CN101741194A - 混合动力汽车用内置式永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混合动力汽车用内置式永磁同步电机，在转子铁芯内圆周方向均匀镶有径向磁化的一字型分段矩形条状磁钢、或弧型分段磁钢、或V型分段磁钢、或单层U型分段磁钢、或双层U型分段磁钢，一字型分段矩形条状磁钢、弧型分段磁钢、V型分段磁钢、单层U型分段磁钢、双层U型分段磁钢与极靴构成永磁磁极；并且，相邻分段磁钢间设置导磁桥，磁极间设置隔磁槽，极靴中心径向开槽。本发明电机采用内置式分段磁钢结构及合理设置导磁桥，可获得比现有表面贴装式永磁同步电机和内置式整体永磁同步电机更宽广的恒功率速度范围，综合品质大幅度提高，实现高功率密度、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行，满足电动、混合动力汽车驱动要求。

Description

混合动力汽车用内置式永磁同步电机

技术领域

本发明涉及一种永磁电机，尤其涉及一种混合动力汽车用内置式永磁同步电机，属于电机技术领域。

背景技术

汽车的排气污染、噪声、燃油存放的火灾隐患等问题，越来越引起人们的关注，电动汽车成为汽车发展新发向。混合动力汽车(HEV)、电动汽车(EV)是解决能源危机和环境污染的重要途径。其中驱动电机和传动系统是电动汽车的心脏，电动汽车用驱动电机制约着中国电动汽车的研发及其产业化进程。HEV和EV用驱动电机主要有交流感应电机和“表面贴装式”永磁无刷电机(SPMBLM)或“表面贴装式”永磁同步电机(SPMSM)。

如图1a示意了表面贴装式永磁同步电机(SPMSM)原理结构，定子铁芯包括定子磁轭5、定子槽6和定子齿7，转子包括转轴和转子铁芯，在转子铁芯表面贴装磁钢1a。图1b、图2示意了内置式“整块”永磁同步电机(IPMSM)原理结构，在转子铁芯内置整体磁钢1b；图3、4分别为内置式永磁同步电机d轴、q轴和q轴磁通路径(箭头方向9)。SPMSM无磁阻转矩，不能弱磁扩速。内置式“整块”永磁同步电机，弱磁扩速能力有限。电机参数和尺寸一定时，转速随电压增加而上升，但HEV用电机由电池供电，供电电压受限制，难以恒功率提速。

在适用于电动汽车的高效内置式永磁同步电机(IPMSM)开发方面，还存在着技术瓶颈，存在功率密度低，高速恒功率范围窄、力矩波动大、过载能力低和可靠性差等缺陷，难以满足要求，IPMSM也没有相关产品用于商业化。

目前国内外正在研发永磁直流无刷电机(PMBLM)，其电枢励磁为“非圆形跳跃式”的旋转磁场，存在较大的转矩波动，调速范围也窄，影响电机高效、宽调速、平稳低噪运行。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种混合动力汽车用内置式永磁同步电机。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

混合动力汽车用内置式永磁同步电机，包括机壳和机壳内的定子和转子，所述定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组，所述定子铁芯包括定子磁轭、定子槽和定子齿，特点是：所述转子包括转轴和转子铁芯，在转子铁芯内圆周方向均匀镶有径向磁化的一字型分段矩形条状磁钢、或均匀镶有径向磁化的弧型分段磁钢、或均匀镶有径向磁化的V型分段磁钢、或均匀镶有径向磁化的单层U型分段磁钢、或均匀镶有径向磁化的双层U型分段磁钢，所述径向磁化的一字型分段矩形条状磁钢、或径向磁化的弧型分段磁钢、或径向磁化的V型分段磁钢、或径向磁化的单层U型分段磁钢、或径向磁化的双层U型分段磁钢与极靴构成永磁磁极。

进一步地，上述的混合动力汽车用内置式永磁同步电机，相邻的一字型分段矩形条状磁钢间设置导磁桥，或者相邻的弧型分段磁钢间设置导磁桥，或者相邻的V型分段磁钢间设置导磁桥，或者相邻的单层U型分段磁钢间设置导磁桥，或者相邻的双层U型分段磁钢间设置导磁桥。

