CN114204710B - 一种多变凸极率永磁电机及其设计方法 - Google Patents

一种多变凸极率永磁电机及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多变凸极率永磁电机及其设计方法，包括定子及转子，其中转子包含多个模块化独立转子单元(3)，借助差异化转子材料属性实现转子磁路的分段分区域饱和，实现了通过调节电枢电流大小间接调节交轴电感，从而改变电机凸极率的效果。本发明，在低速时能够实现反凸极率特性，提高电机的转矩输出能力，同时降低电机不可逆退磁风险；在高速时实现正凸极率特性，充分利用磁阻转矩，提高高速时电机的带载能力。

Description

一种多变凸极率永磁电机及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种多变凸极率永磁电机及其设计方法，属于电机技术、电动汽车、电动拖拉机领域。
背景技术
近年来，随着环境污染和能源紧缺的日益严重，电动汽车行业方兴未艾。伴随着日益复杂的道路工况，电动汽车经常面临频繁起停、重载爬坡、高速巡航等多种运行工况，给车用电机的高转矩输出能力、高效率、宽调速范围等性能提出了更高的要求。永磁电机由于其高转矩密度、高功率密度、高效率等优势，已经成为国内外专家学者研究的热点，同时也常常成为车用驱动电机生产商的首选。目前，国外知名厂商日本丰田、德国宝马、美国通用以及国内比亚迪、奇瑞等车辆生产厂商均将内置式永磁电机作为车用驱动电机。这类电机普遍采用内嵌式永磁体设计，使得交轴电感大于直轴电感，所形成的正凸极率电机能够充分利用磁阻转矩提高电机的转矩输出能力。然而，这类电机为充分利用磁阻转矩，在低速时通常需要通入较大的去磁电流。一方面去磁电流穿过多层空气磁障，客观上降低了电机高速时的弱磁效率，另一方面，大的去磁电流也提高了永磁电机的退磁风险。为了降低永磁电机的退磁风险，提高永磁电机的调速范围，近年来一类磁场增强型电机引起了国内外学者的关注，这类电机通过在交轴磁路设置空气磁障大大降低了交轴磁路的电感值，而直轴电感变化不大，从而实现直轴电感大于交轴电感的反凸极特性，这类电机可以在加入增磁电流时实现正磁阻转矩的利用，避免了传统大去磁电流导致的退磁风险。然而，在高速时，为提升转速，该类电机加入去磁电流后转矩输出能力大大下降，不利于电机高速时带载运行。
总体看，就目前的手段与技术而言，目前研究的车用驱动电机均为单一凸极特性，即正凸极率电机或反凸极率电机，难以满足车用驱动电机对高转矩输出、高效率、宽调速的多重特性需求，目前仍然缺乏一种能够适应不同工况，能够在不同工况下自适应凸极率的多变凸极率电机。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多变凸极率永磁电机及其设计方法，它通过构造多层q轴磁通路径，当改变定子绕组1-1中交轴电流值时，间接改变电机交轴磁通的饱和程度，进而实现交轴电感的变化，并进一步影响电机凸极率值，使得电机凸极率值能够自适应于电动汽车工况。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种多变凸极率永磁电机，其特征在于，包括定子和转子，其中定子位于转子外侧；所述定子与转子之间设置有一层气隙；所述转子与转轴固定；所述定子包括定子铁心1及定子绕组1-1，所述定子铁心1包含m个电枢齿1-2和定子轭，所述电枢齿1-2间定子槽的槽型为梨形，所述定子绕组1-1为分布式整数槽绕组，定子绕组1-1于电枢齿1-2之上。所述转子内包含n个相同的独立转子单元3；所述多变凸极率永磁电机设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在转子磁路设计三条电枢交轴磁通路径，首先设计交轴磁通路径-1，设计永磁体C3-4磁通路径与永磁体A3-2磁通路径在饱和区域1交汇，当电枢交轴电流较小时，交轴磁通优先通过q轴磁通路径-1，即导磁硅钢片3-5和永磁体A3-2之间，并使得饱和区域1饱和；
