CN112383161B - 一种性能可灵活调整的永磁电机及其性能调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种性能可灵活调整的永磁电机及其性能调节方法，包括电机壳体、定子、转子和电机轴，转子上设有磁钢，还包括磁化机构、电源及电机控制器系统，磁钢包括永磁体以及设置在永磁体至少一侧的软磁组件，磁化机构包括磁化线圈充磁头、小型旋转变压器的定子、小型旋转变压器的转子和磁化线圈引出线，小型旋转变压器的转子固定在电机轴的一端，小型旋转变压器的定子固定在壳体上，磁化线圈引出线连接磁化线圈充磁头和小型旋转变压器的转子，电机控制器系统与小型旋转变压器的转子的三相线连接。本发明利用软磁材料矫顽力低、在特定强度的磁场强度下容易控制充磁和退磁的特点，根据需求进行调整，进而改善电机的性能。
Description
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体地说，是涉及一种性能可灵活调整的永磁电机及其性能调节方法。
背景技术
新能源汽车要求电机高转矩密度、高功率密度、高转速高以满足良好的启动或爬坡能力、复杂的运行工况以及较高的车速，效率高、成本低亦是电机设计的重要指标；高磁能钕铁硼等永磁材料的问世，使电机设计进入了新时期。在低转速工况区域，电机需要输出很高的峰值转矩；在高转速工况区域，电机需要输出较高的持续功率。低速-高转矩意味着电机需要较高的反电势，而高速-高功率意味着电机需要较低的反电势，如何解决这一矛盾，是高转速永磁同步电机应用于新能源汽车研究的关键问题。
新能源汽车还要求电机效率高、热性能好，在低速工况区域，电机铜耗高，影响短时间内的峰值温升(主要是绕组温度)；在高速工况区域，电机铁耗高，影响电机的持续温升(磁钢温度或绕组温度)。如何提高电机效率、降低电机温升，是永磁同步电机应用于新能源汽车研究的关键问题。同时钕铁硼等永磁材料的资源稀少、价格昂贵、加工成本高，降低永磁材料的用量进而降低电机制造的成本亦具有很大意义。
另外，现有转子磁钢的设计具有局限性：为满足汽车高性能的需求通常采用剩余磁感应强度高、磁感应矫顽力大、磁能积高的高牌号磁钢，硬磁磁钢(永磁体)牌号固定，电机性能设计基本固定，低速峰值扭矩和高速持续功率矛盾无法解决、进一步提高效率、改善电机温升亦是难题，同时高牌号的磁钢成本很高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的第一个目的是提供一种性能可灵活调整的永磁电机，本发明的第二个目的是提供所述的永磁电机的性能调节方法。
为了实现上述第一个发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种性能可灵活调整的永磁电机，包括电机壳体、定子、转子和电机轴，所述定子设置在壳体内部，所述电机轴设置在转子中部，所述转子由多个转子冲片堆叠而成，且转子上设有磁钢，还包括磁化机构、电源及电机控制器系统，所述磁钢包括永磁体以及设置在永磁体至少一侧的软磁组件，所述磁化机构包括磁化线圈充磁头、小型旋转变压器的定子、小型旋转变压器的转子和磁化线圈引出线，所述小型旋转变压器的转子固定在电机轴的一端，所述小型旋转变压器的定子固定在壳体上与小型旋转变压器的转子对应的位置，所述磁钢上的两侧设有凹槽，所述磁化线圈充磁头设置在凹槽内，所述磁化线圈引出线连接磁化线圈充磁头和小型旋转变压器的转子，所述电机控制器系统与小型旋转变压器的转子的三相线连接。
作为优选方案：所述电机轴内沿轴向开设有第一通道，所述转子冲片上开设有第二通道，所述磁化线圈引出线依次穿过第一通道和第二通道后与磁化线圈充磁头连接。
