本發明涉及一種高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機，屬于永磁同步電機領域。

背景技術：

隨著永磁體材料性能的不斷提高，永磁同步電機得到了快速發展，已被廣泛應用到航空航天、醫療機械、工業生產、交通運輸、國防建設等眾多領域當中。與傳統電勵磁同步電機相比，永磁同步電機由于采用永磁體勵磁，不僅結構更為簡單，且無轉子勵磁損耗，效率比電勵磁同步電機要高，更加節能環保，具有廣闊的發展前景，成為人們研究的熱點。但由于采用永磁體勵磁，永磁同步電機的勵磁磁場難以調節，對于轉速范圍較寬的應用場合，其高速性能受到一定限制。

為了解決上述問題，受他勵直流電動機的調磁控制啟發，學者們提出了永磁同步電機的弱磁控制方法。該方法在永磁同步電機端電壓達到逆變器輸出電壓極限時，通過增加電樞直軸去磁電流分量i_d來減小電機內的磁通，以維持電壓平衡，達到“弱磁”效果。但為了保證電樞電流不超過電機的額定值，在增加直軸去磁電流分量i_d的同時，需要相應減小交軸電流分量i_q，輸出轉矩會有所下降，電機將運行在恒功率區域內。同時，弱磁控制方法的效果與直軸電抗X_d密切相關，X_d越大則相同直軸去磁電流對氣隙磁場的削弱效果越好，目前多用于內置式永磁同步電機中。而表貼式永磁同步電機由于永磁體位于轉子表面，一方面使得電機氣隙較大，直軸電抗X_d越較小，難以獲得較好的弱磁效果；另一方面永磁體易受電樞直軸去磁電流的影響發生不可逆退磁，導致弱磁控制在表貼式永磁同步電機中的應用受到一定限制，難以適應寬轉速范圍的應用場合。

技術實現要素：

為克服上述表貼式永磁同步電機在弱磁性能上的不足，本發明通過對傳統表貼式永磁同步電機轉子結構進行改進，提供一種高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案

本發明提供一種高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機，包括定子鐵心、三相電樞繞組、轉子鐵心，轉子鐵心與定子鐵心之間存在氣隙。轉子鐵心的表面設置有轉子磁極，在轉子磁極的直軸方向設置了一定寬度的扇形鐵心塊作為轉子鐵心凸極。

作為本發明的進一步優化方案，每極磁極由分段式Halbach陣列永磁體組成。

作為本發明的進一步優化方案，每極磁極中分段式Halbach陣列永磁體尺寸相同。

作為本發明的進一步優化方案，每塊永磁體所占的極弧系數α_PM為：

式中，α_Fe為轉子鐵心凸極的極弧系數，N_H為每極Halbach陣列永磁體的永磁體塊數。

作為本發明的進一步優化方案，每塊永磁體所占弧度角θ_PM為：

式中，p為永磁同步電機的極對數。

作為本發明的進一步優化方案，每塊永磁體的充磁角度為：

式中，為極坐標系下以任一轉子鐵心凸極的中心線位置為起始位置、逆時針方向第i塊永磁體的充磁角度，θ_i為第i塊永磁體中心線的位置角，p為永磁同步電機的極對數。

作為本發明的進一步優化方案，扇形鐵心塊的寬度根據電機的設計需求確定，扇形鐵心塊的寬度越寬，電機的弱磁效果越好。

本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：本發明提出的高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機，工藝簡單，便于實現；通過增加轉子鐵心凸極提高直軸電抗，給電樞去磁磁場提供通路，增強電樞電流的弱磁效果，避免永磁體在弱磁磁場下發生不可逆退磁故障；每極磁極均采用分段式Halbach陣列結構，以優化氣隙磁場分布，減小轉子鐵心凸極效應帶來的轉矩波動問題，有效改善表貼式永磁同步電機的弱磁擴速性能。

附圖說明

圖1為本發明所描述的一種4極12槽內轉子結構高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機；

圖2為圖1中轉子Halbach陣列永磁體充磁角度示意圖；

圖3為圖1中四分之一電機的磁通路徑示意圖；

圖4為本發明所描述的一種4極12槽外轉子結構高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機；

圖5為圖4中轉子Halbach陣列永磁體充磁角度示意圖；

圖6為圖4中四分之一電機的磁通路徑示意圖。

圖中，1-定子鐵心，2-三相電樞繞組，3-氣隙，4-轉子鐵心，5-分段式Halbach陣列永磁體磁極。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施例對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：