步骤二、设计交轴磁通路径-2，设计隔磁磁障A3-6与引磁磁桥3-1之间宽度以及引磁磁桥3-1外侧到下一独立转子单元3的宽度大小，当电枢交轴电流增大时，交轴磁通优先经过q轴磁通路径-2，即隔磁隔磁磁障A3-6与引磁磁桥3-1之间以及引磁磁桥3-1外侧到下一独立转子单元3之间，并使得饱和区域2饱和；
步骤三、设计交轴磁路路径-3，设计引磁磁桥3-1的宽度，当电枢交轴电流较大时，饱和区域1和饱和区域2逐渐饱和，交轴磁通优先通过引磁磁桥3-1，并从电枢齿1-2出发依次穿过气隙进入弧形引磁磁桥3-1再穿过气隙回到电枢齿1-2；
步骤四、改变电枢电流大小，能够实现交轴磁通路径的分段饱和，从而改变交轴磁路的磁阻；当交轴磁通不断增大时，交轴磁通依次经过q轴磁通路径-1、q轴磁通路径-2、q轴磁通路径-3，促使饱和区域1和饱和区域2相继饱和，交轴磁阻不断增大，交轴电感不断降低；由于定子绕组1-1未通入电枢直轴电流，电机直轴磁阻变化不明显，直轴电感变化不大。因此，当电枢交轴电流变化时，电机交直轴电感差值会呈阶梯式变化，电机凸极率大小相应变化。
进一步地：所述独立转子单元3包括引磁磁桥3-1、永磁体A3-2、永磁体B3-3、永磁体C3-4、导磁硅钢片3-5、隔磁磁障A3-6、隔磁磁障B3-7、隔磁磁障C3-8；所述隔磁磁障A3-6位于气隙与永磁体A3-2之间；所述隔磁磁障C3-8位于永磁体A3-2与永磁体B3-3之间；所述隔磁磁障B3-7位于永磁体C3-4两端；导磁硅钢片位于气隙与永磁体C3-4之间；所述引磁磁桥3-1为弧形，位于永磁体A3-2和永磁体B3-3外侧；所述永磁体A3-2和永磁体B3-3分别位于永磁体C3-4的两侧。
进一步地：所述永磁体A3-2、永磁体B3-3和永磁体C3-4呈三角形；所述永磁体A3-2和永磁体B3-3充磁方向为对向充磁；所述永磁体A3-2充磁方向为径向充磁。
进一步地：所述永磁体A3-2、永磁体B3-3和永磁体C3-4材料为钕铁硼；所述导磁硅钢片3-5材料为有取向硅钢片，其取向方向与永磁体C3-4一致；所述引磁磁桥3-1的材料为软磁材料；所述定子铁心1和转子铁心2的材料为无取向硅钢片。
进一步地：所述导磁硅钢片3-5两端设有凸起卡口，其长度为1～3mm，本实施案例中，凸起卡口长度为1mm；所述独立转子单元3设有凹口槽，凹口槽深度与导磁硅钢片3-5一致，与凸起卡口相配合。
具体地：所述凸极率是指交轴电感与直轴电感的比值；当凸极率大于1时为正凸极率；当凸极率小于1时为反凸极率。
具体地：所述饱和区域1指的是导磁硅钢片3-5、隔磁磁障B3-7、永磁体C3-4和永磁体A3-2之间包围的区域；所述饱和区域2指的是隔磁磁障A3-6和引磁磁桥3-1之间包围的区域以及引磁磁桥3-1与下一独立转子单元3之间包围的区域。
优选地：所述永磁体A3-2与永磁体B3-3夹角应为30°～50°，本实施案例中，永磁体B3-3与永磁体C3-4夹角设置为42°；
优选地：所述永磁体A3-2与所述永磁体B3-3的厚度相同，其值应为1～3mm；所述永磁体C3-4的厚度应为1～5mm。本实施案例中，永磁体A3-2和永磁体B3-3的厚度为2.4mm，永磁体C3-4的厚度为3mm。
