CN106026597B - 内置磁障式磁场增强型永磁无刷电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种内置磁障式磁场增强型永磁无刷电机，包括定子和同轴套在定子内部的转子，转子上沿圆周方向均匀固定镶嵌有若干对永磁磁钢，每对永磁磁钢都是由两块结构相同的矩形的钕铁硼永磁磁钢采用V型放置组成，V型开口朝向气隙，相邻的两对永磁磁钢相对于交轴两侧对称布置，在相邻的两对永磁磁钢之间的转子内部设有弧形开口朝向气隙的第一组弧形内置磁障，在每对永磁磁钢的两块钕铁硼永磁磁钢之间设弧形开口都朝向气隙、结构相同且相对于直轴两侧对称布置的第二、第三组弧形内置磁障，每组弧形内置磁障各具有内、外两层磁障，相邻的两对永磁磁钢交替切向充磁，每对上的两块钕铁硼永磁磁钢充磁方向相反，提高了电机的驱动性能和可靠性。

Description

内置磁障式磁场增强型永磁无刷电机

技术领域

本发明涉及一种无刷永磁同步电机，属于电机制造及控制领域，特指一种适用于混合动力汽车和电动汽车用驱动电机等应用场合的电机，能够满足高效率、高功率密度和宽调速等驱动性能要求。

背景技术

车用驱动电机是混合动力汽车和电动汽车的关键执行部件之一，混合动力汽车和电动汽车的整车性能与驱动电机的性能密切相关。传统的内置式永磁无刷电机具有高效率和高功率密度的优点，因此广泛应用于车用驱动电机领域。由于采用稀土永磁磁钢作为单一励磁源，传统永磁无刷电机受困于气隙磁场无法调节，因而恒功率调速范围较窄，在电动汽车等需宽调速运行场合的应用中受到一定限制。目前，为了拓宽该类电机的恒功率调速范围，通常采用两种方法来实现，一种是改进控制策略，另一种是改变电机结构：

1）控制策略。对于转子永磁型电机来说，通常采用矢量控制方法来实现弱磁升速以获得较宽的调速范围，该种控制方法是通过控制电机直轴电流来实现电机弱磁升速。中国专利申请号为CN200910041656.7的文献中使用了电压反馈法，当电机运行速度高于基速时，该方法通过采集直交轴的电压值作为反馈信号，输出直轴去磁电流分量来实现弱磁，该方法具有较好的鲁棒性，但其动态性能不佳。中国专利号为201511026014.1的文献中提出了一种电机弱磁控制方法，该方法是一种基于前馈控制的电压反馈补偿法，其显著特点是弱磁前馈部分，将弱磁极限电压和端电压作为反馈信号，得到弱磁调节电流，与弱磁前馈电流叠加，输出弱磁算法的直轴去磁电流来实现弱磁升速，该方法能够有效提升永磁同步电机的弱磁控制性能，改善现有技术的动态性能。上述两种方法都采用了矢量控制方法来实现弱磁升速，但是永磁电机的直轴电感远小于交轴电感，即凸极率（交轴电感与直轴电感比值）大于1，由于较小的直轴电感，当电机运行于高速弱磁区域时，需要较大的直轴去磁电流来抵消一部分永磁磁链，从而实现弱磁升速，然而较大的直轴去磁电流分量使得该类电机中永磁磁钢的不可逆退磁危险大大增加，为了避免永磁磁钢遭受不可逆退磁的风险，通常会加厚永磁磁钢，这样又不可避免的增加了电机制造成本。

2）电机结构。对于定子永磁型电机来说，通常可以改变电机结构来实现磁通可变。第一种方法是引入电励磁绕组形成混合励磁电机，该类电机可以通过调节电励磁磁场的大小和方向来达到电机磁通可控的目的，从而实现电机的弱磁升速，拓宽其调速范围。中国专利号为201510026381.5提出了一种混合励磁磁通切换电机，该种结构在只使用永磁磁钢作为单一励磁源的传统磁通切换电机的基础之上，加入电励磁绕组来形成混合励磁电机，通过调节电励磁绕组的电流大小和方向，可以实现在线调节电机磁场。在低速运行的时候可以输入增磁电流使电励磁绕组产生增磁磁场，与永磁磁钢产生的永磁磁场进行叠加，从而满足电机在低速时对于大转矩的要求。在高速运行的时候可以输入弱磁电流来产生弱磁磁场，抵消永磁磁钢产生的永磁磁场，从而使得气隙磁场减弱，进而拓宽电机的调速范围。但上述电机结构由于增加了电励磁绕组，这会增加额外的铜耗，从而使得电机的效率降低，同时电励磁绕组的加入也增加了电机的体积，从而使得电机的功率密度有所降低。另外，该类电机结构较为复杂，制造加工和安装相对困难。

