CN101325349B - 宽调速磁通记忆式定子永磁型电机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于永磁无刷电机制造技术领域，特指一种适合于混合动力汽车、电动汽车等需要宽调速、高效率运行应用场合的定子永磁型电机，其由定子、转子、电枢绕组和钕铁硼永磁体组成，其特征在于：保留原有钕铁硼永磁体，并在定子上增加铝镍钴永磁体以及用来调节铝镍钴永磁体磁场强度和磁通密度的磁化绕组，本发明的优点在定子永磁型电机中首次引入了铝镍钴永磁体和磁化绕组，使磁通记忆式定子永磁型电机继承了定子永磁型电机的功率密度大、容错性好等优点，同时又有效解决了定子永磁型电机难以实现弱磁控制、恒功率调速范围较小、恒功率运行区运行效率低等不足。
Description
技术领域
本发明属于永磁无刷电机制造技术领域，特指一种适合于混合动力汽车、电动汽车等需要宽调速、高效率运行应用场合的定子永磁型电机。
背景技术
近年来，国际原油价格持续飙升，能源问题和环境污染日益突出。新型节能与新能源汽车受到广泛关注和重视，其中混合动力汽车、电动汽车发展最为迅猛。作为混合动力汽车、电动汽车的关键执行部件之一的车用驱动电机，其驱动性能的好坏直接影响着混合动力汽车、电动汽车的整车性能。以钕铁硼为主要永磁材料的稀土永磁电机具有效率高、功率密度大等优点，在车用驱动电机领域，已经引起国内外学者的广泛关注和高度重视。
1993年，美国学者首次将高性能永磁材料引入开关磁阻电机的定子，提出的一种新型节能、高效的定子永磁型电机，该种电机转子结构继承开关磁阻电机转子的特点，既无永磁体、又无绕组，机械强度高，适合高速运行；其永磁体位于定子，易于冷却，有效避免了永磁体过热产生的不可逆去磁。国内外学者对该类电机研究过程中揭示出定子永磁型电机与永磁同步电机、无刷直流电机等转子永磁型电机相似，具有效率高、功率密度大等优点，但同样存在气隙磁场难以调节，调速范围窄等不足，在电动汽车等需宽调速(调速范围不低于5倍基速)运行场合的应用受到一定限制。如何实现定子永磁型电机气隙磁场的有效调节与控制，成为定子永磁型电机研究的难点和进一步推广应用的瓶颈之一。
为了改善和拓宽定子永磁型电机的调速范围，实现电机的恒功率弱磁控制，国内外学者对此开展了深入研究，并先后提出了几种解决方案。第一种方案采用机械方法削弱定子永磁型电机的永磁磁场，原理见图1。可以采用如图1所示的方法，在电机高速运行时，将永磁体从定子铁芯中拉出一部分，以削弱永磁磁场。第二种方案是采用多极抽头绕组的宽调速双凸极电机永磁电机，该电机已获得中国发明专利，专利号为(ZL98111107.6)。该种电机定子齿套有多级抽头的集中式绕组，电机随着转速的升高，通过抽头的切换，将每相绕组的匝数减少，永磁磁场在每相绕组中产生的反电势亦成比例减少，从而拓宽电机的调速范围。第三种方案是将永磁体用电励磁绕组代替，形成电励磁式双凸极电机，见图2。利用电励磁绕组产生的磁场作为电机的主磁场，通过调节电励磁绕组的励磁电流的大小，可实现对气隙磁场的调节与控制，拓宽电机的调速范围。
第一种方案属于机械型，需要专门工具和控制装置，操作相对困难，实用价值不大。第二种方案结构简单、控制方便，具有一定的实用性，但在电机宽调速运行过程中需要频繁切换电枢绕组的控制匝数，电枢绕组中会出现较大的电压、电流的变化率，需要专门的续流或能量回馈电路，控制成本相对增加。方案三中，通过改变励磁电流的大小，虽然能实现电机的宽调速运行，但由于该电机没有采用高性能的永磁材料，只采用电励磁绕组励磁，电机运行时，存在持续的电励磁损耗，而且由于励磁绕组占用的空间较大，电机的功率密度和效率均难以提高，该类电机在混合动力汽车、电动汽车等运行场合，应用也受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种真正意义上的宽调速、高效率的磁通记忆式定子永磁型电机，将解决定子永磁型电机气隙磁场难以调节，调速范围窄，恒功率运行区效率低等的不足，特别适合于混合动力汽车、电动汽车等需宽调速、高效率运行的场合。
