CN110474507A - 一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机，包括由外向内依次设置的定子1，转子2，转轴7；定子1由定子齿8、定子槽9、定子轭10组成，相邻两个定子齿8之间形成定子槽9，定子齿8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10连为一体；定子槽9内设置有电枢绕组，电枢绕组不完全充满定子槽9；定子1内壁与转子2外壁间具有气隙；转子2与转轴7通过键连接，同心旋转。本发明由于仅采用了单一励磁源实现了气隙磁场可变的优势，不需要增加额外的电励磁绕组，也不需要额外引入能在线调磁的低矫顽力永磁材料，结构简单、紧凑，便于制造加工，并且避免了额外的损耗，有利于提升电机的效率。

Description

一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机

技术领域

本发明属于永磁电机制造技术领域，涉及到内置式永磁同步电机，特指一种具有低凸极率特性的内置式永磁同步电机。

背景技术

近年来，全球传统燃油汽车产业的快速发展与石油短缺、环境污染等矛盾日益突出。电动汽车以其高效率、零排放等显著优点，已成为新能源汽车发展的主攻方向之一。与此同时，电动汽车复杂的行驶环境和多变的运行工况对电机及其驱动系统提出了更为苛刻的性能需求。永磁同步电机以其高功率密度、高效率、高控制精度等优势，已在电动汽车电驱动系统中获得了广泛应用。然而，传统永磁同步电机中恒定的永磁磁势导致气隙磁通难以调节，弱磁升速困难，限制了其转速范围，降低了高速运行区间的效率。如何提高永磁同步电机的中高速运行区的效率、拓宽调速范围已成为国内外电动汽车驱动领域的研究热点。

目前，传统永磁同步电动机“弱磁”升速的通常方法是采用矢量控制策略，通过三相定子绕组持续通入起去磁作用的d轴电流分量，由d轴电流分量产生的去磁磁动势削弱d轴永磁磁场。但是，传统永磁同步电动机的转子d轴上存在磁导率接近空气的永磁体，而且d轴电感较小，弱磁效果不明显，因而“弱磁”扩速困难。由于这种弱磁方式必须持续施加d轴电流，增加了逆变器容量以及产生过多的附加损耗，降低了电机在高速区域的效率。就电机结构创新方面，目前实现电动汽车用驱动永磁电机宽调速性能的方法众多。从技术层面归纳起来，可以分为以下四类，分别为永磁助磁技术、混合励磁技术、磁场增强技术、记忆永磁材料调磁技术。

中国专利201820689498.0提出了一种永磁助磁式同步磁阻电机，该类电机结构相对简单，仅通过对d、q磁路磁阻的改造及减小永磁体用量，即可降低永磁磁链实现弱磁升速。然而，需要指出的是，由于该类电机磁阻转矩的高效利用，电机基速以下即运行在深度弱磁状态，不可避免地对永磁体形成不可逆退磁的危险，目前的研究还无法完全解决该类电机的这一弊端，限制了永磁助磁式同步磁阻电机的进一步发展。中国专利号201810293025.3提出了一种混合励磁电机，采用励磁绕组和永磁体共同组成激励源，通过调节励磁电流的大小，为永磁体充去磁，从而控制气隙磁密的大小，实现永磁电机的宽调速范围运行。然而该类电机增加了一套励磁绕组，损耗增加，且增加了机械结构的复杂性，导致其在电动汽车应用领域较难推广；中国专利号201610537453.7提出了一种磁场增强型永磁电机，一定程度上解决了传统内置永磁无刷电机恒功率调速范围小的不足，吸引了众多学者的关注。但该类电机结构设计上存在明显的瓶颈，即由于d轴永磁体的存在，必然形成一定的磁阻，增大q轴电感与保证转矩输出对电机结构设计形成了不可调和的矛盾；中国专利号201810357243.9提出了一种双定子“记忆电机”，“记忆电机”采用低矫顽力永磁体(铝镍钴等)提供气隙磁通，通过调节电流脉冲直接改变低矫顽力永磁体的磁化状态，从而实现气隙磁通连续可调的目的。该类电机为电动汽车宽调速运行提供了可能，但仍存在结构复杂、中高速区效率低等缺点，且低矫顽力永磁材料并非能完全“记忆”磁化水平，存在着磁化状态不稳定的问题。

