CN114649879B - 一种可变磁通永磁容错电机及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变磁通永磁容错电机及设计方法，涉及永磁容错电机领域。包括定子、转子和转轴，定子内圈圆周方向均匀分布为电枢齿，电枢齿上绕有电枢绕组，沿转子的圆周方向间隔均匀分布永磁体，永磁体采用V型放置组成永磁体对，V型开口朝向气隙，本发明在相邻永磁体极间均匀分布弧形磁障，确保电机只能极间漏磁，d、q轴之间设置空气磁障，沿转子外圆周方向均匀分布，在改善电机基本性能的同时进一步提高电机驱动系统的容错性能和可靠性，从而满足车用电机多变工况需求。本发明通过巧妙地设计转子磁障和气隙磁障以及采用分数槽集中绕组等方式，解决了传统电机难以兼具结构简单、强容错性能、宽调速和高效率的技术难题。

Description

一种可变磁通永磁容错电机及设计方法

技术领域

本发明涉及一种电机，尤其涉及一种基于多变运行工况下的可变磁通永磁容错电机系统。

背景技术

为响应国家二氧化碳排放力争于2030年达到峰值，努力争取2060年实现碳中和的“双碳”战略目标，新能源电动汽车的研究和应用是实现节能减排以及此目标的一个有效的途径。新能源电动汽车的研究是一个热点问题，满足其安全性和可靠性尤为重要。电机驱动系统作为电动汽车的“心脏”，是电动汽车研究的共性关键技术。永磁电机具有高效率、高功率密度、宽调速范围等优点，其驱动系统在电动汽车领域得到广泛关注。

随着电动汽车的发展和广泛应用，面对“市区道路、高速公路、乡村公路”等多种复杂的行驶环境，对电机及其驱动系统提出了更高的性能要求，不仅要满足高功率密度、高转矩输出、低转矩脉动和宽调速性能等要求，还要具备高可靠性和自如应对突发状况的能力。为提高永磁电机驱动系统的可靠性，永磁容错电机应运而生。中国发明专利《一种多相容错电机》(CN201811281184.8)公开了一种多相强容错电机，利用多相集中绕组技术和一种新型的定子结构，实现了故障工况下电机的强容错运行。但此类电机由于其恒定的永磁磁势导致气隙磁通难以调节，弱磁升速困难，限制了其转速范围。此外，中国发明专利《一种高磁阻转矩、高凸极率的五相永磁容错电机的设计方法》(CN202010084514.5)公开了一种新的五相永磁容错电机的槽极配合关系，在实现高磁阻转矩和高凸极率的同时，能保证优越的容错性能，对获得良好的容错能力和无位置传感器性能具有重要意义。但此类电机的气隙磁通仍无法调节，转速范围也在一定程度受到了限制。中国发明专利《一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机》(CN201910676159.8)公开了一种通过调节漏磁通以实现宽调速范围的永磁电机，该电机具有低速重载少漏磁，高速轻载多漏磁特点，理论上能够满足电动汽车的低速重载、频繁启停、高速巡航等工况场合。但该类电机着重解决弱磁调速存在的问题，很难保证在电机驱动系统发生电机绕组故障或者位置传感器故障时的强容错运行，无法应对电动汽车行驶时的突发情况。中国发明专利《一种基于位置自检测的混合励磁容错电机系统》(专利号201410460767.2)公布了一种改进的混合励磁电机结构，该电机具有调节气隙磁密的能力，并且试图将无位置传感器运行性能提前考虑到电机设计中，以提高电机驱动系统的可靠性和调速范围。然而，该类电机增加了额外损耗，不利于提高电机的效率；同时，此发明的设计理论未考虑电动汽车多运行工况的特殊应用场合，难以直接应用于电动汽车领域。

可见，现有的传统永磁电机在电机设计阶段未能统筹考虑高效能、宽调速性能、容错性能和无位置传感器运行性能，因此，提出一种满足电动汽车“频繁启停、加速、刹车、爬坡、高速巡航、故障”等多变工况需求的电机系统，仍是电动汽车领域亟待解决的科学与技术问题之一。

