CN104253499A - 电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机，转子的每个槽内填充有一个磁障，磁障相对于转子的槽部中心线即交轴对称；转子每个齿部上都固定镶嵌有四段圆弧形的永磁磁钢，这四段永磁磁钢分为内、外两层，每层上有两段，每层上的两段永磁磁钢的结构相同且相对于转子齿部中心线即直轴对称，同一层上的两段永磁磁钢之间相互不贯通不相连，之间形成圆弧形的导磁桥；每段永磁磁钢的圆心都位于转子的直径上；电机的直轴电感大于交轴电感，使得电机低速或启动时可采用直轴电流为零的控制方式，也可采用直轴磁场增强控制方法，在高速运行时可采用直轴磁场增强与轻度直轴磁场削弱相协调控制的方法，具有更加宽广的调速范围。

Description

电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机

技术领域

本发明涉及一种永磁无刷电机，属于电机制造及控制领域，特指一种适合于牵引混合动力汽车、电动汽车等应用场合需要宽调速、高效率、高功率密度等驱动性能要求的永磁无刷电机。 

背景技术

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。车用驱动电机领域采用传统的内置式永磁无刷电机，具有高效率、高功率密度等优点。该类永磁无刷电机由于采用永磁磁钢作为单一励磁源，气隙磁场保持恒定，调速范围较窄，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。目前，一般通过改进控制策略和电机结构两方面来实现该类永磁电机的宽调速范围运行： 

1）控制策略。采用矢量控制方法，通过控制电机直轴电流来实现电机弱磁升速。例如中国专利号为200910041656.7提出了一种基于永磁无刷电机的弱磁控制系统及其控制方法，利用矢量控制方法来实现电机的宽调速运行范围。但其由于直轴电感远小于交轴电感，即电机凸极率（交轴电感与直轴电感比值）大于1，较小的直轴电感使得该类电机运行在高速弱磁区时需要较大的直轴去磁电流来实现弱磁升速，弱磁升速时，较大的直轴去磁电流将增加该类电机中永磁磁钢的不可逆退磁危险，为了减小不可逆退磁就采用较厚的永磁磁钢，这又客观上增加了电机材料成本和浪费了有限的稀土资源。

2）电机结构。引入电励磁绕组形成的混合励磁电机，通过调节电励磁磁场的大小和方向来调节电机气隙磁场。中国专利号为ZL200720035049.6提出了一种混合励磁同步电动机，中国专利号为ZL200410064871.6提出了一种宽调速双凸极混合励磁无刷电机，上述两种电机结构的共同特征是：均引入了永磁与电励磁，增加了可在线调节电机磁场的电励磁绕组，通过调节电励磁绕组的电流和方向，不仅可以进行增磁控制，能满足电机低速大转矩的要求，同时在高速运行时采用弱磁控制，有效拓宽了电机的调速范围。但上述两种电机结构由于轴向磁路的存在，定、转子背轭需要增加导磁性能较好的电工纯铁，结构较为复杂，制造、安装也相对困难。 

中国专利号为ZL200810023409.X提出了一种宽调速磁通记忆式定子永磁型电机，通过采用具有在线调磁特性的非稀土铝镍钴永磁磁钢与直流磁化绕组相结合，由于铝镍钴磁钢在线磁化仅仅需要短时磁化电流或脉冲式磁化电流，该类电机在有效拓宽调速范围的同时，由于磁化电流作用时间很短（仅为毫秒级），大大减小了磁场调节所需的电励磁铜耗，从而有效提高了电机在弱磁区的运行效率。但该类电机由于增加了磁场调节绕组，需要额外的内部空间放置该类绕组，这使得该类电机的体积较大，功率密度有所降低。另外，该类电机磁场在线调节和控制也需要额外的磁化绕组逆变器，电机控制系统成本和复杂度也增加。 

因此，如何获得高效率、高功率密度、宽调速运行范围的永磁无刷电机成为当前车用永磁无刷电机领域中亟待解决的问题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、直轴电感大于交轴电感、具有高效率、高功率密度、宽调速运行范围的电动汽车牵引永磁无刷电机，以解决传统内置式永磁无刷电机气隙磁场难以调节、调速范围窄、高速时输出功率和效率低等问题。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明包括定子、转子和转轴，转子同轴位于定子内部且之间具有气隙，转子的中心处连接转轴，转子的每个槽内填充有一个磁障，磁障相对于转子的槽部中心线即交轴对称；转子每个齿部上都固定镶嵌有四段圆弧形的永磁磁钢，这四段永磁磁钢分为内、外两层，每层上有两段，外层靠近气隙，内层靠近转轴；每层上的两段永磁磁钢的结构相同且相对于转子齿部中心线即直轴对称，同一层上的两段永磁磁钢之间相互不贯通不相连，之间形成圆弧形的导磁桥；每段永磁磁钢的圆心都位于转子的直径上。 

