CN105914979A - 一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机 - Google Patents

一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机，该电机径向从外至内，包括分区设置的外区定子、外区转子、中区定子、内区转子以及内区定子；双凸极中区定子由定子轭、定子槽和径向双边突起的定子齿以及容错齿组成，其中，定子齿上绕有集中分布式三相电枢绕组；内区定子中，切向充磁的稀土钕铁硼永磁体沿圆周方向均匀嵌入；外区定子中，沿圆周方向均匀表贴安装径向充磁的铝镍钴永磁体，相邻铝镍钴永磁体之间留槽，用于放置脉冲磁化绕组；内区转子和外区转子均呈现凸极结构，凸极之间的空隙填充为非导磁材料。本发明通过采用定转子双分区的结构，实现了提升转矩密度、扩宽调速范围以及进一步降低稀土永磁材料的用量的目的。

Description

一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机
技术领域
本发明是关于一种电动汽车用的少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机的本体设计技术，涉及电机本体设计及其工作原理的技术领域。
背景技术
电动汽车等新能源汽车用驱动电机领域，具有高效、高功率密度等优点的稀土永磁电机不仅是研发热点，也是国内外新能源汽车厂商们主流的选择。针对电动汽车驱动应用特点，现有技术中尚需解决的问题有：1、保证电机力能的同时减少稀土永磁用量；2、实现电机气隙磁场的有效调节与控制；3、扩宽电机的实际可控调速范围。
车用驱动电机是电动汽车的关键部件之一。目前，在车用驱动电机领域，具有高效、高功率密度等优点的稀土永磁电机不仅是研发热点，也是国内外新能源汽车厂商们主流的选择。但近年来稀土永磁材料价格的上涨和全球供应量的减少，使得诸多新能源汽车生产商开始致力于稀土永磁电机中永磁材料的深度利用甚或研发能替代稀土永磁电机的车用驱动电机。
相较于传统的转子永磁型永磁同步电机，定子永磁型电机转子上既无永磁体也无绕组，结构简单稳定、散热方便，其中定子永磁型的磁通切换电机，更是以其特殊的聚磁效应使得稀土永磁材料得到了更深程度的利用，大大提高电机的转矩和功率密度，因此也更适合于严格限制电机尺寸同时又需要较高出力的电动汽车领域。然而，与传统的永磁同步电机类似，磁通切换永磁电机由于采用永磁磁钢作为单一励磁源，气隙磁场恒定，往往只能通过施加持续的直轴弱磁电流来削弱气隙磁场，因而电机调速范围十分受限。为实现对磁通切换永磁电机气隙磁场的有效调节，扩宽电机的调速范围，中国专利申请201310091558.0提出的混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机和中国专利申请201410344216.X公开的一种组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机中，均采用了增设电励磁绕组形成混合励磁磁通切换电机，通过电励磁电流的大小和方向来实现电机气隙磁场的调节，具有调磁简便的优点。但由于电励磁绕组的存在，电机在进行弱磁和增磁调速控制时，存在额外励磁损耗，从而电机效率不高。同时，在磁通切换永磁电机的定子内侧有限的空间里，合理分配齿槽和永磁体的尺寸原本就显得尤为困难，增设的电励磁绕组势必会加剧原本就已激烈的电枢绕组与永磁体的空间竞争。
中国专利申请201510756639.7公开了一种组合励磁型定子分区式混合永磁磁通切换记忆电机，采用定子分区结构实现了永磁体与电枢绕组的隔离，有效解决了电枢绕组与永磁体的空间竞争问题。在内定子中，采用了稀土钕铁硼永磁和可在线充去磁的非稀土铝镍钴永磁两种类型的永磁材料，实现对气隙磁场的调节，避免了电枢损耗，实现了在线高效调磁。然而，两种类型的永磁体共存于内定子，稀土永磁易对铝镍钴磁场强度和工作点产生影响，布置与尺寸设计不合理时甚至会出现铝镍钴的非正常充去磁，从而影响电机的实际可控调速范围，另一方面受到电机内定子尺寸的限制，降低稀土永磁用量的同时却难以保证电机的转矩输出能力。
