CN114421672B - 转子组件、混合励磁电机及其控制方法 - Google Patents

转子组件、混合励磁电机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种转子组件、混合励磁电机及其控制方法，属于电机技术领域，包括转轴、转子铁芯、永磁体以及励磁绕组；转子铁芯设置于转轴上；永磁体镶嵌于转子铁芯的磁钢槽内；励磁绕组沿径向一一对应各永磁体，绕制于转子铁芯的载体上，且励磁绕组位于永磁体的内侧，励磁绕组的轴线平行于永磁体的磁极方向。本发明由于设置了与永磁体磁场方向平行的励磁绕组，可以通过调整励磁绕组电流的方向及大小，实现即可增磁，也可去磁的作用，降低铜耗及铁耗，从而实现峰值恒功率区间最大化，效率更优化；并可实现空载反拖时无需定子三相绕组弱磁，实现零扭损耗最小化；同时空载运行时无需增加离合器类脱开机构，降低制作成本，节省布置空间。

Description

转子组件、混合励磁电机及其控制方法
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种转子组件、混合励磁电机及混合励磁电机的控制方法。
背景技术
永磁同步电机，凭借其效率高、高效区覆盖范围广、功率密度高等特点，已成为绝大多数新能源汽车驱动系统的首选。
但目前存在两大难点，制约永磁同步电机的进一步发展：
第一，车用驱动永磁同步电机，即需要低速大转矩，又需要高速大功率，因此存在一定矛盾。从低速爬坡角度出发，需要大的转矩，而不希望电流过大，就需要提高永磁磁链，获得大转矩系数；但是如果永磁磁链太大，在高速时，反电动势会高过母线电压，无法输出功率。现有技术为通过电枢绕组产生去磁磁场分量，抵消永磁体产生的磁链进行弱磁。但此类弱磁方式，会带来永磁体退磁的风险，而且过多的去磁电流，不但不做功，还会产生额外的铜耗，降低电机效率。
第二，对于新能源汽车，特别是混合动力，其驱动系统没有离合器，驱动电机通过变速器齿轮与车轮相连。也就是说，行驶中的电机不论通电与否，都处于旋转状态。
有必要注意，电机在非驱动时，即空驶时的状态。例如，在加速踏板抬起状态，EV惯性行驶或者沿下坡道路滑行时，电机被车轮强制拖曳而旋转。这时，因为永磁电机转子使用永磁体，磁场就会在旋转过程中与定子线圈进行交链。此时，具有两种情况，其一，旋转磁场作用于定转子铁芯，产生磁滞损耗和涡流损耗，即“铁损”；其二，旋转磁场会在定子线圈感应电流，产生反电势，转速越高，反电势越高；如车辆此时不需要能量回收，则需要对反电势进行抑制，以免反电势峰值超过母线电压。反电势抑制方式，即为同第一点进行转子弱磁，此时电流将以铜损的形式予以消耗。也就是说，即使车轮没有被驱动，滑行时也会产生能量损耗。
因此，新能源车辆为保证续驶里程，对0Nm损耗要求亦极为严格，而为了满足该要求，电机设计时，其反电势就必须要低，从而电机不能采用更多的永磁体，抑制了电机恒功率区间及功率密度的提升。
综上所述，目前新能源车辆存在的缺点总结如下：
(1)为提升整车动力性，现有永磁同步电机低速区间追求大扭矩输出，电机设计时反电势较高，否则需将电机体积设计较大，增加电机成本；
(2)在高速区间，反电势过高，则需要定子电流分量进行弱磁，降低反电势，此时定子铜耗及铁耗均增加，从而增加了电机损耗，未达到最优应用效果。
(3)电机高速反拖滑行时，为解决拖曳损耗，目前整车厂常用的技术方案为后桥采用非永磁同步电机，如采用交流感应电机、磁阻电机、励磁电机等方式，更有车型在驱动系统与车轮之间增加离合器，非驱动状态，离合器断开。以上电机类型及增加离合器的方式，对整车的效率、功率密度、制造工艺等综合性能均不如永磁同步电机。
发明内容
本发明实施例提供一种转子组件、混合励磁电机及其控制方法，旨在协调整车在低速、高速及空载时的效率，使各区间效率最大化，降低电机损耗。
第一方面，为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种转子组件，包括：
转轴；
转子铁芯，设置于所述转轴上；
永磁体，镶嵌于所述转子铁芯的磁钢槽内；以及
励磁绕组，沿径向一一对应各所述永磁体，绕制于所述转子铁芯的载体上，且所述励磁绕组位于所述永磁体的内侧，所述励磁绕组的轴线平行于所述永磁体的磁极方向。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述转子铁芯为一体式结构，所述载体一体成型于所述转子铁芯。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述转子铁芯为分体式结构，包括内外设置外转子铁芯体和内转子铁芯体，所述内转子铁芯体装配于所述外转子铁芯体的内侧，所述励磁绕组绕制于所述内转子铁芯体上，所述永磁体镶嵌于所述外转子铁芯体上。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述转子铁芯为分体式结构，包括多个转子铁芯模块，多个所述转子铁芯模块拼接构成所述转子铁芯；其中
