CN106059225B - 多模式永磁电机及其最优功率分配控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多模式永磁电机及其最优功率分配控制方法，该电机包括内、外两个定子和一个转子。外定子槽内采用分布式绕组结构，内定子槽内采用集中绕组结构，转子由外侧的开关磁阻转子和内侧的Halbach永磁体阵列构成。外定子和开关磁阻转子构成一个同步磁阻电机，只产生磁阻转矩；内定子和Halbach永磁体构成一个轮毂式Halbach永磁电机，只产生永磁转矩。内、外定子和转子的相互配合，使得电机在永磁转矩和磁阻转矩独立可调，从而实现该电机的三种模式运行：低速区，以轮毂式Halbach永磁电机运行(只使用永磁转矩)；中速区，以内嵌式永磁电机运行(既使用永磁转矩又使用磁阻转矩)；高速区，以同步磁阻电机运行(只使用磁阻转矩)；进而实现电机运行的高效率、宽调速运行。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特指一种多模式永磁电机及其最优功率分配控制方法。
背景技术
近年来，永磁电机以其高转矩密度、高功率因数和高效率的优势，越来越多的受到电动汽车和混合电动汽车的青睐。
内嵌式永磁电机因为其在中高速区具有较高的效率，被广泛的应用于商用电动汽车。近年来，稀土永磁体的价格大幅上涨，为减少永磁体的用量，提出了永磁辅助式同步磁阻电机。与内嵌式永磁电机相比，永磁辅助式同步磁阻电机价格便宜，且其在高速区运行时具有更高的效率，但是在低速区运行时效率较低。此外，轮毂式Halbach永磁电机与内嵌式永磁电机相比在低速区时拥有更高的效率，但是在中高速区的运行效率比内嵌式永磁电机低。
总的来说，不同形式的永磁电机只在特定的运行区域内拥有较高的效率，无法在整个运行区域内都保持较高的运行效率。
发明内容
本发明的目的是为了克服不同形式的永磁电机只能在特定运行区域内保持高效率运行的不足，提出一种多模式永磁电机及其最优功率分配控制方法。
本发明的装置采用的技术方案是：多模式永磁电机，电机由外定子、内定子和一个转子组成；所述转子可以分为内侧转子和外侧转子；
外定子和外侧转子结合成一个同步磁阻电机，内定子和内侧转子结合成一个轮毂式Halbach永磁电机，同步磁阻电机和轮毂式Halbach永磁电机共同作用时构成内嵌式永磁电机；所述多模式永磁电机在低速区，以轮毂式Halbach永磁电机模式运行；中速区，以内嵌式永磁电机模式运行；高速区，以同步磁阻电机模式运行。
进一步，所述低速区的工作模式为：由内定子和内侧转子构成的轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，而由外定子和外侧转子构成的同步磁阻电机为随动作用，此时多模式永磁电机只利用永磁转矩，为轮毂式Halbach永磁电机工作模式。
所述中速区的工作模式为：由内定子和内侧转子构成的轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，同时由外定子和外侧转子构成的同步磁阻电机也起主动作用，此时多模式永磁电机既利用永磁转矩又利用磁阻转矩，为内嵌式永磁电机工作模式。
所述高速区的工作模式为：由外定子和外侧转子构成的同步磁阻电机起主动作用，而由内定子和内侧转子构成的轮毂式Halbach永磁电机起随动作用，此时多模式永磁电机只利用磁阻转矩，为同步磁阻电机工作模式。
进一步，所述外定子上采用直槽结构，直槽内绕组为整数槽分布式绕组，外侧转子采用开关磁阻结构，以使得外电机同步磁阻电机只产生磁阻转矩。
进一步，所述内定子上采用分数槽集中绕组结构，内侧转子由Halbach永磁体组成，以使得内电机轮毂式Halbach永磁电机只产生永磁转矩。