第二种方法是采用记忆永磁磁钢材料作为第二励磁源，记忆永磁磁钢材料包括铝镍钴和杉钴等，该类材料具有剩磁高和矫顽力低的特点，可以通过施加脉冲电流来改变该类材料的磁化状态，并且其磁化水平能被记忆住，因而被称为记忆材料。中国专利申请号为ZL 201510756639.7提出了一种组合励磁型定子分区式混合永磁磁通切换电机，该结构将具有在线调磁特性的非稀土铝镍钴永磁磁钢与稀土钕铁硼永磁磁钢相结合，共同作为励磁源，增加磁化绕组，通过控制短时磁化绕组电流的大小和方向来在线调节铝镍钴永磁磁钢的磁化状态。低速时，铝镍钴永磁磁钢处于增磁磁化状态，其产生的磁场与稀土钕铁硼产生的磁场相叠加，从而产生大转矩。高速时，铝镍钴永磁磁钢处于弱磁磁化状态，使得气隙磁场降低，从而使得电机具有较宽的调速范围。因为非稀土铝镍钴永磁磁钢在线磁化只需要短时的脉冲磁化电流，该类电机具有低速大转矩和较宽调速范围的同时，由于施加磁化电流来改变铝镍钴磁化状态的作用时间很短，调节磁场所用的电励磁铜耗大大降低，使得电机的运行效率得到了有效的提高。但是该类电机需要额外的内部空间来放置磁化绕组，使得该类电机的体积相对较大，从而使得电机的功率密度有所降低。除此之外，该类电机需要额外的磁化绕组逆变器来进行磁场在线调节和控制，大大增加了电机控制系统成本和复杂度。并且，铝镍钴永磁材料矫顽力较低，与铁器接触会造成局部不可逆退磁和磁通分布的畸变，其磁化状态不易维持，同时铝镍钴材料硬而脆，可加工性能较差。

可见，在现有的技术中，诸如使用弱磁控制方法和引入电励磁或者记忆永磁材料来形成混合励磁电机等方法，在实现电机气隙磁场的有效调节和控制、高效率、高功率密度、低成本的同时达到有效拓宽电机调速范围等方面难以兼顾，这也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

本发明的目的是为了解决现有传统永磁无刷电机存在气隙磁通不可控、调速范围窄、功率密度和效率低等问题，提供一种体积小、结构简单、制造加工方便、永磁磁钢不易退磁、具有高效率和高功率密度、直轴电感大于交轴电感且调速范围较宽的内置磁障式磁场增强型永磁无刷电机，以满足电动汽车用牵引电机对于电机调速范围的要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包括定子和同轴套在定子内部的转子，转子的中心处同轴安放转轴，定子内壁和转子外壁之间具有气隙，定子由定子齿、定子槽、定子轭组成，相邻两个定子齿之间形成定子槽，定子槽内安放有电枢绕组，转子上沿圆周方向均匀固定镶嵌有若干对永磁磁钢，每对永磁磁钢都是由两块结构相同的矩形的钕铁硼永磁磁钢采用V型放置组成，V型开口朝向气隙；相邻的两对永磁磁钢相对于电机交轴两侧对称布置；在相邻的两对永磁磁钢之间的转子内部设有弧形开口朝向气隙的第一组弧形内置磁障，在每对永磁磁钢的两块钕铁硼永磁磁钢之间的转子内部设弧形开口都朝向气隙、结构相同且相对于电机直轴两侧对称布置的第二组弧形内置磁障和第三组弧形内置磁障；每组弧形内置磁障各具有内、外两层磁障；相邻的两对永磁磁钢交替切向充磁，每对上的两块钕铁硼永磁磁钢充磁方向相反。