可见，现有技术中，混合励磁磁通切换电机和组合励磁永磁记忆电机，在电机气隙磁场的有效调节与控制、扩宽电机的实际可控调速范围、保证电机力能的同时进一步减少稀土永磁用量等方面，尚存在亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：为了解决传统永磁电机稀土永磁用量大、气隙磁场难以调节、调速范围窄的问题，提供一种采用组合励磁源、具有高效率、高转矩密度、宽调速运行范围的一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机，适用于电动汽车驱动领域。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机，其特征在于：包括同心放置的双凸极中区定子、非稀土铝镍钴外区定子、稀土钕铁硼内区定子、外区转子、内区转子；所述外区转子放置于双凸极中区定子与非稀土铝镍钴外区定子之间，所述内区转子放置于双凸极中区定子与稀土钕铁硼内区定子之间；
所述双凸极中区定子采用双边双凸极结构，双凸极中区定子由中区定子轭、定子槽和径向双边突起的定子齿以及容错齿组成，沿圆周均匀分布的双边凸起的定子齿和容错齿间隔排布，定子齿上绕有三相电枢绕组；
所述非稀土铝镍钴外区定子包括外区定子轭、可充去磁的铝镍钴永磁体、脉冲磁化绕组；其中，铝镍钴永磁体沿圆周方向均匀贴装于非稀土铝镍钴外区定子的外区定子轭，其中心线与双凸极中区定子的对应容错齿中心对齐，相邻铝镍钴永磁体之间留槽，脉冲磁化绕组置于相邻两铝镍钴永磁体之间的槽内，并绕在铝镍钴永磁体上；
所述稀土钕铁硼内区定子包括内区定子铁心、稀土钕铁硼永磁体；其中，钕铁硼永磁体沿圆周方向均匀嵌入稀土钕铁硼内区定子的内区定子铁心，其中心线与双凸极中区定子的对应定子齿中心对齐；
所述外区转子和内区转子均为相同的凸极结构，外区转子和内区转子的凸极之间的空隙填充均为非导磁材料。
所述双凸极中区定子上放置的电枢绕组和非稀土铝镍钴外区定子中上放置的脉冲磁化绕组为集中绕组。
所述非稀土铝镍钴外区定子内侧表贴的非稀土铝镍钴永磁体采用N极、S极交替径向充磁，稀土钕铁硼内区定子内嵌入的稀土钕铁硼永磁体采用N极、S极交替切向充磁，非稀土铝镍钴永磁体与稀土钕铁硼永磁体两种永磁体的数量相同，均为双凸极中区定子凸极个数的一半。
所述外区转子和内区转子在电机端部连接形成一个同心杯状整体结构的转子。
所述双凸极中区定子、非稀土铝镍钴外区定子、稀土钕铁硼内区定子、外区转子、内区转子之间均有气隙。
所述铝镍钴永磁体与脉冲磁化绕组槽间留有方便铝镍钴永磁体固定的定子铁心。
本发明结构合理、生产制造容易、使用方便，通过本发明，本发明公开了一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机，该电机径向从外至内，分别包括分区设置的非稀土铝镍钴外区定子、外区转子、双凸极中区定子、内区转子以及稀土钕铁硼内区定子，各分区定转子间均有气隙。
进一步的，双凸极中区定子由定子轭、定子槽和径向双边突起的定子齿以及容错齿组成，定子齿上绕有集中分布式三相电枢绕组。
进一步的，稀土钕铁硼内区定子中，切向充磁的稀土钕铁硼永磁体沿圆周方向均匀嵌入，各块钕铁硼永磁体的切向中心线分别与对应的双凸极中区定子的定子齿中心对齐；非稀土铝镍钴外区定子中，包括沿圆周方向均匀表贴安装的径向充磁的铝镍钴永磁体，铝镍钴永磁的中心线与对应的双凸极中区定子的容错齿中心对齐，相邻铝镍钴永磁体之间留槽，用于放置脉冲磁化绕组。
进一步的，内区转子和外区转子均呈现凸极结构，其中凸极的个数为转子的极对数，凸极之间的空隙填充为非导磁材料，形成一个杯状结构的转轴。在电机端部，内外区转子相连构成整体转子。
上述三相电枢绕组和脉冲磁化绕组均为集中式绕组，缠绕在铝镍钴永磁体上的脉冲磁化绕组依次首尾串联形成单相绕组。
有益效果：本发明提供的一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机：
(1)所述电机，采用定转子双分区的结构，将电枢绕组和永磁体分离，两种类型的永磁体也分离放置，既解决了传统磁通切换电机永磁体和电枢绕组用量相互限制的问题，也降低了组合励磁记忆电机中两种不同类型永磁体之间的相互影响，使得在同样电机体积下两种不同类型永磁体用量可以更加灵活配比，以提升转矩密度和扩宽调速范围的同时进一步降低稀土永磁材料的用量。
(2)所述电机，所采用的分区转子为整体杯状转轴，结构简单稳固，适用于高速运行。
本发明提供的电机满足电动汽车驱动电机的以下性能要求：高功率密度、高效(全工作平面高效率)、高可靠性、宽调速范围(＞5倍基速)、具有频繁启动和加减速能力、低成本等，在电动汽车等新能源汽车驱动领域，具有良好的潜在市场前景。