作为优选方案：所述凹槽位于软磁组件的两侧，所述磁化线圈充磁头嵌设在凹槽内。
作为优选方案：所述永磁体与软磁组件紧密贴合后共同放置在转子冲片上的磁钢槽内，且软磁组件体积磁钢整体体积的20％～30％。
作为优选方案：所述电机壳体的一端设有电机后端盖，所述小型旋转变压器的定子固定在电机后端盖上。
作为优选方案：所述磁钢形成多对磁极，每对磁极成“一”字型、“V”字型、或者“U”字型。
为了实现上述第二个发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种如上所述的永磁电机的性能调节方法，所述电机控制器系统包括PEU控制单元，电机控制器系统实时监测电机当前转速，当电机转速大于设定的转速点时，PEU控制单元控制三相电流正id1，使得软磁组件的磁场方向和永磁体的磁场方向同向，进而使得电机转子正常工作于高速同向状态；当电机转速小于设定的转速点时，PEU控制单元控制三相电流正id2，使得软磁组件的磁场方向和永磁体的磁场方向同向，进而使得电机转子正常工作于低速同向状态；且id1的值小于id2的值。
作为优选方案：所述电机控制器系统包括PEU控制单元，电机控制器系统实时监测电机当前转扭，当电机转矩小于设定的转矩点时，PEU控制单元控制三相电流负id1，使得软磁组件的磁场方向和永磁体的磁场方向反向，进而使得电机转子正常工作于低转矩反向状态；当电机转速大于设定的转矩点时，PEU控制单元控制三相电流正id2，使得软磁组件的磁场方向和永磁体的磁场方向同向，进而使得电机转子正常工作于高转矩同向状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的针对电机转子磁极设计，将硬磁材料与软磁材料相结合，利用软磁材料矫顽力低、在特定强度的磁场强度下容易控制充磁和退磁的特点，根据需求进行调整，进而改善电机的性能。
2、应用外加电流磁场设备对软磁材料的充磁方向及磁性能的大小进行调整控制，根据不同的运行条件，使软磁材料提供磁场的方向和大小根据需求呈现；外加电流磁场设备通过小型的励磁旋转变压器来实现，其中变压器的转子装配在电机转子上，与电机转子一起旋转，变压器的定子装配在电机端盖上，控制器对变压器定子上的三相线施加激励，通过变压器的转子感应电流来控制软磁材料。
3、本发明在峰值工作时，如果需要增大峰值扭矩和功率，可以增强磁钢性能；低扭矩工作时，可以降低磁钢性能；尤其是高速持续运行的时候，可以适当降低磁钢性能以减小弱磁电流；这样，永磁电机磁场不可调整，且低速峰值扭矩和高速持续功率无法平衡的缺点可以被克服，电机的热性能和效率也可以进一步提高。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1是本发明的采用第一种磁钢形式的永磁同步电机1/8模型结构示意图；
图2是本发明的采用第二种磁钢形式的永磁同步电机1/8模型结构示意图；
图3是图1和图2中磁钢的具体结构示意图；
图4是本发明的采用第三种磁钢形式的永磁同步电机1/8模型结构示意图；
图5是本发明的永磁体和软磁组件的磁场方向相同时的永磁同步电机1/8模型结构示意图；
图6是本发明的永磁体和软磁组件的磁场方向相反时的永磁同步电机1/8模型结构示意图；
图7是本发明的采用第一种磁钢形式的电机转子1/8模型结构示意图；
图8是图7的局部放大图；
图9是图7的A-A剖视图；
图10是本发明按照转速判断控制软磁组件特定磁场的流程示意图；
图11是本发明按照转扭判断控制软磁组件特定磁场的流程示意图；
图12是本发明的软磁组件磁场按照本发明的控制方法得到的电机的峰值性能图；