所述载体设置在所述转子铁芯模块的同一端，各所述转子铁芯模块依次拼接，以使所述永磁体和所述励磁绕组位于所述拼接处；或者
所述转子铁芯模块包括左转子铁芯体和右转子铁芯体，所述永磁体和所述励磁绕组位于所述左转子铁芯体和所述右转子铁芯体的拼接处，所述励磁绕组绕制于所述左转子铁芯体或所述右转子铁芯体上。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述载体的端部设有凸起的限位块，与所述载体相接的所述转子铁芯模块的端面设有适配所述限位块的限位槽。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，还包括隔磁衬套，套装于所述转轴上，且在所述转子铁芯与所述转轴之间。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，还包括灌封胶，设置于所述永磁体与所述转子铁芯之间、以及所述励磁绕组与所述转子铁芯之间。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述励磁绕组的联接方式为串联、并联或串并混联。
第二方面，本发明实施例还提供了一种混合励磁电机，包括碳刷、定子组件、第一导电铜环和第二导电铜环，还包括所述的转子组件、正极电流换向开关和负极电流换向开关，所述转子组件的励磁绕组联接后，两个引出端分别通过所述第一导电铜环、所述第二导电铜环及适配的碳刷连接至直流电源的正负极，所述正极电流换向开关和所述负极电流换向开关分别连接于所述直流电源的正负极。
第三方面，本发明实施例还提供了一种混合励磁电机的控制方法，所述方法包括：
获取所述混合励磁电机的实际转速；
当所述实际转速小于或等于预设转速时，所述混合励磁电机处于低速区；
通过所述正极电流换向开关和所述负极电流换向开关的换向，所述励磁绕组获得第一方向电流，以使所述励磁绕组产生的磁场与对应的所述永磁体的磁场同向增磁，所述混合励磁电机处于低速驱动模式；
当所述实际转速大于预设转速时，所述混合励磁电机处于高速区；
通过所述正极电流换向开关和所述负极电流换向开关的换向，所述励磁绕组获得第二方向电流，以使所述励磁绕组产生的磁场与对应的所述永磁体的磁场反向弱磁，所述混合励磁电机处于高速驱动模式；
当获得的所述第二方向电流大于预设反向电流时，所述正极电流换向开关和所述负极电流换向开关断开，所述永磁体与所述励磁绕组形成耦合磁场，所述混合励磁电机处于空载反拖模式。
本发明提供的转子组件、混合励磁电机及其控制方法，与现有技术相比，有益效果在于：通过设置励磁绕组及调整励磁绕组电流的方向及大小，实现即可增磁，也可去磁的作用，降低铜耗及铁耗，从而实现峰值恒功率区间最大化，效率更优化；并可实现空载反拖时无需定子三相绕组弱磁，实现零扭损耗最小化，同时空载运行时无需增加离合器类脱开机构，降低制作成本，节省布置空间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的混合励磁电机八分之一的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的混合励磁电机的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的转子组件的励磁绕组串联的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的转子组件的励磁绕组并联的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一体式转子组件的励磁绕组的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的左右分体式转子组件的励磁绕组的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的内外分体式转子组件的励磁绕组的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的励磁绕组的电路连接示意图；