进一步，所述内侧转子采用Halbach永磁体结构排列，Halbach永磁体通过环氧树脂胶黏剂粘结在所述外侧转子的内壁上，组成一个完整的特殊转子结构。
进一步，所述内侧转子的Halbach永磁体为铷铁硼稀土永磁材料，Halbach永磁体阵列的每极由一块径向充磁和两块切向充磁永磁体组成，径向充磁永磁体沿转子的圆周径向充磁，切向充磁永磁体充磁方向与径向充磁永磁体充磁方向成90°夹角；每相邻两极中的径向充磁永磁体的充磁方向相反，每相邻两极中的切向充磁永磁体的充磁方向相反。
进一步，所述同步磁阻电机和轮毂式Halbach永磁电机共用一个转子，但Halbach永磁阵列的磁通只经过永磁体阵列本身，而不经过开关磁阻结构的轭部，进而同步磁阻电机和轮毂式Halbach永磁电机的磁通相互解耦。
进一步，所述外定子上采用整数槽分布式绕组结构的槽极配合需保证q＝S/(2*P*m)为整数；所述内定子上采用分数槽集中绕组的槽极配合应满足S＝2P±2；其中m为电机的相数，S为电机的槽数，P为电机极对数，q为电机的每极每相槽数。
本发明的方法的技术方案为：
进一步，所述多模式永磁电机的最优功率分配控制方法，其特征在于，该方法结合所述多模式永磁电机能够以三种电机模式运行的特点，分三段来来执行，第一段为低速区，第二段为中速区，第三段为高速区；
在第一段以永磁转矩为驱动力矩，所述轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，电机的输出功率全部由所述轮毂式Halbach永磁电机提供。
在第二段以永磁转矩和磁阻转矩为驱动力矩，所述轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，所述同步磁阻电机也起主动作用，此时电机的输出功率由所述轮毂式Halbach永磁电机和同步磁阻电机共同提供。
在第三段以磁阻转矩为驱动力矩，所述同步磁阻电机起主动作用，此时电机的输出功率全部由所述同步磁阻电机提供，且此时所述同步磁阻电机采用恒功率法控制。
本发明一种多模式永磁电机具有以下效果：
1、所述多模式永磁电机是由外电机同步磁阻电机和内电机轮毂式Halbach永磁电机组合而成的一个电机，且外电机同步磁阻电机和内电机轮毂式Halbach永磁电机都适合在高速下运行。当内电机轮毂式Halbach永磁电机单独工作时只产生永磁转矩；外电机同步磁阻电机单独工作时只产生磁阻转矩；当内外两个电机同时作用时，产生的转矩中包含了永磁转矩和磁阻转矩，此时的电机相当于一个内嵌式永磁电机。可以看出，所述多模式永磁电机能够以三种不同的电机模式运行，分别为：a、只产生磁阻转矩的同步磁阻电机，b、只产生永磁转矩的轮毂式Halbach永磁电机，c、同时产生永磁转矩和磁阻转矩的内嵌式永磁同步电机。
2、在低速区，只产生永磁转矩的轮毂式Halbach永磁电机具有较高的运行效率；在中速区，能同时产生永磁转矩和磁阻转矩的内嵌式永磁电机具有良好的弱磁能力和较高的运行效率；在高速区，只产生磁阻转矩的同步磁阻电机具有较高的运行效率。与普通单模式电机相比，所述多模式永磁电机能够分别运行在轮毂式Halbach永磁电机模式、内嵌式永磁电机模式和同步磁阻电机模式。因此可以根据上述结论，在低速区，以只产生永磁转矩的内电机轮毂式Halbach永磁电机运行；在中速区，外电机同步磁阻电机和内电机轮毂式Halbach永磁电机同时作用以能够同时产生永磁转矩和磁阻转矩的内嵌式永磁电机模式运行；在高速区，以只产生磁阻转矩的外电机同步磁阻电机运行。所述多模式永磁电机与普通单模式永磁电机相比的优点是：所述多模式永磁电机可以在整个速度范围内一直保持高效率的运行，提高电机的整体运行效率和调速范围。