优选地：所述引磁磁桥3-1的形状为U型、梯形或弧形，本实施案例中，引磁磁桥3-1的形状为弧形。
本发明提供的一种多变凸极率永磁电机及其设计方法，相比现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明通过软磁材料、不同取向硅钢片材料的分区使用将转子结构分为多层，引导多层q轴磁通路径，当改变电枢交轴电流时，能够使得电机凸极率随着电机负载大小自适应调整。当电机运行在低速重载时，交轴电流较大，此时电机为反凸极率，能够提高低速时电机的带载能力，降低电机不可逆退磁风险；当电机运行在高速轻载时，交轴电流较小，此时电机为正凸极率，有利于充分利用磁阻转矩，提高高速时电机的带载能力。因此，该电机能够适应不同转速负载条件，提高了低速和高速时电机的转矩输出能力。
2.本发明采用混合永磁体材料，降低了永磁电机的成本，提高了电机运行的可靠性。三角形永磁体的排布方式，进一步提高了电机的转矩密度与功率密度。
附图说明
附图1为本发明一种多变凸极率永磁电机的结构图。
附图2为附图1中独立转子单元3的结构图。
附图3为附图1中独立转子单元3的磁路分析图。
附图4为附图1中独立转子单元3的相关尺寸图，其中永磁体B和永磁体A上箭头方向为充磁方向，导磁硅钢片上方向为硅钢片材料取向方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种多变凸极率永磁电机，包括定子和转子，其中定子位于转子外侧；所述定子与转子之间设置有一层气隙；所述转子与转轴固定；所述定子包括定子铁心1及定子绕组1-1，所述定子铁心1包含m个电枢齿1-2和定子轭，所述电枢齿1-2间定子槽的槽型为梨形，所述定子绕组1-1为分布式整数槽绕组，定子绕组1-1于电枢齿1-2之上。所述转子内包含n个相同的独立转子单元3；
一种多变凸极率永磁电机设计方法，包括以下步骤：
步骤一、在转子磁路设计三条电枢交轴磁通路径，首先设计交轴磁通路径-1，设计永磁体C3-4磁通路径与永磁体A3-2磁通路径在饱和区域1交汇，当电枢交轴电流较小时，交轴磁通优先通过q轴磁通路径-1，即导磁硅钢片3-5和永磁体A3-2之间，并使得饱和区域1饱和；
步骤二、设计交轴磁通路径-2，设计隔磁磁障A3-6与引磁磁桥3-1之间宽度以及引磁磁桥3-1外侧到下一独立转子单元3的宽度大小，当电枢交轴电流增大时，交轴磁通优先经过q轴磁通路径-2，即隔磁隔磁磁障A3-6与引磁磁桥3-1之间以及引磁磁桥3-1外侧到下一独立转子单元3之间，并使得饱和区域2饱和；
步骤三、设计交轴磁路路径-3，设计引磁磁桥3-1的宽度，当电枢交轴电流较大时，饱和区域1和饱和区域2逐渐饱和，交轴磁通优先通过引磁磁桥3-1，并从电枢齿1-2出发依次穿过气隙进入弧形引磁磁桥3-1再穿过气隙回到电枢齿1-2；
步骤四、改变电枢电流大小，能够实现交轴磁通路径的分段饱和，从而改变交轴磁路的磁阻；当交轴磁通不断增大时，交轴磁通依次经过q轴磁通路径-1、q轴磁通路径-2、q轴磁通路径-3，促使饱和区域1和饱和区域2相继饱和，交轴磁阻不断增大，交轴电感不断降低；由于定子绕组1-1未通入电枢直轴电流，电机直轴磁阻变化不明显，直轴电感变化不大。因此，当电枢交轴电流变化时，电机交直轴电感差值会呈阶梯式变化，电机凸极率大小相应变化。
所述独立转子单元3包括引磁磁桥3-1、永磁体A3-2、永磁体B3-3、永磁体C3-4、导磁硅钢片3-5、隔磁磁障A3-6、隔磁磁障B3-7、隔磁磁障C3-8；所述隔磁磁障A3-6位于气隙与永磁体A3-2之间；所述隔磁磁障C3-8位于永磁体A3-2与永磁体B3-3之间；所述隔磁磁障B3-7位于永磁体C3-4两端；导磁硅钢片位于气隙与永磁体C3-4之间；所述引磁磁桥3-1为弧形，位于永磁体A3-2和永磁体B3-3外侧；所述永磁体A3-2和永磁体B3-3分别位于永磁体C3-4的两侧。