图9为本发明实施例提供的励磁绕组的供电电路示意图；
图10为本发明实施例提供的定子绕组的供电电路示意图；
图11为本发明实施例提供的混合励磁电机驱动增磁状态的磁路示意图；
图12为本发明实施例提供的混合励磁电机驱动弱磁状态的磁路示意图；
图13为本发明实施例提供的混合励磁电机驱动空载弱磁状态的磁路示意图；
附图标记说明：
1、定子铁芯；2、定子绕组；3、转子铁芯；31、外转子铁芯体；32、内转子铁芯体；33、缺口；34、左转子铁芯体；35、右转子铁芯体；4、隔磁衬套；5、转轴；6、励磁绕组；7、载体；71、限位块；8、永磁体；9、第一导电铜环；10、第二导电铜环；11、直流电源；12、负极电流换向开关；13、正极电流换向开关。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1至图7，现对本发明提供的转子组件进行说明。所述转子组件，包括：转轴5、转子铁芯3、永磁体8以及励磁绕组6；转子铁芯3设置于转轴5上；永磁体8镶嵌于转子铁芯3的磁钢槽内；励磁绕组6沿径向一一对应各永磁体8，绕制于转子铁芯3的载体7上，且励磁绕组6位于永磁体8的内侧，励磁绕组6的轴线平行于永磁体8的磁极方向。
本实施例提供的转子组件，与现有技术相比，由于设置了与永磁体8磁场方向平行的励磁绕组6，可以通过调整励磁绕组6电流的方向及大小，实现即可增磁，也可去磁的作用，降低铜耗及铁耗，从而实现峰值恒功率区间最大化，效率更优化；并可实现空载反拖时无需定子三相绕组弱磁，实现零扭损耗最小化，同时空载运行时无需增加离合器类脱开机构，降低制作成本，节省布置空间。
永磁体8具有N、S极，其在转子铁芯3各磁钢槽内，成磁极对称性排布。本实施例附图是以8极48槽电机为例进行示意，部分选取均为八分之一模型展示。相邻的永磁体8磁极反向装配于各磁钢槽内。
作为本发明提供的转子组件的一种具体实施方式，参见图5，转子铁芯3为一体式结构，载体7一体成型于转子铁芯3。作为优化，在转子铁芯3的外侧对应磁钢槽的位置设有缺口33，以便于励磁绕组6绕线。在励磁绕组6的两侧、永磁体8与励磁绕组6之间及永磁体8的外侧，均设有空间，以便于灌装灌封胶，对永磁体8及励磁绕组6起到导热和固定的作用。
作为本发明提供的转子组件的另一种具体实施方式，参见图7，转子铁芯3为分体式结构，包括内外设置外转子铁芯体31和内转子铁芯体32，内转子铁芯体32装配于外转子铁芯体31的内侧，励磁绕组6绕制于内转子铁芯体32上，永磁体8镶嵌于外转子铁芯体31上。分体式的转子铁芯3，励磁绕组6外转子铁芯体31与内转子铁芯体32的接缝处，便于励磁绕组6的绕制。
作为本发明提供的分体式转子组件的另一种具体实施方式，参见图6，转子铁芯3为分体式结构，包括多个转子铁芯模块，多个所述转子铁芯模块拼接构成转子铁芯3。这种分体式的转子组件又具有多种实施方式：
实施例1，载体7设置在转子铁芯模块的同一端，各转子铁芯模块依次拼接，以使永磁体8和励磁绕组6位于拼接处。
实施例2，如图6所示，转子铁芯模块包括左转子铁芯体34和右转子铁芯体35，永磁体8和励磁绕组6位于左转子铁芯体34和右转子铁芯体35的拼接处，励磁绕组6绕制于左转子铁芯体34或右转子铁芯体35上。
下述两种分体式的转子铁芯3与内外设置的分体式转子铁芯3，同样是便于励磁绕组6的绕制。
为了提供分体式转子铁芯3连接的可靠性，参见图6，载体7的端部设有凸起的限位块71，与载体7相接的转子铁芯3模块的端面设有适配限位块71的限位槽。
其中，转子铁芯3为硅钢片叠压而成，其为励磁绕组6提供支撑，转子铁芯3各部分紧密接触，共同构成励磁回路。
作为本发明提供的转子组件的另一种具体实施方式，如图1至图4所示，转子组件还包括隔磁衬套4，套装于转轴5上，且在转子铁芯3与转轴5之间。隔磁衬套4采用非导磁材料制成的圆环，介于转轴5与转子铁芯3之间，使得永磁体8及励磁绕组6产生磁场，不经转轴5形成漏磁回路。
作为本发明提供的转子组件的另一种具体实施方式，转子组件还包括灌封胶，设置于永磁体8与转子铁芯3之间、以及励磁绕组6与转子铁芯3之间。灌封胶起到导热及固定作用。
在转子铁芯3的表面还设有一层励磁绕组6绝缘，以使转子铁芯3与励磁绕组6绝缘。
作为本发明提供的转子组件的另一种具体实施方式，如图3至图4，励磁绕组6的联接方式为串联、并联或串并混联。励磁绕组6绕制在转子铁芯3之上，通电后产生磁场。每个磁极下有一组励磁绕组6，励磁绕组6电流正负通过引出线连接至导电铜环。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
