CN116317254A - 一种最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机及其设计方法 - Google Patents

一种最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机及其设计方法 Download PDF

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王晨
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Abstract

本发明公开一种最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机及其设计方法，转子上沿圆周方向均匀设置八个永磁体组和八个不规则类矩形磁障，每个永磁体组沿d轴对称，每个不规则类矩形磁障沿q轴对称，在径向截面上的每个永磁体组均由两块外层永磁体和一块内层永磁体，一块内层永磁体与d轴相垂直，在d轴同一侧且远离d轴的外层永磁体的端部与内层永磁体的端部之间设置一个类L形磁障；将漏磁分量引入直轴磁链，基于直轴磁链计算出直轴磁链幅值，根据直轴磁链幅值确定关键结构参数及范围，选取典型工况代表点对关键结构参数优化，以最小的直轴磁链幅值逼近0为依据获得最优的关键结构参数，实现恒功率调速范围的拓宽，满足不同工况下多目标需求。

Description

一种最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机及其设计方法
技术领域
本发明属于电机制造领域，特指一种永磁扁线电机的结构以及其主要结构参数的设计方法，涉及电动汽车电机的设计方法。
背景技术
近年来，随着新能源汽车的逐渐推广与现代交通的迅速发展，对新能源汽车驱动电机提出了更为严苛的性能要求，由于永磁扁线电机提高功率密度效果显著，已成为新能源汽车电机的主要选择，如：功率密度指标需要高达4.0kW/kg以上，而扁线电机技术则是有效提升电机功率密度指标的重要方向之一。顾名思义，扁线电机的最大特点就是电机的绕组线为扁线，由此，槽满率高是扁线电机的固有特点，相同体积下电机能输出更大功率，从而有效提高电机功率密度。然而，相比传统圆线电机的圆线，扁线电机的扁线一般尺寸较大，因而在施加高频电流时所体现的集肤效应明显，很大程度上凸显了电机的温升问题。此外，扁线绕组的成型、自动插线等制造工艺水准也是影响扁线电机快速发展的关键问题。因此，当前扁线电机研究大多集中于绕组结构(例如中国专利号202210514571.1)、绕组焊接技术(例如中国专利号202121253140.1)等方面。需要明晰的是，由于永磁扁线电机提高功率密度效果显著，已成为新能源汽车电机的主要选择。然而，永磁扁线电机仍然面临电机磁场难以调节的固有问题，因此该类电机仍存在“恒功率调速范围较窄”、“高速弱磁区效率低”、“低速负载能力较弱”等多种工况下的性能不足，这是其应用于电动汽车中需要解决的关键问题。
对于传统永磁扁线电机而言，当电机达到基速以后，需要进行弱磁控制实现电机的继续扩速。然而，由于永磁电机气隙磁场基本保持恒定，无法直接调节，只能通过调节定子电流来调节直轴去磁电流，且很大程度上难以达到较为理想的弱磁效果，因此现有电动汽车用永磁扁线电机存在“恒功率调速范围较窄”、“高速弱磁区效率低”、“低速负载能力较弱”等多种工况下的性能不足，一定程度上制约了永磁扁线电机在电动汽车驱动电机领域的大规模应用，同时也成为延缓电动汽车快速发展的诸多不利因素之一。
