CN105281521B - 车用宽调速直轴磁场增强型永磁无刷电机及其分区调磁控制 - Google Patents

Abstract

车用宽调速直轴磁场增强型永磁无刷电机及其分区调磁控制，本发明适合于宽调速，低速大转矩，效率高的电动汽车领域。其结构由定子、转子、非磁性衬套、转轴组成。其特点在于定子电枢绕组采用分布式绕组或模块化绕组；转子沿圆周方向均匀的嵌入永磁磁钢，并采用交替分布充磁，在转子交轴磁路上增加个数和厚度与永磁磁钢成一定关系的磁障。非磁性衬套将转子铁芯固定在一起，和转轴紧密连接，从而形成一类新的直轴磁场增强型永磁无刷电机。本发明特点为该类电机实现直轴电感大于交轴电感，并配合分区调磁控制，继承了传统永磁同步功率密度大、运行可靠、效率高、能量密度高的优点，进一步降低铜耗和铁耗，提高了电机效率，并解决了传统永磁同步难以实现弱磁控制的不足。

Description

车用宽调速直轴磁场增强型永磁无刷电机及其分区调磁控制

技术领域

本发明涉及一种新型永磁无刷电机，属于电机制造及控制领域，特指一种适合于混合动力汽车、电动汽车应用场合等需要宽调速、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。

中国专利号为ZL201410480447.3提出了一种电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机，通过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。但该电机采用了圆弧形的永磁磁钢，磁场设置不够合理，调速模式较为复杂，导致调节效率不高，也造成了材料的浪费。

综上所述，获得高效率、高功率密度、宽调速运行范围的永磁无刷电机仍然是当前车用永磁无刷电机领域中亟待解决的问题。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明研发的具有宽调速、高效率的直轴磁场增强型永磁无刷电机，并采用与之相结合的分区调磁控制策略，提高了低速时电机运行效率，解决了传统内置式永磁同步电机难以调速范围小的不足。特别适用于要求低速大转矩、效率运行高、调速范围宽混合动力汽车、电动汽车领域。

为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种直轴磁场增强型永磁无刷电机，其特征在于：包括定子、转子、非磁性衬套和转轴组成，其中转子位于定子的内部，转子中心开槽，用于安放转轴；电枢槽沿定子周向均匀分布，电枢槽内放置单层电枢绕组。

所述转子沿圆周方向上径向均匀嵌入条形的永磁磁钢。永磁磁钢分为呈现一定关系的两部分，一部分永磁磁钢为非稀土永磁材料，靠近转轴的另一部分永磁磁钢为稀土永磁材料。

沿转子圆周方向上，每两个相邻永磁磁钢中间位置增加一个磁障，磁障为非导磁材料组成。

在一个实施例中，通过非磁性衬套将转子铁芯，磁障和转轴紧密结合起来。

在一个实施例中，磁障沿圆周方向弧度角为θ₁是稀土永磁磁钢沿圆周方向弧度角θ₂₂的3.5～5倍。

定义沿永磁磁钢中心线方向为交轴，和交轴相对应的电机电感为交轴电感，沿相邻永磁磁钢中间位置方向为直轴，和直轴相对应的电机电感为直轴电感；磁障位于交轴磁路上。

该电机采用采用分区调磁控制，设永磁转矩最大值和磁阻转矩最大值的比值为ρ；低速时，本发明采用最大转矩启动，此时电流相对于交轴的夹角此时直轴电流大于零，即采用“直轴磁场增强”控制；达到额定转速时，直轴电流缓慢减小，但依然大于零，此时电流角度γ2从γ1到0变化，并保持电流幅值和端部电压不变，此时依然是采用“直轴磁场增强”控制；当转速进一步升高，保持电流角度γ3＝0，即采用“直轴电流为零”控制方法。

本发明定子可采用模块化绕组，有利于增加直轴电感，同时减小相间互感，增加容错能力。

由于交轴电感较小，在忽略定子电阻时，所得转速表达式为：

(公式1)

式中，u_lim为电压极限值，w为转速，i_d、i_q为直交轴电流，ψ_f为永磁磁链，L_d、L_q为直交轴电感。由公式1得出，同样的电流条件下，较小的交轴电感更有利于转速的升高。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

(1)本发明采用磁障(或气隙)存在于交轴磁路上，实现直轴电感大于交轴电感，使得电机不仅可以采用传统无刷电机直轴为零的控制方法，也可采用直轴磁场增强控制方法。低速时，本发明直轴电流大于零，磁场增强有利于低速大转矩的实现，且不用考虑退磁的风险。

(2)本发明由于采用直轴磁场增强控制，使得非稀土永磁磁钢工作运行点上移，使得在同样的转矩下，稀土永磁材料减小成为可能。而稀土永磁材料作为电机的主要成本之一，则电机造价成本得到了降低。