更进一步地，上述的混合动力汽车用内置式永磁同步电机，所述一字型分段矩形条状磁钢与极靴构成的磁极间设置隔磁槽，或者弧型分段磁钢与极靴构成的磁极间设置隔磁槽，或者V型分段磁钢与极靴构成的磁极间设置隔磁槽，或者单层U型分段磁钢与极靴构成的磁极间设置隔磁槽，或者双层U型分段磁钢与极靴构成的磁极间设置隔磁槽。

再进一步地，上述的混合动力汽车用内置式永磁同步电机，所述极靴中心径向开槽。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①本发明转子铁芯内置一字型、弧型、V型、单层U型和双层U型的分段磁钢，有显著的聚磁、改善气隙磁场波形、降低转矩波动、抑制静态和动态电枢反应作用，相邻左右两边磁钢磁力线向极靴(磁极)靠近，并汇聚于磁极中心形成一个极，使气隙磁密增加，提高了电机过载能力和功率密度，使电机小型轻量化；

②相邻分段磁钢间设置导磁桥，空载时导磁桥对永磁磁通呈磁路饱和状态，永磁磁通难以通过导磁桥；负载时，在定子电流作用下，电枢反应的去磁，使一部分永磁磁通流向相邻分段磁钢间的导磁桥，成为漏磁通，使通过气隙的磁通密度减少；调节导磁桥的宽度，即可调节导磁桥的磁路饱和程度，从而调控途径导磁桥的永磁磁通，调控气隙磁密的降低程度；达到高速段弱磁恒功率扩速作用，获得比表面安装式永磁电机和内置式整体永磁电机更宽广的恒功率速度范围，满足电动、混合动力汽车驱动要求，实现高功率密度、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行；

③电机磁极间设置隔磁槽，减少漏磁，增加有效磁通，提高出力、功率重量比、功率体积比和效率；

④转子铁芯内置式极靴中心径向开槽，减少铁心损耗、改善气隙磁场波形、降低转矩波动、抑制静态和动态电枢反应去磁，实现高效、低噪、低速恒转矩和高速恒功率扩速运行；

⑤本发明电机采用内置式分段磁钢结构和合理设置导磁桥，可获得比现有表面贴装式永磁同步电机和内置式整体永磁同步电机更宽广的恒功率速度范围，使电机综合品质大幅度提高，实现高功率密度、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行，满足电动汽车、混合动力汽车驱动要求。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1a：表面贴装式永磁同步电机(SPMSM)原理示意图；

图1b：内置式永磁同步电机(IPMSM)原理示意图；

图2：内置式整体永磁同步电机剖面示意图；

图3：内置式整体永磁同步电机d轴、q轴和q轴磁通路径；

图4：内置式整体永磁同步电机d轴电感Ld和q轴电感Lq示意图；

图5：内置式一字型分段永磁同步电机剖面图；

图6：表面贴装式、内置式整体和内置式分段永磁同步电机转矩-转速特性示意图；

图7：内置式弧型分段(3段)永磁同步电机剖面图；

图8：内置式弧型分段(6段)永磁同步电机剖面图；

图9：内置式V型整体永磁同步电机剖面图；

图10：内置式V型分段(6段)永磁同步电机剖面图；

图11：内置式单层U型分段永磁同步电机剖面图；

图12：内置式双层U型分段永磁同步电机剖面图。

图中各附图标记的含义见下表：

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						1a	贴装式磁钢	1b	整体磁钢	1c	一字型分段矩形条状磁钢
1d	弧型分段磁钢	1e	V型整体磁钢	1f	V型分段磁钢
						1g	单层U型分段磁钢	1h	双层U型分段磁钢	2	磁钢槽
3	极靴	4	气隙	5	定子磁轭
						6	定子槽	7	定子齿	8	转轴
9	q轴磁通路径	10	导磁桥	11	隔磁槽
						附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
12	极靴中心径向开槽	A1	SPMSM转矩-转速特性曲线(低速恒转矩段)	B1	整体磁钢的IPMSM转矩-转速特性曲线(低速恒转矩段)