中国专利号为201810293025.3的文献中提出了一种混合励磁电机，采用励磁绕组和永磁体共同励磁，通过调节励磁电流来控制气隙磁密的大小，实现永磁电机的宽调速范围运行，然而其存在的问题是导致绕组铜耗增加且机械结构复杂度提高，因此在电动汽车应用领域较难推广。中国专利号为201610537453.7的文献中提出了一种磁场增强型电机，一定程度上解决了传统内置永磁电机恒功率调速范围小的不足，但该类电机结构由于d轴永磁体的存在，产生一定的磁阻，因此在电机结构设计方面，调节电感特性与保证转矩输出之间形成了不可调和的矛盾。
可见，目前的传统驱动永磁电机的恒功率调速范围几乎都受限于永磁气隙磁场的合理调节，导致车用驱动电机高转矩及高转速的性能指标难以理想实现，因此，研究与探索符合电动汽车多运行工况需求，解决传统车用电机设计中因调节永磁气隙磁场效果不佳而导致的负载能力弱、调速范围窄的问题，已成为车用驱动电机领域亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明针对上述现有技术的缺陷，提出一种最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机及其关键参数的设计方法，采用双漏磁回路的结构且基于最小直轴磁链逼近0的设计思路，实现较为理想的恒功率调速范围的拓宽，以满足低速重载大转矩，高速巡航高效率等不同工况下的多目标需求。
本发明所述的一种最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机采用的技术方案是：其包括由外向内同轴心设置的定子和转子，转子上沿圆周方向均匀设置多个永磁体组和多个不规则类矩形磁障，每个永磁体组和每个不规则类矩形磁障彼此交错布置，每个永磁体组沿d轴对称，每个不规则类矩形磁障沿q轴对称；在径向截面上的每个永磁体组均由两块外层永磁体和一块内层永磁体，一块内层永磁体与d轴相垂直，两块外层永磁体的结构相同，之间不接触，呈开口沿径向朝外的V型布置；在d轴同一侧且远离d轴的外层永磁体的端部与内层永磁体的端部之间设置一个类L形磁障，同一极上的两个类L形磁障结构相同；不规则类矩形磁障和类L形磁障之间是自漏磁桥，在每个不规则类矩形磁障的正外侧，转子的外侧壁形成的是半椭圆形小磁障，半椭圆形小磁障和不规则类矩形磁障之间是极间漏磁桥，同一极上的两块外层永磁体和一块内层永磁体的充磁方向均相同，均沿各自内外厚度方向充磁，相邻两极上的两块外层永磁体和一块内层永磁体充磁方向相反。
进一步地，两块外层永磁体形成的V型的侧壁方向是外层永磁体的宽度方向，内层永磁体的宽度方向是与d轴相垂直的方向，外层永磁体和内层永磁体的宽度相等；外层永磁体的厚度大于内层永磁体的厚度。
进一步地，两块外层永磁体的内端之间形成中间导磁桥，内层永磁体的端部与类L形磁障的对应端部之间是内导磁桥，外层永磁体的端部与类L形磁障的对应端部之间是外导磁桥。
本发明所述的一种最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机的设计方法采用的技术方案是具有以下步骤：
步骤1)：将漏磁分量ψσ(id，iq)引入直轴磁链，所述的直轴磁链
ψd(id,iq)＝ψpm(id,iq)+Ld(id,iq)·id-ψσ(id,iq)，ψpm(id,iq)为永磁磁链，Ld(id,iq)为直轴电感，id,iq分别为d、q轴额定电流；
步骤2)：基于所述的直轴磁链ψd(id,iq)计算出直轴磁链幅值
