双正弦结构永磁体关于S极双正弦结构磁阻镜像对称;
S极双正弦结构永磁体的磁极和N极双正弦结构永磁体的磁极相反且两个永磁体关于转轴中心对称。
2.如权利要求1所述的低成本轴向永磁电机，其特征在于，所述定子包括定子铁心和定子绕组，所述定子绕组为两相绕组，沿所述定子铁心圆周的垂直方向均匀缠绕。
3.如权利要求2所述的低成本轴向永磁电机，其特征在于，所述定子铁心为圆环套筒状的空心铁心，不包含定子齿或其相应的槽。
4.如权利要求3所述的低成本轴向永磁电机，其特征在于，所述定子铁心由软磁复合材料轴向叠压而成。
5.如权利要求2所述的低成本轴向永磁电机，其特征在于，多个扁平线圈在定子周围空间定向，四个集中绕组对应两相绕组并环绕定子铁心。
6.如权利要求2所述的低成本轴向永磁电机，其特征在于，两相绕组在空间上呈180度对称排列，电磁相位上一相超前另一相90度，构成电机的电磁相位关系。
7.如权利要求1所述的低成本轴向永磁电机，其特征在于，所述转子还包括转子护套，所述转子护套紧贴在端盘的表面上并与永磁体、磁阻紧密接触，其外径与端盘相同。
8.如权利要求1所述的低成本轴向永磁电机，其特征在于，所述转子包括N极永磁磁阻辅助转子和S极永磁磁阻辅助转子；所述N极永磁磁阻辅助转子与定子之间的气隙长度等于所述S极永磁磁阻辅助转子与定子之间的气隙长度。
9.一种低成本轴向永磁电机的控制***，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的低成本轴向永磁电机和两相连接控制器，所述两相连接控制器用于实现机电能量交直流变换，控制所述低成本轴向永磁电机的定子绕组，所述两相连接控制器为两相六开关电桥电路。
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