專利名稱：適合于弱磁控制的高速永磁同步電機轉子的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高速永磁同步電機轉子，屬于電機領域。
背景技術：
永磁同步電動機的勵磁磁動勢是由永磁體產生的而無法調節(jié)，當^^""m 時，要想繼續(xù)升高轉速只有靠調節(jié)^和々來實現(xiàn)，增加電動機直軸去磁電流分 量和減小交軸電流分量，以維持電壓平衡關系，得到"弱磁"效果。前者"弱 磁"能力與電動機直軸電感直接相關，后者與交軸電感相關。由于電動機相 電流也有一定極限，增加之后去磁電流分量而同時保證電樞電流不超過電流 極限值，交軸電流就應l相應減小。因此， 一般是通過增加直軸去磁電流來實 現(xiàn)弱磁擴速，到弱磁擴速的目的。而現(xiàn)有的永磁同步電動機弱磁范圍狹小， 導致功率密度低和可靠性低。
發(fā)明內容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有永磁同步電動機弱磁范圍狹小，導致功率密度低和 可靠性低的問題，而提出了適合于弱磁控制的高速永磁同步電機轉子。
本發(fā)明由轉子鐵心、矩形截面永磁體和轉軸組成；轉子鐵心設置在轉軸 上，沿轉子鐵心的軸向方向開有2PX2n個矩形截面的孔，其中P為電機的 極對數(shù)，n為自然數(shù)；每個平行充磁的矩形截面永磁體對應嵌于轉子鐵心所 開設的每一個矩形截面的孔內；轉子的每個磁極是由2n塊矩形截面永磁體排 列成的V字形磁極，所述轉子的每個磁極均勻分布在轉子鐵心的圓周上，所 述V字形磁極的兩排永磁體之間所形成的夾角的頂點朝向轉子鐵心的中心方 向，所述夾角角度在90° 180° ;每相鄰兩塊矩形截面永磁體之間的磁橋 寬度在0.5mm L/2mm，其中L為每塊矩形截面永磁體的寬度。
.本發(fā)明通過把整塊永磁體分割成若干塊永磁體，永磁體之間具有可導磁 的磁橋，磁橋具有兩個作用， 一是提高轉子的結構強度，二是調整從磁橋通 過的磁通的大小，進而調整電機的弱磁控制范圍，n越大，電機的弱磁調速 范圍越寬。通過控制電樞繞組中電流的相位，可以撻高電機基速以下的輸出 轉矩、基速以上的恒功率運行速度范圍。既可以提高轉子的結構強度，使轉
子能夠高速運行，又可以提高A^通過把每極永磁體排成扇面，既可以增加
^，又可以保證交軸磁路寬度，提高^;同時，當電機運行在基速以下時， 控制電樞繞組中電流的相位，使磁橋中磁通的方向與其相鄰永磁體中磁通的 方向相同，這樣也可以增加^。通過采取這些措施，本發(fā)明可以拓寬電機的 弱磁范圍，提高電機的效率、功率密度和可靠性，在電動車輛驅動系統(tǒng)、電 主軸系統(tǒng)以及變速發(fā)電等領域具有良好的應用前景。
圖l本發(fā)明轉子的主視圖；圖2是永磁電動機弱磁原理示意圖；圖3是 永磁電動機弱磁原理向量圖；圖4是電壓極限橢圓和電流極限圓示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結合圖1說明本實施方式，本實施方式由轉子鐵心1、 矩形截面永磁體2和轉軸3組成；轉子鐵心1設置在轉軸3上，沿轉子鐵心 1的軸向方向開有2PX2n個矩形截面的孔4，其中P為電機的極對數(shù)，n為 自然數(shù)；每個平行充磁的矩形截面永磁體2對應嵌于轉子鐵心1所開設的每 一個矩形截面的孔4內；轉子的每個磁極是由2n塊矩形截面永磁體2排列成 的V字形磁極，所述轉子的每個磁極均勻分布在轉子鐵心1的圓周上，所述 V字形磁極的兩排永磁體之間所形成的夾角的頂點朝向轉子鐵心1的中心方 向，所述夾角角度在90。 180° ;構成V字形磁極的兩排永磁體產生的磁 力線并聯(lián);每相鄰兩塊矩形截面永磁體2之間的磁橋寬度在0.5mm L/2mm， 其中L為每塊矩形截面永磁體2的寬度。矩形截面永磁體2采用高磁能積的 稀土永磁體，矩形截面永磁體2的寬度L為2mm 30mm。當電機運行在基 速以下時，控制電樞繞組中電流的相位，使磁橋中磁通的方向與其相鄰永磁 體中磁通的方向相同。電機的弱磁控制范圍與每極永磁體塊數(shù)2n相關，2n 越大，電機的弱磁調速范圍越寬。