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						C1	分段磁钢的IPMSM转矩-转速特性曲线(低速恒转矩段)	A2	SPMSM转矩-转速特性曲线(高速恒功率段)	B2	整体磁钢的IPMSM转矩-转速特性曲线(高速恒功率段)
C2	分段磁钢的IPMSM转矩-转速特性曲线(高速恒功率段)	Na	SPMSM最高转速	Nb	整体磁钢的IPMSM最高转速
						Nc	分段磁钢的IPMSM最高转速

具体实施方式

本发明设计了混合动力汽车用内置式永磁同步电机，一方面，转子铁芯内置一字型、弧型、V型、单层U型和双层U型的分段磁钢，此结构具有显著的聚磁、改善气隙磁场波形、降低转矩波动、抑制静态和动态电枢反应作用，相邻左右两边磁钢磁力线向极靴(磁极)靠近，并汇聚于磁极中心形成一个极，使气隙磁密增加，提高了电机过载能力和功率密度，使电机小型轻量化。

另一方面，相邻分段磁钢间设置导磁桥，空载时导磁桥对永磁磁通呈磁路饱和状态，永磁磁通难以通过导磁桥；负载时，在定子电流作用下，电枢反应的去磁，使一部分永磁磁通流向相邻分段磁钢间的导磁桥，成为漏磁通，使通过气隙的磁通密度减少。调节导磁桥的宽度(截面)，即可调节导磁桥的磁路饱和程度，从而调控途径导磁桥的永磁磁通(形成漏磁通)，调控气隙磁密的降低程度。由于电机参数和尺寸一定时，转矩与气隙磁密成正比，转速与气隙磁密成反比，从而达到高速段弱磁恒功率扩速作用，获得比表面安装式永磁电机和内置式整体永磁电机更宽广的恒功率速度范围，满足电动、混合动力汽车驱动要求，实现高功率密度、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行。

还有，转子铁芯内置式磁极间设置隔磁槽，减少漏磁，增加有效磁通，提高气隙磁密，提高出力。

其次，转子铁芯内置式极靴中心径向开槽，减少铁心损耗、改善气隙磁场波形、降低转矩波动、抑制静态和动态电枢反应去磁，实现高效、高功率密度、低速恒转矩和高速恒功率扩速的平稳运行。

如图5，内置式永磁同步电机，包括机壳和机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组，定子铁芯包括定子磁轭5、定子槽6和定子齿7，转子包括转轴8和转子铁芯；在转子铁芯内圆周方向均匀镶有径向磁化的一字型分段矩形条状磁钢1c，一字型分段矩形条状磁钢1c与极靴3构成永磁磁极，一字型分段矩形条状磁钢1c两端设置磁钢槽(孔穴)2，减少漏磁，增加有效磁通，提高出力。相邻的一字型分段矩形条状磁钢1c间设置导磁桥10，空载时导磁桥10对永磁磁通呈磁路饱和状态，永磁磁通难以通过导磁桥10。负载时，在定子电流作用下，电枢反应的去磁，使一部分永磁磁通流向相邻分段磁钢间的导磁桥10，成为漏磁通，使通过气隙4的磁通密度减少。调节导磁桥10的宽度(截面)，即可调节导磁桥的磁路饱和程度，从而调控途径导磁桥的永磁磁通(形成漏磁通)，调控气隙磁密的降低程度。由于电机参数和尺寸一定时，转矩与气隙磁密成正比，转速与气隙磁密成反比，从而达到高速段弱磁恒功率扩速作用，获得比表面贴装式永磁电机和内置式整体永磁电机更宽广的恒功率速度范围，满足电动、混合动力汽车驱动要求，实现高功率密度、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行。图6示意了表面贴装式、内置式整体和内置式分段永磁同步电机转矩T-转速N特性曲线。A1为SPMSM低速恒转矩段特性，B1为整体磁钢的IPMSM低速恒转矩段特性，C1为分段磁钢的IPMSM低速恒转矩段特性，A2、B2、C2分别为相应的高速恒功率段特性曲线，Na、Nb、Nc分别为相应高速恒功率段的最大转速，Nc＞Nb＞Na，可见：导磁桥10起到弱磁恒功率扩速的关键作用，分段磁钢的IPMSM比SPMSM和整体磁钢的IPMSM具有更宽广的恒功率速度范围，因此，分段磁钢的IPMSM较好地满足HEV/EV驱动特性要求。