发明内容

发明目的：本发明根据现有技术中存在的问题，提出一种可变磁通永磁容错电机及其设计方法，以满足电动汽车的“频繁启停、加速、刹车、爬坡、高速巡航、故障”等多变工况需求，进一步拓宽电动汽车电机驱动系统的广域高效区和提高安全可靠运行性能。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种可变磁通永磁容错电机系统。从外向内依次包括电机定子1、转子2、永磁体8和转轴3；定子1由电枢齿4、定子轭5和定子槽6构成；定子1内圈圆周方向均匀分布为电枢齿4，电枢齿4上绕有电枢线圈，相邻两电枢齿4之间为定子槽6，电枢绕组7不完全充满定子槽6；定子1内壁和转子2外壁之间具有气隙；沿转子2的圆周方向间隔均匀分布永磁体8对，每极转子2均设两块矩形永磁体8，采用V型放置且V型开口朝向气隙，永磁体8对由沿转子2径向对称的两个磁条在靠近所述转子的轴心的一端拼合而成；转轴3上有键槽，键连接电机的转子2和转轴3实现同心旋转。

进一步，定子1和转子2均采用硅钢片等导磁材料叠压而成，叠压系数为0.96；电枢绕组7采用漆包铜导体材料；转轴3由不导磁材料组成。

进一步，电枢齿4的齿数是2m的倍数，且电枢齿4的数量与永磁体8极数之差为2，其中m为电机的相数。

进一步，设计交轴弧形磁障9沿转子圆周方向均匀分布，该弧形磁障9位于两相邻V型永磁体之间，所述弧形磁障9一共有十块。

进一步，设计交轴弧形空气磁障10在转子外沿圆周方向均匀分布，该弧形空气磁障10位于交直轴之间，所述弧形空气磁障10一共有二十块。

进一步，所述永磁体8为钕铁硼永磁磁钢，充磁方向为平行于永磁体8厚度方向，两个相邻的V型永磁体8充磁方向相反，其中一个为背离圆心，另一个为指向圆心。

进一步，所述电机由永磁体8产生单一励磁源，满足电机主磁通＝漏磁通+有效主磁通。

进一步，弧形空气磁障10由两段圆弧组成，靠近q轴的圆弧半径记R3，靠近d轴的圆弧半径记R4，在设计中为实现磁阻分配的优越性，满足R3>R4的条件。

进一步，永磁体8相邻极间中心线位置为交轴，同一极永磁体8中心线位置为直轴，交、直轴之间电角度为90度。

1.本发明电机，在相邻极间靠近气隙侧设置弧形磁障，使得两V型永磁体极间形成极间漏磁路径，在极间漏磁路径引导下，漏磁通路径单一，有利于通过调节漏磁通来调节电机的有效主磁通，实现了电机磁通可变的功能。本发明电机通过控制q轴电流调节主磁通，永磁体极间漏磁与电枢q轴磁通在漏磁路径上形成磁通交汇区，通过控制磁通交汇区的饱和程度来控制漏磁量的大小，在磁通交汇区，电枢q轴磁通与漏磁通形成此消彼长的关系。随着q轴电流的增大，q轴磁通增大，极间磁桥磁通饱和，抑制了漏磁，从而提高了电机有效主磁通。当电机发生故障时，电机转矩输出将大为降低，为了保持电机的输出转矩，需要增加正常相补偿电流，传统电机由于气隙磁通恒定，需要较大的容错电流；而本发明电机由于磁场可调，在增加补偿电流的同时使得电枢主磁通增加，相对于传统永磁容错电机，只需较小的容错电流即可维持相应的转矩输出。可见，本发明电机提高了系统在应对故障状态时的容错能力。