图13是本发明的软磁组件磁场按照本发明的控制方法得到的电机的持续性能图；
图14是本发明的软磁组件磁场按照本发明的控制方法得到的电机在4000转时的持续工况的稳态温度示意图；
图15是本发明的软磁组件磁场按照本发明的控制方法得到的电机在14000转时的持续工况的稳态温度示意图。
图中的附图标记为：1、转子冲片；2、永磁体；3、软磁组件；4、定子绕组；5、定子冲片；6、磁化线圈充磁头；7、小型旋转变压器的定子；8、小型旋转变压器的转子；9、磁化线圈引出线；10、电机轴；11、电机控制器系统；12、电机后端盖；电机转子端板13。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图15所示，本实施例提供一种性能可灵活调整的永磁电机，该电机至少一对极，优选多对极，本实施例的描述为电机4对极；该电机的极槽配合根据需求定义，可以是整数槽极槽配合，也可以是分数槽极槽配合，本实施例的描述为48槽。如图1所示，本实施例描述的是8极48槽电机，包括电机壳体、定子、转子和电机轴10，转子用于提供永磁磁场，定子用于提供电枢磁场。
所述定子设置在壳体内部，所述电机轴10设置在转子中部，所述转子由多个转子冲片1 堆叠而成，且转子上设有磁钢，还包括磁化机构、电源及电机控制器系统11，所述电机控制器系统11包含PEU控制单元，所述磁钢包括永磁体2以及设置在永磁体2至少一侧的软磁组件3，如图9所示，所述磁化机构包括磁化线圈充磁头6、小型旋转变压器的定子7、小型旋转变压器的转子8和磁化线圈引出线9，所述小型旋转变压器的转子8固定在电机轴10的一端，所述小型旋转变压器的定子7固定在壳体上与小型旋转变压器的转子8对应的位置，小型旋转变压器的定子7与小型旋转变压器的转子8之间有空气隙、无接触。
所述磁钢上的两侧设有凹槽，所述磁化线圈充磁头6设置在凹槽内，如图3、图7和图8 所示，所述凹槽位于软磁组件3的两侧，所述磁化线圈充磁头6嵌设在凹槽内。所述电机轴 10内沿轴向开设有第一通道，所述转子冲片上开设有第二通道，所述磁化线圈引出线9依次穿过第一通道和第二通道后与磁化线圈充磁头6连接。磁化线圈充磁头6分布在软磁组件的两侧，通过磁化线圈引出线9经磁钢槽、电机轴10、电机转子端板13与小型励磁旋转变压器的转子8连接，用于提供软磁组件的磁化磁场。
所述电机壳体的一端设有电机后端盖12，小型励磁旋转变压器的定子7装配在电机后端盖12上，其三相线与PEU控制单元11相连接，用于控制器输入电流，电机在运行过程中，小型旋转变压器的转子8随电机转子同步旋转，小型旋转变压器的定子7固定不动。
所述磁钢形成多对磁极，本申请中涉及的转子磁极可以是单层，也可以是双层，本实施例的描述是双层磁极；本申请涉及的转子磁极可以是“一”字型磁极、“V”字型磁极、也可以是“U”字型磁极，本实施例的描述是V型磁极。
每对极闭合径向磁路中，磁力线穿过永磁体(硬磁材料)、软磁组件(软磁材料)、转子冲片、气隙、定子冲片、定子绕组。硬磁材料与软磁材料的分布位置可以如图1(软磁材料+硬磁材料)、图2(硬磁材料+软磁材料)和图4(软磁材料+硬磁材料+软磁材料)所示，根据需求任意选择三种分布方式。
所述永磁体2与软磁组件3紧密贴合后共同放置在转子冲片1上的磁钢槽内，V型夹角、极弧系数均一致，软磁材料的用量可以根据需求来确定，软磁组件3体积磁钢整体体积的 20％～30％。
本申请的优点在于，可以根据电机特点及性能需求对软磁材料的磁场进行灵活控制，任意控制其大小和方向，控制判断的依据可以是电机转速、电流、温度、转矩等参数。如图5 为PEU控制单元控制三相电流的磁场对软磁材料进行磁化，使软磁材料的充磁方向与永磁体同向，起增强磁场的作用；图6为PEU控制单元控制三相电流的磁场对软磁材料进行磁化，使软磁材料的充磁方向与永磁体反向，起削弱磁场的作用。