(3)本发明由于电枢磁场对永磁磁场起增磁作用，同样的转速下，有较小的空载反电动势就可以获得与外加电压相应的气隙合成磁场，使得铁心饱和程度低于前者，对于铁耗的减少是有利的。

(4)本发明由于较小的交轴电感，使得交轴磁路不容易饱和，有利于转矩的线性调节，和电机电感参数的估计和无位置传感器的实现。

(5)本发明采用混合永磁材料，用非稀土永磁材料来部分替代稀土永磁材料，有效的节约稀土永磁材料，并提高了非稀土永磁材料的利用特性。

本发明是定子绕组采用分布式绕组或模块化绕组，通过改变转子磁路结构，获得较大的直轴电感和较小的交轴电感。并采用与之相结合的分区调磁控制策略，有效利用了永磁磁钢，获得较高效率，并使得调速范围得到扩展。本发明适用于需要低速大转矩、高效率、宽调速范围的混合动力汽车和电动汽车领域，具有一定的科研和利用价值。

附图说明

图1是本发明径向截面结构示意图。

图2是图1中三相绕组相间无物理隔离的连接方式示意图。

图3是图1中三相绕组相间有物理隔离的连接方式示意图。

图4是图1中转子结构局部永磁磁钢充磁示意图。

图5是图1中永磁磁钢几何尺寸标注放大示意图。

图6是图1中转子结构局部及几何尺寸标注放大示意图。

图7是图1中转子直轴、交轴示意图。

图8是本发明的直轴磁场图。

图9是本发明的交轴磁场图。

图10是本发明和传统永磁无刷电机的转矩随转速变化图。

图11是本发明和传统永磁无刷电机的直交轴电流分量随转速变化图。

图中：1定子；2电枢槽；3转子；4永磁磁钢；41非稀土永磁磁钢；42稀土永磁磁钢；5磁障(或气隙)；6非磁性衬套；7转轴；11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33电枢槽。

具体实施方式

参见图1所示，本发明包括定子1、转子3、非磁性衬套6和转轴7组成。转子3位于定子1的内部，转子3中心开槽，用于安放转轴7。定子1内壁和转子3外壁之间具有气隙，厚度和电机的功率等级和装配工艺有关。定子1、转子3用厚度为0.35mm硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95。电枢槽2沿定子1周向均匀分布，电枢槽2内放置单层电枢绕组。电枢绕组既可以按照传统永磁无刷电机分布式绕组排列，每个永磁极下的电枢绕组跨5个定子槽2，不同永磁极下空间位置相同的电枢绕组并联或者串联为一相电枢绕组；也可按照模块化集中式绕组分布，每相绕组集中在一起，以A相绕组为例，呈现为A+A+A+A+A-A-A-A-，依次往后排列，其中电枢槽11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33内的电枢绕组如图2所示；为了进一步减小相间相互影响，增加容错能力，三相绕组相间增加两个不绕绕组的定子1齿，实现相间物理隔离，如图3所示。

参见图4所示，转子3沿圆周方向上径向均匀嵌入条形永磁磁钢4，永磁磁钢4采用切向交替充磁，即相邻永磁磁钢的充磁方向相反，如图4所示。同时永磁磁钢4分为上下两部分组成，上部分(靠近气隙)永磁磁钢41为非稀土永磁材料，下部分(靠近转轴)永磁磁钢42为稀土永磁材料；上下永磁磁钢贯通转子，相互连接或不完全贯通转子，在中间形成导磁桥，沿径向宽度不小于2mm。非稀土永磁磁钢41和稀土永磁磁钢42矫顽力依次为H_cj1，H_cj2；沿径向长度依次为l₁，l₂；沿切向长度依次为d₁，d₂。则两者沿径向长度满足关系为l₁>l₂，具体由电机优化而定；沿切向长度和矫顽力满足关系为θ₂₁/θ₂₂＝ɑ*H_cj2/H_cj1，其中ɑ为修正系数，视电机具体优化而定，总体满足关系0.9<ɑ<1.2。

参见图5、6所示，沿转子2圆周方向上，每两个相邻永磁磁钢4中间位置增加一个磁障5，磁障为非导磁材料组成，磁障5完全贯通转子2，磁障5靠近气隙壁和转子3外壁在同一圆弧上。同一磁障5和转子2通过柳钉固定在一起；而为了加工方便同时也可以直接采用和磁障5形状大小完全一样的气隙。同时为了使转子保持为一个整体，同时还需要由非磁性衬套6将转子铁芯3，磁障5(或气隙)和转轴7紧密结合起来。磁障5(或气隙)沿圆周方向弧度角为θ₁，和稀土永磁磁钢沿圆周方向弧度角θ₂₂的关系为θ₁＝3.5～5θ₂₂。同时也要根据电机主要性能来具体优化，设电机一极沿圆周方向所占的弧度角为θ₀，则θ₁<0.2θ₀。

