[发明专利]一种新型高速高功率密度永磁同步电机设计

说明书

本发明公开一种新型高速高功率密度永磁同步电机设计方法，该方法是针对高功率密度永磁同步电机在高转速下，所存在的较为严重的转子磁钢涡流损耗及其失磁风险问题，采用涡流场理论及麦克斯韦方程提出一种改进型的磁钢涡流损耗数学模型，可以对表贴式永磁同步电机涡流损耗进行定量分析；并根据分析结论，总结了与涡流损耗相关的关键影响因素，提出衡量磁钢内涡流损耗的技术指标，利用该指标可以指导电机极槽配合、磁钢厚度等电机设计关键参数的设计，该指标也可以用于内置式永磁电机磁钢涡流损耗的衡量；利用此指标对几种极槽配合电机结构进行了对比研究，验证了涡流损耗指标的有效性，对于完善电机损耗研究以及可靠性分析都具有十分重要的意义。

技术领域

本发明属于电机设计领域，尤其涉及一种新型高速高功率密度永磁同步电机设计方法。

背景技术

永磁同步电机具有功率密度更高，体积更小，使用周期长，转子不存在附加铜耗，以及工作时效率更高，维护费用低等优点。近年来，永磁同步电机特别是内置式永磁电机，在电动汽车等功率密度要求较高的领域已成为研究热点。为了获得更高的功率密度，通过材料改进已很难获得较大的突破，因此为了提高车用永磁电机的功率密度，势必要提高电机转速。

但是，永磁同步电机特别是具有分数槽结构的永磁电机，高速运行时，由于齿谐波(开槽效应) 和磁路结构不对称会产生幅值较高的谐波磁场，并在转子的永磁体中产生较大的涡流损耗，从而造成过热现象。转子的热量无法有效散出，易造成磁钢失效问题。然而现有损耗模型，其关注点主要在定子侧，往往忽略转子侧的损耗；对于高速运行的永磁同步电机，转子磁钢损耗已成为影响其可靠运行的一个关键因素。因此，转子损耗特别是转子磁钢的涡流损耗研究，对于完善电机损耗研究以及可靠性分析都具有十分重要的意义。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供了一种新型高速高功率密度永磁同步电机设计方法，该方法是针对高功率密度永磁同步电机在高转速下，所存在的较为严重的转子磁钢涡流损耗及其失磁风险问题，采用涡流场理论及麦克斯韦方程提出一种改进型的磁钢涡流损耗数学模型，可以对表贴式永磁同步电机涡流损耗进行定量分析；并根据分析结论，总结了与涡流损耗相关的关键影响因素，提出衡量磁钢内涡流损耗的技术指标，利用该指标可以指导电机极槽配合、磁钢厚度等电机设计关键参数的设计，该指标也可以用于内置式永磁电机磁钢涡流损耗的衡量；利用此指标对几种极槽配合电机结构进行了对比研究，验证了涡流损耗指标的有效性。

本发明采用的技术方案是，一种新型高速高功率密度永磁同步电机设计方法，包括磁钢涡流损耗、对比分析以及磁钢分段与磁钢涡流损耗关系研究。

所述磁钢涡流损耗，当极数一定时，电枢反应所产生的涡流损耗与槽数值并没有单调变化关系，当极数较高而槽数很小时，由于空间谐波含量相对较高，涡流损耗一般也较大；对于分数槽结构，涡流损耗小的极槽配合关系，其绕组系数均在0.866附近，反之并不成立，其原因是位于对角线的分数槽结构，绕组排布是空间正规分布，从磁势谐波角度来看只存在整数次谐波，次数相对于次谐波而言较大，因此磁钢涡流损耗相比其他分数槽绕组更低；对于整数槽结构，只存在整数次空间谐波分量，电枢反应所产生的磁钢涡流损耗普遍较低；而绕组系数为1的电机结构正是其一种特例，因此也具有类似特点，在输出相同电磁功率(转矩)的情况下，各种极槽配合的相对磁钢涡流损耗值大小关系，为电机设计提供了很好的参照依据。

所述的对比分析，为了验证本文所提出的涡流损耗指标函数及其模型的准确性，对几种典型电机进行相关的仿真对比研究，这几种结构具有相同外形尺寸和转子结构、不同极槽配合关系，可以排除单一极数参数对涡流损耗指标的影响， 更加突出电机时间和空间谐波对涡流损耗及其指标的影响，为了更好地展示所提出模型的正确性，进行了磁钢内一点处瞬态涡流损耗密度的仿真对比。