图7、8示意了内置式弧型分段永磁同步电机剖面结构，在转子铁芯内圆周方向均匀镶有径向磁化的弧型分段磁钢1d，其中图7为3段，图8为6段，径向磁化的弧型分段磁钢1d与极靴构成永磁磁极，相邻的弧型分段磁钢1d间设置导磁桥10。弧型分段磁钢1d面积比一字型磁钢大，增加了气隙磁密，提高了电机功率密度。弧型分段磁钢1d与极靴3构成的磁极间设置隔磁槽11，增加漏磁磁阻，减少漏磁通，增加有效磁通，大大提高出力、功率重量比、功率体积比和效率。

图9、10分别示意了采用V型整体磁钢和V型分段磁钢的IPMSM剖面结构，图9中V型整体磁钢1e与极靴3构成永磁磁极，而图10，在转子铁芯内圆周方向均匀镶有径向磁化的V型分段磁钢1f，径向磁化的V型分段磁钢1f与极靴3构成永磁磁极，相邻的V型分段磁钢1f间设置导磁桥10；V型分段磁钢1f与极靴3构成的磁极间设置隔磁槽11。相邻两边切向磁钢的磁通(箭头方向)同时通过极靴3挤向气隙4，有效地增加气隙磁密，电机出力与气隙磁密成正比，从而显著提高了出力，相应地也提高了过载能力和快速响应。此外，图10中转子铁芯极靴3中心径向开槽12，减少铁心损耗，改善气隙磁场波形、降低转矩波动、抑制静态和动态电枢反应去磁，实现高效、高功率密度、低速恒转矩和高速恒功率扩速的平稳运行。

如图11，在转子铁芯内圆周方向均匀镶有径向磁化的单层U型分段磁钢1g，径向磁化的单层U型分段磁钢1g与极靴3构成永磁磁极；如图12，在转子铁芯内圆周方向均匀镶有径向磁化的双层U型分段磁钢1h，径向磁化的双层U型分段磁钢1h与极靴3构成永磁磁极。单层U型分段磁钢1g与极靴3构成的磁极间设置隔磁槽11，双层U型分段磁钢1h与极靴3构成的磁极间也设置隔磁槽。相邻的单层U型分段磁钢1g间设置导磁桥10，导磁桥10在有负载时调控永磁磁通(形成漏磁通)，达到高速段弱磁扩速、扩大恒功率速度范围的作用。此外，相邻两边磁钢和径向磁钢(1g、1f)三路磁通(箭头方向)同时通过极靴挤向气隙4来“聚磁”，大幅度增加气隙磁密，提高电机过载能力和功率密度。还有，双层U型分段磁钢1h使磁场通过d轴路径短，减少磁路损耗，降低高速时的铁心损耗，进一步提高弱磁扩速能力，减少供电逆变器电流，实现电机小型轻量化。

综上，内置式与表面贴装式相比，其优点是：1)生产工艺简单，采用矩形条状磁钢，易加工、充磁、省材并容易固定；2)转子表面平滑，动平衡好，结构稳定，有利于高速运行和频繁起动；3)内置式磁钢受极靴保护，避免电枢反应引起磁钢去磁危险；4)表面贴装式磁极中心的d轴(直轴)与磁极间的q轴(交轴)磁阻和电感L相同，即Ld＝Lq，没有凸极效应和磁阻转矩，特性硬，呈并激电机特性，很难弱磁扩速；而本发明内置式分段磁钢结构转子为典型的凸极结构，凸极效应(凸极率)显著，交轴电感大于直轴电感(Lq＞Ld)，使电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，特性软，呈串激电机特性。磁阻转矩的存在有助于提高电机的起动特性、过载能力和功率密度，易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。