发明内容

本发明的主要内容是解决永磁同步电机弱磁调速所存在的问题，提出一种电动汽车用多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机。该电机具有低速重载少漏磁，高速轻载多漏磁的特点，可以满足电动汽车低速大转矩、高速恒功率以及灵活调速的应用需求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机，包括由外向内依次设置的定子(1)，转子(2)，转轴(7)；

定子(1)由定子齿(8)、定子槽(9)、定子轭(10)组成，相邻两个定子齿(8)之间形成定子槽(9)，定子齿(8)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(10)连为一体；定子槽(9)内设置有电枢绕组，电枢绕组不完全充满定子槽(9)；定子(1)内壁与转子(2)外壁间具有气隙；转子(2)与转轴(7)通过键连接，同心旋转。

进一步，定子(1)与转子(2)均采用厚度为0.35mm的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95；绕组采用漆包铜导体材料，表层涂有绝缘材料；转轴(6)由不导磁材料构成。

进一步，定子齿(8)的径向中心处的齿宽记t₁，定子轭(10)的径向宽度为t₂,满足t₂＝2～3t₁。

进一步，转子(2)相邻极间均设有交轴磁障(5)，转子(2)上的交轴磁障(5)沿圆周方向均匀分布，交轴磁障(5)由两段磁障组成，分别是靠近气隙一侧的椭圆形磁障和靠近转轴一侧的两段弧形磁障。

进一步，共有8块由椭圆形磁障和弧形磁障组成的交轴磁障(5)。

进一步，转子(2)每极均固定镶嵌两块矩形钕铁硼永磁体(3)，钕铁硼永磁体(3)采用V型放置，V型开口朝向气隙，两块钕铁硼永磁体(3)连接处设有空气槽(4)，每极上的两段钕铁硼永磁体(3)的结构尺寸相同且相对于所在极中心线对称，并且中心线上设有直轴磁障(6)将两段钕铁硼永磁体(3)隔开。

进一步，相邻两极上的钕铁硼永磁体(3)采用交替充磁方式，同一极上钕铁硼永磁体(3)都采用切向充磁方向，同一极上的钕铁硼永磁磁钢成90度方向对角充磁，永磁磁通在气隙处交汇。

进一步，定子(1)沿转子(2)的同一极中心线的方向为直轴，与直轴对应的电机电感称为直轴电感，转子(2)的相邻两极中心线方向为交轴，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。

1.在转子直轴磁路上采用V形放置的钕铁硼永磁材料，永磁体采用切向充磁方式，产生聚磁效应来提高永磁体利用率。在交轴磁路上即相邻磁极间设置一层弧形和一层椭圆形气隙磁障，从而在双层磁障与气隙之间形成两条漏磁支路以实现该电机磁场可变的优势。与目前已提出的调节电机气隙磁场的方法不同的是，该电机采用钕铁硼永磁材料作为单一励磁源，不需增加额外的励磁源。一般来说，永磁无刷电机的永磁磁源产生的总磁通＝有效主磁通+漏磁通，由于总磁通始终保持恒定，本发明设计的电机采取通过调节漏磁通来调节电机的有效主磁通。采用i_d＝0控制时，当电机轻载运行，输入较小的电枢电流i_q，由于独特的交轴磁障的设计，漏磁支路的磁阻较小，永磁体产生的永磁磁通趋向于通过漏磁支路进入相邻极的永磁体形成回路，而不是穿过气隙进入定子铁心；当电机重载运行，增加输入的电枢电流i_q，随着i_q的不断增加导致漏磁支路产生饱和，增大了漏磁支路的磁阻，从而永磁体产生的永磁磁通更加趋向于穿过气隙，而不是通过漏磁支路，综上即通过调节电枢电流i_q达到了气隙磁场可变的目的。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1.本发明涉及一种低凸极率转子永磁电机，由于较低的转子凸极率，d、q轴电感大小接近，电机低速重载时，电机处于较小的d轴电流分量运行，永磁体不可逆退磁风险降低。

2.本发明由于仅采用了单一励磁源实现了气隙磁场可变的优势，不需要增加额外的电励磁绕组，也不需要额外引入能在线调磁的低矫顽力永磁材料，结构简单、紧凑，便于制造加工，并且避免了额外的损耗，有利于提升电机的效率。

