永磁體分段pwm排列正弦波盤式電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明永磁體分段PWM排列正弦波盤式電機涉及盤式電機領域，特別涉及一種正弦波盤式永磁同步電機。包括轉(zhuǎn)子盤、定子盤和永磁體，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子盤上；定子盤安裝在兩個轉(zhuǎn)子盤之間，轉(zhuǎn)子盤個數(shù)比定子盤個數(shù)至少多一個，定子盤和轉(zhuǎn)子盤同軸安裝，定子盤和轉(zhuǎn)子盤在軸向上交替排列；轉(zhuǎn)子盤上的每極永磁體分段設置，每極下的永磁體段數(shù)為奇數(shù)，每段永磁體的寬度根據(jù)脈寬調(diào)制原理確定。降低電機感應電勢的諧波分量，減小電機的諧波損耗；降低了永磁體的渦流損耗，減小轉(zhuǎn)子上永磁體的溫度，降低永磁體高溫退磁風險，提高電機效率；每極永磁體厚度相同有利于加工設計；同時分成多段永磁體后，利于安裝工藝的簡化。
【專利說明】永磁體分段PWM排列正弦波盤式電機

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明永磁體分段PWM排列正弦波盤式電機涉及盤式電機領域，特別涉及一種正 弦波盤式永磁同步電機。

【背景技術】
[0002] 在電機領域中，永磁電機由于其結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高，因此一直受到學術界和工 業(yè)界的持續(xù)廣泛關注。盤式電機作為永磁電機的一個重要分支，隨著永磁材料的發(fā)展，特別 是高性能釹鐵硼永磁材料的出現(xiàn)，得到了進一步的發(fā)展。盤式永磁同步電機相比于徑向永 磁同步電機具有軸向尺寸小，過載能力強等重要特性，因此在一些環(huán)境要求較高的場合具 有較高的應用價值。
[0003] 盡管盤式電機具有轉(zhuǎn)矩密度高等特點，但是由于永磁體的存在，在空載和帶載下 都有比較大的鐵心損耗。對于氣隙磁密波形諧波含量大的盤式電機(如方波永磁盤式電 機)，由于氣隙磁場含有大量的高次諧波，對于有鐵心定子結(jié)構(gòu)，在高速旋轉(zhuǎn)的過程會在定 子鐵心上產(chǎn)生大量的鐵心損耗，從而減小盤式電機的運行效率；對于無鐵心定子結(jié)構(gòu)，定子 繞組直接裸露在氣隙磁場中，因此高速運行，定子繞組會產(chǎn)生渦流損耗，而且渦流損耗與氣 隙磁密的頻率二次方成正比例，到導致高次諧波會帶來很大的渦流損耗。因此，在保證功率 密度不變的條件下，提高氣隙磁密波形正弦度是盤式電機設計優(yōu)化的一個重要方向。
[0004] 對于氣隙磁密波形的正弦化，從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上優(yōu)化有不同的方案。無論對于徑向永 磁同步電機還是盤式電機，通過改變每極下的永磁體的形狀，都可以形成較為正弦的氣隙 磁密。如表貼式永磁同步電機，通過改變每個轉(zhuǎn)子極下的永磁體的極弧系數(shù)或改變永磁體 弧度都可以實現(xiàn)每個極下的氣隙磁場正弦化。專利201010293089. 7公開了一種永磁同步 電機，盡管其是永磁體內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但轉(zhuǎn)子極采用一種特殊結(jié)構(gòu)，達到氣隙磁密正弦的 目的。這些方法實際上也帶來了永磁體加工難度的增大，同時氣隙長度不均勻，會影響到 電機的功率密度。專利200910310623. 8公開了一種復合結(jié)構(gòu)永磁電機的Halbach陣列外 轉(zhuǎn)子，由于采用Halbach陣列結(jié)構(gòu)，因此很容易實現(xiàn)氣隙磁密的正弦的化。未授權(quán)專利 ： 200510047678. 