永磁同步电机转子磁极优化技术综述.pdf

永磁同步电机转子磁极优化技术综述徐晨琛(国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心江苏苏州)摘要转矩脉动是永磁同步电机的重要参数降低转矩脉动是提高永磁同步电机输出转矩、降低电机运行噪声的有效手段 为了实现低转矩脉动需要对气隙磁密波形进行优化气隙磁密的波形与定子形状、转子铁心形状以及转子永磁形状具有密切联系 合理的转子磁极结构能够大大降低转矩波动进而提高输出转矩、降低噪声 转子磁极优化技术是近年来为解决永磁同步电机噪声大、效率低的热点技术之一 关键词 永磁同步电机转矩脉动磁极优化:./.中图分类号:文献标识码:文章编号:()().引言永磁同步电机的定子与普通的感应电机大致相同其特征在于其转子结构其转子上不再采用传统的绕线结构而直接采用高磁密的永磁材料根据永磁体在转子上的位置的不同可以分为表贴式转子和内置式转子结构永磁同步电机的转矩脉动主要来源齿槽转矩、磁阻转矩以及电磁转矩其中齿槽转矩对永磁同步电机的转矩脉动影响最大因此如何降低齿槽转矩是研究转矩脉动降低的热点方向 齿槽转矩的产生机理主要是由于永磁同步电机转子采用了永磁材料即使在定子不通电时转子上的磁性材料也会对定子产生力的作用该作用力可以分解为径向分量和切向分量其中切向分量是导致电机产生齿槽转矩的原因 全球专利申请趋势分析图 显示了永磁同步电机转子磁极优化技术的全球专利申请趋势变化可以看出永磁同步电机磁极优化技术比较新从 年才开始有涉及永磁同步电机磁极优化技术这是由于稀土永磁材料从 世纪 年代开始才得以发展并应用到永磁同步电机中 从 年代开始永磁同步电机转子磁极优化技术的发展主要经历了以下几个发展阶段第一阶段(年)为萌芽期 该阶段为永磁同步电机转子磁极优化技术发展的萌芽期其年原创申请量均处于 件以下且大部分年份的申请量在 件左右这与稀土永磁材料刚刚发展起来对稀土永磁材料的认知在慢慢建立此阶段中发展速度持续维持在较低水平尚未形成规模化第二阶段(年)为发展期 稀土永磁材料经历了、几个阶段的发展人类对稀土永磁材料的认知越来越成熟对转矩脉动的产生原理有着越来越深入的了解同时随着永磁材料的加工成型工艺日趋完善以及控制技术的发展对永磁同步电机的转矩脉动有着越来越高的要求在此背景下永磁同步电机转子磁极优化技术也得动了极大的发展申请量呈现爆发式增长第三阶段(年至今)为平稳期以钕铁硼为代表的永磁材料由于其优异的磁学性能在永磁同步电机中得到广泛应用是主流的永磁材料此阶段对该种永磁材料的认知水平以及应用能力达到相对成熟的状态此阶段的专利多集中在以钕铁硼为永磁材料的电机中由于没有新材料的产生发展较为平稳1975 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017 2019120100806040200?图 全球专利申请趋势变化图59 25.%9.61%0.05%0.05%0.15%4.35%0.05%0.15%0.15%19.12%2.81%1.33%0.36%0.10%0.26%0.36%1.53%0.31%ATBRCACNDEEPESFIFRGBINITJPKRRUSE图 全球专利申请量申请国分布图 反映了永磁同步电机转子磁极优化技术专利申请量布局的国家、地区以及区域性组织的专利申请量情况 日本在永磁电机方面研究较多起步比较早尤其在永磁同步电机的噪声抑制、效率提高方面进行了大量的研究其研发的永磁同步电机在工业伺服方面具有广泛的应用生产的产品无论是结构还是控制技术方面均位于世界前列尤其在工业应用方面其生产的永磁同步电机占据了大部分的市场 随着技术的发展以及扩散同时由于稀土资源中国近年来在永磁同步电机的研究上也得到迅速发展特别是近年来新能源汽车的大力发展永磁同步电机在新能源汽车中得到广泛运用中国成为了新兴的研究国家之一永磁电机的生产量逐年增加专利申请量在近年来得到迅猛发展 