一種永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩分離型電機及最優(yōu)效率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電機技術(shù)領(lǐng)域，特指一種永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩分離型電機及最優(yōu)效率 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，永磁電機以其高效率、高功率因數(shù)和高轉(zhuǎn)矩密度優(yōu)勢，受到了商用電動汽 車的青睞。
[0003][0004]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩分 離型永磁電機。
[0006] 本發(fā)明的裝置采用的技術(shù)方案是:一種永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩分離型電機，包括機 殼以及機殼內(nèi)部的徑向電機、左軸向電機、右軸向電機，徑向電機兩側(cè)分別被所述左軸向電 機、右軸向電機所包圍;所述徑向電機包括徑向定子和徑向轉(zhuǎn)子;徑向定子上采用整數(shù)槽分 布式繞組結(jié)構(gòu)，同時徑向轉(zhuǎn)子采用磁阻式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，以使得徑向電機只產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩;所述 左軸向電機包括左軸向定子和左軸向轉(zhuǎn)子;所述右軸向電機包括右軸向定子，右軸向轉(zhuǎn)子； 右軸向定子和左軸向定子均采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)，同時右軸向轉(zhuǎn)子和左軸向轉(zhuǎn)子上設(shè) 有永磁體，永磁體的勵磁方向與電機的軸向方向平行，且相鄰永磁體的勵磁方向相反，以使 得軸向電機只產(chǎn)生永磁轉(zhuǎn)矩;所述徑向電機為內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);所述左軸向電機、右軸 向電機中，左軸向定子和左軸向轉(zhuǎn)子能夠沿軸向位置互換;右軸向定子，右軸向轉(zhuǎn)子能夠沿 軸向位置互換。所述徑向電機產(chǎn)生徑向磁通，所述左軸向電機、右軸向電機產(chǎn)生軸向磁通， 且徑向磁通和軸向磁通方向相互垂直，實現(xiàn)徑向磁通、軸向磁通的解耦。
[0007] 進一步，所述徑向電機為內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，徑向轉(zhuǎn)子內(nèi)圈套有軸，徑向定子內(nèi)圈套有徑 向轉(zhuǎn)子且以徑向氣隙相隔；徑向轉(zhuǎn)子軸端兩側(cè)分別設(shè)有左軸向轉(zhuǎn)子和右軸向轉(zhuǎn)子，左軸向 定子和右軸向定子分別設(shè)置于左軸向轉(zhuǎn)子和右軸向轉(zhuǎn)子的最外層，左軸向轉(zhuǎn)子和右軸向轉(zhuǎn) 子上的永磁體分別朝向靠近左軸向定子和右軸向定子的一側(cè)設(shè)置;徑向定子、左軸向定子 和右軸向定子分別安裝于機殼上。
[0008] 進一步，所述徑向電機為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，徑向轉(zhuǎn)子可以直接安裝在車輪內(nèi)，形成輪轂 式結(jié)構(gòu);徑向轉(zhuǎn)子內(nèi)圈套有徑向定子且以徑向氣隙相隔;徑向轉(zhuǎn)子軸端兩側(cè)分別設(shè)有左軸 向轉(zhuǎn)子和右軸向轉(zhuǎn)子，左軸向定子和右軸向定子分別設(shè)置于左軸向轉(zhuǎn)子和右軸向轉(zhuǎn)子的最 外層，左軸向轉(zhuǎn)子和右軸向轉(zhuǎn)子上的永磁體分別朝向靠近左軸向定子和右軸向定子的一側(cè) 設(shè)置;徑向定子、左軸向定子和右軸向定子與軸相連。
[0009] 進一步，所述徑向電機為內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，徑向轉(zhuǎn)子內(nèi)圈套有軸，徑向定子內(nèi)圈套有徑 向轉(zhuǎn)子且以徑向氣隙相隔；左軸向定子和右軸向定子沿著軸向并排放置，同時，徑向定子沿 軸向嵌套固定在左軸向定子和右軸向定子內(nèi)部中心，左軸向轉(zhuǎn)子和右軸向轉(zhuǎn)子分別設(shè)置于 左軸向定子和右軸向定子的最外層，左軸向轉(zhuǎn)子和右軸向轉(zhuǎn)子上的永磁體分別朝向靠近左 軸向定子和右軸向定子的一側(cè)設(shè)置;左軸向定子和右軸向定子分別安裝于機殼上，徑向轉(zhuǎn) 子、左軸向轉(zhuǎn)子、右軸向轉(zhuǎn)子均和軸相連。
