CN102403856A - 电动车用可控磁通永磁同步电机及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动车用可控磁通永磁同步电机及控制系统，该电机的永磁转子为内置混合式转子磁路结构，转子铁芯中的钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体按照类似Halbach阵列形式放置，转子每极之间有一定的间隙，铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体均嵌在硅钢片内；钕铁硼永磁体作为电机转子的主磁通，其充磁方向为对角充磁，铝镍钴永磁体为径向充磁，充磁方向受控制系统的直轴电流Id控制，作为电机转子的调整磁通。本发明的优点是通过其控制系统施加一幅值可控的直轴电流Id来改变电机转子磁通状态，使转子提供给定子的磁通最小，并且将电机三相线短接，此时电机的反电动势接近于零，制动转矩极低，从而保证了车辆系统在失效状态下的电安全和转矩安全。

Description

电动车用可控磁通永磁同步电机及控制系统

技术领域

本发明属于新能源汽车电机及驱动技术，特别涉及一种电动车用可控磁通永磁同步电机及控制系统。

背景技术

永磁电机由于效率高、转矩特性好，一般电动汽车，尤其是电动轿车大多采用永磁电机。永磁材料钕铁硼剩余磁感应强度高、磁感应矫顽力大，最大磁能积高，是目前磁性能最高的永磁材料。电动汽车车用永磁电机一般采用单一的钕铁硼永磁体作为永磁材料。为了兼顾电机控制系统的逆变器容量及电机弱磁扩速，车用永磁电机的绕组设计有一定的要求。在电机高速状态下，电机存在比较高的反电动势。在电机驱动、控制系统失效的情况下，尤其在电机高速状态下，高的反电动势存在高电压安全问题；并且如果电驱动系统发生故障，则可能会引起高的制动转矩，对车辆安全性能造成严重的影响。

可控磁通永磁同步电机是德国人Vlado Ostovic于2001年首次被提出，但其工作特性与传统永磁同步电机相差比较大。近几年，国内一些学者也对可控磁通永磁同步电机进行了一定的研究，但大多停留在样机阶段，没有真正的产品；并且这些研究关注的焦点往往是弱磁扩速和效率问题，很少涉及电动汽车安全领域。目前，随着电动汽车的发展，电动汽车的电压安全问题和制动转矩安全问题渐渐为人们所关注。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种保证电动汽车高速运行时失效状况安全性的电动车用可控磁通永磁同步电机及控制系统。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种电动车用可控磁通永磁同步电机及控制系统，该永磁同步电机包括电机转轴、轴承、端盖、机座、旋转变压器、定子绕组、定子铁芯、铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体、转子铁芯、隔磁结构，转子铁芯由硅钢片叠压而成，转子铁芯靠花键固定在转轴上，转子非输出轴伸出端还安装有旋转变压器；该电机的永磁转子包括转轴、铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体及转子铁芯，所述永磁转子为内置混合式转子磁路结构，转子铁芯中的钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体按照类似Halbach阵列形式放置，转子每极之间有一定的间隙，铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体均嵌在硅钢片内；钕铁硼永磁体作为电机转子的主磁通，其充磁方向为对角充磁，铝镍钴永磁体为径向充磁，充磁方向受控制系统的直轴电流id控制，作为电机转子的调整磁通。

所述永磁转子每极采用三段式类Halbach阵列形式，钕铁硼永磁体处于每极的两侧，铝镍钴永磁体处于每极的中间位置，有利于控制系统对电机转子磁通的控制及电机驱动状态（Id=0控制）时输出转矩稳定。在驱动状态时（采用Id=0控制），交轴电流Iq对处于直轴位置的铝镍钴影响很小，保证电机驱动状态下的输出转矩稳定。