基于同一发明构思，如图1及图2、图10所示，本申请实施例还提供一种混合励磁电机，包括碳刷、定子组件、第一导电铜环9和第二导电铜环10，还包括转子组件、正极电流换向开关13和负极电流换向开关12，转子组件的励磁绕组6联接后，两个引出端分别通过第一导电铜环9、第二导电铜环10及适配的碳刷连接至直流电源11的正负极，正极电流换向开关13和负极电流换向开关12分别连接于直流电源11的正负极，励磁绕组6的引出端分别接正极电流换向开关13和负极电流换向开关12。
对于上面混合励磁电机解释的是：混合励磁电机常规的包括壳体和端盖。
定子组件包括定子铁芯1、三相绕组、三相绕组绝缘。定子铁芯1与普通交流电机相同，采用硅钢片叠片形式，其上开有用以嵌线的定子槽。
三相绕组嵌于定子槽中，包括但不限于目前已知定子绕组2结构形式：例如，圆线散嵌绕组和扁线绕组。
导电铜环为两个，装配在电机转轴5上，跟随转轴5同步旋转，导电铜环内圈与励磁绕组6引出线连接，另一端与碳刷接触，连接至直流电源11正负极，用以实现励磁绕组6在旋转过程中的通电作用。
本发明实施例还提供了一种混合励磁电机的控制方法，如图8至图13所示，所述方法包括：
获取混合励磁电机的实际转速；
当实际转速小于或等于预设转速时，混合励磁电机处于低速区；
通过正极电流换向开关13和负极电流换向开关12的换向，励磁绕组6获得第一方向电流，以使励磁绕组6产生的磁场与对应的永磁体8的磁场同向增磁，混合励磁电机处于低速驱动模式；
当实际转速大于预设转速时，混合励磁电机处于高速区；
通过正极电流换向开关13和负极电流换向开关12的换向，励磁绕组6获得第二方向电流，以使励磁绕组6产生的磁场与对应的永磁体8的磁场反向弱磁，混合励磁电机处于高速驱动模式；
当获得的第二方向电流大于预设反向电流时，正极电流换向开关13和负极电流换向开关12断开，永磁体8与所述励磁绕组6形成耦合磁场，混合励磁电机处于空载反拖模式。
其中，预设转速为电机高低速的分界线，预设转速可根据常规的数值判定，也可以根据车型设定。
通过本发明提供的混合励磁电机的控制方法，可以实现电机的三种工作模式：
1、驱动模式：(1)在低速大扭矩运行区域，励磁绕组6通入电流，使其产生的磁场与永磁体8同方向(定义该方向电流为正方向电流，对应上述的第一方向电流，则第二方向电流为负方向)，励磁绕组6磁场与永磁体8磁场共同作用，起到增磁作用，如图11所示。
(2)在高速大功率运行区域，不需要按传统永磁电机，通过控制定子id、iq电流弱磁控制方式，而是通过励磁绕组6进行弱磁：
①励磁绕组6断路，无励磁磁场产生，此时正极电流换向开关13和负极电流换向开关12全关闭，如图8及图9所示；
②励磁绕组6通入负方向电流，形成与永磁体8反向磁场弱磁，并可通过不同转速调节不同励磁电流大小，得到最佳反电势，如图12所示。
2、发电模式：励磁绕组6开断及所通电流大小调节同驱动模式。
3、空载反拖模式：励磁绕组6通入较大反向电流，使其形成磁场与永磁体8反向，此时，永磁体8磁场与电磁场形成耦合磁场，在转子内部形成磁场自回路，不与定子线圈产生电磁反应或所形成反电势低于母线电压，此时无需定子绕组通电弱磁，如图13所示。
混合励磁电机的电气原理：定子三相绕组仍采用电机控制器供电，如图10所示：
如图9所示，励磁绕组6采用直流电源11供电，优选新能源车载DC作为直流电源11；在电路中存在电流换向装置，为励磁绕组6电流换向的一种实现形式；开关S1、S2、S3、S4为换向开关；在需要增磁时刻，开关S1、S2闭合，S3、S4断开，电流从励磁绕组6正极流至负极，励磁绕组6产生与永磁体8同向磁场，共同作用于三相绕组，起到增磁作用；在无需励磁绕组6介入时，所有开关断开状态；在需要弱磁时刻，开关S1、S2断开，S3、S4闭合，电流从励磁绕组6负极流至正极，绕组产生与永磁体8反向磁场，并与永磁体8磁场形成转子内部回路，起到弱磁作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种转子组件，其特征在于，包括：
转轴(5)；
转子铁芯(3)，设置于所述转轴(5)上；
永磁体(8)，镶嵌于所述转子铁芯(3)的磁钢槽内；以及
励磁绕组(6)，沿径向一一对应各所述永磁体(8)，绕制于所述转子铁芯(3)的载体(7)上，且所述励磁绕组(6)位于所述永磁体(8)的内侧，所述励磁绕组(6)的轴线平行于所述永磁体(8)的磁极方向；
定义励磁绕组(6)通入电流，使其产生的磁场与所述永磁体(8)同方向的电流方向为正方向电流，对应的正方向电流为第一方向电流，则第二方向电流为负方向；
