CN113113990A - 内置式永磁电机转子永磁体磁极及其pc值评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种内置式永磁电机转子永磁体磁极及其PC值评估方法，包括嵌入在电机转子上的永磁体磁槽内的永磁体拼块磁极，所述永磁体拼块磁极由多块永磁体磁极沿电机转子周向拼合形成，多块永磁体磁极为非均匀分块的永磁体磁极。本发明提供了一种不均匀拼块的内置式永磁电机转子永磁体磁极，且通过永磁体PC值作为设定永磁体磁极尺寸的标准，不仅保证了电机的高速化运转，而且大大降低了永磁体磁极的不可逆局部退磁风险。通过设置不均匀拼块的内置式永磁电机转子永磁体磁极，在q轴区域和非q轴区域分别设置抗退磁能力等级不同的永磁体磁极，保证了抗退磁能力的同时大大降低了成本。

Description

内置式永磁电机转子永磁体磁极及其PC值评估方法
技术领域
本发明涉及内置式永磁电机领域，具体地，涉及一种内置式永磁电机转子永磁体磁极及其PC值评估方法，更为进一步的，涉及电动汽车用内置式永磁同步驱动电机抗高温退磁能力的转子永磁体磁极结构及其设计参数确定方法。
背景技术
电动汽车驱动电机追求高效率、高功率密度和轻量小型化，由此提高电动汽车的续驶里程。内置式永磁同步驱动电机以其高功率密度、轻量小型化以及宽广高效率运行区的优势，成为电动汽车驱动电机的首选方案。高速化电机系统技术的发展，有力提升内置式永磁同步驱动电机的功率密度和效率。然而高速化提高了转子永磁体磁极的交变电磁场频率，导致永磁体磁极涡流效应更为凸显，永磁体温升变大，进而增加了永磁体磁极局部不可逆退磁风险。永磁体磁极的高温局部不可逆退磁故障已成为电动汽车用内置式永磁同步驱动电机发展的一个重要瓶颈。
为满足电动汽车驱动电机高功率密度目标和高速运行需求，电动汽车用内置式永磁同步驱动电机的转子永磁体磁极在“一”字型、“V”字型和“U”字型基础上，发展形成多层的“一”字型、“V”字型、“U”字型和“倒三角”型等多种型式的内置式转子永磁体磁极，并普遍采用永磁体均匀拼块结构的转子永磁体磁极，以减小永磁体涡流及其发热，提高永磁体磁极抗退磁能力。但是定子电流去磁磁势峰值在转子永磁体磁极q轴区域产生的高温不可逆退磁风险依然存在。所以需要提出一种抗高温不可逆退磁能力的内置式永磁电机转子永磁体磁极结构及其抗退磁能力评估方法。
专利文献为CN106329774A的发明专利公开了一种电动汽车驱动用多层分段内置式永磁同步电机转子，该方案通过将每块永磁体分成四段，减小永磁体涡流损耗，减小永磁体的发热，提高抗不可逆退磁能力，提高电机可靠性。上述方案未能考虑磁极边部去磁风险，未考虑成本问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种内置式永磁电机转子永磁体磁极及其PC值评估方法。
根据本发明提供的一种内置式永磁电机转子永磁体磁极，包括嵌入在电机转子上的永磁体磁槽内的永磁体拼块磁极，所述永磁体拼块磁极由多块永磁体磁极沿电机转子周向拼合形成，多块永磁体磁极为非均匀分块的永磁体磁极。
优选地，处于电机转子q轴区域的永磁体磁极的横截面积小于处于非q轴区域的永磁体磁极的横截面积。
优选地，多块永磁体磁极的横截面为矩形面。
优选地，所述电机转子的轴向方向为永磁体磁极面积的长度方向；
所述电机转子的径向方向为永磁体磁极磁化的高度方向；
所述电机转子的周向方向为永磁体磁极面积的宽度方向。
优选地，多个永磁体磁极的高度相同。
优选地，多块永磁体磁极的长度相同，宽度通过该永磁体磁极所在的区域确定。