附图说明
图1为本发明提供的新型少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机的径向截面结构示意图，其中箭头方向表示永磁体充磁方向；
图2是本发明的中区定子结构示意图；
图3是本发明的外区定子结构示意图；
图4是本发明的内区定子结构示意图；
图5是本发明的转子结构示意图；
图6为转子不同位置和脉冲磁动势对铝镍钴永磁体充去磁不同情况下，该电机的磁通路径图；
图7是脉冲磁动势对铝镍钴永磁体正反向充去磁情况下，电枢绕组空载反电势波形图。
图中：1双凸极中区定子、1-1定子齿、1-2容错齿、1-3中区定子轭、1-4三相电枢绕组、2非稀土铝镍钴外区定子、2-1外区定子轭、2-2铝镍钴永磁体、3稀土钕铁硼内区定子、3-1内区定子铁心、3-2钕铁硼永磁体、4外区转子、4-1外区转子非导磁材料、5内区转子、5-1内区转子非导磁材料。
具体实施方式
下面结合附图及实施方式对本发明专利做进一步详细的说明：
参见图1-图5，本发明公开了一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机，以一台中区定子12槽/转子11极/内外区定子6极电机为例(双凸极中区定子上有12槽、内外区转子均有11个凸极、内外区定子均有6个永磁体的电机)，该电机包括双凸极中区定子1、非稀土铝镍钴外区定子2、稀土钕铁硼内区定子3、外区转子4、内区转子5。
双凸极中区定子1由定子齿1-1、容错齿1-2、定子轭1-3以及三相电枢绕组1-4组成，沿圆周均匀分布的双边凸起的Ns个定子齿1-1和容错齿1-2间隔排布，其中定子齿上绕有三相电枢绕组1-4，且电枢绕组为集中式绕组。
非稀土铝镍钴外区定子2由外区定子轭2-1、可充去磁的铝镍钴永磁体2-2、脉冲磁化绕组2-3组成。其中P个径向充磁的铝镍钴永磁体2-2沿圆周方向均匀贴装于外区定子轭，P＝Ns/2，且与双凸极中区定子1的对应容错齿1-2中心对齐。脉冲磁化绕组2-3置于每相邻两铝镍钴永磁体(2-2)之间的槽内，并绕在铝镍钴永磁体2-2上，在铝镍钴永磁体2-2与脉冲磁化绕组槽间留有一部分定子铁心，以方便铝镍钴永磁体的固定。
稀土钕铁硼内区定子3由内区定子铁心3-1、稀土钕铁硼永磁体3-2组成，其中Q个切向充磁的钕铁硼永磁体3-2沿圆周方向均匀嵌入定子铁心3-1中，Q＝Ns/2，且与双凸极中区定子1的对应定子齿1-1中心对齐。
外区转子4和内区转子5均为相同的凸极结构，其中凸极的个数均为转子的极对数Nr，满足Nr＝kNs±1,(k＝1,2,3…..)。内外区转子凸极之间的空隙填充为外区转子非导磁材料4-1和内区转子非导磁材料5-1，并在电机端部将内外区转子连接，形成一个同心杯状整体结构的转轴。
本发明公开的电机采用铝镍钴永磁体(2-2)和钕铁硼永磁体(3-2)两种永磁体混合励磁，其中钕铁硼永磁体(3-2)采用N极、S极交替切向充磁；铝镍钴永磁体(2-2)采用N极、S极交替径向充磁，具体充磁方向如图1中箭头所示。
以图1所示结构为例说明本发明的工作原理：
参见图1，所述电机中采用的铝镍钴永磁体2-2具有矫顽力低的特点，可以被脉冲磁化绕组2-3中的短时脉冲电流充、去磁，并能“记忆”住其磁密水平，进而实现电机气隙磁密的灵活调节。
参见图6，所述电机的运行遵循“磁通切换”原理，当电机的转子从图6(a)所示的转子位置转到图6(b)所示的位置时，铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体产生的磁通数值没变，但穿越定子齿的方向发生了改变，对于电枢绕组而言，匝链的磁通会根据转子铁心的不同位置切换方向，因此会感应出正弦波形、双极性的反电动势。正是基于这个原理，当转子连续旋转，电枢绕组中匝链的磁通方向呈周期性改变，实现机电能量转换。
参见图6(b)和图6(c)，利用磁路原理，研究铝镍钴永磁体充去磁对电机磁场的影响。对比图6(b)和图6(c)，铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体产生的磁通方向相同时，混合永磁磁场得以增强，当铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁磁通方向相反时，即铝镍钴极限去磁至反向充磁时，混合永磁磁场大幅减弱。因此通过改变磁脉冲电流的大小和方向，即可灵活改变铝镍钴永磁的磁化水平，即可改变混合永磁磁场的强弱，从而对电机进行增磁升矩或弱磁增速，实现扩宽电机调速范围的目的。