该电机的控制系统采用直轴电流Id来控制电机转子内铝镍钴永磁体的磁通状态，利用隔磁结构所处的位置，在对铝镍钴永磁体进行正、反向充磁有着不同的磁阻状态，有利于铝镍钴永磁体的正反向充磁，从而调整转子的磁通。铝镍钴永磁体对与永磁转子来说，有助磁和去磁两种工作状态，并对此时的转子磁通状态具有记忆性。采用钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体混合转子结构，利用钕铁硼永磁体高的磁性能，可以使铝镍钴永磁体在助磁状态时（电机驱动状态），电机工作特性与一般永磁同步电机基本一致；利用铝镍钴永磁体可控磁通特性，电机在去磁工作状态时结合控制系统，保证车辆系统在失效状态下的电安全和转矩安全。

所述控制系统包含信号检测单元、控制系统、PWM单元、逆变器、可控磁通永磁同步电机、电容、放电电阻、储能系统。所述信号检测单元采用CAN控制信号和硬件接入信号，并行触发。所述储能系统为电容或小电池。在车辆系统失效时，控制系统对电机施加一个直轴电流Id，使铝镍钴永磁体为去磁状态，并且将电机三相线短接，电机进入短路平衡状态，电机的制动转矩极小，反电动势接近于零，从而保证了车辆系统在失效状态下的电安全和转矩安全。在车辆系统失效后，储能系统保证电机有足够时间进入短路平衡状态；电容能够为铝镍钴去磁状态控制提供足够的去磁电流；放电电阻即能在足够的时间内对电容进行放电，又不对电机驱动系统效率造成很大影响。

本发明的优越功效在于：通过其控制系统施加一幅值可控的直轴电流Id来改变电机转子磁通状态，即铝镍钴永磁体有助磁和去磁两种工作状态，导致转子磁通有不同工作状态，并对此时的转子磁通状态具有记忆性能。在该电机基础上，通过其控制系统能保证电动汽车车辆系统失效状态安全性能，尤其是车辆高速行驶时失效状态的安全性能。控制系统检测到车辆系统失效信号后，对可控磁通永磁同步电机的转子磁通进行控制，使转子提供给定子的磁通最小，并且将电机三相线短接，此时电机的反电动势接近于零，制动转矩极低，从而保证了车辆系统在失效状态下的电安全和转矩安全。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明同步电机的结构剖视图；

图3为图2的放大图；

图4为本发明电机控制系统的原理框图；

图中标号说明

1—定子绕组；                   2—钕铁硼永磁体；

3—铝镍钴永磁体；               4—定子铁芯；

5—电机转轴；                   6—转子铁芯；

7—隔磁结构；                   8—轴承；

9—端盖；                       10—电机机座；

11—旋转变压器；                12—信号检测单元；

13—控制系统；                  14—PWM单元；

15—逆变器；                    16—可控磁通永磁同步电机；

17—电容；                      18—放电电阻；

19—储能系统。

具体实施方式

请参阅附图所示，对本发明作进一步地描述。

如图1所示，本发明提供了一种电动车用类Halbach阵列变磁阻结构可控磁通永磁同步电机及控制系统，该永磁同步电机16包括电机转轴5、轴承8、端盖9、机座10、旋转变压器11、定子绕组1、定子铁芯4、铝镍钴永磁体3、钕铁硼永磁体2、转子铁芯6、隔磁结构7，转子铁芯6由硅钢片叠压而成，转子铁芯6靠花键固定在转轴1上，转子非输出轴伸出端还安装有旋转变压器11；该电机的永磁转子包括转轴5、铝镍钴永磁体3、钕铁硼永磁体2及转子铁芯6，所述永磁转子为内置混合式转子磁路结构，转子铁芯6中的钕铁硼永磁体2和铝镍钴永磁体3按照类似Halbach阵列形式放置，转子每极之间有一定的间隙，即铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体均嵌在硅钢片内；钕铁硼永磁体2作为电机转子的主磁通，其充磁方向为对角充磁，铝镍钴永磁体3为径向充磁，充磁方向受控制系统的直轴电流id控制，作为电机转子的调整磁通。

所述永磁转子每极采用三段式类Halbach阵列形式，钕铁硼永磁体2处于每极的两侧，铝镍钴永磁体3处于每极的中间位置，有利于采用直轴电流Id对其磁通状态进行控制，在驱动状态时（采用Id=0控制），交轴电流Iq对处于直轴位置的铝镍钴影响很小，保证电机驱动状态下的输出转矩稳定。