进一步地，每块钕铁硼永磁磁钢的内外边缘处都开有空气槽，每块钕铁硼永磁磁钢之间相互不贯通不相连。

进一步地，第一组弧形内置磁障的外层磁障的圆心O ₁和内层磁障的圆心O ₂在交轴q轴上，最靠近第一组弧形内置磁障的第二组弧形内置磁障的内、外两层磁障和最靠近第一组弧形内置磁障的第三组弧形内置磁障的内、外两层磁障具有共同的圆心O ₂。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1、本发明在转子直轴磁路上采用V形放置的钕铁硼永磁磁钢，永磁磁钢切向充磁，达到聚磁效应，提高钕铁硼永磁磁钢的利用率，同时钕铁硼永磁磁钢厚度合适，有利于获得较大的直轴电感。在交轴磁路上增加双层气隙磁通屏障，以此减小电机的交轴电感，从而使得电机具有直轴电感大于交轴电感的反凸极特性。该电机不仅结构简单，制造加工方便，并且保留了传统永磁无刷电机高效率和高功率密度的优点。该电机低速运行时，由于直轴电感大于交轴电感，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来控制该电机，也可采用直轴磁场增强控制方法，输入磁场增强型电流来产生正值磁阻转矩，从而产生较大的转矩，同时磁场增强型电流对于钕铁硼永磁磁钢起到增磁作用，从而有效避免了钕铁硼永磁磁钢在电机低速或者重载运行条件下，较大的电枢反应产生的去磁电流时所遭受的不可逆退磁风险；在高速运行时，该电机可采用直轴磁场增强与直轴磁场轻度削弱相协调控制的方法，与传统内置式永磁无刷电机相比，由于该电机较大的直轴电感且交轴电感小于直轴电感，可使用相对较小的直轴弱磁电流来弱化气隙磁场，使得该电机具有相对更宽的调速范围，从而使得该电机的驱动性能和可靠性得到了提高。

2、本发明由于具有相对较大的直轴电感，在高速运行时，所需的弱磁直轴电流较小，从而使得该电机在相同的调速范围内有效减小了弱磁升速所产生的额外的铜耗，并且较小的弱磁直轴电流也能有效降低钕铁硼永磁磁钢在电机高速弱磁运行时所遭受的不可逆退磁的风险。

3、本发明在转子内部的交轴磁路上采用了磁通屏障，使得交轴电感显著减小，并且交轴磁路不容易饱和，有利于电机运行时对电感参数的在线准确估计，同时也能够保证电机的最大转矩输出。

4、本发明采用了V形放置的钕铁硼永磁磁钢，在保证钕铁硼永磁磁钢抵抗不可逆退磁能力的同时，降低了永磁磁钢用量，从而节约了电机制造成本，同时也免去了较厚永磁磁钢所造成的直轴电感降低的风险。另外，分段式矩形钕铁硼永磁磁钢和导磁桥的连接方式，有效降低了永磁磁钢单位体积内的涡流损耗，从而有利于电机效率的提升。

5、本发明在转子内部的交轴磁路上采用了双层不等厚磁通屏障，在保证交轴电感较小的情况下，也增加了电机的机械强度以及可靠性，同时合理的交轴磁障厚度以及安放位置，使得交轴磁障对直轴磁路的影响较小，直轴磁路不易饱和，因此直轴电感受交轴电感的影响较小，直交轴电感在电机的整个运行工况下变化幅度较小，并且直轴电感总是大于交轴电感。

6、本发明的定子绕组采用模块化分数槽集中式绕组，使得该电机直轴电感得到进一步的增大，有利于该电机使用较小的弱磁电流来获得较宽的调速范围，且降低钕铁硼永磁磁钢所遭受的不可逆退磁的风险。同时也减小了相间互感，使得相间互感和自感的比值相对较小，从而使得该电机的容错能力和可靠性得到了一定的提升。

附图说明

图1是本发明内置磁障式磁场增强型永磁无刷电机的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中定子结构示意图及三相绕组分布放大图；