[0010] 進一步，所述徑向轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)包括:一字型轉(zhuǎn)子，V型轉(zhuǎn)子，多層空氣槽轉(zhuǎn)子或 者開關(guān)磁阻式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。所述永磁體的安裝方式可以為表貼、表嵌和Halbach陣列三種，永 磁體的表貼系數(shù)的范圍在〇. 8-1之間。
[0011] 進一步，所述徑向定子上采用整數(shù)槽分布式繞組結(jié)構(gòu)中：槽極配合需保證q = S/ (2*P*m)為整數(shù);所述右軸向定子和左軸向定子均采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)中，槽極配合應(yīng) 滿足S = 2P ± 2;其中m為電機的相數(shù)，S為電機的槽數(shù)，P為電機極對數(shù)，q為電機的每極每相 槽數(shù)。
[0012] 進一步，所述徑向轉(zhuǎn)子的外徑大于左軸向轉(zhuǎn)子和右軸向轉(zhuǎn)子外徑，為了保證永磁 轉(zhuǎn)矩的輸出能力和端部漏磁的抑制，左軸向轉(zhuǎn)子和徑向轉(zhuǎn)子的外徑比為〇. 7-0.9之間。
[0013] 進一步，所述右軸向轉(zhuǎn)子和左軸向轉(zhuǎn)子半徑大小相同，徑向轉(zhuǎn)子半徑與右軸向轉(zhuǎn) 子、左軸向轉(zhuǎn)子的半徑不等;在徑向轉(zhuǎn)子和左軸向轉(zhuǎn)子、右軸向轉(zhuǎn)子徑向半徑比例固定的情 況下，徑向轉(zhuǎn)子和左軸向轉(zhuǎn)子或右軸向轉(zhuǎn)子的軸向厚度的比例應(yīng)設(shè)置于〇. 2-0.8之間，可以 實現(xiàn)電機中磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩的比例調(diào)節(jié)。
[0014] 本發(fā)明的方法的技術(shù)方案為：
[0015] 一種永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩分離型電機最優(yōu)效率控制方法，該控制方法可以分為三 段執(zhí)行，第一段為低速區(qū)，第二段為中-高速區(qū)，第三段為高速區(qū)；
[0016] 在第一段區(qū)域內(nèi)以永磁轉(zhuǎn)矩為主要驅(qū)動力矩，此時右軸向定子，左軸向定子，右軸 向轉(zhuǎn)子，左軸向轉(zhuǎn)子輸出的轉(zhuǎn)矩起主導(dǎo)作用；
[0017] 在第二段區(qū)域內(nèi)以永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動力矩，此時徑向電機和左軸向電 機、右軸向電機均參與轉(zhuǎn)矩輸出；
[0018] 在第三段區(qū)域內(nèi)以磁阻轉(zhuǎn)矩為主要驅(qū)動力矩，此時徑向定子和徑向轉(zhuǎn)子輸出的轉(zhuǎn) 矩起主導(dǎo)作用，在該段中如果不需要永磁轉(zhuǎn)矩時可以利用軸向定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為供電電源充 電；
[0019] 在三段區(qū)域中實現(xiàn)單個徑向電機或左軸向電機、右軸向電機的最優(yōu)效率控制，首 先是準(zhǔn)備工作，在有限元軟件的幫助下，構(gòu)建電機交直軸電流和電感的關(guān)系，以及他們和鐵 耗的關(guān)系;在獲得以上關(guān)系的基礎(chǔ)上對最大效率點進行搜索，搜索最大效率點的本質(zhì)是找 到最優(yōu)效率時的電流角γ，當(dāng)滿足最大效率條件時，停止搜索，否則一直修改電流角γ進行 最大效率點搜尋。
[0020] 進一步，所述在三段區(qū)域中實現(xiàn)單個徑向或軸向電機的最優(yōu)效率控制的具體過程 如下：
[0021] 步驟一，根據(jù)有限元模型的仿真結(jié)果，利用多項式進行曲面擬合，構(gòu)建電機中交直 軸電感(Lq和Ld)與電機交直軸電流(iq和id)之間的多項式關(guān)系；
[0022] 步驟二，對電機的定子鐵耗進行建模，構(gòu)建鐵耗Pfe與電機Ld，Lq，id和iq之間的關(guān) 系；
[0023] 步驟三，根據(jù)上面獲得的電機鐵耗模型和電機的d、q軸電壓方程，求取電機的鐵耗 等效電阻Rfm
[0024] 步驟四，根據(jù)給定的電流i·電流角γ求取d、q軸電流id、iq;
