[发明专利]多相永磁同步电机系统及其磁场调节方法

说明书

多相永磁同步电机系统及其磁场调节方法，属于电机领域。本发明解决现有多相永磁同步电机调速范围依赖于电机电磁结构，特别是依赖于转子结构，这种依赖于电机电磁结构的控制系统结构复杂、电流控制难度较大及系统功率因数低的问题。本发明同步电机包括定子和转子，定子包括定子铁心、磁场控制绕组和电枢绕组。电机调速系统包括多相永磁同步电机、直流输出功率变换器和电枢绕组功率变换器。调速系统的恒功率调速范围宽；系统结构与控制方法简单；系统的功率因数高、效率高；既可以应用于宽恒功率调速范围的电动机系统，又可以应用于宽恒电压输出范围的发电机系统。本发明主要应用在电动车辆驱动系统、电主轴系统以及变速发电等领域。

技术领域

本发明属于电机领域。

背景技术

目前，永磁同步电动机多采用弱磁调速技术来拓展系统的恒功率运行速度范围。弱磁控制的思想来自对他励直流电动机的调磁控制。当他励直流电动机端电压达到极限电压时，为使电动机能恒功率运行于更高的转速，应降低电动机的励磁电流，以保证电压的平衡。永磁同步电动机的转速(角速度)方程式为：

其中，u为端电压，u_lim为极限电压，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，ψ_f为永磁体产生的磁链；

永磁同步电动机的励磁磁动势是由永磁体产生的而无法调节，不能像他励直流电机一样通过励磁电流来便于控制，当u＝u_lim时，要想继续升高转速只有靠调节i_d和i_q来实现，增加电动机直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量，以维持电压平衡关系，得到“弱磁”效果。前者“弱磁”能力与电动机直轴电感直接相关，后者与交轴电感相关。由于电动机相电流也有一定极限，增加之后去磁电流分量而同时保证电枢电流不超过电流极限值，交轴电流就应相应减小。因此，一般是通过增加直轴去磁电流来达到弱磁扩速的目的。

但是，这种调速方式存在以下缺点：调速范围依赖于电机电磁结构，特别是依赖于转子结构，必须采用内嵌永磁体转子结构(如图17)；由于i_d、i_q调节困难，进而使控制系统结构复杂、电流控制难度较大；通过改变直轴电流i_d和交轴电流i_q来调节电动机的转速ω的过程中，会使功率因数降低；增加直轴去磁电流会使逆变器容量增大。因此，以上问题亟需解决。

发明内容

本发明目的是为了解决现有多相永磁同步电机调速范围依赖于电机电磁结构，特别是依赖于转子结构，这种依赖于电机电磁结构的控制系统结构复杂、电流控制难度较大及系统功率因数低的问题。因此，本发明提供了多相永磁同步电机系统及其磁场调节方法。多相永磁同步电机系统中的多相永磁同步电机的结构可为多种，具体多相永磁同步电机系统通过以下几种电机结构实现。

多相永磁同步电机系统的第一种结构，具体参见图1至图9：

多相永磁同步电机系统，该同步电机系统包括多相永磁同步电机，所述同步电机为轴向磁场结构，同步电机包括一个定子1和两个转子2，且三者同轴；两个转子2分别位于定子1轴向两侧，两个转子2机械上固定连接在一起，两个转子2与定子1之间均存在气隙；

定子1包括定子铁心1-1、磁场控制绕组1-2和电枢绕组1-3；其中，

定子铁心1-1为圆环形结构，在定子铁心1-1的两个气隙面上均开设有径向槽1-1-1，使定子铁心1-1形成轭部1-1-2和定子齿；每个气隙面上各径向槽1-1-1沿圆周方向均匀分布；

磁场控制绕组1-2为环形绕组，并沿圆周方向上均匀绕在定子铁心1-1的轭部1-1-2；

电枢绕组1-3为多相交流绕组，其嵌放在定子铁心1-1气隙侧的径向槽1-1-1中或固定在定子铁心1-1的气隙面上；