所述永磁体A3-2、永磁体B3-3和永磁体C3-4呈三角形；所述永磁体A3-2和永磁体B3-3充磁方向为对向充磁；所述永磁体A3-2充磁方向为径向充磁。
所述永磁体A3-2、永磁体B3-3和永磁体C3-4材料为钕铁硼；所述导磁硅钢片3-5材料为有取向硅钢片，其取向方向与永磁体C3-4一致；所述引磁磁桥3-1的材料为软磁材料；隔磁磁障A3-6、隔磁磁障B3-7、隔磁磁障C3-8材料为空气磁障；所述定子铁心1和转子铁心2的材料为无取向硅钢片。
所述导磁硅钢片3-5两端设有凸起卡口，其长度为1～3mm，本实施案例中，凸起卡口长度为1mm；所述独立转子单元3设有凹口槽，凹口槽深度与导磁硅钢片3-5一致，与凸起卡口相配合。
所述凸极率是指交轴电感与直轴电感的比值；当凸极率大于1时为正凸极率；当凸极率小于1时为反凸极率。
所述饱和区域1指的是导磁硅钢片3-5、隔磁磁障B3-7、永磁体C3-4和永磁体A3-2之间包围的区域；所述饱和区域2指的是隔磁磁障A3-6和引磁磁桥3-1之间包围的区域以及引磁磁桥3-1与下一独立转子单元3之间包围的区域。
所述永磁体A3-2与永磁体B3-3夹角应为30°～50°，本实施案例中，永磁体B3-3与永磁体C3-4夹角设置为42°；
所述永磁体A3-2与所述永磁体B3-3的厚度相同，其值应为1～3mm；所述永磁体C3-4的厚度应为1～5mm。本实施案例中，永磁体A3-2和永磁体B3-3的厚度为2.4mm，永磁体C3-4的厚度为3mm。
所述引磁磁桥3-1的形状为U型、梯形或弧形，本实施案例中，引磁磁桥3-1的形状为弧形。
所述导磁硅钢片3-5与永磁体A3-2的直线距离为L1，其满足3mm<L1<6mm，本实施案例中，L1值取为4.6mm；所述引磁磁桥3-1的厚度为L2，其满足1mm<L2<4mm，本实施案例中，L2值取为3.1mm；所述空气磁障A3-6端部到引磁磁桥3-1的距离为L4，其满足1mm<L4<4mm，本实施案例中，L4值取为1.6mm；所述引磁磁桥3-1到下一独立转子单元3的距离为L3，其满足1mm<L3<4mm，本实施案例中，L4值取为1.8mm。
以上所述仅为本发明的较佳实施方案而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种多变凸极率永磁电机，其特征在于，包括定子和转子，其中定子位于转子外侧；所述定子与转子之间设置有一层气隙；所述转子与转轴固定；所述定子包括定子铁心(1)及定子绕组(1-1)，所述定子铁心(1)包含m个电枢齿(1-2)和定子轭，所述电枢齿(1-2)间定子槽的槽型为梨形，所述定子绕组(1-1)为分布式整数槽绕组，定子绕组(1-1)绕于电枢齿(1-2)之上；所述转子内包含n个相同的独立转子单元(3)；
所述独立转子单元(3)包括引磁磁桥(3-1)、永磁体A(3-2)、永磁体B(3-3)、永磁体C(3-4)、导磁硅钢片(3-5)、隔磁磁障A(3-6)、隔磁磁障B(3-7)、隔磁磁障C(3-8)；所述隔磁磁障A(3-6)位于气隙与永磁体A(3-2)之间；所述隔磁磁障C(3-8)位于永磁体A(3-2)与永磁体B(3-3)之间；所述隔磁磁障B(3-7)位于永磁体C(3-4)两端；导磁硅钢片(3-5)位于气隙与永磁体C(3-4)之间；所述引磁磁桥(3-1)为弧形，位于永磁体A(3-2)和永磁体B(3-3)外侧；所述永磁体A(3-2)和永磁体B(3-3)分别位于永磁体C(3-4)的两侧；