图4是图3中定子电枢绕组为等节距连接方式示意图；

图5是图3中定子电枢绕组为同心式连接方式示意图；

图6是图1中转子局部结构及几何尺寸标注放大示意图；

图7是图6中第一块和第二块钕铁硼永磁磁钢31、32的结构及几何尺寸标注放大示意图；

图8是图6中转子上的弧形内置磁障结构以及磁障外层的几何尺寸标注放大示意图；

图9是图6中转子上的弧形内置磁障结构以及磁障内层的几何尺寸标注放大示意图；

图10是本发明转子中局部钕铁硼永磁磁钢3的充磁方式示意图；

图11是本发明运行在正值直轴电流（直轴磁场增强）下的磁场分布图；

图12是本发明运行在负值直轴电流（直轴磁场削弱）下的磁场分布图；

图13是本发明反电动势各次谐波图；

图14是本发明的直交轴电感图；

图15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16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.转子；3.钕铁硼永磁磁钢；4.空气槽；5.弧形内置磁障；6.转轴；7.端盖；8.机座；9.定子齿；10.定子槽；11.定子轭；21、23、25、27、29、31、33、35、37.电枢绕组；31.第一块钕铁硼永磁磁钢；32.第二块钕铁硼永磁磁钢；51第一组弧形内置磁障、52第二组弧形内置磁障、53第三组弧形内置磁障。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明包括定子1、转子2、转轴6和端盖7，定子1和端盖7固定连接在一起，端盖7固定安装在机座8上。转子2同轴套在定子1内部，在转子2的中心处同轴固定安放转轴6。定子1内壁和转子2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2加工和装配工艺有关。定子1和转子2都是由0.35mm厚度的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95，转轴6是由不导磁材料组成。

参见1和图3，定子1由定子齿9、定子槽10、定子轭11组成。相邻两个定子齿9之间形成定子槽10，定子齿9径向横截面为T型，T型的顶部靠近转子2，T型的底部与定子轭11连为一体。定子齿9中心处的齿宽记为t ₁ ，定子轭11的径向宽度为t ₂ , 为了防止定子轭11的磁路饱和，要求t ₂ =2~3t ₁ 。在定子槽10内安放电枢绕组。

图3中，A、B、C为定子上的电枢绕组，“+”为定子电枢绕组的进线方向，“-”为定子电枢绕组的出线方向。本发明的电机含有36槽，含有两个绕组周期，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。

参见图1和图6，在转子2上，沿圆周方向均匀固定镶嵌有若干对永磁磁钢，永磁磁钢的对数等于电机极数。每对永磁磁钢都由两块矩形的钕铁硼永磁磁钢3采用V型放置组成。V型开口朝向气隙，每块钕铁硼永磁磁钢3的内外边缘处都开有空气槽4，用于减小钕铁硼永磁磁钢3外边界的漏磁。两块钕铁硼永磁磁钢3相互不贯通不相连，之间形成导磁桥。两块钕铁硼永磁磁钢3的结构相同，两块钕铁硼永磁磁钢3之间的中心线Od即电机的直轴d轴，其中，O为转轴6的轴心，两块钕铁硼永磁磁钢3相对于直轴d轴两侧对称布置。两块钕铁硼永磁磁钢3相互不贯通不相连，之间形成导磁桥。图1仅以8极电机为例，图1中共有16块钕铁硼永磁磁钢3，每极上的两块钕铁硼永磁磁钢3形成一对，共8对永磁磁钢沿圆周方向均匀分布，均内嵌在转子2中。

相邻的两对永磁磁钢的中心线是Oq，其中，O为转轴6的轴心，中心线Oq即电机的交轴q轴，相邻的两对永磁磁钢3相对于交轴q轴两侧对称布置。

在转子2内部设有三组具有内、外两层弧形内置磁障5，分别是第一组弧形内置磁障51、第二组弧形内置磁障52、第三组弧形内置磁障53，如图6中所示，其中，第一组弧形内置磁障51设在相邻的两对永磁磁钢之间的转子2内部，磁障的弧形开口朝向气隙。第一组弧形内置磁障51的外层磁障圆心是O ₁，第一组弧形内置磁障51的内层磁障圆心是O ₂，圆心O ₁和O ₂在交轴q轴上，第一组弧形内置磁障51中的外层磁障的外径是R ₁。