Figure BDA0004134357940000031
根据所述的直轴磁链幅值|Ψd|确定电机轴长l、内外永磁体宽度wi、内外永磁体厚度hi、自漏磁桥宽度l11、极间漏磁桥宽度l12这些关键结构参数及其范围；μ0是气隙磁导率，μr是相对磁导率，N为每相绕组匝数，i＝1,2，wi＝w1,w2，分别是内、外层永磁体宽度，hi＝h1,h2，分别是内、外层永磁体厚度，l是电机轴长；Bpm是永磁体磁密；
步骤3)：选取典型工况代表点对所述的关键结构参数优化，根据优化后关键结构参数计算出最小的直轴磁链幅值|Ψd|，以最小的直轴磁链幅值|Ψd||逼近0为依据获得最优的关键结构参数。
进一步地，所述的关键结构参数的范围为：
Figure BDA0004134357940000032
h1＝1.5h2～1.8h2，l12＝R42-R41，l11＝1.85l12～2.25l12，R41＝0.65R1～0.67R1，R42＝1.05R41～1.08R41，i＝1,2；半椭圆形小磁障与不规则类矩形磁障的外侧边分别在两个同心圆上，R41是半椭圆形小磁障半径，R42是不规则类矩形磁障外侧边的半径。
进一步地，所述的漏磁分量
Figure BDA0004134357940000033
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：
1、本发明在转子内部关于d轴对称布置内外两层永磁体以及在内外两层永磁体之间设置类L形磁障，与关于q轴对称布置的半椭圆形小磁障、不规则类矩形磁障构成大小合适的双漏磁回路，自漏磁桥承担主要漏磁部分，极间漏磁桥承担辅助漏磁部分，通过调节q轴电流来控制漏磁，可以有效地调节气隙磁场，既能增加重载爬坡工况下电机的输出转矩，又能提高高速巡航工况下电机的运行效率。
2、本发明中的内外两层永磁体的组合设计，使得高转速工况下的d轴弱磁电流产生的磁通在转子内部过渡更加有效，有利于该工况下弱磁效果的提高。
3、本发明电机建立了多处导磁桥，能增强电机本体机械强度，为高转速下的恒功率运行提供条件与可能。
4、本发明提出的最小直轴磁链逼近的设计理念，在于针对传统永磁电机弱磁困难、气隙磁场难以调节的问题，引入漏磁分量，能使电机处于“高速巡航”工况时，弱磁与漏磁同步进行，共同削弱了d轴气隙磁场，更易实现最小直轴磁链向0的逼近，能够实现较为理想的恒功率调速范围的拓宽，更易获得全工况宽区域恒功率的有益效果。
5、本发明提出了多工况高效的设计方法，在于不同工况下通过调节q轴电流来控制漏磁，可以有效地调节气隙磁场，对漏磁区域的饱和程度进行有效调控，漏磁通在不同工况下作出相应改变，从而满足“低速重载大转矩，高速巡航高效率”的多工况和多目标性能需求。
6、本发明提出的设计方法也体现在优化手段上，为了提高整体设计效率，本发明对“低速重载”、“高速巡航”不同工况选取典型工况代表点，建立相关关键参数联系，对电机关键结构参数进行合理综合优化，使之与对应工况相匹配，并设定阈值以判断优化进度，在保证转矩输出要求下以最小直轴磁链幅值与设定阈值大小关系为判断依据，选取最优结构参数作为最优尺寸。同时，该方法具有普遍适用性和多目标全局收敛性，适合电机优化设计应用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明；
图1是本发明一种最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机的径向截面结构示意图；
图2是图1中的定子结构示意图；
图3是图1中转子直轴局部结构及几何尺寸标注放大示意图；