3、Halbach永磁阵列粘贴在外侧转子内壁上，在外侧转子的保护下，其机械强度大大提高，不用担心永磁体的脱落或飞出。采用这种Halbach结构不仅可以提高永磁体的利用率增大电机的功率密度，而且可以减小气隙磁密中的谐波含量提高空载反电势的正弦度。所述多模式永磁电机在考虑Halbach结构上述优点的基础上，利用Halbach结构自屏蔽效应产生的单边磁场，实现了内电机轮毂式Halbach永磁电机和外电机同步磁阻电机的磁路解耦。从而使得所述多模式永磁电机产生的永磁转矩和磁阻转矩独立可调，可以在轮毂式Halbach永磁电机模式、同步磁阻电机模式和内嵌式永磁电机模式独立运行互不影响。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的转子结构和永磁体磁化方向示意图；
图3是内外电机的磁路；
图4为反电势仿真结果图；(a)空载时外定子整数槽分布式绕组和内定子分数槽集中绕组反电势；(b)外定子整数槽分布式绕组通入电流时内定子分数槽集中绕组反电势；
图5为本发明在不同电机模式下运行时输出转矩随电流角变化的曲线；
图6为速度区域分配图；
图7为三段式功率分配图：
图8为最优功率分配控制框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如附图1所示，该发明为一种多模式永磁电机。该电机包括两个定子和一个转子。其中两个定子分别为外定子1和内定子2；转子由开关磁阻转子5和Halbach永磁体6组成。外定子1采用整数槽分布式绕组结构，内定子2采用梨形槽，槽内设有分数槽集中绕组。所述转子结构如图2所示，Halbach永磁体6通过环氧树脂胶黏剂粘结在开关磁阻结构5的内壁上，形成一个完整的特殊转子结构。Halbach永磁体采用Halbach结构排列，永磁体的磁化方向如图2所示。所述Halbach永磁体阵列的每极由一块径向充磁和两块切向充磁永磁体组成，径向充磁永磁体沿转子的圆周径向充磁，切向充磁永磁体充磁方向与径向充磁永磁体充磁方向成90°夹角；每相邻的两极中的径向充磁永磁体的充磁方向相反，每相邻的两极中的切向充磁永磁体的充磁方向相反。Halbach永磁体采用铷铁硼稀土永磁材料。
本发明电机所包含的内外电机的磁路如图3所示。从图3中可以看出，外电机磁路中，磁路由外定子1产生，并与开关磁阻转子5相互交链，利用开关磁阻转子交直轴磁阻不同来产生转矩，产生的转矩为磁阻转矩。内电机磁路中，磁路由内定子2产生，并与Halbach永磁体6交链，通过电枢绕组磁链和永磁磁链相互作用输出转矩，所以产生的转矩为永磁转矩。为了保证输出的永磁转矩和磁阻转矩解耦，必须保证空载和负载的情况下，内电机磁路和外电机磁路的解耦。
为了精确说明本发明内外电机磁路解耦的效果，给出了空载和外定子整数槽分布式绕组3通入电流情况下的外定子整数槽分布式绕组3和分数槽集中绕组4的反电势变化。从图4(a)可以看出在空载情况下，内定子分数槽集中绕组4有反电势而外定子整数槽分布式绕组3反电势为0，从而得到永磁体产生的磁链只和内定子2交链，而没有磁链通过外定子1。由图4(b)可以看出在外定子整数槽分布式绕组3通入电流情况下，内定子分数槽集中绕组4得到的反电势和空载时几乎一致，说明了内外电机磁路解耦的有效性。从而说明了本发明所述的多模式永磁电机可以在不同模式下运行，分别是：a、只产生永磁转矩的轮毂式Halbach永磁电机模式；b、只产生磁阻转矩的同步磁阻电机模式；c、同时产生永磁转矩和磁阻转矩的内嵌式永磁电机模式。
为更直观的了解本发明所述多模式永磁电机在不同模式下运行时输出转矩状况，图5给出了所述多模式永磁电机在不同工作模式下，输出转矩随电流角的变化曲线。分别为：内电机轮毂式Halbach永磁电机单独作用时，随着电流角变化输出永磁转矩的变化曲线；外电机同步磁阻电机单独作用时，随着电流角变化输出磁阻转矩的变化曲线；内外两个绕组同时通电，电机工作在内嵌式永磁电机模式下的输出转矩随电流角变化的曲线。