如图7所示，定义沿永磁磁钢4中心线方向为交轴，和交轴相对应的电机电感为交轴电感。沿相邻永磁磁钢中间位置方向为直轴，和直轴相对应的电机电感为直轴电感；磁障5(或气隙)位于交轴磁路上，使得交轴电感减小。从而实现直轴电感大于交轴电感的反凸极性。

相对于传统永磁无刷电机的凸极率小于1，本发明凸极率大于1。为了满足电机高效率、高功率密度和宽调速运行范围的性能要求，采用的相应的控制策略也不一样，本发明采用分区调磁控制。设永磁转矩最大值和磁阻转矩最大值的比值为ρ，。低速时，本发明采用最大转矩启动，此时电流角(电流相对于交轴的夹角)γ₁为

(公式2)

此时直轴电流大于零，即采用“直轴磁场增强”控制。达到额定转速时，直轴电流缓慢减小，但依然大于零，此时电流角度γ₂从γ₁到0变化，并保持电流幅值和端部电压不变，此时依然是采用“直轴磁场增强”控制。当转速进一步升高，保持电流角度γ₃＝0，即采用“直轴电流为零”控制方法。

以一台额定功率65kW，额定转矩为210Nm，额定转速为3000rpm的48槽8极新型内置式永磁同步电机为例，主要设定数据为：

本发明的直轴磁场如图8所示，交轴磁场如图9所示则从图中看出，磁障5(或气隙)存在交轴磁路上，使得流经交轴磁路上的磁阻增大。

将同样额定功率的传统永磁无刷电机与本发明对比分析。两者分别采用相适宜的控制方法，传统永磁无刷电机采用传统的直轴电流为零控制；而本发明采用分区调磁控制，通过理论计算，获得转矩，电流分量和转速之间的关系。在图10、11中曲线A表示本发明电机，而曲线B表示传统永磁无刷电机。

如图10所示，低速时，两者转矩相等，而由于本发明采用直轴磁场增强控制，使得永磁磁钢的用量可以减小来达到同样的转矩。而大于额定转速时，同样的转速下，本发明转矩大于传统永磁无刷电机转矩，调速范围得到提升。

如图11所示，低速时，而直轴电流大于零，磁场增强，永磁磁钢4工作在增磁状态，有利于永磁磁钢4的利用；同样的转矩下，交轴电流小于传统永磁无刷电机，有利于降低损耗，提高效率。而大于额定转速时，本发明直轴电流和交轴电流都逐渐减小，达到同一转速时，两者直轴电流都为零，而本发明交轴电流大于传统永磁无刷电机，使得输出转矩大于传统永磁无刷电机。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种车用宽调速直轴磁场增强型永磁无刷电机，其特征在于：包括定子、转子、非磁性衬套和转轴组成，其中转子位于定子的内部，转子中心开槽，用于安放转轴；电枢槽沿定子周向均匀分布，电枢槽内放置单层电枢绕组；所述转子沿圆周方向上径向均匀嵌入条形的永磁磁钢；沿转子圆周方向上，每两个相邻永磁磁钢中间位置增加一个磁障，磁障为非导磁材料组成；永磁磁钢分为上下两部分组成，一部分永磁磁钢为非稀土永磁材料，靠近转轴的另一部分永磁磁钢为稀土永磁材料；磁障沿圆周方向弧度角为θ1是稀土永磁磁钢沿圆周方向弧度角θ₂₂的3.5～5倍。

2.根据权利要求1所述的车用宽调速直轴磁场增强型永磁无刷电机，其特征在于：通过非磁性衬套将转子铁芯、磁障和转轴紧密结合起来。

3.根据权利要求1所述的车用宽调速直轴磁场增强型永磁无刷电机，其特征在于：定义沿永磁磁钢中心线方向为交轴，和交轴相对应的电机电感为交轴电感，沿相邻永磁磁钢中间位置方向为直轴，和直轴相对应的电机电感为直轴电感；磁障位于交轴磁路上。

4.根据权利要求1所述的车用宽调速直轴磁场增强型永磁无刷电机，其特征在于：该电机采用分区调磁控制，设永磁转矩最大值和磁阻转矩最大值的比值为ρ；

低速时，采用最大转矩启动，此时电流相对于交轴的夹角此时直轴电流大于零，即采用“直轴磁场增强”控制；

达到额定转速时，直轴电流缓慢减小，但依然大于零，此时电流角度γ2从γ1到0变化，并保持电流幅值和端部电压不变，此时依然是采用“直轴磁场增强”控制；

当转速进一步升高，保持电流角度γ3＝0，即采用“直轴电流为零”控制方法。