CN110350689A - 复合式永磁电机 - Google Patents
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Abstract
一种复合式永磁电机，涉及电机技术领域，所解决的是提高弱磁扩速能力的技术问题。该电机包括定子、转子，所述转子上设有多个永磁单元，各个永磁单元围绕转子的轴心对称间隔布设，并且每个永磁单元均被转子的直轴分为对称的两半；所述永磁单元包括永磁槽，及嵌置在永磁槽内的复合磁体，所述复合磁体由第一永磁体、第二永磁体层叠而成，并且第一永磁体位于第二永磁体的外侧，并且第一永磁体的矫顽力大于第二永磁体的矫顽力。本发明提供的电机，能满足电动汽车、混合动力汽车驱动要求。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术，特别是涉及一种复合式永磁电机的技术。
背景技术
电动汽车驱动系统都采用内置式永磁同步电机（IPMSM）作为动力源，内置式永磁同步电机采用永磁体励磁，其磁场恒定，不能调节，因此存在着弱磁扩速能力困难的缺陷。电机参数和尺寸一定时，转速随电压增加而上升，在基速以上的恒功率运行区域，随着转速升高，由于供电电压的限制（电动汽车用电机由电池供电），难以恒功率提速；此外，在电机的直轴（d轴）上，永磁体的磁导率接近空气，直轴电感Ld小，增加弱磁升速的困难。
现有的内置式永磁同步电机必须通过弱磁，通过调节定子电流（即增加定子直轴去磁电流分量-Id）来获得磁阻转矩，以电机气隙磁场的减弱来等价于直接减弱励磁磁场来达到弱磁，弱磁扩速范围窄，定子损耗大，系统（电机和控制器）效率低，同时增加直轴电枢电流-Id将导致磁钢不可逆退磁风险，加厚磁钢又将增加转子离心力和成本。因此现有的内置式永磁同步电机存在着功率和转矩密度低，高速恒功率范围窄、转矩波动大、过载能力和系统效率低、磁钢退磁风险大和可靠性差等缺陷，这些缺陷制约着驱动电机的研发及其产业化进步。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种弱磁扩速能力好的复合式永磁电机。
为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种复合式永磁电机，包括定子、转子，所述转子上设有多个永磁单元，各个永磁单元围绕转子的轴心对称间隔布设，并且每个永磁单元均被转子的直轴分为对称的两半；其特征在于：
所述永磁单元包括永磁槽，及嵌置在永磁槽内的复合磁体，所述复合磁体由第一永磁体、第二永磁体层叠而成，并且第一永磁体位于第二永磁体的外侧，并且第一永磁体的矫顽力大于第二永磁体的矫顽力。
进一步的，第一永磁体的长度与第二永磁体的长度相同。
进一步的，第一永磁体的厚度小于第二永磁体的厚度。
进一步的，所述永磁槽及嵌置在永磁槽内的复合磁体均呈一字型，第二永磁体的厚度是第一永磁体的厚度的1.8～2.2倍。
进一步的，所述永磁槽呈V字型，并且在V字型的永磁槽嵌置有两个复合磁体，并且永磁槽内的两个复合磁体布设成V字型，并且第二永磁体的厚度是第一永磁体的厚度的1.6～2.0倍。
进一步的，所述永磁单元有两个一字型的永磁槽，并且该两个永磁槽沿转子的径向由内至外依次布设，复合磁体嵌置在内侧永磁槽内，外侧永磁槽内嵌置有第三永磁体，并且第三永磁体的矫顽力与第一永磁体的矫顽力相同。
进一步的，第三永磁体的厚度与第一永磁体的厚度相同。
进一步的，第三永磁体的长度小于第一永磁体的长度。
进一步的，复合磁体的两端各形成有一个内层隔磁槽，并且复合磁体两端的内层隔磁槽与内侧永磁槽相互隔断。
进一步的，第三永磁体的两端各形成有一个外层隔磁槽，并且第三永磁体两端的外层隔磁槽与外侧永磁槽相互隔断。
进一步的，第二永磁体的厚度是第一永磁体的厚度的1.6～2.2倍。
进一步的，所述永磁槽呈V字型，并且在V字型的永磁槽嵌置有两个复合磁体，并且永磁槽内的两个复合磁体布设成V字型；
转子上还设有多个磁障单元，各个磁障单元围绕转子的轴心对称间隔布设，并且每个磁障单元均被转子的交轴分成对称的两半，每个磁障单元包括两个内层磁障槽，两个内层磁障槽是弧顶朝内且半径相异的弧线形槽，并且两个内层磁障槽沿转子的径向从内至外同心布设。
进一步的，每个磁障单元还包括一个表面磁障槽，表面磁障槽是开设在转子周面的向内凹陷的凹槽。