一种宽调速磁通记忆式定子永磁型电机，由定子、转子、电枢绕组和钕铁硼永磁体组成，其特征在于：保留原有钕铁硼永磁体，并在定子上增加铝镍钴永磁体以及用来调节铝镍钴永磁体磁场强度和磁通密度的磁化绕组。
上述的宽调速磁通记忆式定子永磁型电机，设电机的相数为m，定子齿数为Ns，转子齿数为Nr，钕铁硼永磁体的数目为P，铝镍钴永磁体的数目为L，磁化绕组的匝数为J，其特征在于：定子齿数Ns＝2mk，转子齿数Nr＝2Ns/m，钕铁硼永磁体的数目为P＝4k，铝镍钴永磁体的数目为L＝2k，磁化绕组的数目J＝2k，其中k为大于或等于1的正整数。相数m为1到5内的正整数。
上述的宽调速磁通记忆式定子永磁型电机，其特征在于：每2块钕铁硼永磁体之间放置1块铝镍钴永磁体。
上述的宽调速磁通记忆式定子永磁型电机，其特征在于：钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体为径向充磁的永磁体。
在该电机中用来调节铝镍钴永磁体的磁场强度和磁通密度的绕组可定义为磁化绕组。电机运行时，在磁化绕组两端加一大小和幅值可调节的电压，可以在磁化绕组中获得不同大小和方向的电流，这里可定义为磁化电流。当磁化电流产生的磁动势方向与铝镍钴永磁体磁化方向相同时，能增加铝镍钴永磁体的磁化强度；当磁化绕组产生的磁动势方向与铝镍钴永磁体磁化方向相反时，能减少铝镍钴永磁体的磁化强度。所以，通过改变磁化绕组端电压和磁化电流大小和方向，能在线调节铝镍钴永磁体的磁化强度和磁通密度等级，实现电机的气隙磁场的在线调节与控制。
有益效果
1.电机定子上的钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体产生的永磁磁场在气隙中是迭加的，共同作用形成电机的气隙磁场。保留原有的钕铁硼永磁体，保证了电机具有较大的功率密度和转矩密度，铝镍钴永磁体磁化强度能在线调节的特性，使得电机气隙磁场不但平滑可调而且调节范围很大，使该电机具有宽广的调速范围；
2.本发明的另一个优点是磁化绕组的直接引入，与采用电枢电流的直轴磁化分量进行磁场调节的控制方法相比，磁场调节手段简单、直接，而且有效避免了与电枢绕组之间的耦合；
3.磁化绕组在线去磁(或充磁)持续时间短，效率高；
4.控制磁化电流的大小和方向，一方面实现了电机的弱磁控制，使电机具有宽广的调速范围；同时还可以进行增磁控制，满足电动汽车快速起动、爬坡以及紧急制动所需的大转矩的要求。
本发明的优点是采用高性能钕铁硼永磁体和磁化强度可在线调节的铝镍钴永磁体共同形成电机磁场的方法，在定子永磁型电机中首次引入了铝镍钴永磁体和磁化绕组，使磁通记忆式定子永磁型电机继承了定子永磁型电机的功率密度大、容错性好等优点，同时又有效解决了定子永磁型电机难以实现弱磁控制、恒功率调速范围较小、恒功率运行区运行效率低等不足，使电机具有宽广的调速范围的同时，保持了电机较高的运行效率，适合混合动力汽车、电动汽车等应用场合，具有一定的科研和利用价值。
附图说明
图1是现有技术的机械式弱磁定子永磁型电机。
1钕铁硼永磁体；2定子；3转子；4电枢绕组；5拖动装置
图2是现有技术的磁场可调电励磁式双凸极电机。
2定子；3转子；4电枢绕组；6电励磁绕组；7轴
图3为本发明的12/8极磁通记忆式定子永磁型电机的截面示意图。
1钕铁硼永磁体；2定子；3转子；4电枢绕组；7轴；8铝镍钴永磁体；9磁化绕组
具体实施方式
本发明是在高性能定子永磁型电机的基础上，保留抗去磁能力强的高性能钕铁硼永磁体，增加增加剩磁密度高、但矫顽力较低的铝镍钴永磁体，在电机不同的运行区间内通过控制磁化电流的大小和方向，对电机进行磁场调节与控制，进一步拓宽了定子永磁型电机的应用场合和范围。