如图10所示，按照转速判断控制软磁材料特定磁场的方法，电机控制器系统11实时监测电机当前转速，当电机转速大于设定的转速点时，PEU控制单元控制三相电流正id1，使得软磁组件3的磁场方向和永磁体2的磁场方向同向，进而使得电机转子正常工作于高速同向状态；当电机转速小于设定的转速点时，PEU控制单元控制三相电流正id2，使得软磁组件3的磁场方向和永磁体2的磁场方向同向，进而使得电机转子正常工作于低速同向状态；且id1的值小于id2的值。
根据转速对软磁材料所需磁场作出判断，PEU控制单元控制三相电流提供特定的磁场，转速点和PEU控制三相电流的大小可以根据电机的特点及性能需求灵活设置，此处转速点 n＝9000rpm。
如图11所示，电机控制器系统11实时监测电机当前转扭，当电机转矩小于设定的转矩点时，PEU控制单元控制三相电流负id1，使得软磁组件3的磁场方向和永磁体2的磁场方向反向，进而使得电机转子正常工作于低转矩反向状态；当电机转速大于设定的转矩点时， PEU控制单元控制三相电流正id2，使得软磁组件3的磁场方向和永磁体2的磁场方向同向，进而使得电机转子正常工作于高转矩同向状态。
根据转矩对软磁材料所需磁场作出判断，PEU控制三相电流提供特定的磁场，转矩点和PEU控制单元控制三相电流的大小可以根据电机的特点及性能需求灵活设置。
如图12和图13所示，软磁组件的磁场按本申请的控制方法得到的电机的峰值性能与持续性能，从图12中可以看出，PEU控制单元控制三相电流正id2，给软磁组件提供与永磁体同方向的磁场，在低速工况区域(转速＜9000rpm)同向模型比传统模型峰值转矩高8％；从图13中可以看出，PEU控制单元控制三相电流正id1,给软磁组件提供与永磁体同方向的磁场，在高速工况区域(转速＞9000rpm)同向模型比传统模型持续功率高，在14000rpm工况功率高20％。同向模型的峰值性能和持续性能优势明显。
如图14和图15所示，软磁组件的磁场按本申请的控制方法得到的持续工况的稳态温度，从图14中可以看出，PEU控制单元控制三相电流正id2，给软磁组件提供与永磁体同方向的磁场，低速工况(4000rpm)的绕组(此工况绕组稳态温度＞磁钢稳态温度)稳态温度，同向模型比传统模型温度低8℃(6％)；从图15中可以看出，PEU控制单元控制三相电流正id1,给软磁组件提供与永磁体同方向的磁场，高速工况(14000rpm)的磁钢(此工况磁钢稳态温度＞绕组稳态温度)稳态温度，同向模型比传统模型温度低18℃(13％)。同向模型的热性能优势明显。
表1为软磁组件按照本申请的控制方法得到的效率差值map表格(同向/反向模型-传统模型)，当转矩≤60Nm时，PEU控制三相电流负id1，给软磁材料提供与永磁体反方向的磁场，低扭矩工况区域的效率比传统模型升高0.1％～3.4％，尤其是高速持续工况效率提升1.5％；当转矩＞60Nm时，PEU控制三相电流正id2，给软磁材料提供与永磁体同方向的磁场，低扭矩工况区域的效率比传统模型升高0.1％～1.8％，尤其是低速持续工况效率提升0.4％。同向/反向模型的效率优势明显。
表1