本发明提供的复合式永磁电机，利用钕铁硼和铝镍钴永磁材料的矫顽力特性差异，组成磁路上串联的复合磁体永磁转子，既能获得较高的气隙磁通，提高效率和功率、转矩密度，又能通过定子直轴电流矢量脉冲产生的直轴电枢反应磁动势，来调控永磁槽内复合磁体中，矫顽力低的铝镍钴去磁和磁化程度，使一部分主磁通通过铝镍钴局部旁路，变成漏磁通，达到弱磁扩速，低速恒转矩运行，高速恒功率运行，并获得比现有永磁同步电机更宽广的恒功率速度范围，使电机综合品质大幅度提高，实现高功率密度、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行，满足电动汽车、混合动力汽车驱动要求。
附图说明
图1是本发明第一实施例的复合式永磁电机的径向截面示意图；
图2是本发明第二实施例的复合式永磁电机的径向截面示意图；
图3是本发明第三实施例的复合式永磁电机的局部径向截面示意图；
图4是本发明第四实施例的复合式永磁电机的局部径向截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围，本发明中的顿号均表示和的关系，本发明中的英文字母区分大小写。
如图1所示，本发明第一实施例所提供的一种复合式永磁电机，包括定子11、转子12，所述转子12上设有多个永磁单元，各个永磁单元围绕转子的轴心对称间隔布设，并且每个永磁单元均被转子的直轴（磁极中心线，d轴）分为对称的两半；其特征在于：
所述永磁单元包括一字型的永磁槽，及嵌置在永磁槽内的一字型复合磁体，所述复合磁体由第一永磁体131、第二永磁体132层叠而成，并且第一永磁体131位于第二永磁体132的外侧（朝向转子外圆一侧为外侧），并且第一永磁体131的矫顽力大于第二永磁体132的矫顽力，并且在转子的径向截面中，第一永磁体131的长度与第二永磁体132的长度相同，第一永磁体131的厚度h11小于第二永磁体132的厚度h12（设复合磁体的厚度为h10，则h10=h11+h12），并且在复合磁体的两端各形成有一个隔磁槽14，并且复合磁体两端的隔磁槽14与永磁槽连成一体。
本发明第一实施例中，第一永磁体131与第二永磁体132的厚度比例优选方案为：第二永磁体的厚度h12是第一永磁体的厚度h11的1.8～2.2倍。
本发明第一实施例中，复合磁体两端的两个隔磁槽起到减少漏磁作用，一字型复合磁体与极靴（转子铁心）构成磁极，第一永磁体采用的是钕铁硼磁体，第二永磁体采用的是铝镍钴磁体，第一永磁体与第二永磁体在磁路上串联，钕铁硼磁体与铝镍钴磁体的剩磁较接近，但矫顽力差别很大，钕铁硼磁体难以去磁和磁化，铝镍钴磁体容易去磁和磁化；优化第一永磁体、第二永磁体的厚度比例，既能获得较高的气隙磁通，提高效率和功率、转矩密度，又能通过转子的直轴电流矢量id脉冲产生的直轴电枢反应磁动势来调控永磁槽内复合磁体中，矫顽力低的第二永磁体的磁化和去磁程度，从而调控气隙主磁通（增强或减弱）；第二永磁体去磁时，使一部分主磁通通过第二永磁体局部旁路（短路），变成漏磁通，气隙主磁通减弱，达到弱磁扩速，低速恒转矩运行，高速恒功率运行，并获得比现有永磁同步电机更宽广的恒功率速度范围；磁路上串联、形成整体的条状矩形复合磁体整体充磁后嵌置在永磁槽内，结构紧凑，抗高速离心力，能有效降低电机噪音和转矩波动，使电机综合品质显著提高，实现高功率密度、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行，满足电动汽车、混合动力汽车驱动要求。
如图2所示，本发明第二实施例与第一实施例的区别在于：第二实施例中，转子22上的永磁槽呈V字型，并且在V字型的永磁槽嵌置有两个一字型复合磁体，并且永磁槽内的两个复合磁体布设成V字型，并且在每个复合磁体的两端都形成有隔磁槽24，并且复合磁体两端的隔磁槽24与永磁槽连成一体。
本发明第二实施例的复合磁体中，第一永磁体231与第二永磁体232的厚度比例优选方案为：第二永磁体的厚度是第一永磁体的厚度的1.6～2.0倍。
本发明第二实施例的工作原理与第一实施例类似，也能使电机综合品质显著提高，实现高功率密度、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行，满足电动汽车、混合动力汽车驱动要求；可获得比现有V型永磁结构的内置式永磁同步电机更宽广的恒功率速度范围；
比如：额定功率50KW，额定转速3000（r/min），额定转矩/最大转矩159/350（Nm）的电机，本发明第二实施例相比现有V型永磁结构的内置式永磁同步电机，效率从94.2%提高到96.78%，额定转矩（159Nm）下的电流从158A减小到150A，扩速范围从0-7000r/min提高到0-9500r/min，可见本发明第二实施例的结构能使电机扩速能力提高1.35倍。