在图6的低速区，所述多模式永磁电机只产生永磁转矩，以轮毂式Halbach永磁电机运行，具有较高的运行效率；在中速区，所述多模式永磁电机能同时产生永磁转矩和磁阻转矩，以内嵌式永磁电机运行，具有良好的弱磁能力和较高的运行效率；在高速区，所述多模式永磁电机只产生磁阻转矩，以同步磁阻电机运行，具有较高的运行效率；进而使得所述多模式永磁电机在不同工作模式下均具有高效率。
如图7所示为尽可能发挥所述多模式永磁电机的优点，提出了基于速度区域划分的三段式最优功率分配控制方法：第一段为低速区，第二段为中速区，第三段为高速区；
在第一段以永磁转矩为驱动力矩，所述轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，电机的输出功率全部由所述轮毂式Halbach永磁电机提供。
在第二段以永磁转矩和磁阻转矩为驱动力矩，所述轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，所述同步磁阻电机也起主动作用，此时电机的输出功率由所述轮毂式Halbach永磁电机和同步磁阻电机共同提供。
在第三段以磁阻转矩为驱动力矩，所述同步磁阻电机起主动作用，此时电机的输出功率全部由所述同步磁阻电机提供，且此时所述同步磁阻电机采用恒功率法控制。
在获得三段式最优功率分配的基础上，构建了多模式电机的控制方法(图8)。图8中“三段式最优功率分配”具体实施方法为：在低速区，所述多模式永磁电机工作在轮毂式Halbach永磁电机模式。所述轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，所述同步磁阻电机起随动作用。此时系统所需要的输出功率全部由所述轮毂式Halbach电机产生的功率P1提供。在中速区，所述多模式永磁电机工作在内嵌式永磁电机模式。所述轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，所述同步磁阻电机也起主动作用。此时系统所需的输出功率由所述轮毂式Halbach永磁电机产生的功率P1和所述同步磁阻电机产生的功率P2共同提供。所述轮毂式Halbach永磁电机功率P1和所述同步磁阻电机功率P2，按照电机铜耗PCu1+PCu2最小的约束条件来分配。在高速区，所述多模式永磁电机工作在同步磁阻电机模式。所述同步磁阻电机起主动作用，所述轮毂式Halbach永磁电机起随动作用。此时系统所需要的输出功率全部由所述同步磁阻电机产生的功率P2提供。在高速区，所述同步磁阻电机按照恒功率法进行控制。
图8中的“功率转速电流分配法”具体实施步骤为：
根据机械功率表达式可以求解电机的输出转矩T。
其中，P为输出功率，ω为机械角速度。
根据所述轮毂式Halbach永磁电机的转矩方程，可以求得所述Halbach永磁电机的交轴电流iq。
其中，p1为所述轮毂式Halbach永磁电机的极对数，ψf为永磁磁链。
根据所述同步磁阻电机的转矩方程，可以求得所述同步磁阻电机的交、直轴电流iq、id。
其中，p2为所述同步磁阻电机的极对数，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.多模式永磁电机，其特征在于：电机由外定子(1)、内定子(2)和一个转子组成；所述转子可以分为内侧转子(6)和外侧转子(5)；所述内侧转子(6)采用Halbach永磁体结构排列，Halbach永磁体通过环氧树脂胶黏剂粘结在所述外侧转子(5)的内壁上，组成一个完整的特殊转子结构；
外定子(1)和外侧转子(5)结合成一个同步磁阻电机，内定子(2)和内侧转子(6)结合成一个轮毂式Halbach永磁电机，同步磁阻电机和轮毂式Halbach永磁电机共同作用时构成内嵌式永磁电机；所述多模式永磁电机在低速区，以轮毂式Halbach永磁电机模式运行；中速区，以内嵌式永磁电机模式运行；高速区，以同步磁阻电机模式运行。