具體實施方式
二結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方 式一不同點在于轉子為4極結構，在轉子鐵心1上沿軸向開有24個矩形截面 的孔4，轉子每極由6塊平行充磁的矩形截面永磁體2構成，6塊矩形截面永 磁體2插在轉子鐵心上6個矩形截面的孔內構成一個V字形磁極；構成V字 形磁極的兩排永磁體產生的磁力線并聯(lián)；兩排永磁體之間所形成的角度為 150° 。其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。
本發(fā)明的原理
永磁同步電動機弱磁控制的思想來自對他勵直流電動機的調磁控制。 當他勵直流電動機端電壓達到極限電壓時，為使電動機能恒功率運行于 更高的轉速，應降低電動機的勵磁電流，以保證電壓的平衡。 永磁同步電動機的電壓方程式為
"=w如丄")2 +似+ (1) 通過背景技術可以了解到永磁同步電動機的勵磁磁動勢是由永磁體產生 的而無法調節(jié)，不能像他勵直流電機一樣通過勵磁電流來便于控制， 一般是 通過增加直軸去磁電流來實現(xiàn)弱磁擴速，到弱磁擴速的目的，如圖2和圖3 所示。
電機轉速超過轉折轉速后運行于某一轉速w時，電機定子電流矢量采用
弱磁控制策略，由電壓方程可得到弱磁控制時定子電流矢量軌跡表示為:<formula>formula see original document page 5</formula>
其與電流極限圓(方程為+《=4)交點的電流矢量為
<formula>formula see original document page 5</formula>
<formula>formula see original document page 5</formula> (4) 如圖4所示，在某一指令轉速下，電流矢量按式(3)(4)取值，以使電機的
輸出功率最大，達到指令轉速后，在速度控制器的作用下使電流矢量沿電機 的電壓極限橢圓向使電流矢量幅值減小的方向移動，也即按前一式取值，最 終穩(wěn)定于電磁轉矩和負載轉矩達到平衡的某電流矢量。
永磁同步電動機的電壓方程如式(l)所示，在弱磁控制時，若忽略定子電 阻且電機電壓達到極限電壓^時，由電壓方程可得電機的速度公式為 '<formula>formula see original document page 5</formula>
由式(5)可知，電機可"弱磁"運行于無窮高速度的理想弱磁條件為<formula>formula see original document page 5</formula>
<formula>formula see original document page 5</formula>) 當電機端電壓和電流達到最大值、電流全部為直軸電流分量時，并且忽 略定子電阻的影響時，可以得到電機采用普通弱磁控制策略時的理想最高轉 速"^為
<formula>formula see original document page 6</formula>(8)
電機電磁轉矩7;的表達式為
7>如/ +(丄廣丄》乂] (9) 轉矩表達式(9)右邊的第1項為永磁體與q軸電流作用產生的永磁轉矩；
第2項為凸極效應產生的磁阻轉矩。對于PMSM，由于^<^，因此，通過
流負向的d軸電流，使磁阻轉矩與永磁轉矩相疊加，成為輸出轉矩的一部分。