2.本发明电机通过电枢电流调节主磁通实现磁场可调，使得电机获得较宽的调速范围。电机在低速重载运行工况时，需要较大q轴电流，永磁体极间漏磁桥支路饱和，增大了漏磁支路的磁阻，减小了漏磁，电机具有低速大转矩少漏磁的特点；电机在高速轻载运行工况下，需要较小的q轴电流，漏磁支路的磁阻较小，永磁体产生磁通经过漏磁桥形成回路，漏磁增多，实现电机弱磁升速，从而获得较宽的转速范围。故本发明电机可通过调节电枢电流控制漏磁达到磁通可变的效果。综上所述，本设计电机适合在低速重载、频繁启停、高速巡航等多工况的不同场景下运行，进一步提高了电动汽车电机驱动系统的可靠性和能效性。

3.本发明巧妙设计了交轴磁障，转子内的弧形磁障控制了气隙中漏磁量的大小，实现了磁场可调特性。而进一步设计的交轴弧形空气磁障降低了q轴电感，增大了d轴电感与q轴电感之差，提高了电机的反凸极率。这一设计减小了无位置控制的位置误差角度，有利于无位置传感器控制，提高了电机的转子位置自检测的精度。

为实现上述目的，本发明另一方面提供了一种可变磁通永磁容错电机的设计方法，包括以下步骤：

步骤一，采用传统的容错电机设计方法，初步确定电枢齿齿数和永磁体极对数，基于基波合成矢量最大原则，确定槽矢量分配。

步骤二，设置弧形磁障，增加磁场可调特性。

步骤三，对步骤二所述的弧形磁障的参数进行优化，实现在正常和故障状态下的磁通可变。

步骤四，在交轴和直轴之间设置磁障，从而实现磁场增强效应。

步骤五，对步骤四所述的弧形空气磁障的参数进行优化，实现良好的无位置运行特性。

本发明的有益效果：

(1)本发明为应对电动汽车“频繁启停、加速、刹车、爬坡、高速巡航、故障”等多变工况运行，在电机设计阶段统筹考虑了无位置运行能力、容错运行能力、宽调速能力、高效能等多性能需求，首次将“漏磁可调”理念应用到容错电机领域，通过巧妙地设计转子磁障和气隙磁障以及采用分数槽集中绕组等方式，提出一种可变磁通永磁容错电机，实现了电机高精度转子位置自检测、强容错、宽调速、高效率等多性能协同设计。

(2)本发明电机永磁体的漏磁路径为极间漏磁，通过q轴电流控制极间漏磁桥的饱和程度进而控制永磁体的漏磁量，在正常工作的工况下，控制电机漏磁量的减少达到提高转矩的能力；在高速巡航工况下，控制漏磁量增多实现弱磁升速的目的；在故障工况下，在增加补偿电流的同时使得电枢主磁通增加，相对于传统永磁容错电机，可实现相对较小的容错电流提高电机的转矩输出，提高了整车系统在应对故障状态时的容错能力。

(3)本发明电机在转子交轴磁路巧妙地设置弧形等空气磁障，减小了q轴电感，提高电机的反凸极率，有利于实现电机零低速无位置传感器运行，同时降低高速弱磁时的永磁体退磁风险，提升高速巡航时的可靠性。

(4)本发明电机采用单一励磁源，不需要额外的电励磁绕组，仅利用单一励磁源实现了气隙磁场可调，从而解决了传统电机难以兼具结构简单、强容错性能、宽调速和高效率的技术难题。