在每对永磁磁钢的两块钕铁硼永磁磁钢3之间的转子2内部设第二组弧形内置磁障52和第三组弧形内置磁障53，第二组弧形内置磁障52和第三组弧形内置磁障53的弧形开口也朝向气隙、结构相同且相对于中心线Oq两侧对称布置。对于每个第一组弧形内置磁障51，最靠近该第一组弧形内置磁障51的第二组弧形内置磁障52的内、外两层和最靠近该第一组弧形内置磁障51的第三组弧形内置磁障53内、外两层具有共同的圆心O ₂，与第一组弧形内置磁障51的内层磁障圆心O ₂相同，即除了第一组弧形内置磁障51的外层磁障圆心是O ₁之外，其余的弧形内置磁障的圆心均是O ₂。第二组弧形内置磁障52中的外层磁障的外径是R ₂，第三组弧形内置磁障53中的内层磁障的外径是R ₃。

转子2的外径是R ₄，内径是R ₅，需要满足条件：0.11R ₄≤R ₁≤0.20R ₄，0.30R ₄≤R ₂≤0.35 R ₄，0.4R ₄≤R ₃≤0.45 R ₄。以O为圆心，O ₁ 所在圆的半径是R ₁₁，O ₂ 所在圆的半径是R ₂₂，即轴心O与圆心O ₁ 之间的距离是R ₁₁，轴心O与圆心O ₂ 之间的距离是R ₂₂。半径R ₁₁和转子2外径R ₄之间的约束关系为R ₁₁=1.11~1.15R ₄。半径R ₂₂和转子2外径R ₄之间的约束关系为R ₂₂=1.15~1.2R ₄。

图1中的8极电机共有48段弧形内置磁障，每段弧形内置磁障都互不相通，在每段弧形内置磁障内部嵌有非导磁材料块，为了简化工艺或者减轻电机转子的重量，也可以直接采用气隙作为非导磁材料快。

参见图6和图7，每对永磁磁钢的两块钕铁硼永磁磁钢3分别是第一块钕铁硼永磁磁钢31和第二块钕铁硼永磁磁钢32，第一块钕铁硼永磁磁钢31和第二块钕铁硼永磁磁钢32之间的夹角为θ ₃ ，每块钕铁硼永磁磁钢3的矩形的径向宽度都为w ₃，切向厚度都为h ₃，为了保证电机结构的合理性，减小钕铁硼永磁磁钢的不可逆退磁的风险，同时保证电机输出转矩的能力以及具有较大的直轴电感，需要满足条件70°≤θ ₃≤75°，0<w ₃<0.25R ₄，w ₃×h ₃=50.00mm²。每对永磁磁钢中的两块钕铁硼永磁磁钢的用量为定量。两块钕铁硼永磁磁钢3之间间隔的最短距离为x ₃，为了尽量减少漏磁以及便于加工，需满足条件1mm≤x ₃≤2mm；两块钕铁硼永磁磁钢3距离转子2的轴心O的最长距离为y ₃,为了减小漏磁和保证一定的机械强度，需满足条件R ₅+3mm≤y ₃≤R ₅+8mm。

参见图6、图8和图9，每段弧形内置磁障5与钕铁硼永磁磁钢3之间都留有一定的距离，以保证一定的机械强度。第二组弧形内置磁障52的外层磁障所占的弧度角为θ ₅₂，第三组弧形内置磁障53的外层磁障所占的弧度角为θ ₅₃ ，弧度角θ ₅₂和弧度角θ ₅₃ 相等， 第二组弧形内置磁障52和第三组弧形内置磁障53的外层磁障和的径向厚度都为h ₂。第二组弧形内置磁障52的内层磁障所占的弧度角为θ ₅₄，第三组弧形内置磁障53的内层磁障所占的弧度角为θ ₅₆ ，弧度角θ ₅₄和弧度角θ ₅₆ 相等。第一组弧形内置磁障51的外层磁障所占弧度角为θ ₅₁，第一组弧形内置磁障51的外层磁障的径向厚度为h ₁，第一组弧形内置磁障51的内层所占弧度角为为θ ₅₅，三组弧形内置磁障51、52、53的内层磁障径向厚度相等，径向厚度都为h ₄。三组弧形内置磁障51、52、53的弧度角以及径向厚度关系到转子2高速运转时的机械强度，同时也关系到电机的直交轴电感的特性，为了具有一定的机械强度和相应的直交轴电感特性，要满足70°≤θ ₅₁≤75°，8°≤θ ₅₂≤12°，0.60θ ₅₁≤θ ₅₅≤0.75θ ₅₁，1.40θ ₅₅≤θ ₅₄≤2.15θ ₅₅，h ₁=1.4~1.6h ₃，h ₂=0.4~0.5h ₃，h ₄=0.5~0.6h ₃。第一组弧形内置磁障51的外层磁障的厚度较厚，第一组弧形内置磁障51的内层磁障以及第二组弧形内置磁障52、第三组弧形内置磁障53的内、外层磁障的厚度都相对较薄。