3.本发明中的V型永磁体产生的磁通在转子q轴椭圆磁障与弧型分段磁障引流下，气隙磁场在电机转子极间过渡更加平缓，提高了电机的反电势正弦度，有利于电机的控制。

4.本发明中的弧型分段磁障与气隙之间的形成独特的极间漏磁桥，该漏磁桥是q轴磁通与永磁体漏磁通的交汇区域。电机弱磁运行时，对q轴电流分量大小的灵活控制，可实现漏磁桥磁通饱和程度的控制，从而实现漏磁大小的灵活调控，进而实现低速重载少漏磁，高速轻载多漏磁的效果。

5.本发明中的电机在弱磁调速过程中，d轴磁通与永磁体主磁通形成反向串联，q轴磁通与永磁体漏磁通形成反向串联，因此，通过d、q轴电流的调节，即可实现对d、q轴磁通大小和方向的控制，可为永磁体的主/漏磁通的合理匹配提供了调控的可能。

6.本发明电机转子中的椭圆磁障在弧型磁障与气隙之间的导磁区域构造出两条漏磁路径。椭圆磁障与弧型磁障封堵了q轴磁通在转子中的下行的路径，致使q轴磁路在转子中由两条路径变为一条，减小了q轴电感，降低了电机转子凸极率，从更有利于漏磁通的控制。此外，在同极一对永磁体间径向设置了一块矩形气隙磁障，进一步降低了交轴电感，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。

7.本发明电机转子弧型磁障中段导磁桥的建立，在不影响转子漏磁特性的基础上，增强了电机高转速下的机械强度。

附图说明

下面根据附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明漏磁可变式永磁无刷电机的径向截面结构示意图；

图2是图1中定子结构示意图及三相绕组分布图；

图3是图1中转子局部与交轴磁障的结构及几何尺寸标注放大示意图；

图4是图3中钕铁硼永磁体与直轴磁障的结构及几何尺寸标注放大示意图；

图5是图1中转子上的钕铁硼永磁体的充磁示意图；

图6是图1中转子上的直轴、交轴示意图；

图7是本发明电机多工况运行磁路示意图。(a)为空载状态；(b)为重载状态；(c)为极限弱磁状态；

图8是本发明漏磁可变特性的示意图；

图9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10是本发明和传统内置式永磁无刷电机的功率随转速变化比较图；

图中：1.定子；2.转子；3.钕铁硼永磁体；4.空气槽；5.交轴磁障；6.直轴磁障；7.转轴；8.定子齿；9.定子槽；10.定子轭。

具体实施方式

参见图1，图2，本发明包括定子1，转子2，转轴7，定子1圆周方向均匀分布36个定子槽9，定子槽9内设置有电枢绕组，电枢绕组不完全充满定子槽9，槽满率大小与电机绕组温升以及冷却系统的设计有关；定子1内壁与转子2外壁间具有气隙，气隙的厚度与电机的功率等级、永磁材料、定子1与转子2的加工及装配工艺有关；转子2与转轴7通过键连接，同心旋转。定子1与转子2均采用厚度为0.35mm的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95；绕组采用漆包铜导体材料，表层涂有绝缘材料；转轴6由不导磁材料构成。

参见图2，定子1由定子齿8、定子槽9、定子轭10组成。相邻两个定子齿8之间形成定子槽9，定子齿8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10连为一体。定子齿8的径向中心处的齿宽记t₁，定子轭10的径向宽度为t₂,为了防止定子轭10的磁路饱和，要求t₂＝2～3t₁。

此外，电枢绕组安置于定子槽9内。图2中“+”为电枢绕组的进线方向，“-”为电枢绕组的出线方向，A、B、C为电机三相绕组。本发明的电机含有36槽，电枢绕组按图2中标注的顺序呈双层分布式排列。

参见图3，选取了本发明电机转子的1/4结构。转子2相邻极间均设有交轴磁障5，交轴磁障5由两段磁障组成，分别是靠近气隙一侧的椭圆形磁障和靠近转轴一侧的弧形磁障。其中，椭圆形磁障的宽度和厚度分别为l₅₁和h₅₁，摆放位置由与转轴圆心的距离R₅决定；弧形磁障的厚度为h₅₂，宽度由角度θ₅表示，摆放位置由与外心O3的距离r₅决定；弧形磁障的中间保留宽度为l₅₂的导磁材料，以保证电机的机械强度。交轴磁障5的尺寸直接影响了本发明电机独特的漏磁可变特性，尺寸偏小或偏大都会导致电机性能的差异。转子2上的交轴磁障5沿圆周方向均匀分布，共有8块由椭圆形磁障和弧形磁障组成的交轴磁障5。