如图3所示，本发明第三实施例与第一实施例的区别在于：第三实施例中的永磁单元有两个一字型的永磁槽，并且该两个永磁槽沿转子的径向由内至外依次布设，复合磁体嵌置在内侧永磁槽内，复合磁体的结构与第一实施例一致，外侧永磁槽内嵌置有第三永磁体333，并且第三永磁体333的矫顽力与第一永磁体331的矫顽力相同，并且在转子32的径向截面中，第三永磁体333的厚度与第一永磁体331的厚度相同，第三永磁体333的长度小于第一永磁体331的长度。
本发明第三实施例中，复合磁体的两端各形成有一个内层隔磁槽341，并且复合磁体两端的内层隔磁槽341与内侧永磁槽相互隔断；第三永磁体333的两端各形成有一个外层隔磁槽342，并且第三永磁体两端的外层隔磁槽342与外侧永磁槽相互隔断。
本发明第三实施例中，第一永磁体331与第二永磁体332的厚度比例优选方案为：第二永磁体的厚度是第一永磁体的厚度的1.6～2.2倍。
本发明第三实施例的工作原理与第一实施例类似，也能使电机综合品质显著提高，实现高功率密度、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行，满足电动汽车、混合动力汽车驱动要求。
如图4所示，本发明第四实施例与第二实施例的区别在于：第四实施例中的转子42上还设有多个磁障单元，各个磁障单元围绕转子的轴心对称间隔布设，并且每个磁障单元均被转子的交轴（极间中心线，q轴）分成对称的两半，每个磁障单元包括两个内层磁障槽451、452，及一个表面磁障槽453，两个内层磁障槽451、452是弧顶朝内且半径相异的弧线形槽，并且两个内层磁障槽451、452沿转子的径向从内至外同心布设，表面磁障槽453是开设在转子周面的向内凹陷的凹槽。
本发明第四实施例相对第二实施例增设了磁障单元，除了具备第二实施例的特点外，还通过磁障单元的作用，形成直轴电感大于交轴电感，从而通过增磁获得磁阻转矩，形成双重弱磁扩速结构，能相对第二实施例进一步的降低损耗，提高系统效率、功率密度和转矩密度，提高弱磁扩速能力，扩大恒功率范围运行。
Claims (13)
1.一种复合式永磁电机，包括定子、转子，所述转子上设有多个永磁单元，各个永磁单元围绕转子的轴心对称间隔布设，并且每个永磁单元均被转子的直轴分为对称的两半；其特征在于：
所述永磁单元包括永磁槽，及嵌置在永磁槽内的复合磁体，所述复合磁体由第一永磁体、第二永磁体层叠而成，并且第一永磁体位于第二永磁体的外侧，并且第一永磁体的矫顽力大于第二永磁体的矫顽力。
2.根据权利要求1所述的复合式永磁电机，其特征在于：第一永磁体的长度与第二永磁体的长度相同。
3.根据权利要求1所述的复合式永磁电机，其特征在于：第一永磁体的厚度小于第二永磁体的厚度。
4.根据权利要求3所述的复合式永磁电机，其特征在于：所述永磁槽及嵌置在永磁槽内的复合磁体均呈一字型，第二永磁体的厚度是第一永磁体的厚度的1.8～2.2倍。
5.根据权利要求3所述的复合式永磁电机，其特征在于：所述永磁槽呈V字型，并且在V字型的永磁槽嵌置有两个复合磁体，并且永磁槽内的两个复合磁体布设成V字型，并且第二永磁体的厚度是第一永磁体的厚度的1.6～2.0倍。
6.根据权利要求3所述的复合式永磁电机，其特征在于：所述永磁单元有两个一字型的永磁槽，并且该两个永磁槽沿转子的径向由内至外依次布设，复合磁体嵌置在内侧永磁槽内，外侧永磁槽内嵌置有第三永磁体，并且第三永磁体的矫顽力与第一永磁体的矫顽力相同。
7.根据权利要求6所述的复合式永磁电机，其特征在于：第三永磁体的厚度与第一永磁体的厚度相同。
8.根据权利要求6所述的复合式永磁电机，其特征在于：第三永磁体的长度小于第一永磁体的长度。
9.根据权利要求6所述的复合式永磁电机，其特征在于：复合磁体的两端各形成有一个内层隔磁槽，并且复合磁体两端的内层隔磁槽与内侧永磁槽相互隔断。
10.根据权利要求6所述的复合式永磁电机，其特征在于：第三永磁体的两端各形成有一个外层隔磁槽，并且第三永磁体两端的外层隔磁槽与外侧永磁槽相互隔断。
11.根据权利要求6所述的复合式永磁电机，其特征在于：第二永磁体的厚度是第一永磁体的厚度的1.6～2.2倍。
12.根据权利要求3所述的复合式永磁电机，其特征在于：所述永磁槽呈V字型，并且在V字型的永磁槽嵌置有两个复合磁体，并且永磁槽内的两个复合磁体布设成V字型；
转子上还设有多个磁障单元，各个磁障单元围绕转子的轴心对称间隔布设，并且每个磁障单元均被转子的交轴分成对称的两半，每个磁障单元包括两个内层磁障槽，两个内层磁障槽是弧顶朝内且半径相异的弧线形槽，并且两个内层磁障槽沿转子的径向从内至外同心布设。
13.根据权利要求12所述的复合式永磁电机，其特征在于：每个磁障单元还包括一个表面磁障槽，表面磁障槽是开设在转子周面的向内凹陷的凹槽。
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