参见图7，利用有限元仿真分析，可得空载情况下，铝镍钴完全反向磁化和完全正向磁化时的电枢绕组反电势波形图，其反电势有效值由40V上升至330V，变化幅度高达725％，可知本发明电机由于采用的可在线充去磁的铝镍钴永磁体，基于记忆电机的原理，使得该电机的弱磁能力更强，调磁范围更广。
本发明通过采用定转子双分区的结构，既解决了永磁体和电枢绕组用量相互限制的问题，也降低了两种不同类型永磁体之间的相互影响；与此同时，电机的内部空间得到更加合理的利用，使得在同样电机体积下两种不同类型永磁体用量可以更加灵活的配比，实现提升转矩密度、扩宽调速范围以及进一步降低稀土永磁材料的用量的目的。

Claims (6)

1. 一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机，其特征在于：包括同心放置的双凸极中区定子（1）、非稀土铝镍钴外区定子（2）、稀土钕铁硼内区定子（3）、外区转子（4）、内区转子（5）；所述外区转子（4）放置于双凸极中区定子（1）与非稀土铝镍钴外区定子（2）之间，所述内区转子（5）放置于双凸极中区定子（1）与稀土钕铁硼内区定子（3）之间；
所述双凸极中区定子（1）采用双边双凸极结构，双凸极中区定子（1）由中区定子轭（1-3）、定子槽和径向双边突起的定子齿（1-1）以及容错齿（1-2）组成，沿圆周均匀分布的双边凸起的定子齿（1-1）和容错齿（1-2）间隔排布，定子齿上绕有三相电枢绕组（1-4）；
所述非稀土铝镍钴外区定子（2）包括外区定子轭（2-1）、可充去磁的铝镍钴永磁体（2-2）、脉冲磁化绕组（2-3）；其中，铝镍钴永磁体（2-2）沿圆周方向均匀贴装于非稀土铝镍钴外区定子（2）的外区定子轭（2-1），其中心线与双凸极中区定子（1）的对应容错齿（1-2）中心对齐，相邻铝镍钴永磁体（2-2）之间留槽，脉冲磁化绕组（2-3）置于相邻两铝镍钴永磁体（2-2）之间的槽内，并绕在铝镍钴永磁体（2-2）上；
所述稀土钕铁硼内区定子（3）包括内区定子铁心（3-1）、稀土钕铁硼永磁体（3-2）；其中，钕铁硼永磁体（3-2）沿圆周方向均匀嵌入稀土钕铁硼内区定子（3）的内区定子铁心（3-1），其中心线与双凸极中区定子（1）的对应定子齿（1-1）中心对齐；
所述外区转子（4）和内区转子（5）均为相同的凸极结构，外区转子（4）和内区转子（5）的凸极之间的空隙填充均为非导磁材料。
2. 根据权利要求1所述的一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机，其特征在于：所述双凸极中区定子（1）上放置的电枢绕组（1-4）和非稀土铝镍钴外区定子（2）中上放置的脉冲磁化绕组（2-3）为集中绕组。
3. 根据权利要求1所述的一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机，其特征在于：所述非稀土铝镍钴外区定子（2）内侧表贴的非稀土铝镍钴永磁体（2-2）采用N极、S极交替径向充磁，稀土钕铁硼内区定子（3）内嵌入的稀土钕铁硼永磁体（3-2）采用N极、S极交替切向充磁，非稀土铝镍钴永磁体（2-2）与稀土钕铁硼永磁体（3-2）两种永磁体的数量相同，均为双凸极中区定子（1）凸极个数的一半。
4. 根据权利要求1所述的一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机，其特征在于：所述外区转子（4）和内区转子（5）在电机端部连接形成一个同心杯状整体结构的转子。
5. 根据权利要求1所述的一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机，其特征在于：所述双凸极中区定子（1）、非稀土铝镍钴外区定子（2）、稀土钕铁硼内区定子（3）、外区转子（4）、内区转子（5）之间均有气隙。
6. 根据权利要求1所述的一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机，其特征在于：所述铝镍钴永磁体（2-2）与脉冲磁化绕组（2-3）槽间留有方便铝镍钴永磁体（2-2）固定的定子铁心。
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