优选地，设定在q轴区域的永磁体磁极的宽度为WA，在非q轴区域的永磁体磁极的宽度为WB，WA小于WB。
优选地，在q轴区域的永磁体磁极的宽度WA通过第一永磁体PC阈值确定，在非q轴区域的永磁体磁极的宽度WB通过第二永磁体PC阈值确定，第一永磁体PC阈值大于第二永磁体PC阈值。
根据本发明提供的一种基于上述的内置式永磁电机转子永磁体磁极的PC值评估方法，包括如下步骤：
拼块设置步骤：将多块永磁体磁极拼合，形成永磁体拼块磁极；
尺寸确定步骤：根据多块永磁体磁极所在的区域，确定永磁体磁极的尺寸。
优选地，所述尺寸确定步骤包括：永磁体磁极设置在q轴区域时，永磁体磁极的尺寸通过第一永磁体PC阈值确定，永磁体磁极设置在非q轴区域时，永磁体磁极的尺寸通过第二永磁体PC阈值确定。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供了一种不均匀拼块的内置式永磁电机转子永磁体磁极，且通过永磁体PC值作为设定永磁体磁极尺寸的标准，不仅保证了电机的高速化运转，而且大大降低了永磁体磁极的不可逆局部退磁风险。
2、本发明通过设置不均匀拼块的内置式永磁电机转子永磁体磁极，在q轴区域和非q轴区域分别设置抗退磁能力等级不同的永磁体磁极，保证了抗退磁能力的同时大大降低了成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为磁场强度与不同PC值的退磁曲线示意图。
图2为永磁体高温不可逆损耗曲线图。
图3为本发明拼合的永磁体磁极的结构示意图。
图4是“一”字型内置式转子永磁体拼块磁极结构示意图。
图5是“V”字型内置式转子永磁体拼块磁极结构示意图。
图6是“U”字型内置式转子永磁体拼块磁极结构示意图。
图7是“倒三角”字型内置式转子永磁体拼块磁极结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
现有的永磁同步电机的永磁体磁极多为均匀分块，这种方案没有考虑磁极边部去磁风险，本发明则是基于高温退磁的原理对永磁体磁极进行不均匀分块,旨在解决定子电流去磁磁势峰值在转子永磁体磁极q轴区域产生高温不可逆局部退磁问题。本发明以永磁体尺寸PC值作为永磁体磁极抗退磁能力等级参数，PC值越大、抗退磁能力等级越高。根据定子电流去磁磁势在转子永磁体磁极的分布特性，确定转子永磁体磁极的抗退磁能力等级及其PC值需求。由此开展基于PC值需求的内置式永磁电机转子永磁体磁极设计。
如图1和图2所示，对于不同的PC值，PC值越高，抗高温退磁能力越高。例如图2中，在140℃时，PC值为0.5的永磁体的不可逆损失为5％，PC值为1的永磁体的不可逆损失为0.5％，PC值为2的永磁体的不可逆损失约为0。如图1所示，抗高温退磁能力等级PC值越大，永磁体磁极的工作磁通密度Bm越大，也越远离不可逆退磁点Bk，抗高温不可逆退磁能力的安全系数越大。
基于上述原理，本发明提供了一种内置式永磁电机转子永磁体磁极，如图3所示，相对于传统的永磁体磁极，本发明采用非均匀拼接式永磁体磁极，在本发明提供的优选实施例中，多个永磁体磁极的高度h和长度L均相同，区别仅在于不同永磁体磁极的宽度W不同。此处要指出的是，电机转子的轴向方向为永磁体磁极的长度方向；电机转子的径向方向为永磁体磁极的高度方向；电机转子的周向方向为永磁体磁极的宽度方向。
永磁体磁极的抗退磁能力等级PC值取决于永磁体尺寸PC值，矩形永磁体尺寸PC值计算：
Figure BDA0003009986670000041
h为永磁体磁化方向高度，W为矩形永磁体宽度，L为矩形永磁体长度。