参见图10，相邻的两对永磁磁钢采用交替充磁方式，每对上的两块钕铁硼永磁磁钢3都采用切向充磁方向，并且充磁方向相反，相邻的两对永磁磁钢上的近邻的两块钕铁硼永磁磁钢3充磁方向相同，即分布在中心线Oq两侧的两块钕铁硼永磁磁钢3充磁方向相同。

与直轴对应的电机电感称为直轴电感，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上相互垂直。本发明中的弧形内置磁障5位于交轴磁路上，使得交轴磁阻增加，交轴电感减小，并且弧形内置磁障5的弧度与直轴磁路基本平行，因此弧形内置磁障5对于直轴磁路的影响较小。本发明中的钕铁硼永磁磁钢3位于直轴上，合理的厚度保证了电机的直轴电感相对较大，这样使得直轴电感大于交轴电感。

本发明工作时，在不同的运行区间使用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，并且能防止钕铁硼永磁磁钢3的不可逆退磁。参见图11，钕铁硼永磁磁钢3产生的磁通路径p₁如下：依次经过第一对永磁磁钢中的第一块钕铁硼永磁磁钢、转子2、相邻的第二对永磁磁钢中的第二块钕铁硼永磁磁钢、转子2、第二个定子齿9、定子轭11、第一个定子齿9、转子2、第一对永磁磁钢中的第一块钕铁硼永磁磁钢形成闭合回路。定子上的电枢绕组通电产生的磁通路径p₂和钕铁硼永磁磁钢3产生的磁通路径p₁相同，当采用“直轴磁场增强”控制方法时，直轴电流为正值，直轴电流产生的磁通路径p₂与路径p₁重合，由于直轴电流产生的磁通与钕铁硼永磁磁钢3产生的磁通方向相同，因此直轴磁通得到增强，钕铁硼永磁磁钢3不可逆退磁的风险被减小。图11为电机运行在正值直轴电流下(直轴磁场增强)的磁力线分布图，图12为电机运行在负值直轴电流（直轴磁场削弱）下的磁力线分布图，从图中可以看出电机运行在正值直轴电流下时磁力线分布相对较密，磁场得到增强，钕铁硼永磁磁钢3不可逆退磁风险减小。在低速或启动时，电机采用采用“直轴磁场增强”控制方法，即直轴电流大于零以此来获得最大转矩。当电机运行速度高于额定转速时，依旧采用直轴电流大于零控制，直轴电流逐渐减小，可获得较大运行转矩。当电机转速进一步升高时，为了获得较宽的调速范围，采用 “直轴磁场轻度削弱”控制方法，直轴电流减小为负值，由于直轴电感较大，只需较小的直轴电流来实现弱磁升速。

参见图13和图14，分别为本发明电机的反电动势图和电感图。由图13可以看出，本发明由于采用新型模块化分数槽集中式绕组，因而电机的反电动势的谐波较小，3次和5次谐波都相对较小。由图14可以看出，C为电机的直轴电感，D为电机的交轴电感，由于本发明的电机采用了特殊的结构，因为该电机在不同的电流幅值下都具备直轴电感大于交轴电感的特性，该特性也是磁场增强型永磁无刷电机所特有的特性。

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。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15和图16，图15和图16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15可知，低速时，本发明电机转矩比传统电机略大，同时由于本发明电机采用了直轴磁场增强型电机结构，直轴电流大于零，对电机永磁磁场起增强作用，因而永磁磁钢不会遭受不可逆退磁。高速时，本发明仍可采用直轴磁场增强和直轴磁场轻度削弱两种方法进行协调控制，在同样的转速下，本发明的电机的转矩高于传统内置式永磁无刷电机。参见图16，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，由于本发明具有相对较大的直轴电感，因而具有有更宽的调速范围。

Claims (5)