(5)本发明电机具备良好的转子位置自检测能力，对于本发明电机相应的控制系统，无需安装位置传感器，减少了系统成本，提高了系统的可靠性，有利于拓宽其应用领域。

附图说明

图1为本发明满足多变运行工况的可变磁通永磁容错电机结构示意图；

图2为图1中定子结构示意图及电枢绕组分布图；

图3为图1中转子局部与交，直轴磁障的结构及几何尺寸标注放大示意图；

图4为图3中钕铁硼永磁体的几何尺寸标注放大示意图；

图5为图1中转子上的钕铁硼永磁体的充磁示意图；

图6为图1中转子的直轴，交轴示意图；

图7为本发明电机多工况运行磁路示意图。图a)为轻载状态；图b)为重载状态；

图8为本发明电机电感波形图；

图9为本发明电机d轴磁链随q轴电流变化波形图；

图10为本发明电机d、q轴电感随q轴电流变化波形图；

图11为本发明电机转矩随电流角变化波形图；

图12为本发明电机转子位置误差角随q轴电流变化关系图；

图13为本发明提供的一种可变磁通永磁容错电机的设计方法结构框图；

图中：1、定子；2、转子；3、转轴；4、定子齿；5、定子轭；6、定子槽；7、电枢绕组；8、永磁体；9、弧形磁障；10、弧形空气磁障。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提出了一种满足多变运行工况下的可变磁通永磁容错电机，为12槽/10极的可变磁通永磁容错电机。从外向内依次包括电机定子、转子、永磁体和转轴；其中定子为开口槽设计，由电枢齿、定子轭和定子槽构成；定子内圈圆周方向均匀分布为电枢齿，电枢齿上缠绕有电枢线圈，电枢线圈采用双层集中绕组；相邻两电枢齿之间为定子槽，电枢绕组不完全充满定子槽；定子内壁和转子外壁之间具有气隙；沿转子的圆周方向间隔均匀分布永磁体对，每极转子均设两块矩形永磁体，采用V型放置且V型开口朝向气隙，同时V型放置具有聚磁作用，可提高电机的转矩和出力，永磁体对由沿转子径向对称的两个磁条在靠近所述转子轴心的一端拼合而成。转轴上有键槽，键连接电机的转子和转轴实现同心旋转。定子和转子均采用硅钢片等导磁材料叠压而成，叠压系数为0.96；电枢绕组采用漆包铜导体材料；转轴由不导磁材料组成；永磁体为钕铁硼永磁磁钢材料。

图2为定子结构示意图及电枢绕组分布图，图中标注了定子轭部的径向宽度为t1，电枢齿部的径向中心处的齿宽为t2；此外，电枢绕组安置于定子槽内，电枢绕组按图2中标注的顺序，“+”为绕组进线方向，“-”为绕组出线方向，本发明电机有三相绕组，分布在十二个定子槽中，采用双层集中式分布。

图3为图1中转子局部交、直轴磁障的结构及几何尺寸标注放大示意图，截取了电机转子的1/4结构。转子相邻永磁体极间均匀分布弧形磁障，使得两V型永磁体极间形成极间漏磁路径，在极间漏磁路径引导下，漏磁通路径单一，有利于通过调节漏磁通来调节电机的有效主磁通，实现了电机磁通可变的功能。在弧形磁障设计的基础上，在交轴和直轴之间上增设了弧形空气磁障，沿转子外圆周方向均匀分布，不仅有利于通过控制漏磁路径控制漏磁量，还可以调节d、q轴的磁阻分配调节凸极率，该设置增加了q轴的磁阻，从而降低了q轴电感，从而增大了q轴与d轴的电感之差，进而提高了电机的反凸极率，减小了电机无位置控制的位置误差角度，提高了电机转子位置子检测的精度。

其中，弧形磁障的厚度为h1，宽度由角度a1表示，摆放位置由与圆心O距离R5决定，弧形磁障的形状和尺寸影响着电机的磁通可变的性能，尺寸的大小影响着性能的优劣，弧形磁障在转子上沿圆周方向均匀分布，共有10块组成。弧形空气磁障由两段圆弧组成，分别为与圆心O1距离为R3的圆弧和与圆心O2距离为R4的圆弧组成，圆弧的弧度大小由a2和a3决定。在设计中为实现磁阻分配的优越性，应满足R3>R4的条件。增设的弧形空气磁障均匀分布在转子外圆周，共有20块组成。

