[发明专利]采用Halbach永磁阵列的绕组分离型无轴承同步磁阻电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种同步磁阻永磁电机结构技术，属于电机设计相关技术领域。

背景技术

能源危机及环境污染问题的日益严重使得电动汽车的研究收到广泛重视。采用稀土材料的内嵌式转子永磁电机凭借高功率和转矩密度、高效率、较宽的恒功率运行范围，在电动汽车领域中获得了广泛应用。但由于稀土永磁材料价格昂贵，资源有限，且生产制造过程中对环境有较大影响。故研究和开发少稀土/无稀土永磁驱动电机及系统具有重要的理论意义和应用价值。而同步磁阻电机凭借其可以不使用或仅使用少量廉价永磁体的优势，被认为是一种极具工业潜力的少稀土/无稀土电机。

为解决纯同步磁阻电机因为需要较大的励磁电流这一问题，将永磁体嵌入转子磁障以提供永磁励磁的方案应运而生，为了降低成本，一般不使用稀土永磁材料，电机的电磁转矩主要来源于磁阻转矩。目前同步磁阻电机的设计目标主要集中于增大转矩密度、削弱转矩脉动、提高功率因数、提高永磁体抗去磁能力四个方面。针对以上四个设计目标的电机拓扑结构和优化设计方法，电机设计人员提出了多种新结构，可以归结为对磁障结构的优化和对永磁体结构的优化。然而，这些新结构只是针对转子侧进行改良设计，而未对电机定子结构进行创新设计。仅对转子结构进行改良设计对提高电机的电磁性能有限，尤其是未能从根本上解决功率因数和凸极率低的问题。

发明内容

技术问题：为克服现有技术中存在的问题，本发明的目的是提出一种新型的同步磁阻永磁电机结构，通过将电枢绕组/功率绕组和励磁绕组相分离，实现了电枢电流和励磁电流的分离，从根本上解决了功率因数低的问题，并且为实现电机的转子悬浮功能提供了可能。另外，通过采用Halbach永磁阵列，利用该永磁阵列所特有的磁场定向聚积和发散作用，提高了电机的凸极率和永磁体的抗去磁能力。

技术方案：本发明公开了一种采用Halbach永磁阵列的绕组分离型无轴承同步磁阻电机，其特征在于，包括定子和转子；该定子上设置有由交流电独立控制的交流绕组包括电枢绕组和可根据需要作为交流励磁使用来调节电机的励磁磁场亦可作为交流电枢使用来提供电机的功率输入的励磁绕组，且该定子交替分布有电枢齿和励磁齿；电枢绕组位于电枢齿上，励磁绕组位于励磁齿上；该转子包括转子铁心、磁障和位于磁障内部的Halbach永磁阵列；励磁绕组内叠加有以实现转子悬浮的直流电流。

将电机绕组分为多相电枢绕组和多相励磁绕组，实现了电枢电流和励磁电流相分离的效果，提高了电机的功率因数和效率。该多相励磁绕组中同时通入直流电流，实现转子在垂直方向上的悬浮功能和在水平方向上位置的调节。该多相交流励磁绕组在需要增磁和弱磁时作为交流励磁绕组使用，在无需调磁时作为冗余电枢绕组，与主电枢绕组正常运行；当永磁体发生不可逆退磁时，该多相绕组可以作为励磁绕组，提供气隙磁场，维持电机输出功率；在主电枢绕组故障时，该套绕组作为热备份电枢绕组运行，实现故障下容错运行。另一方面，转子采用Halbach永磁阵列励磁，提高了电机的凸极率，进而提高了电磁转矩输出和永磁体利用率，并使得靠近磁障边缘的永磁体具有更强的抗去磁能力。

进一步的，电枢绕组和励磁绕组采用集中式绕组。

进一步的，励磁绕组和电枢绕组槽面积比例由所述电枢齿和励磁齿大小决定，电枢齿和励磁齿大小不同，可以增加气隙磁密谐波含量，降低定位力矩，当与Halbach永磁阵列相配合时，可以进一步提高电机的凸极率。

进一步的，该定转子可灵活设置为外定子/内转子或者外转子/内定子结构，磁场方向可灵活设置为轴向磁场或横向磁场结构。

进一步的，该电机可作纯发电、纯电动或发电-电动组合运行。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一，本发明通过分离绕组的方式，将其中一套绕组兼做交流励磁绕组和冗余电枢绕组之用。通过励磁电流调节电机的气隙磁场，既可以增磁以产生较大的起动转矩，又可弱磁来实现宽调速范围，从根本上解决了同步磁阻永磁电机功率因数低的问题。另一方面提高了电机的容错能力，在永磁体发生不可逆退磁时，提供气隙磁场，使电机持续运行；而在电枢绕组故障时或需要增大功率时，作热备份电枢绕组运行。将励磁和电枢线圈分开控制，降低了控制的难度。

第二，本发明通过令电枢齿和励磁齿大小不同，通过优化设计，可以通过削弱气隙磁密谐波含量，进而减小电机转矩脉动和反电势谐波含量，同时提高了电机设计的灵活性。

第三，本发明的励磁绕组中通入直流电，即在励磁电流中叠加直流分量，以实现转子的悬浮功能，和在水平方向上的位置调节。