6提出一種基于Halbach陣列的交流盤式無鐵心永磁同步電動機，其轉(zhuǎn)子采 用的也是是Halbach陣列永磁體結(jié)構(gòu)。需要注意的是，盡管Halbach陣列永磁體應用在永 磁電機中具有提高氣隙磁場正弦度和磁密幅值等諸多好處，但是，每個極下Halbach陣列 的每段永磁體的充磁方向不同，增大了永磁體的加工的難度，同時也帶來了在轉(zhuǎn)子上安裝 困難的諸多問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對盤式電機的不足之處，提供一種永磁體分段PWM排列正弦波 盤式電機，依據(jù)PWM原理將每極下的永磁體分成若干段并且排列，從而實現(xiàn)氣隙磁密波形 的正弦化，有利于減小電機氣隙磁密的高次諧波，提高氣隙磁密的正弦度，從而減小定子上 的損耗，提_電機運行效率。
[0006] 永磁體分段PWM排列正弦波盤式電機時采取以下技術方案實現(xiàn)的：永磁體分段 PWM排列正弦波盤式電機包括轉(zhuǎn)子盤、定子盤和永磁體，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子盤上；定子盤安 裝在兩個轉(zhuǎn)子盤之間，轉(zhuǎn)子盤個數(shù)比定子盤個數(shù)至少多一個，定子盤和轉(zhuǎn)子盤同軸安裝，定 子盤和轉(zhuǎn)子盤在軸向上交替排列；轉(zhuǎn)子盤上的每極永磁體分段設置，每極下的永磁體段數(shù) 為奇數(shù)，每段永磁體的寬度根據(jù)脈寬調(diào)制（PWM)原理來確定。
[0007] 所述轉(zhuǎn)子上每極安裝2k+l塊永磁體，其中k為大于零的正整數(shù)，第k+1塊永磁體 安裝在每極的中心線處，其他2k塊永磁體分為兩份，對稱的安裝在第k+1塊兩邊，每邊安裝 k塊永磁體，每塊永磁體的寬度從中間向邊緣逐漸減小，對于中心線對稱的兩塊永磁體寬度 一樣；2k+l塊永磁體的寬度是根據(jù)脈寬調(diào)制原理（PWM)計算得到，其在每極下的安裝位置 也是按照脈寬調(diào)制原理（PWM)計算的比例設計得到的。
[0008] 所述盤式電機采用無鐵心定子結(jié)構(gòu)或有鐵心定子結(jié)構(gòu)。
[0009] 所述轉(zhuǎn)子上的永磁體的厚度根據(jù)所需氣隙磁密的大小來確定，磁密越大，所需永 磁體越厚。
[0010] 轉(zhuǎn)子上每極的永磁體分成若干段，所分段數(shù)不少于3段，每極下的永磁體分段數(shù) 為3、5、7、9…奇數(shù)塊數(shù)，每極下的永磁體根據(jù)該極下永磁體分段數(shù)和其所安裝的位置共同 決定。
[0011] 為了實現(xiàn)氣隙磁場的正弦分布，每極下多段永磁體按照脈寬調(diào)制原理安裝在轉(zhuǎn)子 上，每段的寬度也據(jù)此設計，從而達到氣隙磁場正弦分布的效果。具體的來講，轉(zhuǎn)子上每 極安裝2k+l塊永磁體，其中k為大于零的正整數(shù)；根據(jù)脈寬調(diào)制原理，每極下的2k+l塊 永磁體中第k+1塊永磁體安裝在每極的中心線處，其他2k塊永磁體分為兩份，對稱安裝 在第k+1塊永磁體中心線的兩邊，每邊安裝k塊永磁體，每塊永磁體的寬度從中間向邊緣 逐漸減小，相對中心線對稱的兩塊永磁體的寬度一樣；2k+l塊永磁體的寬度根據(jù)脈寬調(diào)制 原理計算得到，其在每極下的安裝位置也是按照脈寬調(diào)制原理（PWM)計算的比例設計得 到的。脈寬調(diào)制原理（PWM)實際上用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波；將 正弦半波2k+l等分，然后可看成2k+l個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；最 后用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積相等。即，第n塊永磁體的安裝位置中 心點與第n個矩形波脈沖的中心點相同，永磁體寬度等于矩形脈沖的寬度。所述每段永 磁體的寬度以及永磁體的位置根據(jù)脈寬調(diào)制原理確定，計算方法如下：轉(zhuǎn)子每極下分N個 永磁體，其中N大于等于3,設定磁狀態(tài)下永磁體每極的弧長為L，每極下的位置坐標為 a,那么正弦波調(diào)制波的表達式設定為

