CN113659787A - 一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机，采用单定子/双转子结构，由一个定子和两个转子组成。定子为“背靠背”拓扑，包括十个定子铁心，十个铝镍钴永磁体，二十个电枢线圈和二十个脉冲线圈，转子由五十七个钕铁硼永磁体组成。本发明的五相电机容错性能好、可靠性高、转矩脉动小；定转子永磁型轴向双凸极结构，轴向长度短、结构紧凑、体积小、功率/转矩密度高、反电势正弦度高、效率高；定子上铝镍钴永磁体容易实现充去磁，电机气隙磁场能够灵活调节，拓宽调速范围，增强带载能力，且调磁效率高；转子上特殊排列形式的钕铁硼永磁体，可以得到较为完美的正弦气隙磁场，减少谐波含量，进一步提高电机效率和功率密度。

Description

一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机
技术领域
本发明属于轴向磁通永磁电机技术领域，具体涉及一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机。
背景技术
轴向磁通永磁电机具有轴向长度短、结构简单紧凑、体积小、效率高、功率/转矩密度高和转子铁心利用率高等特点，引起了国内外科研机构和企业的广泛关注和深入研发。2011年，国内学者M.Lin提出了定子永磁型轴向磁场磁通切换永磁电机，永磁体和绕组位于定子，转子无永磁体和电枢绕组。该类电机结合了轴向磁通永磁电机和磁通切换电机的特点，具有轴向长度短、结构简单紧凑、转子结构坚固、效率高、功率/转矩密度高、反电势正弦度高、散热方便等优势，在电动汽车领域具有广阔的应用前景。
目前，定子永磁型轴向磁通切换永磁电机都为三相结构，出现单相或多相短路、断路故障后，电机容错运行时转矩脉动大，甚至无法正常运行，可靠性还不够高，且转矩输出能力不够强。针对该问题，本发明提出定转子永磁型五相轴向磁通永磁电机。五相结构与E型铁心，提高容错运行能力；低矫顽力铝镍钴永磁体，容易实现充去磁，进而调节气隙磁场，极大地增强了电机转矩输出能力与拓宽了电机的调速范围，且调磁效率高；此外，转子上永磁体的特殊排列方式，可以强化工作气隙中的磁场强度，并且可以减少气隙磁场中的谐波含量，得到较为完美的正弦气隙磁场，提升电机的功率密度和效率。最终，满足电动汽车广域高效率、高功率/转矩密度、高可靠性、宽调速范围、大转矩输出能力等要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机，解决定子永磁型轴向磁通永磁电机可靠性不够高，调磁效率不高，调磁范围不够宽、转矩脉动大等问题，实现电机的高效高功率密度，高可靠性，宽调磁范围，强稳定性运行。
本发明所采用的技术方案是：一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机，包括同轴依次安装的第一转子、定子、第二转子；第一转子、第二转子与定子之间均留有气隙，第一转子与第二转子关于定子中心对称，每个转子包括能够导磁的环形背铁，环形背铁上设置有十九个转子极，每个转子极由两个侧边钕铁硼永磁体和一个中间钕铁硼永磁体组成，中间钕铁硼永磁体夹在两个侧边钕铁硼永磁体之间；中间钕铁硼永磁体的轴向长度大于侧边钕铁硼永磁体；其中，中间钕铁硼永磁体沿轴向方向充磁，同一转子上相邻的两个中间钕铁硼永磁体极性相反，侧边钕铁硼永磁体沿一定角度向中间钕铁硼永磁体充磁；两个转子相对的侧边钕铁硼永磁体和中间钕铁硼永磁体充磁方向相反；