負向的d軸電流產生的d軸電樞反應磁通與永磁體的極性相反，要注意不要
使永磁體產生不可逆去磁。
近年來，隨著永磁材料性能的提高，矯頑力高、去磁曲線為線性的稀土
永磁體已經廣泛的應用于電機領域，使永磁同步電機的弱磁控制成為可能，
拓寬了電機的調速范圍，提高了調速系統(tǒng)的效率。
由式(8)可以看出提高永磁同步電動機的最高轉速可采取的主要方法有 (1)減小磁鏈<^/; (2)增大極限電流^; (3)增大i^; (4)提高電動機極限電
壓^; (5)采用前四種方法的組合。
如果提高電動機的極限電壓^和極限電流L則需要增大逆變器的容量， 從而提高了系統(tǒng)的制造成本， 一般不可取。當電機的極限電壓和極限電流一 定時，電機的理想最高轉速主要取決于電機空載永磁體磁鏈和直軸同步電感， 而與交軸同步電感無關。
從式(8)可以看出，^越小電機的弱磁調速范圍越寬，但是^越小，從 式(9)可以看出，電磁轉矩7;就會越小。因此除非磁阻轉矩增加，否則PMSM 不可能有好的表現(xiàn)。提高凸極率對增加轉矩是非常重要的?？紤]到、由于鐵 心的磁飽和而受到限制，因此通常要求通過減小、來增加電磁轉矩。然而傳 統(tǒng)的永磁同步電機的轉子其^大，而^則較小，因此必須通過大大增加/,來 使電機運行于較寬的速度范圍，這就會增加逆變器的容量，降低驅動系統(tǒng)的 效率。本發(fā)明提出一種能夠同時增大永磁同步電機的^和^、、的轉子結構
及轉子磁通的控制方法。
權利要求
1、適合于弱磁控制的高速永磁同步電機轉子，它由轉子鐵心(1)、矩形截面永磁體(2)和轉軸(3)組成；轉子鐵心(1)設置在轉軸(3)上，其特征在于沿轉子鐵心(1)的軸向方向開有2P×2n個矩形截面的孔4，其中P為電機的極對數(shù)，n為自然數(shù)；每個平行充磁的矩形截面永磁體(2)對應嵌于轉子鐵心(1)所開設的每一個矩形截面的孔4內；轉子的每個磁極是由2n塊矩形截面永磁體(2)排列成的V字形磁極，所述轉子的每個磁極均勻分布在轉子鐵心(1)的圓周上，所述V字形磁極的兩排永磁體之間所形成的夾角的頂點朝向轉子鐵心(1)的中心方向，所述夾角角度在90°～180°；每相鄰兩塊矩形截面永磁體(2)之間的磁橋寬度在0.5mm～L/2mm，其中L為每塊矩形截面永磁體(2)的寬度。
2、 根據(jù)權利要求1所述的適合于弱磁控制的高速永磁同步電機轉子，其 特征在于矩形截面永磁體(2)采用高磁能積的稀土永磁體。
3、 根據(jù)權利要求1所述的適合于弱磁控制的高速永磁同步電機轉子，其 特征在于矩形截面永磁體(2)的寬度L為2mm 30mm。
全文摘要
適合于弱磁控制的高速永磁同步電機轉子，它涉及電機領域。它解決了現(xiàn)有電機弱磁范圍狹小，導致功率密度低和可靠性低的問題。本發(fā)明沿轉子鐵心的軸向方向開有2P×2n個矩形截面的孔，其中P為電機的極對數(shù)，n為自然數(shù)；每個平行充磁的矩形截面永磁體對應嵌于轉子鐵心所開設的每一個矩形截面的孔內；轉子的每個磁極是由2n塊矩形截面永磁體排列成的V字形磁極，轉子的每個磁極均勻分布在轉子鐵心的圓周上，所述V字形磁極的兩排永磁體之間所形成的夾角的頂點朝向轉子鐵心的中心方向，夾角角度在90°～180°；每相鄰兩塊矩形截面永磁體之間的磁橋寬度在0.5mm～L/2mm，其中L為每塊矩形截面永磁體的寬度。本發(fā)明拓寬電機的弱磁范圍，提高其效率、功率密度和可靠性。
文檔編號H02K21/02GK101383547SQ20081013731
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月13日 優(yōu)先權日2008年10月13日
發(fā)明者寇寶泉, 張亮亮, 曹繼偉, 李立毅 申請人:哈爾濱工業(yè)大學