参见图3与图4，转子2每极均固定镶嵌两块矩形钕铁硼永磁体3，钕铁硼永磁体3采用V型放置，V型开口朝向气隙，两块钕铁硼永磁体3连接处设有空气槽4，用于减小钕铁硼永磁体3连接处的自漏磁。每极上的两段钕铁硼永磁体3的结构尺寸相同且相对于所在极中心线对称，并且中心线上设有直轴磁障6将两段钕铁硼永磁体3隔开。图4仅给出了同一极的钕铁硼永磁体3的放大示意图，参加图1，本发明提出的8极电机共有16段钕铁硼永磁体3沿圆周方向均匀嵌入转子2中。

参见图3，图4，每极V型放置的钕铁硼永磁体3由两段矩形钕铁硼永磁体组成，两段钕铁硼永磁体关于所在极的中心线对称分布且结构相同，长度都为l₃，厚度都为h₃。参见图3，使用其中一段钕铁硼永磁体3与交轴中心线的夹角θ₃作为确定钕铁硼永磁体3倾斜角度的参数。同极两块钕铁硼永磁体3连接处的空气槽4的弧半径分别为r₄₁和r₄₂。同极中心线上设有直轴磁障6，其厚度为l₆，长度为h₆，摆放位置由与转轴圆心的距离R₆决定。转子2上的空气槽4和直轴磁障6均沿圆周方向均匀分布，共有8段空气槽4和8段直轴磁障6。转子2上的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块。

参见图5，相邻两极上的钕铁硼永磁体3采用交替充磁方式，同一极上钕铁硼永磁体3都采用切向充磁方向，同一极上的钕铁硼永磁磁钢成90度方向对角充磁，永磁磁通在气隙处交汇，形成聚磁效果。

参见图6，定子1沿转子2的同一极中心线的方向为直轴，与直轴对应的电机电感称为直轴电感，转子2的相邻两极中心线方向为交轴，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。

本发明在工作时，可采用直轴电流i_d＝0的控制方法，能够有效体现出本发明具有的漏磁可变特性带来的电机磁场可调以及调速范围宽等优势。参见图3，当电机轻载运行，输入较小的交轴电流i_q，由于交轴磁障5形成的漏磁支路磁阻低，钕铁硼永磁体3产生的磁通路径p₁如下：依次经过初始钕铁硼永磁体3、转子2、交轴磁障5形成的漏磁支路、转子2、相邻极钕铁硼永磁体3、转子2、初始钕铁硼永磁体3形成闭合回路。当电机重载运行，输入较大的交轴电流i_q，随着交轴电流的增加导致交轴磁障5形成的漏磁支路产生饱和，其磁阻值随之增大，钕铁硼永磁体3产生的磁通路径p₂如下：依次经过初始钕铁硼永磁体3、转子2、定转子间气隙、定子齿8、定子轭10、定子齿8、定转子间气隙、转子2、相邻极钕铁硼永磁体3、转子2、初始钕铁硼永磁体3形成闭合回路。

参见图7，电动汽车运行过程中，存在着多种运行工况。为满足电动汽车频繁加速、启动以及重载爬坡等工况需求，车用驱动电机则需具有较快的动态响应能力和较大的峰值转矩输出能力。为满足高速巡航等运行工况，电机还需要具备宽调速运行能力。基于电动汽车的上述需求，图7给出了本发明中电机在不同工况下的运行状态。如图a所示，电机处于空载状态，此情况代表着电机的极限轻载状态。此时定子绕组中无电流通过，无电枢磁通。由于该电机转子存在较大的极间磁桥，因此，大量的永磁磁通通过极间磁桥在其相邻两极之间形成漏磁。随着电机运行状态由空载向重载转变，q轴电流的增大将使极间磁桥的饱和程度逐渐增加。图(b)代表着电机的最大负载状态，电机的重载运行往往需要较大的q轴电流来保证大的转矩输出，此时较大的q轴电流产生的磁通在极间桥形成完全饱和，封堵了漏磁路径，永磁磁通的漏磁消失，全部由d轴经过气隙进入定子与电枢绕组匝链产生转矩，满足电动汽车重载爬坡需求。当电机转速达到额定转速后，电机进入弱磁运行状态。图(c)代表着电机的极限弱磁状态。此时电枢电流全部转变为d轴去磁电流分量。由于无q轴电流，极间磁桥饱和程度降到最低，永磁体漏磁大量存在，降低了d轴气隙磁通。同时，d轴去磁磁通可经过极间磁桥形成磁通回路，无需穿过磁阻较大的永磁体。此状态下，漏磁与弱磁同步进行，共同削弱了电机d轴气隙磁场，为电机的高速弱磁运行提供了有益帮助。