图4是图1中转子交轴局部结构及几何尺寸标注放大示意图；
图5是图1中转子上的永磁体的充磁方向标注放大示意图；
图6是图5中永磁体工作时电机漏磁回路示意图；
图7是传统永磁扁线电机的电流极限圆和电压极限椭圆的关系示意图；
图8是本发明永磁扁线驱动电机引入漏磁分量后的电流极限圆和电压极限椭圆的关系示意图；
图9是图1所示本发明电机的d、q轴等效磁路图图；
图10是本发明根据运行工况、电机参数计算得到的相应的运行点中典型工况代表点选取图；
图11是电机关键参数的优化方法流程图；
图12是图1所示本发明电机在低速重载工况下的磁力线分布示意图；
图13是图1所示本发明电机在高速巡航工况下的磁力线分布示意图；
图14是图1所示本发明电机和传统永磁扁线电机的转矩性能比较图；
图15是图1所示本发明电机和传统永磁扁线电机的功率性能比较图。
图中：1.定子；2.转子；3.电枢绕组；4.外层永磁体；5.内层永磁体；6.类L形磁障；7.不规则类矩形磁障；8.半椭圆形小磁障；9.转轴；10.自漏磁桥；11.极间漏磁桥；12.中间导磁桥；13.内导磁桥；14.外导磁桥；15.定子齿；16.定子槽；17.定子轭。
具体实施方式
参见图1和图2所示，本发明一种最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机包括由外向内依次同轴心设置的定子1、转子2和转轴9，转子2位于定子1内部，转子2的中心用于安放转轴9，定子1和转子2均由相等厚度的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95。转轴9是由非导磁材料组成。定子1的定子槽内设有电枢绕组3；定子1内壁与转子2外壁之间具有气隙，气隙长度与电机的功率等级、永磁材料以及加工和装配工艺有关。
定子1由定子齿15、定子槽16、定子轭17组成。在定子槽16内安放了电枢绕组3。
转子2上沿圆周方向均匀设置多个永磁体组和多个不规则类矩形磁障7，每个永磁体组和每个不规则类矩形磁障7沿圆周方向彼此交错地有间隔布置。图1仅示出八个永磁体组和八个不规则类矩形磁障7。每个永磁体组的中心线是d轴，沿d轴对称；每个不规则类矩形磁障7的中心线是q轴，沿q轴对称。因此，相邻的两个永磁体组之间的中心线为q轴，电机的永磁体极对数为4。
结合图3和图4，在径向截面上，每个永磁体组均由三块呈矩形的钕铁硼永磁体组成，均固定镶嵌在转子2的内部，三块矩形钕铁硼永磁体分别是两块外层永磁体4和一块内层永磁体5。两块外层永磁体4的结构相同，相对于d轴对称且在径向截面面上呈V型布置，V型的开口沿径向朝外。两块外层永磁体4形成的V型的侧壁方向是外层永磁体4的宽度方向，外层永磁体4的厚度方向为内外方向，两块外层永磁体4的宽度为w1、厚度为h1。
两块外层永磁体4之间不接触，在两块外层永磁体4的内端之间形成切向宽度为l21的中间导磁桥12，中间导磁桥12自身沿d轴对称，中间导磁桥12的作用是适当增加d轴电感，一定程度上改善调速性能。
一块内层永磁体5与d轴相垂直，其宽度方向是与d轴相垂直的方向，内层永磁体5的宽度为w2、内外方向的厚度为h2，外层永磁体4和内层永磁体5的宽度相等，即w1＝w2。外层永磁体4的厚度h1大于内层永磁体5的厚度h2。
参见图3和图4，在d轴同一侧，在外层永磁体4的端部与内层永磁体5的端部之间，在远离d轴的这一端之间设置一个类L形磁障6，因此，d轴的两侧各有一个类L形磁障6，同一极上的两个类L形磁障6结构相同且沿d轴对称。类L形磁障6可限制单层永磁产生过多不可控无效漏磁，同时使内外双层永磁磁路连通。