本發明設計一種高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機，包括定子鐵心、三相電樞繞組、轉子鐵心，轉子鐵心與定子鐵心之間存在氣隙。轉子鐵心的表面設置有轉子磁極，在轉子磁極的中間位置(即直軸方向)設置了一定寬度的扇形鐵心塊(即轉子鐵心凸極)，永磁同步電機轉子呈現凸極特性，一方面使得直軸電抗X_d大于交軸電抗X_q，有利于增強電樞電流的弱磁效果；另一方面轉子鐵心凸極的聚磁作用可避免電樞去磁磁場通過永磁體，保護永磁體在強去磁磁場下不發生退磁。扇形鐵心塊的寬度根據電機的設計需求確定，扇形鐵心塊的寬度越寬，電機的弱磁效果越好。每極磁極由分段式Halbach陣列永磁體組成，以改善永磁同步電機氣隙磁場分布，減小由于轉子鐵心凸極效應帶來的轉矩波動過大問題。

轉子磁極中采用的分段式Halbach陣列永磁體尺寸相同，每塊永磁體所占的極弧系數α_PM為：α_Fe為轉子鐵心凸極的極弧系數，N_H為每極Halbach陣列永磁體的永磁體塊數。每塊扇形永磁體所占弧度角θ_PM為：p為永磁同步電機的極對數。在極坐標系下，以任一轉子鐵心凸極的中心線位置(即直軸)為起始位置(θ＝0°)，以逆時針方向對電機的每塊永磁體進行依次標號，則第i塊Halbach陣列永磁體的充磁角度為θ_i為第i塊永磁體中心線的位置角，其中，“+”用于外轉子電機結構，而“-”用于內轉子電機結構。

具體實施例一：

本實施例所述的一種內轉子結構高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機結構如圖1所示，其包括外定子鐵心、三相電樞繞組、氣隙、內轉子鐵心以及分段式Halbach陣列永磁體磁極等部分。

本實施例中，電機定子槽數為12，轉子極對數p為2，每極磁極由5塊尺寸相同的永磁體組成，轉子鐵心凸極所占角度為10°(即極弧系數α_Fe為0.11)，則每塊永磁體所占角度為16°，其極弧系數為0.178。

根據永磁體和轉子鐵心凸極尺寸，可計算出每塊永磁體的位置角以及其對應的充磁角度，如表1所示。

表1 實施例一中永磁體位置角與充磁角度

在本實施例中，對應表1，轉子Halbach陣列永磁體位置和充磁方式如圖2所示，電機一極下的磁通如圖3所示。由圖可以看出，電機的勵磁主磁通路徑由Halbach陣列永磁體提供，其路徑為永磁體—氣隙—定子齒部—定子軛部—定子齒部—氣隙—永磁體。由于轉子鐵心存在凸極，在永磁體邊緣存在少許漏磁通，其路徑為永磁體—氣隙—轉子鐵心凸極—轉子軛部—永磁體。此外，由于轉子鐵心凸極位于直軸，因此直軸去磁磁場可以通過凸極進入轉子鐵心，其路徑為定子軛部—定子齒部—氣隙—轉子鐵心凸極—轉子軛部—轉子鐵心凸極—氣隙—定子齒部—定子軛部。且勵磁主磁通與電樞去磁磁通方向相反，兩者在氣隙中相互抵消，削弱氣隙磁場，有利于電機進行弱磁擴速。

具體實施例二：

本實施例所述的一種外轉子結構高弱磁性能Halbach陣列永磁同步電機結構如圖4所示，其包括內定子鐵心、三相電樞繞組、氣隙、外轉子鐵心以及分段式Halbach陣列永磁體磁極等部分。

與實施例一相同，本實施例中電機定子槽數為12，轉子極對數為2，每極磁極由5塊尺寸相同的永磁體組成，轉子凸極所占角度為10°(即極弧系數α_Fe為0.11)，則每塊永磁體所占角度為16°，其極弧系數為0.178。

根據永磁體和轉子鐵心凸極尺寸，可計算出每塊永磁體的位置角以及其對應的充磁角度，如表2所示。

表2 實施例二中永磁體位置角與充磁角度

在本實施例中，對應表2，轉子Halbach陣列永磁體位置和充磁方式如圖5所示，電機一極下的磁通如圖6所示。由圖6可以看到，與內轉子結構電機相似，外轉子結構電機同時存在勵磁主磁通、漏磁通和電樞去磁磁通，其路徑與內轉子結構相同。但同時，由于兩個實施例的電機結構不同，Halbach陣列永磁體的充磁角度也應不同，才能使電機產生合理的磁通路徑，達到使永磁同步電機弱磁擴速的目的。

以上所述，僅為本發明中的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內，因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。