一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机及最优效率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电机技术领域，特指一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机及最优效率 控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，永磁电机以其高效率、高功率因数和高转矩密度优势，受到了商用电动汽 车的青睐。
[0003][0004]
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为克服上述现有技术中的不足，提出一种永磁转矩和磁阻转矩分 离型永磁电机。
[0006] 本发明的装置采用的技术方案是:一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机，包括机 壳以及机壳内部的径向电机、左轴向电机、右轴向电机，径向电机两侧分别被所述左轴向电 机、右轴向电机所包围;所述径向电机包括径向定子和径向转子;径向定子上采用整数槽分 布式绕组结构，同时径向转子采用磁阻式转子结构，以使得径向电机只产生磁阻转矩;所述 左轴向电机包括左轴向定子和左轴向转子;所述右轴向电机包括右轴向定子，右轴向转子； 右轴向定子和左轴向定子均采用分数槽集中绕组结构，同时右轴向转子和左轴向转子上设 有永磁体，永磁体的励磁方向与电机的轴向方向平行，且相邻永磁体的励磁方向相反，以使 得轴向电机只产生永磁转矩;所述径向电机为内转子或外转子结构;所述左轴向电机、右轴 向电机中，左轴向定子和左轴向转子能够沿轴向位置互换;右轴向定子，右轴向转子能够沿 轴向位置互换。所述径向电机产生径向磁通，所述左轴向电机、右轴向电机产生轴向磁通， 且径向磁通和轴向磁通方向相互垂直，实现径向磁通、轴向磁通的解耦。
[0007] 进一步，所述径向电机为内转子结构，径向转子内圈套有轴，径向定子内圈套有径 向转子且以径向气隙相隔；径向转子轴端两侧分别设有左轴向转子和右轴向转子，左轴向 定子和右轴向定子分别设置于左轴向转子和右轴向转子的最外层，左轴向转子和右轴向转 子上的永磁体分别朝向靠近左轴向定子和右轴向定子的一侧设置;径向定子、左轴向定子 和右轴向定子分别安装于机壳上。
[0008] 进一步，所述径向电机为外转子结构，径向转子可以直接安装在车轮内，形成轮毂 式结构;径向转子内圈套有径向定子且以径向气隙相隔;径向转子轴端两侧分别设有左轴 向转子和右轴向转子，左轴向定子和右轴向定子分别设置于左轴向转子和右轴向转子的最 外层，左轴向转子和右轴向转子上的永磁体分别朝向靠近左轴向定子和右轴向定子的一侧 设置;径向定子、左轴向定子和右轴向定子与轴相连。
[0009] 进一步，所述径向电机为内转子结构，径向转子内圈套有轴，径向定子内圈套有径 向转子且以径向气隙相隔；左轴向定子和右轴向定子沿着轴向并排放置，同时，径向定子沿 轴向嵌套固定在左轴向定子和右轴向定子内部中心，左轴向转子和右轴向转子分别设置于 左轴向定子和右轴向定子的最外层，左轴向转子和右轴向转子上的永磁体分别朝向靠近左 轴向定子和右轴向定子的一侧设置;左轴向定子和右轴向定子分别安装于机壳上，径向转 子、左轴向转子、右轴向转子均和轴相连。
[0010] 进一步，所述径向转子的转子结构包括:一字型转子，V型转子，多层空气槽转子或 者开关磁阻式转子结构。所述永磁体的安装方式可以为表贴、表嵌和Halbach阵列三种，永 磁体的表贴系数的范围在〇. 8-1之间。
[0011] 进一步，所述径向定子上采用整数槽分布式绕组结构中：槽极配合需保证q = S/ (2*P*m)为整数;所述右轴向定子和左轴向定子均采用分数槽集中绕组结构中，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。
[0012] 进一步，所述径向转子的外径大于左轴向转子和右轴向转子外径，为了保证永磁 转矩的输出能力和端部漏磁的抑制，左轴向转子和径向转子的外径比为〇. 7-0.9之间。
[0013] 进一步，所述右轴向转子和左轴向转子半径大小相同，径向转子半径与右轴向转 子、左轴向转子的半径不等;在径向转子和左轴向转子、右轴向转子径向半径比例固定的情 况下，径向转子和左轴向转子或右轴向转子的轴向厚度的比例应设置于〇. 2-0.8之间，可以 实现电机中磁阻转矩和永磁转矩的比例调节。
[0014] 本发明的方法的技术方案为：
[0015] 一种永磁转矩和磁阻转矩分离型电机最优效率控制方法，该控制方法可以分为三 段执行，第一段为低速区，第二段为中-高速区，第三段为高速区；