综上所述，本申请主要是永磁同步电机转子磁极采用硬磁材料与软磁材料相结合的方法，共同提供永磁电机所需的磁场，软磁材料提供磁场的大小和方向可以根据电机特点及性能需求合理控制，解决电机性能低速峰值转矩和高速持续功率之间的矛盾、进一步提高电机效率、改善电机温升问题等。硬磁材料为永磁材料，性能不会发生变化，而软磁材料在特定强度的磁场强度下，被磁化成磁场方向，根据软磁材料的这一特点并配合特殊控制方法对软磁材料施加特定方向的磁场，改善电机性能。根据转速对软磁材料的外加磁场进行控制，使软磁材料在需要时提供与永磁体同向或者反向的磁场，实现电机低速高转矩，高速高功率，改善电机的热性能；根据转矩对软磁材料的外加磁场进行控制，可整体升高电机的效率。外加磁场的大小和方向通过PEU控制三相电流进行调节，可以根据需求调节电流的大小和方向。
Claims (6)
1.一种性能可灵活调整的永磁电机，包括电机壳体、定子、转子和电机轴（10），所述定子设置在壳体内部，所述电机轴（10）设置在转子中部，所述转子由多个转子冲片（1）堆叠而成，且转子上设有磁钢，其特征在于：还包括磁化机构、电源及电机控制器系统（11），所述磁钢包括永磁体（2）以及设置在永磁体（2）至少一侧的软磁组件（3），所述磁化机构包括磁化线圈充磁头（6）、小型旋转变压器的定子（7）、小型旋转变压器的转子（8）和磁化线圈引出线（9），所述小型旋转变压器的转子（8）固定在电机轴（10）的一端，所述小型旋转变压器的定子（7）固定在壳体上与小型旋转变压器的转子（8）对应的位置，所述磁钢上的两侧设有凹槽，所述磁化线圈充磁头（6）设置在凹槽内，所述磁化线圈引出线（9）连接磁化线圈充磁头（6）和小型旋转变压器的转子（8），所述电机控制器系统（11）与小型旋转变压器的转子（8）的三相线连接；
所述凹槽位于软磁组件（3）的两侧，所述磁化线圈充磁头（6）嵌设在凹槽内；
所述磁钢形成多对磁极，每对磁极成 “一”字型、“V”字型、或者“U”字型。
2.根据权利要求1所述的一种性能可灵活调整的永磁电机，其特征在于：所述电机轴（10）内沿轴向开设有第一通道，所述转子冲片上开设有第二通道，所述磁化线圈引出线（9）依次穿过第一通道和第二通道后与磁化线圈充磁头（6）连接。
3.根据权利要求1所述的一种性能可灵活调整的永磁电机，其特征在于：所述永磁体（2）与软磁组件（3）紧密贴合后共同放置在转子冲片（1）上的磁钢槽内，且软磁组件（3）体积磁钢整体体积的20%~30%。
4.根据权利要求1所述的一种性能可灵活调整的永磁电机，其特征在于：所述电机壳体的一端设有电机后端盖12，所述小型旋转变压器的定子（7）固定在电机后端盖（12）上。
5.一种如权利要求1至4任意一项所述的永磁电机的性能调节方法，其特征在于：所述电机控制器系统（11）包括PEU控制单元，电机控制器系统（11）实时监测电机当前转速，当电机转速大于设定的转速点时，PEU控制单元控制三相电流正id1，使得软磁组件（3）的磁场方向和永磁体（2）的磁场方向同向，进而使得电机转子正常工作于高速同向状态；当电机转速小于设定的转速点时，PEU控制单元控制三相电流正id2，使得软磁组件（3）的磁场方向和永磁体（2）的磁场方向同向，进而使得电机转子正常工作于低速同向状态；且id1的值小于id2的值。
6.根据权利要求5所述的一种性能可灵活调整的永磁电机，其特征在于：所述电机控制器系统（11）包括PEU控制单元，电机控制器系统（11）实时监测电机当前转扭，当电机转矩小于设定的转矩点时，PEU控制单元控制三相电流负id1，使得软磁组件（3）的磁场方向和永磁体（2）的磁场方向反向，进而使得电机转子正常工作于低转矩反向状态；当电机转速大于设定的转矩点时，PEU控制单元控制三相电流正id2，使得软磁组件（3）的磁场方向和永磁体（2）的磁场方向同向，进而使得电机转子正常工作于高转矩同向状态。
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