美国在永磁电机的研究方面起步比日本晚其优势更多的体现在对感应电机的控制方面因此其申请量相比日本和中国不具有优势 以德国为代表的欧洲企业由于具有例如、罗伯特博世、西门子等老牌的电机生产商在永磁电机的研究方面仍然具有明显的优势 近年来随着中国专利事业的发展中国在永磁同步电机方面的专利数量增长明显但是综合申请质量来看日本以及德国的专利具有创造性高度高、保护范围大等明显优势专利质量、保护范围以及稳定性方面具有较强的竞争力706050403020100JP CN KR US DE19811984198619881990199219941996199820002002200420062008201020122014201620181975图 全球专利申请量排名前五的国家专利总申请趋势图?I?LG?I?/?I?I?I?I?I?100806040200图 全球排名前二十的申请人申请量分布图图 可以看出日本在永磁同步转子磁极优化方面申请方面起步早专利布局的时间广、申请量多但是近年来呈现出下降趋势 中国在早期基本没有永磁同步转子磁极优化方面的技术研究从 年开始我国在永磁同步转子磁极优化方面申请呈现出爆发式增长状态这与技术扩散、永磁同步电机运用越来越广泛具有密切联系美国以及德国的起步时间比日本晚申请量一直保持在平稳的状态韩国从 年开始由于、三星、现代汽车在永磁同步电机方面开始涉足呈现出平稳的发展态势 图 表现了全球申请量排名前二十的申请人的申请情况 申请量排名前三的均为日本企业同时在申请量前二十的企业中日本的企业也占据了半壁江山进一步说明了日本在永磁同步电机转子磁极优化技术方面的广度、深度 中国企业中美的和格力冲入了前十结合前述的时间线我们国家在永磁同步电机转子磁极优化技术方面起步晚但是势头迅猛同时随着对核心技术的重视我国在这方面的研发投入比重也越来越大永磁同步电机转子磁极优化技术一级分支包括了铁心优化技术以及永磁体优化技术 两种优化技术的起始时间大致相同申请分布规律也相近都经历了萌芽期、发展期目前都处于平稳期但是在申请量上永磁体优化技术的申请量远多于铁心优化技术 永磁体优化技术的申请量之所以远多于铁心优化技术根本原因在于永磁体才是对磁场产生实质影响的部件铁心是永磁体的承载部件其对磁场波形的影响有限 由于永磁体材料和结构直接影响了气隙中的磁场因此磁体优化技术多从磁体形状、磁体材料以及两者结合角度出发通过不同的手段对气隙磁场进行控制 国内专利申请技术主题4035302520151050?2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019图 转子磁极优化重点技术国内申请趋势变化图201816141210864201983198519871989199119931995199719992001200320052007200920112013201520171981?图 重点技术国外来华申请量分布图图 显示了永磁同步电机转子磁极优化技术领域重点技术的国内发展状况从中可以看出铁心和永磁体方面技术的起步时间相同从 年开始到目前为止均呈现出上涨的态势从该图中可以看出相比于国外的侧重于永磁体方面技术的研究我国在铁心和永磁体方面均涉及专利布局均匀 图 永磁同步电机转子磁极优化技术领域重点技术国外来华申请量分布图从图 中可以看出国外来华申请中在 年以前两个分支技术均处于缓慢增长后 年到 年间处于波动状态 年至今处于下降状态这与国外技术日趋成熟有着密切关系 永磁同步电机转子磁极优化专利技术分析 转子磁极优化技术主要分为铁心部分和永磁部分其中永磁部分是主要发展方向 转子磁极优化中对永磁体的优化主要包括永磁体分段分块、组合式磁极、转子表面开槽 永磁体分段分块通过改变永磁体分块数量以及永磁体尺寸使得永磁体在转子上按照既定的规律分布从而产生理想磁场并且通过特定的设计结构能够实现对指定次数谐波的消除 