图3为本发明的12/8极磁通记忆式定子永磁型电机的截面示意图，这里电机相数m＝3，k＝2，则电机的定子齿Ns＝12，转子齿为Nr＝8，钕铁硼永磁体数目P＝8，铝镍钴永磁体数目L＝4，磁化绕组数目J＝4。电机采用外转子结构，便于与电动汽车驱动轴相联结。定子2上有12个均匀分布的齿，转子3上有8个均匀分布的齿。采用硅钢片按图3中定、转子形状冲成定子冲片和转子冲片，用足量的冲片叠压成定子铁心和转子铁心。在定子2上嵌入8块钕铁硼永磁体1和4块铝镍钴永磁体8，每两块钕铁硼永磁体1之间放置1块铝镍钴永磁体8。在每个定子齿上套一个线圈，处于空间相同位置齿上的线圈经串联或并联构成一相电枢绕组4，12个定子齿上的线圈共组成三相电枢绕组。在定子2上的永磁体钕铁硼1和8内侧设有磁化绕组9。两种永磁体均采用径向充磁，两种永磁材料用量根据电机的功率以及调速范围等性能指标确定。
以一台额定功率PN＝750W，调速范围α不小于5的12/8极磁通记忆式定子永磁型电机为例，主要设计数据为：
额定速度为1500r/m，电枢绕组额定电压为42V，电枢额定电流为20A，磁化绕组额定电压为42V，磁化绕组电流范围为(-6A-+6A)。
定子内径：78mm，硅钢片叠片长：80mm，气隙厚度：0.5mm，定子极弧20°，转子极弧15°，定子极高：15mm，转子极高6.5mm，每相电枢绕组匝数：200匝，磁化绕组：匝数100匝，每块钕铁硼永磁体尺寸8mm×80mm×4.5mm，每块铝镍钴永磁体尺寸：8mm×80mm×7.5mm，每一个磁化绕组匝数100匝。定、转子均采用厚为0.5mm的硅钢片叠压。
电机低速运行时(小于100r/m)，可调节磁化绕组两端的电压产生较大的磁化电流(如+4A的磁化电流)，增强电机的铝镍钴永磁体的磁化强度，获得更大的电机转矩，有效提高电机的动态性能；电机在基速以上(大于1500r/m)高速运行时，可改变磁化绕组电压和磁化电流的方向(如-6A磁化电流)，减弱电机铝镍钴永磁体的磁化强度，实现电机的弱磁升速运行，能拓宽电机的调速范围。由于铝镍钴永磁体在线磁化的时间较短，磁化绕组的损耗可以忽略不计，使该电机具有宽调速范围的同时，保持了较高的运行效率。
Claims (5)
1.一种宽调速磁通记忆式定子永磁型电机，由定子(2)、转子(3)、电枢绕组(4)、磁化绕组(9)、钕铁硼永磁体(1)和铝镍钴永磁体(8)组成，其特征在于：电机采用外传子结构，定子采用双层结构，在定子内层放置钕铁硼永磁体(1)，铝镍钴永磁体(8)以及用来调节铝镍钴永磁体(8)磁场强度和磁通密度的磁化绕组(9)；磁化绕组(9)和电枢绕组(4)均采用集中式绕组，通过施加短时磁化电流脉冲，实现对铝镍钴永磁体(8)磁化强度的调节，从而调节实现对电机主磁场的有效调节和控制。
2.根据权利要求1所述的宽调速磁通记忆式定子永磁型电机，其特征在于：设电机的相数为m，定子(2)齿数为Ns，转子(3)齿数为Nr，钕铁硼永磁体(1)的数目为P，铝镍钴永磁体(8)的数目为L，磁化绕组(9)的匝数为J，定子(2)齿数Ns＝2mk，转子(3)齿数Nr＝2Ns/m，钕铁硼永磁体(1)的数目为P＝4k，铝镍钴永磁体(8)的数目为L＝2k，磁化绕组(9)的数目J＝2k，其中k为大于或等于1的正整数，相数m为1到5内的正整数。
3.根据权利要求1所述的宽调速磁通记忆式定子永磁型电机，其特征在于：每2块钕铁硼永磁体(1)之间放置1块铝镍钴永磁体(8)。
4.根据权利要求1所述的宽调速磁通记忆式定子永磁型电机，其特征在于：钕铁硼永磁体(1)和铝镍钴永磁体(8)为径向充磁的永磁体。
5.根据权利要求1所述的宽调速磁通记忆式定子永磁型电机，其特征在于：在磁化绕组(9)两端加一大小和幅值可调节的电压。
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