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是： 

1、本发明在转子交轴磁路上增加磁障或气隙，同时在直轴磁路上采用分段分层式弧形永磁磁钢和导磁磁桥的结构，使得电机的直轴电感大于交轴电感，在保留永磁无刷电机高效率、高功率密度的同时，使得电机低速或启动时可采用与传统永磁表贴式电机相类似的直轴电流为零的控制方式，也可采用直轴磁场增强控制方法，满足电机大转矩性能要求，有效避免了电机低速、重载运行条件下较大的电枢反应所产生的去磁电流对永磁磁钢带来的不可逆退磁风险；电机在高速运行时可采用直轴磁场增强与轻度直轴磁场削弱相协调控制的方法，这与传统内置式永磁无刷电机相比，采用同样大小的弱磁直轴电流，能使本发明具有更加宽广的调速范围，提高了电机的驱动性能和可靠性。

2、本发明由于直轴电感增大，使得弱磁时所需的直轴电流减小，在相同的调速范围内不仅有效减少了电机弱磁升速产生的额外的弱磁铜耗，也能有效降低电机高速运行时的永磁体磁钢的不可逆退磁风险。 

3、本发明由于交轴电感显著减小，交轴磁路不容易饱和，有利于电机控制系统运行时电感参数的在线准确估计和无位置传感器算法的实现，同时不会抑制最大转矩的输出。 

 4、本发明采用的双层不等厚度永磁磁钢结构，外层永磁磁钢较厚、内层永磁磁钢较薄，在增加电机抗可逆退磁风险的同时，降低了永磁磁钢用量，节约了电机材料成本，分段式永磁磁钢和导磁磁桥的连接方式，也使得永磁磁钢单位体积内的涡流损耗大为减小，而直轴电感的增大，减小弱磁电流，有利于铜耗进一步减小。 

5、本发明的转子部位采用圆弧式过渡，使得气隙磁密更加接近于正弦，同时也使得齿槽转矩大为减小。 

6、本发明的定子上采用模块化分数槽集中式绕组，有利于进一步增大直轴电感，增加电机弱磁和宽调速运行能力。同时也能减小了相间互感，增加容错能力和提高电机的可靠性。 

附图说明

图1是本发明径向截面结构示意图； 

图2是本发明的机械装配轴向图；

图3是图1中定子的局部放大示意图；

图4是图1中定子电枢绕组为等节距连接方式示意图；

图5是图1中定子电枢绕组为同心式连接方式示意图；

图6是图1中转子的局部结构及几何尺寸标注放大示意图；

图7是图6中外层永磁磁钢42的结构及几何尺寸标注放大示意图；

图8是图6中内层永磁磁钢41的结构及几何尺寸标注放大示意图；

图9是图6中转子的永磁磁钢充磁示意图；

图10是图6中转子上的直轴、交轴示意图；

图11是本发明反电动势各次谐波图；

图12是本发明的齿槽转矩图；

图13是本发明和传统内置式永磁无刷电机的转矩随转速变化比较图；

图14是本发明和传统内置式永磁无刷电机的功率随转速变化图。

图中：1.定子； 2.端盖；3.转子；4.永磁磁钢； 5.导磁桥；6.磁钢槽；7.圆角；8.磁障；10.转轴；11.定子齿；12.定子槽；13.定子轭；21、23、25、27、29、31、33、35、37.电枢绕组；41.内层永磁磁钢；42.外层永磁磁钢。 

具体实施方式

参见图1和图2，本发明包括定子1、转子3、转轴10和端盖2，定子1和端盖2固定连接在一起，转子3同轴位于定子1内部，转子3的中心同轴连接转轴10，在转子3的中心开槽用于安放转轴10。定子1内壁和转子3外壁之间具有气隙，气隙的厚度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及定子1、转子3加工和装配工艺有关。转子2为凸极结构，转子2的齿部个数等于电机的极数。在转子3的每个齿部上都固定镶嵌有圆弧形的永磁磁钢4。定子1和转子3都是由0.35mm厚度的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95，转轴10是由不导磁材料组成。 