定子由十个双E形定子铁心、十个铝镍钴永磁体、二十个集中式电枢绕组和二十个集中式脉冲绕组组成；电枢绕组缠绕在夹放铝镍钴永磁体的两个相邻定子齿与永磁体组成的单元块上，脉冲绕组缠绕在双E形定子铁心的轭部；定子单边上每相对两个集中式电枢绕组串联构成一相电枢绕组，五相电枢绕组分别顺次序串联或并联构成整个电机的A相、B相、C相、D相、E相电枢绕组，另一侧与之对称。
本发明的特点还在于：
第一转子和第二转子上的侧边钕铁硼永磁体和中间钕铁硼永磁体按照间隔且不同充磁方向规律排序，转子上的侧边钕铁硼永磁体和中间钕铁硼永磁体为不等宽不等厚结构，且中间钕铁硼永磁体在工作气隙侧沿轴向方向开有两个辅助槽。
集中式脉冲绕组通过施加瞬时电流，改变两个双E形定子铁心中间夹有的铝镍钴永磁体的磁化状态，调节气隙磁场。
第一转子、定子、第二转子均为轴向拓扑结构。
侧边钕铁硼永磁体向中间钕铁硼永磁体充磁的角度为30-60度之间。
本申请转子上的钕铁硼永磁体采用不等宽不等厚，一个转子极上的三个永磁体按照间隔且不同充磁方向进行排列，且主磁体开有辅助槽，使的气隙磁场正弦度更高，且永磁体的涡流损耗更小。
本发明的有益效果是：
(1)采用定转子永磁轴向双凸极拓扑，极大缩短了电机主磁路，聚磁效应强，轴向长度短，结构紧凑，体积小，功率/转矩密度高；
(2)本发明电机为五相结构，可以保证电机故障后继续稳定运行，且E形铁心中间齿具有隔磁隔热能力，电机容错能力强，可靠性高；
(3)因为定子上的铝镍钴永磁体，具有低矫顽力、高剩磁的特点，可以通过给脉冲绕组施加瞬时电流，改变定子上铝铁硼永磁体的磁化状态，能够实现气隙磁场调节，可满足低速大转矩能力和宽调速范围的要求，且调磁效率高；
(4)转子上的钕铁硼永磁体按特殊规律排列，减小谐波含量，使气隙磁场更加正弦化，进一步提高电机功率/转矩密度、效率和转矩输出能力。且大钕铁硼永磁体沿轴向方向开有两个辅助槽，有助于降低电磁转矩波动，减小永磁体涡流损耗，提高运行效率；
(5)本发明所采用的不等宽不等厚结构永磁体，在保障电磁性能的同时，减少永磁体的用量，节约成本；
(6)五相结构能够有效减小电磁转矩的脉动；
(7)定转子永磁结构在提高功率密度和效率的同时，使得电机反电势正弦度高，非常适合无刷交流运行；
(8)由双转子和单定子组成的双气隙对称结构，可平衡轴向磁拉力。
附图说明
图1是本发明一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机结构示意图；
图2是本发明中转子结构示意图；
图3是本发明一种用于电动汽车的五相向磁通永磁电机的常规运行原理图；
图4是本发明一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机的增磁运行原理图；
图5是本发明一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机去磁运行原理图。
图中，1.第一转子，2.定子，3.第二转子，4.环形背铁，5.小钕铁硼永磁体，6.大钕铁硼永磁体，7.双E形定子铁心，8.铝镍钴永磁体，9.集中式脉冲绕组，10.集中式电枢绕组。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机。
如图1所示，采用双转子/单定子轴向拓扑结构，包括同轴依次安装的第一转子1、定子2、第二转子3；第一转子1、第二转子3与定子2之间均留有气隙，第一转子1与第二转子3关于定子2中心对称，每个转子包括能够导磁的环形背铁4，环形背铁4上设置有十九个模块化转子极，每个模块化转子极由两个小钕铁硼永磁体5和一个大钕铁硼永磁体6组成，大钕铁硼永磁体6夹在两个小钕铁硼永磁体5之间；大钕铁硼永磁体6的轴向长度大于小钕铁硼永磁体5。