1.一种内置磁障式磁场增强型永磁无刷电机，包括定子和同轴套在定子内部的转子，转子的中心处同轴安放转轴，定子内壁和转子外壁之间具有气隙，定子由定子齿、定子槽、定子轭组成，相邻两个定子齿之间形成定子槽，定子槽内安放有电枢绕组；其特征是：转子上沿圆周方向均匀固定镶嵌有若干对永磁磁钢，每对永磁磁钢都是由两块结构相同的矩形的钕铁硼永磁磁钢（3）采用V型放置组成，V型开口朝向气隙；相邻的两对永磁磁钢相对于电机交轴两侧对称布置；在相邻的两对永磁磁钢之间的转子内部设有弧形开口朝向气隙的第一组弧形内置磁障（51），在每对永磁磁钢的两块钕铁硼永磁磁钢（3）之间的转子内部设弧形开口都朝向气隙、结构相同且相对于电机直轴两侧对称布置的第二组弧形内置磁障（52）和第三组弧形内置磁障（53）；每组弧形内置磁障（51、52、53）各具有内、外两层磁障；相邻的两对永磁磁钢交替切向充磁，每对上的两块钕铁硼永磁磁钢（3）充磁方向相反；每块钕铁硼永磁磁钢（3）的内外边缘处都开有空气槽（4），每块钕铁硼永磁磁钢（3）之间相互不贯通不相连；第一组弧形内置磁障（51）的外层磁障的圆心O ₁和内层磁障的圆心O ₂在交轴q轴上，最靠近第一组弧形内置磁障（51）的第二组弧形内置磁障（52）的内、外两层磁障和最靠近第一组弧形内置磁障（51）的第三组弧形内置磁障（53）的内、外两层磁障具有共同的圆心O ₂。

2.根据权利要求1所述内置磁障式磁场增强型永磁无刷电机，其特征是：第一组弧形内置磁障（51）中的外层磁障的外径是R ₁，第二组弧形内置磁障（52）中的外层磁障的外径是R ₂，第三组弧形内置磁障（53）中的内层磁障的外径是R ₃，0.11R ₄≤R ₁≤0.20R ₄，0.30R ₄≤R ₂≤0.35 R ₄，0.4R ₄≤R ₃≤0.45 R ₄，R ₄和R ₅分别是转子的外径和内径。

3.根据权利要求1所述内置磁障式磁场增强型永磁无刷电机，其特征是：转轴的轴心O与圆心O ₁ 之间的距离是R ₁₁、与圆心O ₂ 之间的距离是R ₂₂，R ₁₁=1.11~1.15R ₄，R ₂₂=1.15~1.2R ₄，R ₄是转子的外径。

4.根据权利要求1所述内置磁障式磁场增强型永磁无刷电机，其特征是：每对永磁磁钢中的两块钕铁硼永磁磁钢（3）之间的夹角为θ ₃ 、每块钕铁硼永磁磁钢（3）的径向宽度为w ₃、切向厚度为h ₃，70°≤θ ₃≤75°，0<w ₃<0.25R ₄，w ₃×h ₃=50.00mm²；两块钕铁硼永磁磁钢（3）之间间隔的最短距离为x ₃，1mm≤x ₃≤2mm；两块钕铁硼永磁磁钢（3）距离转子的轴心O的最长距离为y ₃, R ₅+3mm≤y ₃≤R ₅+8mm；R ₄和R ₅分别是转子的外径和内径。

5.根据权利要求4所述内置磁障式磁场增强型永磁无刷电机，其特征是：第二、第三组弧形内置磁障（52、53）的外层磁障所占的弧度角都为θ ₅₂，第二、第三组弧形内置磁障（52、53）的内层磁障所占的弧度角都为θ ₅₄，第一组弧形内置磁障（51）的内、外层磁障所占弧度角分别为θ ₅₅、θ ₅₁，第一组弧形内置磁障（51）的外层磁障的径向厚度为h ₁，三组弧形内置磁障（51、52、53）的内层磁障径向厚度都为h ₄，70°≤θ ₅₁≤75°，8°≤θ ₅₂≤12°，0.60θ ₅₁≤θ ₅₅≤0.75θ ₅₁，1.40θ ₅₅≤θ ₅₄≤2.15θ ₅₅，h ₁=1.4~1.6h ₃，h ₂=0.4~0.5h ₃，h ₄=0.5~0.6h ₃。