组合式磁极通过采用相同材料不同尺寸的永磁体或者不同材料相同尺寸的永磁体通过材料与尺寸的结合削弱转矩脉动表面开槽技术能够降低指定次谐波减小转矩脉动但是开槽能够影响的量有限对转矩脉动的影响有限()永磁体分段、分块永磁体分段、分块的目的在于使得永磁小块能够按照一定的规律分布达到降低齿槽转矩的目的通过合理设计永磁体之间的距离以及每块永磁体的尺寸能够消除特定次的谐波含量但是永磁体在分块、分段后相应的漏磁会增加磁体的利用率也会下降加工成本会上升因此在实际应用中需要综合考虑上述因素()组合式磁极组合式磁极主要包括同种材料不同厚度磁体以及同种厚度不同材料两种方式同种材料不同厚度磁体通过不同尺寸的磁体形成磁体阵列结构能够消除特定次谐波不同材料同种尺寸利用几种剩磁不同的材料形成组合能够实现气隙磁场的均匀 组合磁极由于可控制的量比较多控制效果好但是结构比较复杂加工难度大铁心作为永磁体的承载元件既对永磁体实现机械支撑作用也起到了磁路引导作用因此对铁心进行结构优化也能起到优化磁场波形的目的但是由于并不涉及磁场本身其影响的范围有限 结语永磁同步电机由于磁场由永磁体产生可以省去励磁电流的相关结构能量转换率高、耗能少随着技术的成熟以及磁体材料生产工艺水平的提高其在各行各业中得到越来越多的应用随着国家对能源、环保方面的要求越来越高对永磁电机的性能要求也越来越高 通过前述分析可知国外对于永磁同步电机的磁极优化技术具有全面的布局永磁体无论是材料、形状还是排列方面均有专利布局 而我国在磁极优化技术方面仍然偏重在传统的开槽技术、铁心技术方面对于永磁体优化技术具有较大的缺口 永磁体是直接影响磁场波形的因素对其进行控制和设计必然是磁极优化技术最直接有效的手段 因此通过磁体优化技术实现永磁电机的高效率、高输出转矩是本行业需要解决的关键问题之一参考文献 轴向磁场反凸极永磁同步轮毂电机研究.哈尔滨工业大学:.内嵌式永磁同步电机齿槽转矩与转矩脉动机理及优化研究.南京师范大学:.中华人民共和国国家知识产权局.专利审查指南.北京:知识产权出版社.作者简介:徐晨琛 女 年生毕业于南京航空航天大学电力系统及自动化专业硕士现从事电机电缆领域专利审查工作.收稿日期:(上接 页)之间的关联性找出了优化设计潜油直线电机的两个主要结构参数动子磁钢外径尺寸和饼状线圈匝数然后对动子磁钢外径和饼状线圈匝数分别进行了参数化有限元仿真分析定量的对比其与电机性能的关联性并综合刷选出最优设计方案设计方案满足设计需求 最后制作试验样机搭建试验平台验证了优化设计方案的可行性 通过本文优化设计得到的工程样机能够满足深井采油的新需求参考文献 冯春国.深井潜油直线电机的研制.年全国直线电机学术年会论文集.付国太张柏任怀丰等.往复式磁力驱动柱塞泵举升工艺技术研究.石油学报():.周封曹卉.新型潜油式直线抽油机电机选型问题的研究.石油矿场机械():.周广旭徐衍亮.潜油直驱圆筒形直线永磁同步电动机开发.微电机():.王祥立司高锋.直线电动机驱动的大排量潜油抽油泵极其应用.石油机械():.李明杨海涛田启武等.直线电机往复泵采油技术研究与试验.石油机械():.钱坤张凤武邵克勇等.潜油往复式抽油机举升工艺研究及优化.石油矿场机械():.曾文欣王秀和.不同铁心材料在圆筒形永磁同步直线电动机中的对比研究.微电机():.唐兵司念亭吴子南等.往复式潜油电泵的优化研究及应用.中国石油和化工标准与质量:.刘永新.潜油柱塞泵机组优化设计与试验.石油机械():.甘庆明黄伟黄志龙等.潜油直线电机无杆举升技术在定向井中的应用.石油机械():.纪树立甄东芳李志鹏等.海上直线潜油电泵的开发及在渤海油田的应用.海洋石油():.狄文生彭兵.潜油永磁直线电机设计与推力的优化.第十六届沈阳科学学术年会论文集(理工农医).付豪吴尧辉.计及温度变化的潜油直线电机结构优化.电机与控制应用():.作者简介:周石 男 年生毕业于海军工程大学电气工程专业现从事直线电机、永磁电机设计工作.收稿日期: