CN106059232A - 一种用于汽车的永磁电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于汽车的永磁电动机，包括定子、转子、机壳、端盖、轴承、测温元件，旋转变压器及组件,其特征在于，转子包括转子冲片铁芯、小槽金属片、端板、端环和永磁体，定子包括定子线圈、定子冲片铁芯；所述转子冲片铁芯上设有n个V字型内置磁钢槽及2n个金属片小槽，每个V字型内置磁钢槽中嵌置2m块永磁体，每个金属片小槽中嵌置小槽金属片，n≥6,m≥1。本发明有超高效率和功率因数、高可靠性等特点。具有良好的机械和电气性能，结构工艺简化，体质小重量轻，低成本，良好的环境适应性。

Description

一种用于汽车的永磁电动机

技术领域

本发明涉及一种稀土钕铁硼励磁的永磁同步电动机，特别涉及一种稀土钕铁硼励磁的纯电动汽车用的永磁调速同步电动机。

背景技术

近年来永磁同步电动机得到较快发展，其特点是功率因数高、效率高，在许多场合开始逐步取代最常用的交流异步电机。永磁电动机具有高功率密度、高效率、高可靠性、较好的动态性能等特点，成为当前驱动用电机的研究热点。电动汽车电机驱动系统除了具有普通电气传动的共性外，还应满足电动汽车特定用途的要求。电动汽车是一种露天运行、结构紧凑、具有车载能源的行走机械，工况复杂，既要能高速飞驰，又要能频繁起动、制动、上下坡、快速超车、紧急刹车，既要能适应雪天、雨天、盛夏、严冬、雪后撒盐等恶劣天气条件，又要能承受道路的颠簸震动，还要保证司乘人员的舒适与安全。电动汽车的核心，是要用电气传动系统取代机械推进系统，用电池代替汽油作为车载能源，在零排放的前提下，满足燃油汽车各项性能、价格指标的要求。

采用永磁同步电机是目前电动车驱动电机的主要发展方向，但是目前永磁同步电机技术尚不完善，普遍存在一些问题：(1)永磁体存在退磁风险；(2)电机结构和工艺复杂，生产制造成本太高；(3)机械调速特性欠佳，调速范围不够宽广；(4)最大转矩倍数偏低，巡航和爬坡力不从心；(5)温升偏高。

永磁同步电机是利用永磁体建立励磁磁场的同步电机，其定子三相绕组 产生旋转磁场，转子磁极用永磁材料制成，磁场相互作用使转子转动。永磁同步电机具有效率高、功率因数高、转矩和功率密度大、可靠性高和便于维护等优点。永磁电机可以高速运转，定子绕组匝数少，电机的电磁时间常数较小，电机的动态特性好.其极限转速和制动性能等都优于其它类型的电机。但是汽车内环境温度高，永磁材料在高温、振动和过高电流作用下，会发生磁性衰退现象。由于电机永久性磁场的存在，使恒功率范围时电机的控制较为困难，在无载荷的情况下，会发生磁性衰退现象，降低永磁电机的性能。此外多种永磁电机效率偏低，温升高，最大功率和最大扭矩过小，等等，需要研发一种超高效和功率因数以及机械性能优良而价格较低的永磁电机，适应当今纯电动汽车发展的需要。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于汽车的永磁电动机，应用了一种新型的转子铁芯结构、定子绕组结构以及新型的压铸铝机壳和端盖，全方位挖潜增效，使之具有超高效率和较高功率因数，良好的机械和电气性能，结构工艺简化，体质小重量轻，低成本，良好的环境适应性。具体技术方案如下：

一种用于汽车的永磁电动机，包括定子、转子、机壳、端盖、轴承、测温元件，旋转变压器及组件,转子包括转子冲片铁芯、小槽金属片、端板、端环和永磁体，定子包括定子线圈、定子冲片铁芯；所述转子冲片铁芯上设有n个V字型内置磁钢槽及2n个金属片小槽，每个V字型内置磁钢槽中嵌置2m块永磁体，每个金属片小槽中嵌置小槽金属片，n≥6,m≥1。

进一步，所述转子冲片铁芯包括六个嵌置永磁体的V字型内置磁钢槽。

进一步，所述嵌置永磁体的V字型内置磁钢槽两端设有隔磁桥，隔磁桥厚度为1.5-2mm。

进一步，所述转子冲片铁芯的轴向两端各有一个端环，此端环与小槽金属片的两端端板压接，构成转子笼体。

进一步，所述V字型内置磁钢槽中嵌置的永磁体，组成一磁极。

进一步，所述永磁体采用高性能钕铁硼，其表面镀锌，每个V字型内置磁钢槽中嵌置20块永磁体，永磁体采用两列并排组装结构。

进一步，所述金属片小槽为径向设置。

进一步，所述金属片小槽宽度为0.8-1.2mm，深14-18mm，所述金属片小槽在转子外圆端处有一连接桥，其厚度为1.5mm。

进一步，所述定子与转子间的气隙1.8-2.2mm，绕组的短距系数为0.833。

进一步，所述定子冲片铁芯的槽口宽度与气隙之比约为(1.1-1.15)：1.0，定子冲片铁芯的槽口处有附加磁性槽泥结构。

进一步，永磁电动机额定频率为150Hz,定子绕组的每个线圈匝数优选为1。

进一步，定子线圈六个极相为一组，绕成一串。

本发明的有益效果为：

本发明有超高效率和功率因数、高可靠性、成本低的特点。其主要特点是:(1)良好的输出特性。在起动和爬坡时，具有较大的输出转矩；在巡航时，具有较高的转速；(2)采用开有两个小槽的内嵌式V字型转子冲片结构，V型结构不用不锈钢作隔磁材料,两个小槽则减小了电机的转矩特性下凹畸变，有利于调速稳定。该小槽还减小了转子铁芯的附加损耗；(3)可靠性高，磁性能稳定不退磁。转子笼具有抑制浪涌冲击电流的功能，从而防止浪涌冲击电流引起的祛磁危害。此外在过载3倍输出功率时，永磁体的工作点高于最大磁能积点。采用高性能永磁体表面镀锌，且内置入转子冲片槽中，永磁体不外露，防止氧化弱磁，还采用磁稳定的工艺措施；(4) 由于采用陶瓷轴承，因此无轴承环流；(5)体质小重量轻，采用具有辐式散热筋的新型结构的压铸铝壳体和铝端盖；(6)采用内罝式小槽铜片，取消了铜片与铜端环间的焊接工艺；永磁体采用两列并排组装结构；(7)定子铁芯的槽口处有附加磁性槽泥结构，减小定转子铁芯的表面附加损耗，而且取消了定子铁芯的斜槽工艺；(8)噪声小，无风扇。本电机可达5000转/分高速,风扇需特除制造，本电机温升低，可取消风扇，减小了噪音，还减小了风扇损耗。

此外，本发明这种开有小槽的内嵌式永磁电动机是一种新型的无刷直流电机，借助旋转变压器还可以通过超前导通角，实现恒功率调速，通过优化控制超前角还可以进一步优化电机的效率。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为转子装配示意图

图3为小槽铜片和永磁体安装示意图

图4为定、转子冲片铁芯套裁组合冲制示意图；

图5为转子冲片铁芯示意图；

图6为定子冲片铁芯示意图；

图7为定子装配示意图；

1-左端盖；2-机壳；3-转子；4-测温元件；5-轴承；6-右端盖；7-定子冲片铁芯；9-旋转变压器；12-防水接头；13-出线；14-转轴；15-端板；31-转子紫铜端环；16-小槽铜片；17-紧圈；18-永磁体；19-隔磁桥；20-连接桥；21-定子槽。

具体实施方式

以下结合附图对发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发 明，并非用于限定本发明的范围。

如图1和图2所示，一种用于汽车的永磁电动机，包括定子、转子、机壳、端盖、轴承、测温元件，旋转变压器及组件。转子包括转子冲片铁芯、拉紧螺杆、小槽紫铜片、转轴、端板、紫铜端环和永磁体，定子包括定子线圈和定子冲片铁芯。小槽金属片优选紫铜片，端环采用紫铜材质，效果较好。

如图3和图4所示，转子冲片铁芯材质为0.35mm的优质硅钢片35W270，由两个V字型内置磁钢槽组成一磁极，共六个V字型组成六极。磁钢槽两端设有隔磁桥限制漏磁，隔磁桥厚度为1.5-2mm。每两个V型磁极之间有两个径向金属片小槽，小槽宽度为1mm，深15mm，该小槽顶部的连接桥厚度为1.5mm。逐一将各转子冲片直接热套在转轴上。省去价格较高的1Cr18Ni9Ti不锈钢作隔磁材料。转子冲片铁芯两端各有一个紫铜端环，此端环与小槽铜片的两端压接，构成转子笼体。转子冲片铁芯迭压拉紧后，逐一内置永磁体和小槽铜片，并且用螺杆将铜端环和铝端板轴向压紧，构成转子笼体。转子笼体具有抑制浪涌冲击电流的功能，从而防止浪涌冲击电流引起的祛磁危害。端板平面没有外露的螺釘头，减小了噪音，整个转子组装全过程避免了电焊环节，避免磁钢过热退磁。如图2所示，转子冲片铁芯的内圆直接热套在转轴上，可分四段逐段压紧，每段需用槽样棒保证槽型。转子铁芯冲片迭压拉紧后，在V字型磁钢槽中装入永磁体，在铜片小槽中加入小槽铜片，并且用螺杆将铜端环和铝端盖轴向压紧。

转子的永磁体采用高性能钕铁硼永磁体38UH，其表面镀锌，如图3所示，每个磁钢槽中嵌置20块矩形永磁体，永磁体采用两列并排组装结构。借助截面如同装磁钢形状一样的槽样棒工具，便可取消磁钢的胶粘工艺。小块永磁体不仅磁性能较好，有利于磁稳定，还有利于通过调整永磁体块数来调整永磁机的反电势，以获得更好的功率因数。如图3所示，铜片小槽内安装小槽金属片，即：紫铜片。紫铜片插入槽中后，两端各弯90度并紧贴转子冲片铁芯，紫铜片和铜端环不必焊接，靠螺杆压紧。

永磁电机定子和转子间的气隙较大，为1.8-2.2mm(约为异步电机3.0倍)，同时绕组的短距系数采用0.833，有效削弱了五次和七次谐波，可确保永磁电机具有较大的过载倍数和良好的线电压波形，降低铁芯的谐波损耗。定子与转子间的气隙为1.8-2.2mm，此宽度超大气隙设计。绕组的短距系数为0.833。同时还减小了铁芯的附加损耗。

如图5所示，定子冲片铁芯的槽口宽度为2.4mm，减小铁芯附加损耗。定子槽口在原有竹槽锲基础上，附加磁性槽泥结构，磁性槽泥的导磁系数为5.8—6.4.进一步降低铁芯的附加损耗。另外，每块冲片需要打毛刺处理。整个铁芯可分段逐一叠压。当槽口宽度与气隙之比>1.1时，定子槽口需采取附加磁性槽泥结构，以进一步降低铁芯的表面损耗和减小定子电流约6％,还可避免采用定子铁芯斜槽工艺。

定子装配如图7所示，外部机壳采用新型结构的压铸铝机壳(6030)，减轻重量。定子冲片铁芯有绕组，采用VIP真空压力整浸工艺。测温元件采用端面型铂电阻元件，安装于机壳板上的螺孔内，对电机进行过热保护。

定子线圈六个极相组绕成一串，取消极间连线的焊接环节，由绕组线圈的尾端直接引到具有橡皮线套的出线孔,既节省了工时，又能保证三相电阻的平衡。定子绕组漆包线必须适应变频电源的环境,可采用大通变频漆包线。

永磁电动机额定频率为150Hz,定子绕组的每个线圈匝数为1。一方面没有砸间短路的可能性，既提高了可靠性，又取消了匝间耐压试验工艺，另一方面定子电磁时间常数较小，电机的动态特性好。此外，匝数为1使得电机的过载倍数，效率和温升都有明显改善。组合整体绕制结构，则取消了极间连线的焊接工艺。永磁电动机调速范围较宽广，其中小于3000r/min为恒转矩调速，大于3000r/min为恒功率调速。3000r/min以下，电机的反电势<供电电压，电枢反应呈助磁调速状态。3000r/min以上，电机的反电势＞供 电电压，电枢反应呈去磁弱磁调速状态。

轴承为陶瓷轴承，不导磁不导电，没有了轴承环流，摩擦系数小，耐磨耐腐触，降低了轴承温度,无油自润发，还减免了轴承的运行维护工作。

永磁电机体质小重量轻(额定频率f＝150Hz,缩小机座号；采用具有辐式散热筋的新型结构的压铸铝机壳6030，端盖采用压铸铝或合金铝，无风扇，减小了噪音，还减小了风扇损耗。