由上述公式可知，提高PC值的方式包括提高永磁体磁化方向高度h或者降低WL，如果提高h，即提高永磁体磁极的厚度，进而大大增加了成本，因此本发明考虑减小永磁体磁极的宽度W。
进一步的，对于不同区域的永磁体磁极，其对于抗高温退磁能力等级要求也不同。具体的，在q轴区域的永磁体磁极对抗高温退磁能力要求高，其对应的PC值也高。在非q轴区域的永磁体磁极对抗高温退磁能力要求低，相应的PC值要求较低。q轴永磁体磁极设置高PC值，提高转子q轴区域永磁体磁极的工作磁通密度Bm，使其远离不可逆退磁点Bk，增强转子q轴区域永磁体磁极抗高温不可逆退磁能力的安全系数。非q轴永磁体磁极设置较低PC值，确保永磁体在给定工作温度下的磁性能。在本实施例中，优选设置q轴区域的永磁体磁极PC值大于等于2，而对于非q轴区域永磁体磁极，设置PC值优选大于等于1。对应的，q轴区域的永磁体磁极的宽度则小于非q轴区域的永磁体磁极的宽度。
下列将从内置式永磁同步电机的单层“一”字型、单层与多层“V”字型、“U”字型和“倒三角”型内置式转子永磁体均匀拼块磁极结构分别阐述，提出基于抗退磁能力等级PC值参数的内置式转子永磁体非均匀拼块磁极结构。下述实施例均按照q轴区域的PC阈值为2，非q轴区域的PC阈值为1的优选例，但是实际的PC值设定可以根据实际情况确定。
单层“一”字型内置式转子永磁体拼块磁极结构，如图4所示。本实施例中，每块永磁体高度尺寸h和轴向长度尺寸L均保持一致。依据PCq≥2的准则，确定q轴区域永磁体宽度Wq；其余各拼块永磁体的宽度W依据PC≥1的准则进行确定，其中W大于Wq。附图中将WA作为q轴区域，将WB作为非q轴区域。q轴区域的永磁体磁极的数量可以是一个，也可以是多个，每个永磁体磁极的宽度满足PC≥2的要求，且每个永磁体磁极的宽度可以是相同的，也可以是不同的。非q轴区域的永磁体磁极的数量可以是一个，也可以是多个，每个永磁体磁极的宽度满足PC≥1的要求，且每个永磁体磁极的宽度可以是相同的，也可以是不同的。
单层与多层的“V”字型内置式转子永磁体拼块磁极结构，如附图5所示。对于内层“V”字型内置式转子永磁体拼块磁极结构，依据PCq≥2的准则，确定q轴区域永磁体宽度尺寸Wq；其余各拼块永磁体的宽度W依据PC≥1的准则确定。对于外层“V”字型内置式转子永磁体拼块磁极结构，依据PC≥1的准则，确定永磁体宽度尺寸W。其中W大于Wq。附图中将WA作为q轴区域，将WB作为非q轴区域。q轴区域的永磁体磁极的数量可以是一个，也可以是多个，每个永磁体磁极的宽度满足PC≥2的要求，且每个永磁体磁极的宽度可以是相同的，也可以是不同的。非q轴区域的永磁体磁极的数量可以是一个，也可以是多个，每个永磁体磁极的宽度满足PC≥1的要求，且每个永磁体磁极的宽度可以是相同的，也可以是不同的。
单层与多层的“U”字型内置式转子永磁体拼块磁极结构，如附图6所示。对于内层“U””字型内置式转子永磁体拼块磁极结构，依据PCq≥2的准则，确定q轴区域永磁体宽度尺寸Wq；其余各拼块永磁体宽度W依据PC≥1的准则确定。对于外层“U”字型内置式转子永磁体拼块磁极结构，依据PC≥1的准则，确定永磁体宽度尺寸W。其中W大于Wq。附图中将WA作为q轴区域，将WB作为非q轴区域。q轴区域的永磁体磁极的数量可以是一个，也可以是多个，每个永磁体磁极的宽度满足PC≥2的要求，且每个永磁体磁极的宽度可以是相同的，也可以是不同的。非q轴区域的永磁体磁极的数量可以是一个，也可以是多个，每个永磁体磁极的宽度满足PC≥1的要求，且每个永磁体磁极的宽度可以是相同的，也可以是不同的。