图4为图3中钕铁硼永磁体的几何尺寸标注放大示意图；每极永磁体呈“V”型放置，由两块矩形钕铁硼永磁体构成，永磁体关于所在极中心线对称，永磁体长度为l3，厚度为h3。两永磁体之间和两端均由空气槽连接，永磁体与交轴中心线夹角为a4，永磁体的摆放位置由与圆心O距离l2和空气槽长度h2决定，空气槽的设置减轻了电机转子的重量，也为加工工艺提供了便利。

图5为图3中转子上的钕铁硼永磁体的充磁示意图，同一极钕铁硼永磁体采用切向充磁方式，同一极两块矩形永磁体充磁方向夹角成90度，相邻两极永磁体充磁方式交替，永磁体产生的磁通在气隙处交汇，具有聚磁效果。

图6为图1中转子的直轴，交轴示意图，永磁体相邻极间中心线位置为交轴，同一极永磁体中心线位置为直轴，交、直轴之间电角度为90度。与电机交轴对应的电感称为交轴电感，与电机直轴对应的电感称为直轴电感。

图7为本发明电机多工况运行磁路示意图。图(a)为轻载状态；图(b)为重载状态；本发明电机通过控制q轴电流调节主磁通，永磁体极间漏磁与电枢q轴磁通在漏磁路径上形成磁通交汇区，永磁体产生两种状态的磁通路径如下，分别为轻载状态的磁通路径：永磁体、转子、交轴磁障形成的漏磁支路、转子、相邻永磁体、初始永磁体形成的闭合回路；重载状态的磁通路径是在漏磁通路径饱和时形成的，为：永磁体、转子、气隙、定子、气隙、转子、相邻极永磁体、初始永磁体形成的闭合回路。通过q轴电流控制磁通交汇区的饱和程度，从而来控制漏磁量的大小，从而实现磁通可变的功能，使得电机适合在低速重载、频繁启停、高速巡航等多工况的不同场景下运行，进一步提高了电动汽车电机驱动系统的可靠性和能效性。

如图8所示为本发明电机电感波形，本发明电机具有较高的自感，互感在自感中的占比为0.83％,有抑制短路电流的能力。相与相之间的磁耦合小，可以实现相间隔离，提高了电机的容错性能。

如图9所示为本发明电机磁链波形，q轴电流在0-7A范围内，磁链随着q轴电流增加而增加，有利于拓宽电机扩速范围；此外电机在额定电流下运行时的磁链未达到最大值，保留一定余量，有利于降低短路情况下的补偿电流。

如图10所示为本发明电机d、q轴电感波形，电机的d轴电感大于q轴电感，凸极率小于1，且凸极率受电流变化影响较小，有利于实现电机零低速无位置传感器运行，同时降低高速弱磁时的永磁体退磁的风险，提升高速巡航时的可靠性。

如图11所示为本发明电机转矩随电流角变化，在电流角增加过程中，转矩先增加后减小，最大转矩对应电流角约为-15deg，此时d轴电流为增磁特性，降低了永磁体不可逆退磁的风险。

如图12所示为q轴电流对转子位置误差角的影响，随着q轴电流增加，电机转子位置误差角变化不超过10deg，具有较稳定的转子位置误差角度，有利于提高电机无位置传感器的控制精度。

如图13为本发明提供的一种可变磁通永磁容错电机的设计方法，进行如下步骤:

步骤一，采用传统的容错电机设计方法，初步确定电枢齿齿数和永磁体极对数，基于基波合成矢量最大原则，确定槽矢量分配。通过改变电机定子齿数和极对数匹配的关系和对集中绕组的设置，达到电机所需的容错能力。