为改善电机低速运行性能，电机转速低于600r/min时，要求控制器电压提升1.3倍，可相应提升效率和功率因数，还降低了温升。电动汽车永磁电机的电压依系统需要可以为85—365V，本电机采用较低的电压，其额定电压为95V,这是因为高电压方案，需要较多的匝数，其结果热负荷变大，温升增高，最大转矩倍数下降。重要的是95V为安全电压。

本发明的永磁电机定转子间的气隙为1.8-2.2，约为普通异步电的3.0倍，同时绕组的短距系数采用0.833，有效削弱了五次和七次谐波，具有良好的线电压波形，减小铁芯附加损耗，实现超高效率：3000r/min时效率为97.1％，3000r/min时功率因数为0.98，以及在起动和爬坡时，具有较大的输出转矩，额定扭矩57.3Nm,最大输出扭矩约179.3Nm。

永磁电机采用额定频率f＝150Hz，电机的极数为6，每极磁通少，首选定子每槽绕组匝数为1。一方面没有匝间短路的可能性，提高了可靠性，另一方面定子电磁时间常数较小，电机的动态特性好，也有利于滑行能量和刹车能量的回收。此外，匝数为1使得电机的过载倍数、效率和温升都有明显改善。定子每相六个绕组采用组合整体绕制结构，取消了极间连线的焊接工艺。

如图4所示，定子冲片铁芯和转子冲片铁芯材质为0.35厚的优质硅钢片35W270,由于定子与转子间的气隙系超大气隙方案1.8-2.2mm，故定转子冲片可采取套裁组合冲制(二合一工序),定子冲片的内圆落料得以充分利用, 节省转子硅钢片材料约18Kg/台，又节省冲制工时约50％。每张冲片由一个V字型内置磁钢槽组成一磁极，磁钢槽两端设有隔磁桥限制漏磁，共六个V字型组成六极结构，V字型夹角为110度，采用这种结构，可省去价格较高的1Cr18Ni9Ti不锈钢作隔磁材料，而且简化了结构工艺。

转子冲片铁芯中每个V字型内还有两个内置紫铜片的径向小槽，小槽宽约1mm，深约15mm，其外圆处留有1.5mm联接桥。使得Xd≈Xq,减小了电机的转矩特性下凹畸变，有利于调速平稳。此外，该小槽还减小了转子铁芯的附加损耗。转子冲片的内圆直接热套在转轴上。冲片迭压拉紧后，内置永磁体和小槽铜片，并且用螺杆将铜端环和铝端板轴向压紧，端板平面没有外露的螺釘头，整个转子组装过程避免了电焊环节，避免磁钢热退磁。

转子采用高性能钕铁硼永磁体38UH，其表面镀锌防氧化，每槽中嵌置20块矩形永磁体，永磁体采用两列并排组装结构，借助截面如同磁钢的槽样棒工具，不必胶粘，小块永磁体不仅有利于磁性能和磁稳定，也有利于通过调整永磁体块数来调整永磁机的反电势，以获得较好的功率因数。

永磁电机定子冲片铁芯槽口宽度为2.4mm，槽口宽与气隙之比约为1.2，槽口宽度与气隙之比>1.1时，定子槽口需在原竹槽楔的基础上附加磁性槽泥结构，磁性槽泥的导磁系数约为5.8，可以进一步降低铁芯的表面损耗和减小定子电流,还可避免采用定子铁芯斜槽工艺。

永磁电机采用额定频率f＝150Hz，使得整机永磁钢明显减少，节约成本。电机单位磁钢用量0.124Kg/千瓦，加之多项结构工艺简化，单位成本可降到200元/千瓦。

永磁电机体质小重量轻。采用额定频率f＝150Hz,相对Y系列电机，缩小3个机座号。采用具有辐式散热筋的新型结构的压铸铝壳体6030和铝端盖。取消了风扇,减轻重量，降了噪音，提高了效率。

永磁电机采用陶瓷轴承，不导磁不导电，没有了轴承环流，摩擦系数小， 降低了轴承温度，不用油脂，免维护。

永磁电机可靠性高，磁性能稳定。永磁体工作点适当，在3倍输出功率时，永磁体的工作点(b＝0.6164；h＝0.3836),略高于永磁体的最大磁能积点，磁钢得于安全而且充份利用。同时采用高性能永磁体38UH，表面镀锌，不外露，内置入转子冲片槽中，避免氧化退磁。此外还采用磁稳定的工艺措施，出厂前必经过突然短路的冲击电流试验，确保磁性能稳定不退磁。