所述永磁体A(3-2)材料为钕铁硼；所述永磁体B(3-3)和永磁体C(3-4)材料为铁氧体；所述导磁硅钢片(3-5)材料为有取向硅钢片，其取向方向与永磁体C(3-4)一致；所述引磁磁桥(3-1)的材料为软磁材料；所述定子铁心(1)和转子铁心(2)的材料为无取向硅钢片。
2.根据权利要求1所述的一种多变凸极率永磁电机，其特征在于：所述永磁体A(3-2)、永磁体B(3-3)和永磁体C(3-4)呈三角形；所述永磁体A(3-2)和永磁体B(3-3)充磁方向为对向充磁；所述永磁体A(3-2)充磁方向为径向充磁。
3.根据权利要求1所述的一种多变凸极率永磁电机，其特征在于：所述导磁硅钢片(3-5)两端设有凸起卡口，其长度为1～3mm；所述独立转子单元(3)设有凹口槽，凹口槽深度与导磁硅钢片(3-5)一致，与凸起卡口相配合。
4.根据权利要求1所述的一种多变凸极率永磁电机设计方法，其特征在于，所述电机包括，所述永磁体A(3-2)材料为钕铁硼；所述永磁体B(3-3)和永磁体C(3-4)材料为铁氧体；所述导磁硅钢片(3-5)材料为有取向硅钢片，其取向方向与永磁体C(3-4)一致；所述引磁磁桥(3-1)的材料为软磁材料；所述定子铁心(1)和转子铁心(2)的材料为无取向硅钢片；
所述方法包括以下步骤：
步骤一、在转子磁路设计三条电枢交轴磁通路径，首先设计交轴磁通路径-1，设计永磁体C(3-4)磁通路径与永磁体A(3-2)磁通路径在饱和区域1交汇，当电枢交轴电流较小时，交轴磁通优先通过q轴磁通路径-1，即导磁硅钢片(3-5)和永磁体A(3-2)之间，并使得饱和区域1饱和；
步骤二、设计交轴磁通路径-2，设计隔磁磁障A(3-6)与引磁磁桥(3-1)之间宽度以及引磁磁桥(3-1)外侧到下一独立转子单元(3)的宽度大小，当电枢交轴电流增大时，交轴磁通优先经过q轴磁通路径-2，即隔磁隔磁磁障A(3-6)与引磁磁桥(3-1)之间以及引磁磁桥(3-1)外侧到下一独立转子单元(3)之间，并使得饱和区域2饱和；
步骤三、设计交轴磁路路径-3，设计引磁磁桥(3-1)的宽度，当电枢交轴电流较大时，饱和区域1和饱和区域2逐渐饱和，交轴磁通优先通过引磁磁桥(3-1)，并从电枢齿(1-2)出发依次穿过气隙进入弧形引磁磁桥(3-1)再穿过气隙回到电枢齿(1-2)；
步骤四、改变电枢电流大小，能够实现交轴磁通路径的分段饱和，从而改变交轴磁路的磁阻；当交轴磁通不断增大时，交轴磁通依次经过q轴磁通路径-1、q轴磁通路径-2、q轴磁通路径-3，促使饱和区域1和饱和区域2相继饱和，交轴磁阻不断增大，交轴电感不断降低；由于定子绕组(1-1)未通入电枢直轴电流，电机直轴磁阻变化不明显，直轴电感变化不大，因此，当电枢交轴电流变化时，电机交直轴电感差值会呈阶梯式变化，电机凸极率大小相应变化。
5.根据权利要求4所述的一种多变凸极率永磁电机设计方法，其特征在于：所述凸极率是指交轴电感与直轴电感的比值；当凸极率大于1时为正凸极率；当凸极率小于1时为反凸极率。
6.根据权利要求4所述的一种多变凸极率永磁电机设计方法，其特征在于：所述饱和区域1指的是导磁硅钢片(3-5)、隔磁磁障B(3-7)、永磁体C(3-4)和永磁体A(3-2)之间包围的区域；所述饱和区域2指的是隔磁磁障A(3-6)和引磁磁桥(3-1)之间包围的区域以及引磁磁桥(3-1)与下一独立转子单元(3)之间包围的区域。
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