类L形磁障6的两端分别向内层永磁体5的端部和外层永磁体4的端部方向延伸，并且与内层永磁体5的端部和外层永磁体4的端部均不接触。在内层永磁体5的端部与类L形磁障6的对应端部之间设置有内导磁桥13，内导磁桥13的宽度为l22。在外层永磁体4的端部与类L形磁障6的对应端部之间设置了外导磁桥14，外导磁桥14的宽度为l23。内导磁桥13和外导磁桥14可以维持转子2一定的机械强度。
中间导磁桥12、内导磁桥13、外导磁桥14的宽度l21、l22、l23需满足l21∶l22∶l23＝2∶
Figure BDA0004134357940000061
在不规则类矩形磁障7和类L形磁障6之间形成了自漏磁桥10，自漏磁桥10的宽度为l11。类L形磁障6可限制外层永磁体4和内层永磁体5产生过多不可控无效漏磁，同时使内外双层永磁磁路连通。
如图4，在每个不规则类矩形磁障7的正外侧，在转子2的外侧壁上设置半椭圆形小磁障8，半椭圆形小磁障8向转子2内侧方向凹陷且与不规则类矩形磁障7不接触，因此，在半椭圆形小磁障8和不规则类矩形磁障7之间形成了极间漏磁桥11，通过半椭圆形小磁障8可设置大小合适的极间漏磁桥11。半椭圆形小磁障8的中心线是q轴，且沿q轴对称。
参见图5，在同一极上的两块外层永磁体4和一块内层永磁体5的充磁方向均相同，且均沿各自的厚度方向充磁，相邻两极上的两块外层永磁体4和一块内层永磁体5充磁方向相反，采用交替极的充磁方式。
如图6所示，由自漏磁桥10形成磁通自漏磁支路，由极间漏磁桥11形成磁通极间漏磁支路，自漏磁支路磁通路径如下：依次经过钕铁硼内层永磁体5、外层永磁体4、转子2、类L形磁障6与不规则类矩形磁障7形成的自漏磁桥10、转子2、内层永磁体5形成闭合回路；极间漏磁支路磁通路径如下：依次经过内层永磁体5、外层永磁体4、转子2、不规则类矩形磁障7与半椭圆形小磁障8形成的极间漏磁桥11、转子2、相邻极内层永磁体5、外层永磁体4、转子2、内层永磁体5形成闭合回路。因此，在本发明电机中形成“双漏磁支路”，双漏磁支路上形成磁通交汇区域，便于实现对漏磁分量进行有效调控，同时也为q轴磁通注入提供路径。
参见图7，传统的永磁扁线电机，其电压极限椭圆圆心Ovt(-Ψpm/Ld，0)落在电流极限圆外侧，Ψpm为永磁磁链，Ld为直轴电感，意味着当弱磁电流id达到最大电流Ilim时，d轴磁链Ψd仍大于0，给弱磁升速带来困难。出于拓宽电机的恒功率调速范围的目的，可采取的措施包括：增加最大电流Ilim、减小永磁磁链Ψpm和增大直轴电感Ld。提高最大电流Ilim势必会造成控制系统中逆变器容量的提升，在增加成本的同时存在一定的安全隐患。
传统的永磁扁线电机的直轴磁链公式表示为：
ψd＝ψpm+Ld·id (1)
电机可以达到其理想最大转速Ωmax为：
Figure BDA0004134357940000071
其中：Ulim是极限端电压幅值，Ilim是最大电流，Ψpm是永磁磁链，Ψdmin是最小直轴磁链，p是永磁体极对数，Ld是直轴电感。
从公式(1)可以看出，电机处于“高速巡航”工况下时，当弱磁电流id增加到-Ψpm/Ld时，此时d轴磁链减小至零，有最小直轴磁链Ψdmin＝0，电机将达到无限恒功率调速状态。但对传统永磁扁线电机而言，其永磁体通常位于d轴上，产生较大的磁阻，从而造成了较小的d轴电感，为了抵消相同大小的永磁磁链，则需要更大的d轴弱磁电流，增加了额外的损耗以及退磁风险。而当最小直轴磁链Ψdmin＞0时，永磁磁链Ψpm一般较大，意味着高输出转矩，但高速区弱磁困难，功率下降较快；当最小直轴磁链Ψdmin＝0时，永磁磁链Ψpm等于最大的直轴去磁磁链，此时恒功率调速范围最宽；当最小直轴磁链Ψdmin＜0时，由于永磁磁场减小，高速区的弱磁变得容易，调速范围较宽；但同时电机的输出转矩会有所降低，导致高速区的功率也会出现降低。