内置式分段磁钢与整体磁钢相比，优点是：1)只要镶入小块矩形条状磁钢即可，价廉、省料省材，结构稳定，特别有利于电动汽车用高功率驱动电机高速运行和频繁起动；2)相邻分段磁钢间设置导磁桥，导磁桥的存在，提供了附加磁通路径，提高了高速区恒功率扩速能力，这是电动汽车用驱动电机关键技术要求，交流感应电机、“表面贴装式”永磁无刷(同步)电机和内置式整体永磁同步电机均难以达到。

转子铁芯内置式V型、单层U型和双层U型的分段磁钢有明显的聚磁作用，显著提高电机过载能力和功率密度。双层U型磁钢，使磁场通过d轴路径短，减少磁路损耗，降低高速时的铁心损耗，提高弱磁扩速能力，减少供电逆变器电流和实现电机小型轻量化。电机磁极间设置隔磁槽，减少漏磁，增加有效磁通，提高出力、功率重量比、功率体积比和效率。转子铁芯内置式极靴中心径向开槽，减少铁心损耗、改善气隙磁场波形、降低转矩波动、抑制静态和动态电枢反应去磁，实现高效、高功率密度、低噪、低速恒转矩和高速恒功率扩速的平稳运行。

可见，本发明混合动力汽车用内置式永磁同步电机，采用内置式分段磁钢结构和合理设置导磁桥，可获得比现有表面贴装式永磁同步电机和内置式整体永磁同步电机更宽广的恒功率速度范围，实现高功率密度、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行，使电机综合品质大幅度提高，满足电动、混合动力汽车驱动要求。可实现产业化生产，打破驱动电机制约电动汽车发展的局面，提高电动汽车的整体技术水平。

需要理解到的是：上述说明并非是对本发明的限制，在本发明构思范围内，所进行的添加、变换、替换等，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.混合动力汽车用内置式永磁同步电机，包括机壳和机壳内的定子和转子，所述定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组，所述定子铁芯包括定子磁轭、定子槽和定子齿，所述转子包括转轴和转子铁芯，其特征在于：在转子铁芯内圆周方向均匀镶有径向磁化的一字型分段矩形条状磁钢、或均匀镶有径向磁化的弧型分段磁钢、或均匀镶有径向磁化的V型分段磁钢、或均匀镶有径向磁化的单层U型分段磁钢、或均匀镶有径向磁化的双层U型分段磁钢，所述径向磁化的一字型分段矩形条状磁钢、或径向磁化的弧型分段磁钢、或径向磁化的V型分段磁钢、或径向磁化的单层U型分段磁钢、或径向磁化的双层U型分段磁钢与极靴构成永磁磁极。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车用内置式永磁同步电机，其特征在于：相邻的一字型分段矩形条状磁钢间设置导磁桥，或者相邻的弧型分段磁钢间设置导磁桥，或者相邻的V型分段磁钢间设置导磁桥，或者相邻的单层U型分段磁钢间设置导磁桥，或者相邻的双层U型分段磁钢间设置导磁桥。

3.根据权利要求1所述的混合动力汽车用内置式永磁同步电机，其特征在于：所述一字型分段矩形条状磁钢与极靴构成的磁极间设置隔磁槽，或者弧型分段磁钢与极靴构成的磁极间设置隔磁槽，或者V型分段磁钢与极靴构成的磁极间设置隔磁槽，或者单层U型分段磁钢与极靴构成的磁极间设置隔磁槽，或者双层U型分段磁钢与极靴构成的磁极间设置隔磁槽。

4.根据权利要求1所述的混合动力汽车用内置式永磁同步电机，其特征在于：所述极靴中心径向开槽。

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