【權(quán)利要求】
1. 一種永磁體分段PWM排列正弦波盤式電機，其特征在于，包括轉(zhuǎn)子盤、定子盤和永磁 體，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子盤上；定子盤安裝在兩個轉(zhuǎn)子盤之間，轉(zhuǎn)子盤個數(shù)比定子盤個數(shù)至少 多一個，定子盤和轉(zhuǎn)子盤同軸安裝，定子盤和轉(zhuǎn)子盤在軸向上交替排列；轉(zhuǎn)子盤上的每極永 磁體分段設置，每極下的永磁體段數(shù)為奇數(shù)，每段永磁體的寬度根據(jù)脈寬調(diào)制原理確定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁體分段PWM排列正弦波盤式電機，其特征在于：所述轉(zhuǎn) 子上每極安裝2k+l塊永磁體，其中k為大于零的正整數(shù)，第k+Ι塊永磁體安裝在每極的中 心線處，其他2k塊永磁體分為兩份，對稱的安裝在第k+Ι塊兩邊，每邊安裝k塊永磁體，每 塊永磁體的寬度從中間向邊緣逐漸減小,對于中心線對稱的兩塊永磁體寬度一樣；2k+l 塊永磁體的寬度根據(jù)脈寬調(diào)制原理計算得到，其在每極下的安裝位置也是按照脈寬調(diào)制原 理計算的比例設計得到的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁體分段PWM排列正弦波盤式電機，其特征在于：所述盤 式電機采用無鐵心定子結(jié)構(gòu)或有鐵心定子結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁體分段PWM排列正弦波盤式電機，其特征在于：所述轉(zhuǎn) 子上的永磁體的厚度根據(jù)所需氣隙磁密的大小來確定，磁密越大，所需永磁體越厚。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的永磁體分段PWM排列正弦波盤式電機，其特征在于，所述 每段永磁體的寬度以及永磁體的位置根據(jù)脈寬調(diào)制原理確定，計算方法如下：轉(zhuǎn)子每極下 分N個永磁體，其中N大于等于3,設定磁狀態(tài)下永磁體每極的弧長為L，每極下的位置坐標 為τ,那么正弦波調(diào)制波的表達式設定為;H為大于O的數(shù)值；則在這個極下相對 L 應的波形幅值也為H，通過在這個極下相對應的載波與正弦波調(diào)制波之間的交點來確定每 段永磁體的寬度和位置；每塊永磁體的中心線以這個極下相對應的載波與正弦波的交點形 成的矩形波的中心線保持一致，寬度即為矩形波的寬度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的永磁體分段PWM排列正弦波盤式電機，其特征在于，永磁體的 厚度通過盤式電機磁路計算獲得，根據(jù)需要氣隙磁場密度的大小設置對應的永磁的厚度， 計算方法如下： 氣隙磁密幅值：
其中為為每塊磁極厚度，m為轉(zhuǎn)子盤數(shù)，式為永磁體剩磁密度，?為轉(zhuǎn)子盤之間定 子區(qū)域的軸向空間長度。
【文檔編號】H02K16/00GK104467327SQ201410812713
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月24日
【發(fā)明者】耿偉偉, 施剛, 姜濤, 郭樂之, 陸丹, 鄒慶, 邵麗紅, 王楠, 程大千 申請人:江蘇交科能源科技發(fā)展有限公司, 王勤