参见图9，永磁磁通Фpm和漏磁通Фσ的关系可体现为：
φσ(Rσ+2Rpm)＝φpm(2Rg+2Rpm) (3)
其中，Rσ是漏磁磁阻，Rpm是永磁体磁阻，Rpm＝RpmV+RpmI，Rpm＝RpmV+RpmI，Rg是气隙磁阻，Rσ＝RσZ//RσJ，Rpm是外层永磁体4的磁阻，RpmI是内层永磁体5的磁阻，RσZ是自漏磁桥10的磁阻，RσJ是极间漏磁桥11的磁阻。
若不考虑定转子的磁阻，则漏磁系数α表示如下：
Figure BDA0004134357940000081
则可计算出漏磁通Фσ和漏磁分量Ψσ(id，iq)分别为：
Figure BDA0004134357940000082
ψσ(id,iq)＝Nφσ(id,iq) (6)
其中：Rr是转子磁阻，Rs是定子磁阻，N为每槽每相绕组匝数，id,iq分别d、q轴额定电流。
因此，通过q轴电流控制漏磁通影响漏磁区域的饱和程度，进而控制漏磁分量Ψσ(id，iq)在不同工况下的分配，实现永磁有效磁链的灵活升降，进而满足电机多工况间的灵活转变。本发明电机引入漏磁分量的d、q轴等效磁路，空载时定子绕组上电流为0，仅有永磁体产生的磁通单独作用。此时，如图6所示，由于漏磁支路的设立，永磁磁通大部分则以漏磁通的形式在相邻及每极的永磁体间形成回路，只有很少一部分主磁通通过气隙进入定子，形成感应电动势，因此，在本发明电机中，永磁磁链Ψpm和直轴电感Ld表示为：
ψpm＝NBpms＝NBpmwil (7)
Figure BDA0004134357940000083
Figure BDA0004134357940000084
其中：Bpm是钕铁硼永磁体的磁密，i＝1,2，wi＝w1,w2，分别是外层永磁体4的宽度或内层永磁体5的宽度，hi＝h1,h2，是外层永磁体4的厚度或内层永磁体5的厚度，l是电机有效轴长，μ0是气隙磁导率，μr是相对磁导率。
则漏磁分量Ψσ(id，iq)可表示为：
Figure BDA0004134357940000085
Figure BDA0004134357940000086
Figure BDA0004134357940000091
由公式(7)、(9)、(12)可以看出，电机的永磁磁链Ψpm正相关于永磁体的宽度wi；直轴电感Ld正相关于永磁体的宽度wi，i＝1,2。负相关于永磁厚度hi；除了永磁体的宽度wi、厚度hi，自漏磁桥10的宽度l11、极间漏磁桥11的宽度l12也是漏磁分量Ψσ(id，iq)的关键参量。
本发明基于“最小直轴磁链逼近”理念，引入漏磁分量Ψσ(id，iq)，在考虑直轴电感Ld的基础上同时对永磁磁链Ψpm以及最小直轴磁链Ψdmin进行了合理设计。为了使最小直轴磁链Ψdmin逼近0，获得较为理想的最佳恒功率调速范围，在直轴磁链中引入漏磁分量Ψσ(id，iq)，则直轴磁链为：
ψd(id,iq)＝ψpm(id,iq)+Ld(id,iq)·id-ψσ(id,iq) (13)
将公式(7)、(9)、(12)分别代入公式(13)，得到直轴磁链幅值|Ψd|为：
Figure BDA0004134357940000092
由此，本发明将直轴磁链Ψd与永磁磁链Ψpm、直轴电感Ld以及漏磁分量Ψσ(id，iq)的相关结构参数建立了联系。