定子2由十个双E形定子铁心7、十个铝镍钴永磁体8、二十个集中式电枢绕组10和二十个集中式脉冲绕组9组成；集中式电枢绕组10缠绕在夹放铝镍钴永磁体8的两个相邻定子齿与永磁体组成的单元块上，集中式脉冲绕组9缠绕在双E形定子铁心7的轭部；通过给集中式脉冲绕组施加瞬时电流，改变两个双E形定子铁心7中间夹有的铝镍钴永磁体8的磁化状态，调节气隙磁场；定子单边上每相对两个集中式电枢绕组10串联构成一相电枢绕组，五相电枢绕组分别顺次序串联或并联构成整个电机的A相、B相、C相、D相、E相电枢绕组，另一侧与之对称。
第一转子1、定子2、第二转子3均为轴向拓扑结构。
如图2所示为模块化转子极结构图，每个模块化转子极呈“三明治”结构，由两个小钕铁硼永磁体5和一个大钕铁硼永磁体6组成，大钕铁硼永磁体6的轴向长度长于小钕铁硼永磁体5的长度，且大钕铁硼永磁体6与小钕铁硼永磁体5沿圆周的宽度不一致，即不等厚不等宽结构；此外，大钕铁硼永磁体6在工作气隙侧沿轴向方向开有两个辅助槽。模块化转子极安装在可以导磁的转子背铁4上，整个环形背铁上沿圆周等距安装有十九个相同结构的模块化转子极。第一转子1、第二转子3均由十九个大钕铁硼永磁体6与三十八个小钕铁硼永磁体5组成，其中大钕铁硼永磁体6沿轴向方向充磁，同一个转子上相邻的两个大钕铁硼永磁体6充磁极性相反；小钕铁硼永磁体5呈一定角度对中间的大钕铁硼永磁体6进行充磁。第一转子1与第二转子3正对的大钕铁硼永磁体6的极性相反。大钕铁硼永磁体6与小钕铁硼永磁体5均按照一定间隔且不同充磁方向的规律进行排列，有效降低气隙磁场中的谐波含量，得到较为完美的正弦气隙磁场。同时，此阵列呈现明显的“磁单极性”特性，可以强化工作气隙中的磁场强度，提高电机功率密度。
小钕铁硼永磁体5向大钕铁硼永磁体6充磁的角度为30°至60°之间。
如图3所示为常规运行原理图，带箭头实线表示转子上小钕铁硼永磁体5和大钕铁硼永磁体6共同产生的磁通的路径，带箭头虚线表示定子上铝镍钴永磁体8所产生的磁通的路径。当集中式脉冲绕组中没有施加瞬时电流时，气隙磁场由转子上的小钕铁硼永磁体5、大钕铁硼永磁体6和定子上的铝镍钴永磁体8提供，电机运行在常规模式。第一转子1上两侧的小钕铁硼永磁体5向大钕铁硼永磁体6充磁，永磁磁通从钕铁硼永磁体6穿出，进入第一气隙11，到双E形定子铁心7的侧边齿。此时，磁路会分为左、右两部分，左边的磁通从双E形定子铁心7的中间齿穿出，进入到第一转子1左侧的模块化转子极，从第一转子1的环形背铁4返回到大钕铁硼永磁体6；右边的磁通会穿过定子的铝镍钴永磁体8，进入到右侧的双E形定子铁心中间齿，穿过第一气隙11，进入到右侧的另外一个模块化转子极，经第一转子1的背铁返回大钕铁硼永磁体6。第二转子3的磁路与第一转子1的磁路沿定子2的轭部上下对称，原理相同。
如图4所示为增磁运行原理图，当定子2的集中式脉冲绕组中通入正向瞬时电流时，由脉冲绕组所产生的磁场对定子2的铝镍钴永磁体8进行充磁。此时，磁场强度增大，增强气隙磁场，电机运行在增磁模式，增大电磁转矩，为电动汽车起动或爬坡提供大转矩。然而，磁通运行路径与常规运行路径完全一样。
如图5所示为去磁运行原理图，当定子2的集中式脉冲绕组中通入反向瞬时电流，脉冲绕组所产生的磁场对定子2的铝镍钴永磁体8进行去磁，铝镍钴永磁体8的运行路径与常规运行时完全一样，但方向相反，削弱气隙磁场。电机运行在弱磁模式，拓宽调速范围，满足电动汽车高速巡航要求。
