[发明专利]轴向磁场反凸极永磁同步电机

说明书

轴向磁场反凸极永磁同步电机，涉及永磁同步电机领域。本发明是为了解决传统的永磁同步电机在运行于较宽的速度范围时，会增加逆变器的容量，降低驱动系统效率的问题。本发明所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机，由两个定子、一个转子和两个气隙构成。每个定子由定子铁心和定子绕组构成；转子主要由基盘和磁极单元构成。本发明所述的轴向磁场反凸极永磁同步电机的恒功率弱磁调速范围宽、转子的结构强度高，电机的定位转矩小，效率、功率密度和可靠性高。本发明在电动车辆驱动系统、电主轴系统以及变速发电等领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于电机领域，尤其涉及永磁同步电机。

背景技术

轴向磁场永磁电机也称盘式永磁电机，因其结构紧凑、效率高、功率密度大等优点获得越来越多的关注。轴向磁场永磁电机尤其适合应用于电动车辆、可再生能源系统、飞轮储能系统和工业设备等要求高转矩密度和空间紧凑的场合。

轴向磁场永磁电机结构多样，按照定转子数目以及定转子相对位置可分为四类：单定转子结构、双定子中间转子结构、双转子中间定子结构和多盘式结构。

传统的双定子中间转子结构轴向磁场永磁电机由两个定子盘中间夹一个转子盘组成双气隙结构，如图13所示。磁通从永磁体的N极出发经过气隙进入定子，沿定子轭部周向经一个极距后穿过气隙，进入相邻永磁体的S极，再通过一个对称路径回到出发的磁极形成闭合磁路。主磁通直接沿轴向穿过永磁体，在转子上没有周向的路径，转子部分不需要使用铁磁材料，因而转子质量轻，电机具有较小的转动惯量。但是，该结构电机存在着永磁体磁场调节困难、恒功率调速范围小等缺点。

对于永磁同步电机，当电机端电压和电流达到最大值、电流全部为直轴电流分量时，并且忽略定子电阻的影响时，可以得到电机采用普通弱磁控制策略时的理想最高转速n_max：

电机电磁转矩T_e为：

T_e＝p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q] (2)

上式中，u_lim为极限电压，i_lim为极限电流，p为极对数，ψ_f为永磁磁链，i_d和i_q分别为交、直轴电流，L_d和L_q分别为交、直轴电感。

上述转矩表达式(2)中，右边的第1项为永磁体与q轴电流作用产生的永磁转矩；第2项为凸极效应产生的磁阻转矩。对于传统永磁同步电机，由于L_d＜L_q，因此，通过负向的d轴电流，使磁阻转矩与永磁转矩相叠加，成为输出转矩的一部分。由于负向的d轴电流产生的d轴电枢反应磁通与永磁体的极性相反，如果不注意，就可能产生永磁体的不可逆去磁。

近年来，随着永磁材料性能的提高，矫顽力高、去磁曲线为线性的稀土永磁体已经广泛的应用于电机领域，使永磁同步电机的弱磁控制成为可能，拓宽了电机的调速范围，提高了调速系统的效率。

由式(1)可以看出提高永磁同步电动机的最高转速可采取的主要方法有：

(1)减小磁链ψ_f；(2)增大i_lim；(3)增大L_d；(4)提高电动机极限电压u_lim；(5)采用前四种方法的组合。

如果提高电动机的极限电压u_lim和极限电流i_lim则需要增大逆变器的容量，从而提高了系统的制造成本，一般不可取。当电机的极限电压和极限电流一定时，电机的理想最高转速主要取决于电机空载永磁体磁链和直轴同步电感，而与交轴同步电感无关。