[发明专利]一种高转矩密度的五相永磁同步电机

说明书

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系统空间的改变，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，是系统具有较高的可靠性，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。