图2中每极处于两边的钕铁硼永磁体2为八块，所标注的箭头方向即为其充磁方向。钕铁硼永磁体2加工时，所选永磁体的预充磁方向应与图3中钕铁硼永磁体2内所标注的箭头方向一致，经外形加工和电镀防锈处理后，再按加工时所选的预充磁方向充磁，充磁后再按要求嵌入各自的槽中。

图2中每极处于中间的铝镍钴永磁体3为四块，所标注的箭头是双方向的，即电机运行时其正反两个充磁方向，可以根据需求进行助磁或去磁控制。铝镍钴永磁体3加工时，所选永磁体的预充磁方向应与图3中铝镍钴永磁体3内所标注的双向箭头方向一致，经外形加工和电镀防锈处理后，不用预充磁直接按要求嵌入各个的槽中即可。

可控磁通永磁同步电机的转子为类Halbach阵列结构，钕铁硼永磁体2为对角充磁，铝镍钴永磁体3为径向充磁。通过三相定子绕组在电机转子直轴方向上短时间（一个电流变化周波的时间），施加一幅值可控的直轴电流矢量Id，在此直轴电流矢量Id脉冲所产生的直轴电枢反应磁动势作用之后，就会改变铝镍钴永磁体3的磁化方向。当铝镍钴永磁体3工作于助磁状态时（其磁化方向与钕铁硼永磁体2的磁化方向夹角为锐角），因铝镍钴永磁体3矫顽力低而对永磁主气隙磁场贡献不大，但它会起到将钕铁硼永磁体2产生的磁通导向定子铁芯6,而使永磁主磁场有所增强的作用，铝镍钴永磁体3在此方向被强磁化后，电机永磁主磁通最强。当铝镍钴永磁体3工作于去磁状态时（其磁化方向与钕铁硼永磁体2的磁化方向夹角为钝角），铝镍钴永磁体3将钕铁硼永磁体2产生的磁通在转子内路短路，从而起到将永磁主磁通减弱的独特作用，铝镍钴永磁体3被反方向被强磁化后，电机永磁主磁通最弱。径向放置的铝镍钴永磁体3它不像传统永磁电机弱磁方式那样需要三相定子绕组持续施加起去磁作用的直轴电流Id矢量。电机驱动工作时，铝镍钴永磁体3工作助磁状态，保证电机最优的驱动能力；但出现车辆系统失效时，控制铝镍钴永磁体3工作去磁状态，保证车辆系统的安全性能。系统采用直轴电流矢量ld=0控制策略，负载电流就是电机交轴电流Iq，对处于直轴位置的铝镍钴永磁体3几乎无影响。电机转子轴仍为普通低碳钢轴，不需要隔磁处理。在车辆系统失效时，电机控制系统储能系统19能保证控制系统有足够时间进行附加算法控制及可控磁通永磁同步电机16有足够时间进入短路平衡状态。放电电阻18能在足够的时间内对电容17进行放电，保证电容17电压在安全电压范围之内，并且不能对电驱动效率造成很大影响。这样保证了车辆系统在失效状态下的电安全和转矩安全。

所述控制系统采用直轴电流Id来改变电机转子内铝镍钴永磁体，充分利用隔磁结构所处的位置，在对铝镍钴永磁体进行磁通状态控制时，对铝镍钴永磁体进行正、反向充磁，铝镍钴永磁体对与永磁转子来说，有助磁和去磁两种工作状态，并对此时的转子磁通状态具有记忆性，因而可称之为记忆电机。利用电机的转子结构，在对铝镍钴永磁体进行正、反向充磁有着不同的磁阻状态，有利于铝镍钴永磁体的正反向充磁。采用钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体混合转子结构，利用钕铁硼永磁体高的磁性能，可以使铝镍钴永磁体在助磁状态时，电机工作特性与一般永磁同步电机基本一致。采用类Halbach阵列形式的转子结构，在矢量控制（Id=0）控制时，负载电流即交轴电流（Iq）产生的交轴磁动势对处于直轴位置的铝镍钴永磁体3影响很小，即正常驱动时工作在助磁状态的铝镍钴永磁体3不会被反向磁化。当铝镍钴永磁体3工作在去磁状态时，电机的气隙磁密与反电动势均很大的降低（一般为正常工作状态的1/3 _~ 1/5），与电机控制系统相结合，保证车辆系统失效状态下的转矩安全和电安全。在该可控磁通永磁同步电机基础上，通过其控制系统，可以保证车辆系统失效状态下的安全性能。