本电机最大扭矩179.3Nm，以及缩小机座号的同时,转轴相应缩小，为满足超大扭矩，转轴需采用优质合金钢42CrMo，必须调质处理，而且转轴各台阶有圆弧过度，减小应力集中，避免转轴的疲劳断裂。低于600r/min时，采用电压提升1.3倍，可改善低速性能，在低速运行时，提升了效率和功率因数，还降低了温升。

本发明的特点为：

(1)良好的输出特性。在起动和爬坡时，具有较大的输出转矩(额定扭矩57.3Nm,最大扭矩179.3Nm)；在巡航时，具有较高的转速(额定转速3000r/min；最大转速5000r/min；)；

(2)采用开有两个小槽的内嵌式V字型转子冲片结构，V型结构不用不锈钢作隔磁材料，小槽使得Xd≈Xq,减小了电机的转矩特性下凹畸变，有利于调速稳定。该小槽还减小了转子铁芯的附加损耗；

(3)可靠性高，磁性能稳定不退磁。转子笼具有抑制浪涌冲击电流的功能，从而防止浪涌冲击电流引起的祛磁危害。此外在过载3倍输出功率(54Kw)时，永磁体的工作点高于最大磁能积点。采用高性能永磁体38UH，其表面镀锌，且内置入转子冲片槽中，永磁体不外露，防止氧化弱磁。最后还采用磁稳定的工艺措施；

(4)无轴承环流(采用陶瓷轴承)；

(5)体质小重量轻。采用额定频率f＝150Hz,相对Y系列电机，可缩小3 个机座号；采用具有辐式散热筋的新型结构的压铸铝壳体和铝端盖；

(6)简化定转子的制作工艺。本电机气隙较大，定转子冲片可采取套裁组合冲制,定子冲片的内圆落料得以充分利用,节省转子硅钢片材料约18Kg/台，节省工时约50％；每相定子绕组的六个极相组，采用组合整体绕制结构，取消了极间连线的焊接工艺；采用内罝式小槽铜片，且通过拉紧螺杆将铜端环和铝端板压接，取消了铜片与铜端环间的焊接工艺；永磁体采用两列并排组装结构，借助截面如同磁钢的槽样棒工具，便可取消磁钢的胶粘工艺；

(7)噪声小(表面平滑光洁，防护等级IP54，无风扇)。

以上所述仅为本发明的较佳组合实施举例，并不用以限制本发明，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 (12)

1.一种用于汽车的永磁电动机，包括定子、转子、机壳、端盖、轴承、测温元件，旋转变压器及组件,其特征在于，转子包括转子冲片铁芯、小槽金属片、端板、端环和永磁体，定子包括定子线圈、定子冲片铁芯；所述转子冲片铁芯上设有n个V字型内置磁钢槽及2n个金属片小槽，每个V字型内置磁钢槽中嵌置2m块永磁体，每个金属片小槽中嵌置小槽金属片，n≥6,m≥1。

2.根据权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于，所述转子冲片铁芯包括六个嵌置永磁体的V字型内置磁钢槽。

3.根据权利要求1或2所述的永磁电动机，其特征在于，所述嵌置永磁体的V字型内置磁钢槽两端设有隔磁桥，隔磁桥厚度为1.5-2mm。

4.根据权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于，所述转子冲片铁芯的轴向两端各有一个端环，此端环与小槽金属片的两端端板压接，构成转子笼体。

5.根据权利要求1或2或3所述的永磁电动机，其特征在于，所述V字型内置磁钢槽中嵌置的永磁体，组成一磁极。

6.根据权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于，所述永磁体采用高性能钕铁硼，其表面镀锌，每个V字型内置磁钢槽中嵌置20块永磁体，永磁体采用两列并排组装结构。

7.根据权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于，所述金属片小槽为径向设置。

8.根据权利要求1或7所述的永磁电动机，其特征在于，所述金属片小槽宽度为0.8-1.2mm，深14-18mm，所述金属片小槽在转子外圆端处有一连接桥，其厚度为1.5mm。

9.根据权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于，所述定子与转子间的气隙1.8-2.2mm，绕组的短距系数为0.833。

10.根据权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于，所述定子冲片铁芯的槽口宽度与气隙之比约为(1.1-1.15)：1.0，定子冲片铁芯的槽口处有附加磁性槽泥结构。

11.根据权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于，永磁电动机额定频率为150Hz,定子绕组的每个线圈匝数优选为1。

12.根据权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于，定子线圈六个极相为一组，绕成一串。