本发明基于“最小直轴磁链逼近”理念，引入漏磁分量Ψσ(id，iq)，在考虑直轴电感Ld的基础上同时对永磁磁链Ψpm以及最小直轴磁链Ψdmin进行合理设计。漏磁分量Ψσ(id，iq)的引入更倾向于最小直轴磁链Ψdmin逼近0的设计。
参见图8，在“低速重载”向“高速巡航”工况转变时，加入漏磁分量Ψσ(id，iq)的永磁电机电压极限椭圆圆心改变为Ovt((Ψσ-Ψpm)/Ld，0)，正好落在电流极限圆上，意味着当弱磁电流id增加到-Ψdmin/Ld时，此时d轴磁链减小至零，此时最小直轴磁链Ψdmin＝0，即直轴磁链幅值|Ψd|的最小值＝0，电机将接近理想恒功率调速状态。因此，针对传统的扁线永磁电机弱磁困难且恒功率运行范围窄等一系列不足，本发明加入漏磁分量Ψσ(id，iq)，基于最大弱磁电流下最小直轴磁链Ψdmin向0逼近的设计思路，更易获得恒功率范围有效拓宽的效果。当电机处于“低速重载”工况时，随着q轴电流的不断增大，q轴磁通与漏磁通交汇处逐渐饱和，漏磁磁阻Rσ增大，极间漏磁或自漏磁显著降低，此时永磁体磁通几乎全部通过气隙进入定子产生转矩，满足了低速重载大转矩的性能要求。当电机处于“高速巡航”工况时，此时q轴电流向d轴去磁电流转变，q轴磁通与漏磁通交汇处饱和程度显著降低，永磁体漏磁通大量存在，降低了永磁有效磁链。在此状态下，漏磁与弱磁同步进行，共同削弱了d轴气隙磁场，更易实现最小直轴磁链向0的逼近，更好地满足了高速弱磁运行工况下的负载能力和弱磁效果，改善了高速区运行效率。
与传统弱磁公式相比，加入漏磁分量Ψσ(id，iq)后的公式和其区别在于公式(14)右边第二项，最小直轴磁链幅值|Ψdmin|受公式(14)右边第二项
Figure BDA0004134357940000101
的直接影响，因此，为了使漏磁分量Ψσ(id，iq)的作用更加明显，本发明电机的关键参数设定为：电机轴长l、永磁体宽度wi、永磁体厚度hi、自漏磁桥10宽度l11、极间漏磁桥11宽度l12。
减小永磁磁链Ψpm虽然更易弱磁扩速，但使得转矩密度降低，造成负载水平下降。因此，增大直轴电感Ld与减小永磁磁链Ψpm需进行权衡；根据公式(9)可知，直轴电感Ld与N2l正相关、Ψpm-Ψσ与Nl正相关，为减小施加负的最大去磁电流-id，增加直轴电感Ld的同时为保证永磁磁链Ψpm不变，可通过增加绕组匝数N的同时减小电机轴长l。
根据电机尺寸方程，传统永磁扁线电机轴长l与转子2的外径R1的比值范围一般是：
Figure BDA0004134357940000102
初步选定转子2的外径R1和内径R2比例范围为：/>
Figure BDA0004134357940000103
以R1、R2为基底确定电机的基本尺寸。
参见图3和图4，外层永磁体4宽度为w1、径向厚度为h1，内层永磁体5宽度为w2、径向厚度为h2。由公式(14)可知，直轴电感Ld与
Figure BDA0004134357940000104
负相关，提高Ld幅值，本发明将四个参数约束为：/>
Figure BDA0004134357940000111
考虑到外层永磁体4靠近转子2的外侧能更好利用磁能，外层永磁体4的厚度h1应大于内层永磁体5的厚度h2，为简化约束，取w1＝w2，h1＝1.5h2～1.8h2。
半椭圆形小磁障8与不规则类矩形磁障7的外侧边分别在两个同心圆上，该同心圆的圆心为O2，圆心O2在q轴上，圆心O2至转子2的中心O2的距离是R3，R3与转子外径R1的约束关系为：R3＝1.3R1～1.35R1。半椭圆形小磁障8的半径是R41，R41与转子外径R1的约束关系为：R41＝0.65R1～0.67R1，不规则类矩形磁障7的外侧边的半径是R42，R41与R42的约束关系为：R42＝1.05R41～1.08R41。因此，极间漏磁桥11宽度l12＝R42-R41。