如图4所示，所述控制系统包含信号检测单元12、控制系统13、PWM单元14、逆变器15、可空磁通永磁同步电机16、电容17、放电电阻18、储能系统19，所述信号检测单元12采用CAN控制信号和硬件接入信号，并行触发。所述储能系统19为电容或小电池。所述储能系统19为电容或小电池在车辆系统失效时，控制系统对电机施加一个直轴电流id，使铝镍钴永磁体3为去磁状态，并且将电机三相线短接，电机进入短路平衡状态，电机的制动转矩极小，反电动势接近于零，从而保证了车辆系统在失效状态下的电安全和转矩安全。储能系统19保证电机有足够时间进入短路平衡状态，放电电阻18能在足够的时间内对电容17进行放电，并且不能对电驱动效率造成很大影响。在车辆系统失效后，电容17能够为铝镍钴永磁体3去磁状态控制提供足够的去磁电流。在车辆系统失效的情况进行短路控制，可以采用逆变器15下桥臂全开的方式，或者采用常闭继电器等。

Claims (7)

1.一种电动车用可控磁通永磁同步电机及控制系统，其特征在于：该电机的永磁转子包括转轴、铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体及转子铁芯，所述永磁转子为内置混合式转子磁路结构，转子铁芯中的钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体按照类似Halbach阵列形式放置，转子每极之间有一定的间隙，铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体均嵌在硅钢片内；钕铁硼永磁体作为电机转子的主磁通，其充磁方向为对角充磁，铝镍钴永磁体为径向充磁，充磁方向受控制系统的直轴电流Id控制，作为电机转子的调整磁通。

2.根据权利要求1所述的电动车用可控磁通永磁同步电机及控制系统，其特征在于：所述永磁转子每极采用三段式类Halbach阵列形式，钕铁硼永磁体处于每极的两侧，铝镍钴永磁体处于每极的中间位置。

3.根据权利要求1所述的电动车用可控磁通永磁同步电机及控制系统，其特征在于：转子铁芯由硅钢片叠压而成，转子铁芯靠花键固定在转轴上，转子非输出轴伸出端还安装有旋转变压器。

4.根据权利要求1所述的电动车用可控磁通永磁同步电机及控制系统，其特征在于：该电机的控制系统采用直轴电流Id来控制电机转子内铝镍钴永磁体的磁通状态，利用隔磁结构所处的位置，在对铝镍钴永磁体进行正、反向充磁有着不同的磁阻状态，有利于铝镍钴永磁体的正反向充磁，从而调整转子的磁通。

5.根据权利要求4所述的电动车用可控磁通永磁同步电机及控制系统，其特征在于：所述控制系统包含信号检测单元、控制系统、PWM单元、逆变器、可控磁通永磁同步电机、电容、放电电阻、储能系统，在车辆系统失效时，控制系统对电机施加一个直轴电流Id，使铝镍钴永磁体为去磁状态，并且将电机三相线短接，电机进入短路平衡状态，电机的制动转矩极小，反电动势接近于零，从而保证了车辆系统在失效状态下的电安全和转矩安全。

6.根据权利要求5所述的电动车用可控磁通永磁同步电机及控制系统，其特征在于：所述信号检测单元采用CAN控制信号和硬件接入信号，并行触发。

7.根据权利要求5所述的电动车用可控磁通永磁同步电机及控制系统，其特征在于：所述储能系统为电容或小电池。

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