永磁同步电机转子磁极优化技术综述.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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 20191201008060
5、40200?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
6、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
7、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
8、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
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