2.根据权利要求1所述的多模式永磁电机，其特征在于，
低速区的工作模式为：由内定子(2)和内侧转子(6)构成的轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，而由外定子(1)和外侧转子(5)构成的同步磁阻电机为随动作用，此时多模式永磁电机只利用永磁转矩，为轮毂式Halbach永磁电机工作模式；
中速区的工作模式为：由内定子(2)和内侧转子(6)构成的轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，同时由外定子(1)和外侧转子(5)构成的同步磁阻电机也起主动作用，此时多模式永磁电机既利用永磁转矩又利用磁阻转矩，为内嵌式永磁电机工作模式；
高速区的工作模式为：由外定子(1)和外侧转子(5)构成的同步磁阻电机起主动作用，而由内定子(2)和内侧转子(6)构成的轮毂式Halbach永磁电机起随动作用，此时多模式永磁电机只利用磁阻转矩，为同步磁阻电机工作模式。
3.根据权利要求1所述的多模式永磁电机，其特征在于，所述外定子(1)采用直槽结构，直槽内绕组为整数槽分布式绕组，外侧转子(5)采用开关磁阻结构，以使得外电机同步磁阻电机只产生磁阻转矩。
4.根据权利要求1所述的多模式永磁电机，其特征在于，所述内定子(2)上采用分数槽集中绕组结构，内侧转子(6)由Halbach永磁体组成，以使得内电机轮毂式Halbach永磁电机只产生永磁转矩。
5.根据权利要求1所述的多模式永磁电机，其特征在于，所述内侧转子(6)的Halbach永磁体采用铷铁硼稀土永磁材料，Halbach永磁体阵列的每极由一块径向充磁和两块切向充磁永磁体组成，径向充磁永磁体沿转子的圆周径向充磁，切向充磁永磁体充磁方向与径向充磁永磁体充磁方向成90°夹角；每相邻两极中的径向充磁永磁体的充磁方向相反，每相邻两极中的切向充磁永磁体的充磁方向相反。
6.根据权利要求5所述的多模式永磁电机，其特征在于，所述同步磁阻电机和轮毂式Halbach永磁电机共用一个转子，但Halbach永磁阵列的磁通只经过永磁体阵列本身，而不经过开关磁阻结构的轭部，进而同步磁阻电机和轮毂式Halbach永磁电机的磁通相互解耦。
7.根据权利要求1所述的多模式永磁电机，其特征在于，所述外定子(1)上采用整数槽分布式绕组结构的槽极配合需保证q＝S1/(2*P1*m)为整数；所述内定子(2)上采用分数槽集中绕组的槽极配合应满足S2＝2P2±2；其中m为同步磁阻电机的相数，S1为同步磁阻电机的槽数，P1为同步磁阻电机极对数，S2为Halbach永磁电机的槽数，P2为Halbach永磁电机的极对数，q为同步磁阻电机的每极每相槽数。
8.根据权利要求1所述多模式永磁电机的最优功率分配控制方法，其特征在于，该方法结合所述多模式永磁电机能够以三种电机模式运行的特点，分三段来来执行，第一段为低速区，第二段为中速区，第三段为高速区；
在第一段以永磁转矩为驱动力矩，所述轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，所述多模式永磁电机的输出功率全部由所述轮毂式Halbach永磁电机提供；
在第二段以永磁转矩和磁阻转矩为驱动力矩，所述轮毂式Halbach永磁电机起主动作用，所述同步磁阻电机也起主动作用，此时所述多模式永磁电机的输出功率由所述轮毂式Halbach永磁电机和同步磁阻电机共同提供；
在第三段以磁阻转矩为驱动力矩，所述同步磁阻电机起主动作用，此时所述多模式永磁电机的输出功率全部由所述同步磁阻电机提供，且此时所述同步磁阻电机采用恒功率法控制。
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