[0025] 步驟五，由擬合的多項式，在給定id和iq情況下，計算出電機的d、q軸電感；
[0026] 步驟六，由步驟五得到的d、q軸電感，獲得電機的d、q軸電壓；
[0027]步驟七，由電機的d、q軸電壓和電流，求取輸入和輸出功率；
[0028] 步驟八，計算電機效率，判斷效率η是否是最大，如果是的話，輸出d、q軸電流id、iq; 如果不是修改電流角γ，返回到步驟四繼續(xù)執(zhí)行。
[0029] 本發(fā)明具有以下效果：
[0030] 1)本發(fā)明具有3個定子和1個轉(zhuǎn)子（由2個軸向轉(zhuǎn)子和1個徑向轉(zhuǎn)子組成），每個定轉(zhuǎn) 子均可以獨立加工，組塊化拼接，從而降低了電機的加工難度。
[0031 ] 2)徑向定子槽內(nèi)采用的分布式繞組結(jié)構(gòu)，軸向定子齒中放置集中繞組;采用分布 式繞組和徑向磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有利于產(chǎn)生更大的磁阻轉(zhuǎn)矩;而集中繞組和表貼式永磁體結(jié)構(gòu) 產(chǎn)生較高的永磁轉(zhuǎn)矩;產(chǎn)生永磁轉(zhuǎn)矩的為軸向磁路，產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩的為徑向磁路，且徑向磁 路和軸向磁路方向相互垂直。利用軸向、徑向磁路的解耦性，實現(xiàn)了永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的 分離、優(yōu)化和獨立控制。
[0032] 3)徑向轉(zhuǎn)子中采用多層空氣槽結(jié)構(gòu)有利于增加電機的磁阻轉(zhuǎn)矩輸出，軸向轉(zhuǎn)子上 表貼永磁體(永磁體的表貼系數(shù)的范圍在〇. 8-1之間）有利于提升永磁轉(zhuǎn)矩，永磁轉(zhuǎn)矩和磁 阻轉(zhuǎn)矩的獨立優(yōu)化有助于突破現(xiàn)有電機的轉(zhuǎn)矩密度。
[0033] 4)2個軸向轉(zhuǎn)子的半徑相等，而徑向轉(zhuǎn)子的外徑與2個軸向轉(zhuǎn)子不等，左軸向轉(zhuǎn)子 和徑向轉(zhuǎn)子的外徑比為0.7-0.9之間，以保證永磁轉(zhuǎn)矩的輸出能力最大，同時還能夠大大抑 制端部漏磁，從而保證徑向磁通和軸向磁通的解耦性。
[0034] 5)在徑向轉(zhuǎn)子和軸向轉(zhuǎn)子徑向半徑比例固定的情況下，徑向轉(zhuǎn)子和軸向轉(zhuǎn)子的軸 向厚度的比例變化(徑向轉(zhuǎn)子和左軸向轉(zhuǎn)子或右軸向轉(zhuǎn)子的軸向厚度的比例應(yīng)設(shè)置于〇. 2-〇. 8之間），可以快速實現(xiàn)電機中磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩的比例調(diào)節(jié)。
[0035] 6)分為三段執(zhí)行的最優(yōu)效率控制方法，可以使該電機在低速區(qū)獲得表貼式永磁電 機的高效率特性，中-高速區(qū)獲得內(nèi)嵌式永磁電機的高效率特性，而在為高速區(qū)獲得同步磁 阻電機的高效率特性，降低軸向電機的永磁體渦流損耗，可以分別將由徑向定子和徑向轉(zhuǎn) 子輸出的磁阻轉(zhuǎn)矩、以及軸向電機產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩的利用率提升到最高，從而實現(xiàn)分區(qū)執(zhí) 行的最優(yōu)效率控制。
【附圖說明】
[0036] 圖1是具體實施例1的結(jié)構(gòu)爆炸圖；
[0037] 圖2是具體實施例1的裝配圖；
[0038]圖3是徑向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖4是永磁體及其勵磁方向示意圖；
[0040] 圖5是徑向-軸向磁路；（a)為徑向定子與徑向轉(zhuǎn)子部分結(jié)構(gòu)示意圖，（b)為徑向定 子與徑向轉(zhuǎn)子B-B剖面圖；
[0041] 圖6是徑向-軸向磁路仿真結(jié)果圖；其中（a)為無徑向電流時磁路；（b)徑向加電流 磁路；
[0042] 圖7反電勢仿真結(jié)果圖；（a)無徑向電流時反電勢；（b)分?jǐn)?shù)槽集中繞組的反電勢；
[0043] 圖8是具體實施例2的結(jié)構(gòu)爆炸圖；
[0044] 圖9是具體實施例3的結(jié)構(gòu)爆炸圖；
[0045] 圖10為三段式轉(zhuǎn)矩分配圖；（a)為區(qū)域劃分；（b)為低速區(qū)；（c)為高速區(qū)；
[0046] 圖11基于最優(yōu)轉(zhuǎn)矩電流分配的MEPA控制圖；
[0047] 圖12為單電機的MEPA控制圖。
[0048] 圖1-9中：機殼1，徑向定子2-1，右軸向