参见图3，定子1由定子齿11、定子槽12、定子轭13组成。相邻两个定子齿11之间形成定子槽12，定子齿11径向横截面为T型，T型的顶部靠近转子3，T型的底部与定子轭13连为一体。定子齿11的径向中心处的齿宽记t ₁ ，定子轭13的径向宽度为t ₂ , 为了防止定子轭13的磁路饱和，要求t ₂ =2~3t ₁ 。在定子槽12内安放电枢绕组。 

参见图4和图5，图4中“+”为电枢绕组的进线方向，“-”为电枢绕组的出线方向，A、B、C为电机三相绕组。以一个绕组周期为例，电枢绕组21、23、25、27、29、31、33、35、37成以下模块化分数槽集中式排列：A+A+A+A-A-A-B+B+B+B-B-B-C+C+C+C-C-C-。其中每相绕组集中在一起，电枢绕组既可按照图4所示的等节距排列，也可按照图5所示的同心式分布排列，这样可简化电机绕组绕制工艺。 

参见图6、7、8，转子3每个齿部上都固定镶嵌有四段圆弧形的永磁磁钢4，这四段永磁磁钢4分为内、外两层，每层上有两段。外层靠近气隙，内层靠近转轴10。每层上的两段永磁磁钢的结构相同且相对于转子3齿部中心线对称，即内层上的两段永磁磁钢41结构相同，分布在转子3齿部中心线的两侧且相对于齿部中心线对称；外层上的两段永磁磁钢42结构相同，并分布在转子3齿部中心线的两侧且相对于齿部中心线对称。同一层上的两段永磁磁钢相互不贯通不相连，之间形成圆弧形的导磁桥5。每段永磁磁钢的圆心都位于转子3的直径上。 

转子3所有齿部上均有永磁磁钢沿圆周方向分内层和外层嵌入，内层上的所有永磁磁钢41的圆心都在以转子3的轴心O为圆心的同一个内圆周上，内层上的所有永磁磁钢41都具有一个共同的外切圆；外层上的所有永磁磁钢42的圆心都在以转子3的轴心O为圆心的同一个外圆周上，外层上的所有永磁磁钢42也具有一个共同的外切圆。 

     在转子3齿部开有相应的圆弧形的磁钢槽6，永磁磁钢4就安装在相应的磁钢槽6中。每段永磁磁钢4固定镶嵌在一个对应的磁钢槽6中，磁钢槽6也是内层和外层，同一层上的两段磁钢槽6不贯通，使磁钢槽6内的两段永磁磁钢不相连，在两段磁钢槽6中间就是导磁桥5。导磁桥5位于转子3的齿部中心线处，并且相对于转子3的齿部中心线对称。为了防止永磁磁钢4漏磁和便于加工，磁钢槽6在靠近转子3槽的这一端与转子3槽相通，且这一端部未嵌永磁磁钢4，留有空隙，但磁钢槽6在靠近转子3齿部中心线这一端不留空隙，也就是每个永磁磁钢4都未嵌满对应的磁钢槽6，磁钢槽6的弧长要大于对应的永磁磁钢4的弧长。 

位于转子3同一个齿部上四个永磁磁钢4具有同一个圆心O ₁ ，圆心O ₁ 在转子3齿部的中心线直径上，圆心O ₁ 距离转子3的轴心O之间的半径为R ₁₂ ，半径R ₁₂ 和转子3齿部外圈最大半径R ₃ 的约束关系为R ₁₂ =1.35~1.5R ₃ 。内层永磁磁钢4的最小内径为R ₁ ，外层永磁磁钢4的最小内径为R ₂ ，转子3齿部外圈半径为R ₃ ，需要满足条件：0.5R ₃ ≤R ₁ ≤0.6R ₃ ，1.15R ₂ ≤R ₁ ≤1.28R ₂ 。 

在转子3同一个齿部上同一层上的两段永磁磁钢所占的弧度角相等，内层的两段永磁磁钢41所占的弧度角相等、外层的两段永磁磁钢42所占的弧度角也相等。内层永磁磁钢41的径向厚度是h ₁ 、沿圆周方向弧度角为θ ₁ ，外层永磁磁钢42的径向厚度是h ₂ 、沿圆周方向弧度角为θ ₂ ，1.1θ ₂ ≤θ ₁ ≤1.2θ ₂ ，1.1h ₁ ≤h ₂ ≤1.25h ₁ 。外层永磁磁钢42较厚、内层永磁磁钢41较薄。 