“倒三角”型内置式转子永磁体拼块磁极结构，如附图7所示。对于内层“V”字型内置式转子永磁体拼块磁极结构，依据PCq≥2的准则，确定q轴区域永磁体宽度尺寸Wq；其余各拼块永磁体的宽度W依据PC≥1的准则确定。对于外层“一”内置式转子永磁体拼块磁极，依据PC≥1的准则，确定永磁体宽度尺寸W。其中W大于Wq。附图中将WA作为q轴区域，将WB作为非q轴区域。q轴区域的永磁体磁极的数量可以是一个，也可以是多个，每个永磁体磁极的宽度满足PC≥2的要求，且每个永磁体磁极的宽度可以是相同的，也可以是不同的。非q轴区域的永磁体磁极的数量可以是一个，也可以是多个，每个永磁体磁极的宽度满足PC≥1的要求，且每个永磁体磁极的宽度可以是相同的，也可以是不同的。
本发明还提供一种内置式永磁电机转子永磁体磁极的PC值评估方法，包括拼块设置步骤：将多块永磁体磁极拼合，形成永磁体拼块磁极；尺寸确定步骤：根据多块永磁体磁极所在的区域，确定永磁体磁极的尺寸。具体的，永磁体磁极设置在q轴区域时，永磁体磁极的尺寸通过第一永磁体PC阈值确定，永磁体磁极设置在非q轴区域时，永磁体磁极的尺寸通过第二永磁体PC阈值确定。本实施例中，第一永磁体PC阈值优选为2，第二永磁体PC阈值优选为1。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种内置式永磁电机转子永磁体磁极，其特征在于，包括嵌入在电机转子上的永磁体磁槽内的永磁体拼块磁极，所述永磁体拼块磁极由多块永磁体磁极沿电机转子周向拼合形成，多块永磁体磁极为非均匀分块的永磁体磁极。
2.根据权利要求1所述的内置式永磁电机转子永磁体磁极，其特征在于，处于电机转子q轴区域的永磁体磁极的横截面积小于处于非q轴区域的永磁体磁极的横截面积。
3.根据权利要求1所述的内置式永磁电机转子永磁体磁极，其特征在于，多块永磁体磁极的横截面为矩形面。
4.根据权利要求1所述的内置式永磁电机转子永磁体磁极，其特征在于，所述电机转子的轴向方向为永磁体磁极面积的长度方向；
所述电机转子的径向方向为永磁体磁极磁化的高度方向；
所述电机转子的周向方向为永磁体磁极面积的宽度方向。
5.根据权利要求4所述的内置式永磁电机转子永磁体磁极，其特征在于，多个永磁体磁极的高度相同。
6.根据权利要求4所述的内置式永磁电机转子永磁体磁极，其特征在于，多块永磁体磁极的长度相同，宽度通过该永磁体磁极所在的区域确定。
7.根据权利要求6所述的内置式永磁电机转子永磁体磁极，其特征在于，设定在q轴区域的永磁体磁极的宽度为WA，在非q轴区域的永磁体磁极的宽度为WB，WA小于WB。
8.根据权利要求7所述的内置式永磁电机转子永磁体磁极，其特征在于，在q轴区域的永磁体磁极的宽度WA通过第一永磁体PC阈值确定，在非q轴区域的永磁体磁极的宽度WB通过第二永磁体PC阈值确定，第一永磁体PC阈值大于第二永磁体PC阈值。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的内置式永磁电机转子永磁体磁极的PC值评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
拼块设置步骤：将多块永磁体磁极拼合，形成永磁体拼块磁极；
尺寸确定步骤：根据多块永磁体磁极所在的区域，确定永磁体磁极的尺寸。
10.根据权利要求9所述的PC值评估方法，其特征在于，所述尺寸确定步骤包括：永磁体磁极设置在q轴区域时，永磁体磁极的尺寸通过第一永磁体PC阈值确定，永磁体磁极设置在非q轴区域时，永磁体磁极的尺寸通过第二永磁体PC阈值确定。
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