[0016] 在第一段区域内以永磁转矩为主要驱动力矩，此时右轴向定子，左轴向定子，右轴 向转子，左轴向转子输出的转矩起主导作用；
[0017] 在第二段区域内以永磁转矩和磁阻转矩为驱动力矩，此时径向电机和左轴向电 机、右轴向电机均参与转矩输出；
[0018] 在第三段区域内以磁阻转矩为主要驱动力矩，此时径向定子和径向转子输出的转 矩起主导作用，在该段中如果不需要永磁转矩时可以利用轴向定转子结构为供电电源充 电；
[0019] 在三段区域中实现单个径向电机或左轴向电机、右轴向电机的最优效率控制，首 先是准备工作，在有限元软件的帮助下，构建电机交直轴电流和电感的关系，以及他们和铁 耗的关系;在获得以上关系的基础上对最大效率点进行搜索，搜索最大效率点的本质是找 到最优效率时的电流角γ，当满足最大效率条件时，停止搜索，否则一直修改电流角γ进行 最大效率点搜寻。
[0020] 进一步，所述在三段区域中实现单个径向或轴向电机的最优效率控制的具体过程 如下：
[0021] 步骤一，根据有限元模型的仿真结果，利用多项式进行曲面拟合，构建电机中交直 轴电感(Lq和Ld)与电机交直轴电流(iq和id)之间的多项式关系；
[0022] 步骤二，对电机的定子铁耗进行建模，构建铁耗Pfe与电机Ld，Lq，id和iq之间的关 系；
[0023] 步骤三，根据上面获得的电机铁耗模型和电机的d、q轴电压方程，求取电机的铁耗 等效电阻Rfm
[0024] 步骤四，根据给定的电流i·电流角γ求取d、q轴电流id、iq;
[0025] 步骤五，由拟合的多项式，在给定id和iq情况下，计算出电机的d、q轴电感；
[0026] 步骤六，由步骤五得到的d、q轴电感，获得电机的d、q轴电压；
[0027]步骤七，由电机的d、q轴电压和电流，求取输入和输出功率；
[0028] 步骤八，计算电机效率，判断效率η是否是最大，如果是的话，输出d、q轴电流id、iq; 如果不是修改电流角γ，返回到步骤四继续执行。
[0029] 本发明具有以下效果：
[0030] 1)本发明具有3个定子和1个转子（由2个轴向转子和1个径向转子组成），每个定转 子均可以独立加工，组块化拼接，从而降低了电机的加工难度。
[0031 ] 2)径向定子槽内采用的分布式绕组结构，轴向定子齿中放置集中绕组;采用分布 式绕组和径向磁阻转子结构有利于产生更大的磁阻转矩;而集中绕组和表贴式永磁体结构 产生较高的永磁转矩;产生永磁转矩的为轴向磁路，产生磁阻转矩的为径向磁路，且径向磁 路和轴向磁路方向相互垂直。利用轴向、径向磁路的解耦性，实现了永磁转矩和磁阻转矩的 分离、优化和独立控制。
[0032] 3)径向转子中采用多层空气槽结构有利于增加电机的磁阻转矩输出，轴向转子上 表贴永磁体(永磁体的表贴系数的范围在〇. 8-1之间）有利于提升永磁转矩，永磁转矩和磁 阻转矩的独立优化有助于突破现有电机的转矩密度。
[0033] 4)2个轴向转子的半径相等，而径向转子的外径与2个轴向转子不等，左轴向转子 和径向转子的外径比为0.7-0.9之间，以保证永磁转矩的输出能力最大，同时还能够大大抑 制端部漏磁，从而保证径向磁通和轴向磁通的解耦性。
[0034] 5)在径向转子和轴向转子径向半径比例固定的情况下，径向转子和轴向转子的轴 向厚度的比例变化(径向转子和左轴向转子或右轴向转子的轴向厚度的比例应设置于〇. 2-〇. 8之间），可以快速实现电机中磁阻转矩和永磁转矩的比例调节。
[0035] 6)分为三段执行的最优效率控制方法，可以使该电机在低速区获得表贴式永磁电 机的高效率特性，中-高速区获得内嵌式永磁电机的高效率特性，而在为高速区获得同步磁 阻电机的高效率特性，降低轴向电机的永磁体涡流损耗，可以分别将由径向定子和径向转 子输出的磁阻转矩、以及轴向电机产生的永磁转矩的利用率提升到最高，从而实现分区执 行的最优效率控制。
【附图说明】
[0036] 图1是具体实施例1的结构爆炸图；
[0037] 图2是具体实施例1的装配图；
[0038]图3是径向转子结构示意图；
[0039] 图4是永磁体及其励磁方向示意图；
[0040] 图5是径向-轴向磁路；（a)为径向定子与径向转子部分结构示意图，（b)为径向定 子与径向转子B-B剖面图；
[0041] 图6是径向-轴向磁路仿真结果图；其中（a)为无径向电流时磁路；（b)径向加电流 磁路；
[0042] 图7反电势仿真结果图；（a)无径向电流时反电势；（b)分数槽集中绕组的反电势；
[0043] 图8是具体实施例2的结构爆炸图；
[0044] 图9是具体实施例3的结构爆炸图；
[0045] 图10为三段式转矩分配图；（a)为区域划分；（b)为低速区；（c)为高速区；
[0046] 图11基于最优转矩电流分配的MEPA控制图；
[0047] 图12为单电机的MEPA控制图。
[0048] 图1-9中：机壳1，径向定子2-1，右轴向