内层的磁钢槽6的未镶嵌有永磁磁钢4的这部分沿圆周方向的弧度角为θ ₁₀ ，外层的磁钢槽6未镶嵌有永磁磁钢4的这部分沿圆周方向的弧度角为θ ₂₀ ，弧度角关系到转子高速旋转时的机械强度，要满足θ ₁₀ ≥2°，θ ₂₀ ≥2°，内层的两段永磁磁钢41之间的导磁桥5所占的弧度角为θ ₁₁ ，外层的两段永磁磁钢41之间的导磁桥5所占的弧度角为θ ₂₁ ，要求θ ₁₁ ≥2.5°，θ ₂₁ ≥2.5°。 

为了防止永磁磁钢4的滑动，使未镶嵌有永磁磁钢4的内、外层的磁钢槽6这部分的径向厚度小于永磁磁钢4的径向厚度。 

转子3的槽部是扇形结构，为了保持转子3为一个整体，在转子3的每个槽内填充有形状大小相同的一个磁障8，磁障8和转子3通过柳钉固定在一起，而为了简化工艺或减轻电机转子3的重量，也可直接采用气隙作为磁障8填充转子3的每个槽。磁障8相对于转子3的槽部中心线对称，扇形磁障8的最大半径为R ₅ ，磁障8的圆心O ₂ 位于转子3的直径上，在转子槽的中心线上，磁障8的圆心O ₂ 点距离转子3的轴中心Ｏ点为R ₅₀ ，也就是磁障8的圆心O ₂ 位于以Ｏ点为圆心以半径为R ₅₀ 的圆周上，要求：R ₅₀ ≤R ₁₂ ，R ₅₀ =1.15~1.35R ₃ 。在转子3和磁障8的连接处，采用光滑圆面7连接转子3和磁障8，光滑圆面7与转子3和磁障8同时相切，光滑圆面7的半径为R ₄ ，要求：R ₄ ≤12.5mm。 

参见图9，内外两层上的永磁磁钢41、42均采用平行交替充磁，充磁方向为沿着永磁磁钢4的中心线径向方向充磁。同一个转子3齿上的四段永磁磁钢4的充磁方向相同，相邻两个转子齿上的永磁磁钢4的充磁方向相反。 

参见图10所示，沿转子3的齿部中心线的方向为直轴，与直轴对应的电机电感称为直轴电感，转子3的槽部中心线方向为交轴，与交轴对应的电机电感称为交轴电感。其中直轴和交轴在电角度（为机械角度的极对数倍）上相互垂直。这样，磁障8便位于交轴磁路上，使得交轴磁阻增加，交轴电感减小；永磁磁钢4位于直轴上，永磁磁钢4又分段分层布置，便增大了直轴电感，这样使得直轴电感大于交轴电感。 

本发明工作时，通过使用不同运行区间的分区直轴电流控制方法，能满足电机在全运行区间内电机高效率、高功率密度和宽调速运行范围的性能要求。电动汽车低速或启动时，电机采用最大转矩启动，直轴电流大于零，即采用直轴磁场增强控制方法。转速高于额定转速时，直轴电流逐渐减小，采用直轴电流大于零控制，可获得较大运行转矩，即仍可采用直轴磁场增强控制方法。当转速进一步升高时，直轴电流减小为负值，由于直轴电感较大，为实现电机宽调速范围，只需较小的直轴电流，即可采用“轻度直轴磁场削弱”控制方法。 

参见图11和图12，分别为本发明电机的反电动势图和齿槽转矩图，由图11可以看出，本发明由于采用新型模块化分数槽集中式绕组，使得反电动势谐波较小，尤其是3次谐波减小非常明显。由图12可以看出，由于转子3的边缘过渡平滑，使得齿槽转矩也明显小于传统内置式永磁无刷电机。 

将同样功率大小的传统内置式永磁无刷电机与本发明进行对比分析。在相同的逆变器电路和电压下，对传统电机和本发明采用相同的控制方法（最大转矩电流比控制和最大功率输出控制），通过有限元仿真，得到两个电机的相关转矩和功率特性曲线，分别参见图13和图14，图13和图14中的曲线E表示本发明电机，曲线F表示传统内置式永磁无刷电机。由图13可知，低速时，本发明电机转矩比传统电机略有减小，但差别不大。但本发明电机由于采用了直轴磁场增强式电机结构，低速时，直轴电流大于零，对永磁磁场起增强作用，不需要考虑永磁磁钢退磁风险。高速时，本发明仍可采用直轴磁场增强和轻度直轴磁场削弱两种方法进行协调控制，在同样的转速下，转矩高于传统内置式永磁无刷电机。参见图14，在低速时，采用最大转矩启动，两个电机功率上升曲线接近重合。高速时，由于本发明电机直轴电感较大，明显扩大了电机调速范围。  