通过正极电流换向开关(13)和负极电流换向开关(12)的换向，励磁绕组(6)获得第一方向电流，以使所述励磁绕组(6)产生的磁场与对应的永磁体(8)的磁场同向增磁，混合励磁电机处于低速驱动模式；
通过所述正极电流换向开关(13)和所述负极电流换向开关(12)的换向，所述励磁绕组(6)获得第二方向电流，以使所述励磁绕组(6)产生的磁场与对应的所述永磁体(8)的磁场反向弱磁，混合励磁电机处于高速驱动模式；
当获得的第二方向电流大于预设反向电流时，正极电流换向开关(13)和负极电流换向开关(12)断开，所述永磁体(8)与所述励磁绕组(6)形成耦合磁场，混合励磁电机处于空载反拖模式。
2.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述转子铁芯(3)为一体式结构，所述载体(7)一体成型于所述转子铁芯(3)。
3. 如权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述转子铁芯(3)为分体式结构，包括内外设置外转子铁芯体(31)和内转子铁芯体(32)，所述内转子铁芯(3)体装配于所述外转子铁芯体(31)的内侧，所述励磁绕组(6)绕制于所述内转子铁芯体(32)上，所述永磁体(8)镶嵌于所述外转子铁芯体(31)上。
4. 如权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述转子铁芯(3)为分体式结构，包括多个转子铁芯模块，多个所述转子铁芯模块拼接构成所述转子铁芯(3)；其中
所述载体(7)设置在所述转子铁芯模块的同一端，各所述转子铁芯模块依次拼接，以使所述永磁体(8)和所述励磁绕组(6)位于所述拼接处；或者
所述转子铁芯模块包括左转子铁芯体(34)和右转子铁芯体(35)，所述永磁体(8)和所述励磁绕组(6)位于所述左转子铁芯体(34)和所述右转子铁芯体(35)的拼接处，所述励磁绕组(6)绕制于所述左转子铁芯体(34)或所述右转子铁芯体(35)上。
5.如权利要求4所述的转子组件，其特征在于，所述载体(7)的端部设有凸起的限位块(71)，与所述载体(7)相接的所述转子铁芯模块的端面设有适配所述限位块(71)的限位槽。
6.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于，还包括隔磁衬套(4)，套装于所述转轴(5)上，且在所述转子铁芯(3)与所述转轴(5)之间。
7.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于，还包括灌封胶，设置于所述永磁体(8)与所述转子铁芯(3)之间、以及所述励磁绕组(6)与所述转子铁芯(3)之间。
8.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述励磁绕组(6)的联接方式为串联、并联或串并混联。
9.一种混合励磁电机，包括碳刷、定子组件、第一导电铜环(9)和第二导电铜环(10)，其特征在于，还包括如权利要求1-8任一项所述的转子组件、正极电流换向开关(13)和负极电流换向开关(12)，所述转子组件的励磁绕组(6)联接后，两个引出端分别通过所述第一导电铜环(9)、所述第二导电铜环(10)及适配的碳刷连接至直流电源(11)的正负极，所述正极电流换向开关(13)和所述负极电流换向开关(12)分别连接于所述直流电源(11)的正负极。
10.一种混合励磁电机的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取所述混合励磁电机的实际转速；
当所述实际转速小于或等于预设转速时，所述混合励磁电机处于低速区；
通过正极电流换向开关(13)和负极电流换向开关(12)的换向，励磁绕组(6)获得第一方向电流，以使所述励磁绕组(6)产生的磁场与对应的永磁体(8)的磁场同向增磁，所述混合励磁电机处于低速驱动模式；
当所述实际转速大于预设转速时，所述混合励磁电机处于高速区；
通过所述正极电流换向开关(13)和所述负极电流换向开关(12)的换向，所述励磁绕组(6)获得第二方向电流，以使所述励磁绕组(6)产生的磁场与对应的所述永磁体(8)的磁场反向弱磁，所述混合励磁电机处于高速驱动模式；
当获得的所述第二方向电流大于预设反向电流时，所述正极电流换向开关(13)和所述负极电流换向开关(12)断开，所述永磁体(8)与所述励磁绕组(6)形成耦合磁场，所述混合励磁电机处于空载反拖模式。
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