CN103166406B - 车用高功率密度高效率的永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车用高功率密度高效率的永磁同步电机，该电机永磁转子每极下以四段式Halbach阵列形式放置和在每极在永磁体上部增加铜环；每极边缘的两段采用切向充磁，中间的两段采用对角充磁。本发明的优点是有利于极与极之间的磁场衔接，减少转子轭部磁密，达到Halbach阵列形式的聚磁效应，使永磁体的磁通充分向定子侧聚集，提高电机的气隙磁密，从而增加电机的转矩密度和功率密度；Halbach阵列形式永磁体的磁阻高，抵抗定子谐波电流能力强，减少永磁体涡流损耗及转矩脉动；Halbach阵列永磁体工作点稳定性好，转子磁通比较稳定，有效地降低转子的铁芯损耗，提高电机效率。

Description

车用高功率密度高效率的永磁同步电机

技术领域

本发明涉及新能源汽车电机技术，特别涉及一种车用高功率密度高效率的永磁同步电机。

背景技术

永磁同步电机由于转矩转速特性好、效率相对于其他种类电机较高和控制方便等优点，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，最大磁能极高，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钕铁硼作为永磁材料。

电动轿车由于空间与整车质量的限制，要求电机有较大的功率密度，而传统永磁同步电机采用“一字型”和“V型”的永磁体结构，由于磁路结构的限制，限制了气隙磁密的增高，其功率密度相对较低。并且，车用电机采用矢量控制，这样电机的驱动电流中包含高次谐波分量，会增加电机的铁损，高次谐波电流还会影响永磁材料的工作点发生变化，引起永磁体材料的涡流损耗。再者，车用电机要求很宽的调速范围，要求在电机在宽转速范围内有较好的效率。车辆的郊区工况车速很高，对电机的高速区的效率有很大的需求。但是电机在高速区采用弱磁控制，并且电机工作频率很高，电机的硅钢片损耗与永磁材料的涡流损耗均较高，一般传统的永磁同步电机的高速时效率往往较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种提高电机功率密度与转矩密度，提高电机效率的车用高功率密度高效率的永磁同步电机。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种车用高功率密度高效率的永磁同步电机，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、铜环、钕铁硼永磁体、转子铁芯、平键，所述转子铁芯由硅钢片叠压而成，转子铁芯靠平键固定在转轴上，转子非输出轴伸端还安装有旋转变压器，其定子与传统永磁同步电机相同。其转子包括转轴、钕铁硼永磁体、铜环及转子铁芯；由硅钢片叠成的转子铁芯和转轴与传统永磁同步电机相同。所述转子的钕铁硼永磁体以Halbach阵列形式放置，每极边缘的两段采用切向充磁，中间的两段采用对角充磁，用以提高电机的气隙磁密，增加电机的功率密度和转矩密度，加大永磁材料的磁阻；在永磁体上部增加铜环，每极在永磁体上部增加的铜环焊接在一起构成环形回路结构，减少电机定子谐波电流对永磁材料工作点的影响。

本发明的优越功效在于：转子每极下永磁体采用四段式Halbach阵列形式放置，充分利用Halbach阵列的聚磁效应，使永磁体的磁通充分向定子侧聚集，提高电机的气隙磁密，从而增加电机的转矩密度和功率密度；并且Halbach阵列形式永磁体的磁阻高，抵抗定子谐波电流能力强，永磁体工作点稳定性好，即能保证永磁体涡流损耗较小，又能保证电机输出转矩稳定（电机转矩脉动小）；再者永磁体工作点稳定性好，保证转子磁通稳定，可以有效的降低转子的铁芯损耗，提高电机效率。在每极永磁体上方增加一个铜环，利用电磁感应原理，但转子永磁体受到定子高次谐波电流影响时，会在铜环上产生感应电流，抵消一部分定子高次谐波电流；这样进一步减少定子谐波电流对转子永磁体材料的影响，减少永磁材料的涡流损耗和电机转矩脉动，增加电机高速时的效率。

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；

图中标号说明

1—定子绕组；                   2—钕铁硼永磁材料；

3—铜环；                       4—定子铁芯；

5—电机转轴；                   6—转子铁芯；

7—平键；                       8—轴承；

9—端盖；                       10—电机机座；

11—旋转变压器。                

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Halbach阵列加铜环转子结构的永磁同步电机，该永磁同步电机包括电机转轴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、铜环3、钕铁硼永磁体2、转子铁芯6、平键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，转子非输出轴伸端还安装有旋转变压器11。该电机定子形式与传统永磁同步电机相同，其永磁转子包括转轴5、钕铁硼永磁体2、铜片3及转子铁芯6。转子每极下永磁体2采用四段式Halbach阵列形式放置，每极边缘的两段采用切向充磁，中间的两段采用对角充磁，有利于极与极之间的磁场衔接，减少转子轭部磁密，达到Halbach阵列形式的的聚磁效应，使永磁体的磁通充分向定子侧聚集，提高电机的气隙磁密，从而增加电机的转矩密度和功率密度。并且Halbach阵列形式永磁体的磁阻高，抵抗定子谐波电流能力强，减少永磁体涡流损耗及转矩脉动。

在每极永磁体上方增加一个铜环3，进一步减少定子谐波电流对转子永磁体材料的影响，从而减少永磁材料的涡流损耗和转矩脉动。

图1中每极的钕铁硼永磁体2共三十二块，所标注的箭头方向即为其充磁方向，每极处于两边的两块为切向充磁，处于中间的两快为对角充磁。钕铁硼永磁体2加工时，所选永磁体的预充磁方向应与图1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1中每极的铜环3共有八个，在每极的端部铜环3可焊接在一起组成一个环形回路结构，图2所示3即为铜环端部回路。铜环3可以采用纯铜，也可以采用并联绕组的形式实现。但在采用绕组的形式时为了减小铜环的电感，应该采用并联绕组形式，而不能采用串联绕组形式。

Claims (2)

1.一种车用高功率密度高效率的永磁同步电机，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、铜环、钕铁硼永磁体、转子铁芯、平键，所述转子铁芯由硅钢片叠压而成，转子铁芯靠平键固定在转轴上，转子非输出轴伸端还安装有旋转变压器，其特征在于：该电机转子每极下永磁体采用四段式Halbach阵列形式放置和每极在永磁体上部增加铜环；每极边缘的两段采用切向充磁，中间的两段采用对角充磁。

2.根据权利要求1所述的车用高功率密度高效率的永磁同步电机，其特征在于：所述每极在永磁体上部增加的铜环焊接在一起构成环形回路结构。