通常来说，在设计电机时，为了充分利用永磁体产生的有效主磁通，会尽可能地减少永磁体的漏磁。然而对于本发明提出的电机，为了使漏磁通顺利地进入相邻极钕铁硼永磁体3，交轴磁障5间形成漏磁支路供漏磁通通过。当电机轻载运行，漏磁通增加，主磁通减少，更少的弱磁电流使调速范围拓宽；当电机重载运行，漏磁支路由于饱和作用减少了可通过的漏磁通，主磁通增加进入定子1，提供足够的转矩输出能力。参见图8，给出了在i_d＝0控制下的电机直轴磁链随交轴电流i_q的变化关系，从图中可以看出，随着交轴电流的不断增加，直轴磁链随之增加，磁链的变化率达到了25％。当直轴磁链达到最大值后，由于饱和效应直轴磁链略微降低。综上，本发明提出的电机在轻载运行时可以提供较小的磁链水平，以减少轻载工况下永磁磁链所带来的铁耗；而在重载运行时，又可以将磁链增加到较高的水平，以满足重载时的大转矩需求。因此，通过本发明的独特结构设计，达到了永磁无刷电机磁场可调的目的。

参见图9与图10，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，实线代表本发明电机，虚线表示传统内置式永磁无刷电机。由图9可知，电机低速运行时，本发明电机输出与传统电机相近的转矩，同时由于本发明电机独特的漏磁可变特性，本发明电机的调速范围远宽于传统内置式永磁无刷电机。由图10可知，电机低速运行时，采用最大转矩启动，两台电机功率上升曲线接近重合。而与转矩转速曲线类似的是，随着电机转速的提升，本发明电机由于独特的漏磁可变特性能够始终保持较高的功率水平，因此同样可以验证，相比于传统内置式永磁无刷电机，本发明电机具有更宽的调速范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机，其特征在于，包括由外向内依次设置的定子(1)，转子(2)，转轴(7)；

定子(1)由定子齿(8)、定子槽(9)、定子轭(10)组成，相邻两个定子齿(8)之间形成定子槽(9)，定子齿(8)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(10)连为一体；定子槽(9)内设置有电枢绕组，电枢绕组不完全充满定子槽(9)；定子(1)内壁与转子(2)外壁间具有气隙；转子(2)与转轴(7)通过键连接，同心旋转。

2.根据权利要求1所述的一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机，其特征在于，定子(1)与转子(2)均采用厚度为0.35mm的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95；绕组采用漆包铜导体材料，表层涂有绝缘材料；转轴(6)由不导磁材料构成。

3.根据权利要求1所述的一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机，其特征在于，定子齿(8)的径向中心处的齿宽记t₁，定子轭(10)的径向宽度为t₂,满足t₂＝2～3t₁。

4.根据权利要求1所述的一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机，其特征在于，转子(2)相邻极间均设有交轴磁障(5)，转子(2)上的交轴磁障(5)沿圆周方向均匀分布，交轴磁障(5)由两段磁障组成，分别是靠近气隙一侧的椭圆形磁障和靠近转轴一侧的两段弧形磁障。

5.根据权利要求4所述的一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机，其特征在于，共有8块由椭圆形磁障和弧形磁障组成的交轴磁障(5)。

6.根据权利要求4所述的一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机，其特征在于，转子(2)每极均固定镶嵌两块矩形钕铁硼永磁体(3)，钕铁硼永磁体(3)采用V型放置，V型开口朝向气隙，两块钕铁硼永磁体(3)连接处设有空气槽(4)，每极上的两段钕铁硼永磁体(3)的结构尺寸相同且相对于所在极中心线对称，并且中心线上设有直轴磁障(6)将两段钕铁硼永磁体(3)隔开。

7.根据权利要求6所述的一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机，其特征在于，相邻两极上的钕铁硼永磁体(3)采用交替充磁方式，同一极上钕铁硼永磁体(3)都采用切向充磁方向，同一极上的钕铁硼永磁磁钢成90度方向对角充磁，永磁磁通在气隙处交汇。

8.根据权利要求1所述的一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机，其特征在于，定子(1)沿转子(2)的同一极中心线的方向为直轴，与直轴对应的电机电感称为直轴电感，转子(2)的相邻两极中心线方向为交轴，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。