通过上述方式，本发明一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机，解决了现有技术中存在的三相轴向磁通永磁电机可靠性不够高的问题。该电机采用定转子永磁型轴向双凸极拓扑，轴向长度短、结构紧凑、体积小、功率/转矩密度高、正弦度高；五相结构，在某一相或两相发生故障时，其余各相重构气隙磁场，依然可以在保证电机性能的条件下继续运行，容错性能强，可靠性高；定子双E形铁心中间齿具有隔磁作用，减小各相之间的耦合，进一步提高了电机的可靠性；定子采用铝镍钴永磁体，通过调节瞬时电流，容易实现充去磁，进而达到电机的增磁和弱磁运行，满足大转矩能力与宽调速范围要求；转子上的永磁体按照特殊规律排列，容易得到较为理想的正弦气隙磁场，减少谐波含量，进一步提高了电机功率/转矩密度和效率；五相结构能够极大程度缩减电磁转矩的脉动，提高电机的稳定性；由双转子和单定子组成的双气隙对称结构，可平衡轴向磁拉力。

Claims (6)

1.一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机，其特征在于，包括同轴依次安装的第一转子(1)、定子(2)、第二转子(3)；第一转子(1)、第二转子(3)与定子(2)之间均留有气隙，所述第一转子(1)与第二转子(3)关于定子(2)中心对称，每个转子包括能够导磁的环形背铁(4)，所述环形背铁(4)上设置有十九个模块化转子极，每个模块化转子极由两个小钕铁硼永磁体(5)和一个大钕铁硼永磁体(6)组成，所述大钕铁硼永磁体(6)夹在两个小钕铁硼永磁体(5)之间；所述大钕铁硼永磁体(6)的轴向长度大于小钕铁硼永磁体(5)；其中，大钕铁硼永磁体(6)沿轴向方向充磁，同一转子上相邻的两个大钕铁硼永磁体(6)极性相反，所述小钕铁硼永磁体(5)沿一定角度向大钕铁硼永磁体(6)充磁；两个转子相对的小钕铁硼永磁体(5)和大钕铁硼永磁体(6)充磁方向相反；
所述定子(2)由十个双E形定子铁心(7)、十个铝镍钴永磁体(8)、二十个集中式电枢绕组(10)和二十个集中式脉冲绕组(9)组成；集中式电枢绕组(10)缠绕在夹放铝镍钴永磁体(8)的两个相邻定子齿与永磁体组成的单元块上，集中式脉冲绕组(9)缠绕在双E形定子铁心(7)的轭部；定子单边上每相对两个集中式电枢绕组(10)串联构成一相电枢绕组，五相电枢绕组分别顺次序串联或并联构成整个电机的A相、B相、C相、D相、E相电枢绕组，另一侧与之对称。
2.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述第一转子(1)和第二转子(3)上的小钕铁硼永磁体(5)和大钕铁硼永磁体(6)按照间隔且不同充磁方向规律排序，转子上的小钕铁硼永磁体(5)和大钕铁硼永磁体(6)为不等宽不等厚结构，且大钕铁硼永磁体(6)在工作气隙侧沿轴向方向开有两个辅助槽。
3.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述集中式脉冲绕组(9)通过施加瞬时电流，改变两个双E形定子铁心(7)中间夹有的铝镍钴永磁体(8)的磁化状态，调节气隙磁场。
4.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述第一转子(1)、定子(2)、第二转子(3)均为轴向拓扑结构。
5.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述小钕铁硼永磁体(5)向大钕铁硼永磁体(6)充磁的角度为30-60度。
6.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车的五相轴向磁通永磁电机，其特征在于，十九个模块化转子极沿环形背铁(4)圆周等距安装。
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