步骤二，设置弧形磁障，弧形磁障的合理设置，能增加磁场可调特性。与此同时，有助于磁路的引流，磁场过渡平缓，可在一定程度上提高气隙磁密的正弦性。

步骤三，对步骤二所述的弧形磁障的参数进行优化，通过参数化扫描弧形磁障的结构参数实现在正常和故障状态下的磁通可变。

步骤四，在交轴和直轴之间设置磁障，从而实现磁场增强效应。

步骤五，对步骤四所述的弧形空气磁障的参数进行优化，通过参数化扫描弧形空气磁障的结构参数实现良好的无位置运行特性。本发明通过巧妙地设计转子磁障和气隙磁障以及采用分数槽集中绕组等方式，仅利用单一励磁源即实现了电机高精度转子位置自检测、强容错、宽调速、高效率等多性能协同设计，解决了传统电机难以兼具结构简单、强容错性能、宽调速和高效率的技术难题。

Claims (5)

1.一种多变运行工况可变磁通永磁容错电机，其特征在于，由外向内依次包括电机定子(1)、转子(2)、永磁体(8)和转轴(3)；

定子(1)由电枢齿(4)、定子轭(5)和定子槽(6)构成；定子(1)内圈圆周方向均匀分布为电枢齿(4)，电枢齿(4)上绕有电枢线圈，相邻两电枢齿(4)之间为定子槽(6)，电枢绕组(7)不完全充满定子槽(6)；定子(1)内壁和转子(2)外壁之间具有气隙；沿转子(2)的圆周方向间隔均匀分布永磁体(8)对，每极转子(2)均设两块矩形永磁体(8)，采用V型放置且V型开口朝向气隙，永磁体(8)对由沿转子(2)径向对称的两个磁条在靠近所述转子的轴心的一端拼合而成；转轴(3)上有键槽，键连接电机的转子(2)和转轴(3)实现同心旋转；

电枢齿(4)的齿数是2m的倍数，且电枢齿(4)的数量与永磁体(8)极数之差为2，其中m为电机的相数；

转子(2)内位于相邻两永磁体(8)极间设计弧形磁障(9)，沿转子(2)圆周方向均匀分布；沿转子(2)外圆周方向设置均匀分布的弧形空气磁障(10)；

共有十块位于两相邻永磁体(8)极间的弧形磁障(9)和二十块沿着转子(2)外圆周均匀分布的弧形空气磁障(10)；

弧形空气磁障(10)由两段圆弧组成，靠近q轴的圆弧半径记R3，靠近d轴的圆弧半径记R4，在设计中为实现磁阻分配的优越性，满足R3>R4的条件；

由永磁体(8)产生单一励磁源，满足电机主磁通＝漏磁通+有效主磁通。

2.根据权利要求1所述的一种多变运行工况可变磁通永磁容错电机，其特征在于，定子(1)和转子(2)均采用硅钢片叠压而成，叠压系数为0.96；电枢绕组(7)采用漆包铜导体材料；转轴(3)由不导磁材料组成。

3.根据权利要求1所述的一种多变运行工况可变磁通永磁容错电机，其特征在于，永磁体(8)为钕铁硼永磁磁钢，充磁方向为平行于永磁体(8)厚度方向，两个相邻的V型永磁体(8)充磁方向相反，其中一个为背离圆心，另一个为指向圆心。

4.根据权利要求1所述的一种多变运行工况可变磁通永磁容错电机，其特征在于，永磁体(8)相邻极间中心线位置为交轴，同一极永磁体(8)中心线位置为直轴，交、直轴之间电角度为90度。

5.一种如权利要求1所述的一种多变运行工况可变磁通永磁容错电机的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，初步确定电枢齿(4)齿数和永磁体(8)极对数，基于基波合成矢量最大原则，确定槽矢量分配；

步骤二，设置弧形磁障(9)，增加磁场可调特性；

步骤三，对步骤二所述的弧形磁障(9)的参数进行优化，实现在正常和故障状态下的磁通可变；

步骤四，在交轴和直轴之间设置弧形空气磁障(10)，从而实现磁场增强效应；

步骤五，对步骤四所述的弧形空气磁障(10)的参数进行优化，实现良好的无位置运行特性。