Claims (9)

1.一种电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机，包括定子（1）、转子（3）和转轴（10），转子（3）同轴位于定子（1）内部且之间具有气隙，转子（3）的中心处连接转轴（10），其特征是：转子（3）的每个槽内填充有一个磁障（8），磁障（8）相对于转子（3）的槽部中心线即交轴对称；转子（3）每个齿部上都固定镶嵌有四段圆弧形的永磁磁钢（4），这四段永磁磁钢（4）分为内、外两层，每层上有两段，外层靠近气隙，内层靠近转轴（10）；每层上的两段永磁磁钢的结构相同且相对于转子（3）齿部中心线即直轴对称，同一层上的两段永磁磁钢之间相互不贯通不相连，之间形成圆弧形的导磁桥（5）；每段永磁磁钢的圆心都位于转子（3）的直径上。

2.根据权利要求1所述电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机，其特征是：转子（3）齿部开有圆弧形的磁钢槽（6），每段永磁磁钢（4）固定镶嵌在一个对应的磁钢槽（6）中，同一层的两段磁钢槽（6）不贯通，两段磁钢槽（6）中间是导磁桥（5），导磁桥（5）位于转子（3）的齿部中心线处且相对于转子（3）的齿部中心线对称。

3.根据权利要求2所述电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机，其特征是：磁钢槽（6）在靠近转子槽的这一端与转子（3）槽相通，且这一端部留有空隙未镶嵌永磁磁钢（4），磁钢槽（6）在靠近转子（3）齿部中心线这一端不留空隙；未镶嵌有永磁磁钢（4）的内、外层的磁钢槽（6）这部分的径向厚度小于永磁磁钢（4）的径向厚度。

4.根据权利要求3所述电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机，其特征是：内层磁钢槽（6）未镶嵌有永磁磁钢（4）的这部分沿圆周方向的弧度角为θ ₁₀ ，外层磁钢槽（6）未镶嵌有永磁磁钢（4）的这部分沿圆周方向的弧度角为θ ₂₀ ，θ ₁₀ ≥2°，θ ₂₀ ≥2°，内层的两段永磁磁钢之间的导磁桥（5）所占的弧度角为θ ₁₁ ，外层的两段永磁磁钢之间的导磁桥（5）所占的弧度角为θ ₂₁ ，θ ₁₁ ≥2.5°，θ ₂₁ ≥2.5°。

5.根据权利要求1所述电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机，其特征是：转子（3）同一个齿部上的四个永磁磁钢（4）具有同一个圆心O ₁ ，圆心O ₁ 在转子（3）齿部的中心线直径上，圆心O ₁ 距离转子（3）的轴心O之间的半径为R ₁₂ ，内层永磁磁钢的最小内径为R ₁ ，外层永磁磁钢的最小内径为R ₂ ，转子（3）齿部外圈最大半径为R ₃ ，R ₁₂ =1.35~1.5R ₃ ，0.5R ₃ ≤R ₁ ≤0.6R ₃ ，1.15R ₂ ≤R ₁ ≤1.28R ₂ ；磁障（8）呈扇形且最大半径为R ₅ ，磁障（8）的圆心O ₂ 距离转子（3）的轴心Ｏ点为R ₅₀ ，R ₅₀ ≤R ₁₂ ，R ₅₀ =1.15~1.35R ₃ 。

6.根据权利要求1所述电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机，其特征是：内层永磁磁钢的径向厚度是h ₁ 、沿圆周方向弧度角为θ ₁ ，外层永磁磁钢的径向厚度是h ₂ 、沿圆周方向弧度角为θ ₂ ，1.1θ ₂ ≤θ ₁ ≤1.2θ ₂ ，1.1h ₁ ≤h ₂ ≤1.25h ₁ 。

7.根据权利要求1所述电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机，其特征是：在转子（3）和磁障（8）的连接处用光滑圆面连接转子（3）和磁障（8），光滑圆面与转子（3）和磁障（8）同时相切，光滑圆面的半径R ₄ ≤12.5mm。

8.根据权利要求1所述电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机，其特征是：内、外两层上的永磁磁钢均沿着永磁磁钢的中心线径向充磁，同一个转子齿上的四段永磁磁钢的充磁方向相同，相邻两个转子齿上的永磁磁钢的充磁方向相反。

9.根据权利要求1所述电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机，其特征是：定子（1）由定子齿、定子槽和定子轭组成，相邻两个定子齿之间形成定子槽，定子槽内放有电枢绕组；电枢绕组以模块化分数槽集中式排列，每相绕组集中在一起。