Ψpm-Ψσ(id，iq)与自漏磁桥10宽度l11和极间漏磁桥11宽度l12负相关，同时由自漏磁桥10分担主要漏磁作用，合理增大自漏磁桥10宽度l11，则约束为：l11＝1.85l12～2.25l12。
设置自漏磁桥10应保持类L形磁障6与不规则类矩形磁障7的间距相同，同时，为使得电机升速时的漏磁通在自漏磁桥10和极间漏磁桥11大量均匀流过，提高漏磁和弱磁效果，类L形磁障6和不规则类矩形磁障7的磁障边角作了圆弧形修饰处理。
不规则类矩形磁障7内侧边的圆弧内导角圆心为O4，圆心O4与圆心O1之间的距离是R7；不规则类矩形磁障7外侧边的圆弧内导角圆心为O5，圆心O5与圆心O1之间的距离是R8，与转子内径R2的约束关系为：R7＝1.28R2～1.35R2，R8＝1.56R2～1.60R2。
不规则类矩形磁障7的内侧边中点到圆心O1之间的距离是R5，R5＝1.22R2～1.30R2。内侧边的圆弧外导角圆心与类L形磁障6外端圆弧内导角具有相同的圆心O3，圆心O3在类L形磁障6外端的内部，圆心O3与圆心O1之间的距离是R6，R6＝1.48R2～1.55R2。
内层永磁体5端部与类L形磁障6内端之间设置了导磁桥13，导磁桥13的宽度为l22，外层永磁体4端部与类L形磁障6外端之间设置了导磁桥14，导磁桥14的宽度为l23。导磁桥13和导磁桥14的目的是在于维持转子2的一定机械强度。中间导磁桥12、内导磁桥13、外导磁桥14的宽度为l21、l22、l23，满足l21∶l22∶l23＝2∶1∶1；
参见图10，根据不同工况下的性能需求选取典型工况代表点，对电机关键结构参数进行综合优化，并在保证转矩输出要求下以最小直轴磁链幅值|Ψdmin|逼近0为判断依据。本发明的较佳实施例是：将最小直轴磁链幅值|Ψdmin|与逼近0的阈值β相比较，作为判断依据，选取最优结构参数作为最优尺寸。
将转矩-转速分布图分别按恒转矩区、恒功率区分为子域I、II，在每个子域I、II中选择一个典型工况代表点OI(nI，TI)、OII(nII，TII)，nI、nII分别为代表点OI、OII的转速，TI、TII分别为代表点OI、OII的转矩，工况代表点OI(nI，TI)、OII(nII，TII)分别代表车辆在“低速重载”、“高速巡航”这两个运行工况代表点。
工况代表点OI(nI，TI)对应工况为“低速重载”，选取优化目标为a1：即输出转矩。工况代表点OII(nII，TII)对应工况为“高速巡航”，选取优化目标为a2：即直轴磁链幅值|Ψd|的最小值，即最小直轴磁链幅值|Ψdmin|，将电机轴长l、永磁体的有效宽度wi、径向厚度hi、自漏磁桥宽度l11、极间漏磁桥宽度l12这些关键的结构参数设计变量分别用b1，b2，b3，b4，b5表示。
根据优化目标和结构参数建立转矩优化模型f1(bk)min＝F(bk，a1)，直轴磁链幅值|Ψd|的最小值的优化模型即是公式(14)，其中，函数F为结构参数bk与优化目标a1间建立的数学联系，k是结构参数个数，满足k≤5。转矩优化模型为电机的常规模型，可以用常规的模拟软件获得。
根据各个结构参数的约束范围，即所述的：
Figure BDA0004134357940000121
w1＝w2，h1＝1.5h2～1.8h2，l12＝R42-R41，R41＝0.65R1～0.67R1，R42＝1.05R41～1.08R41，l11＝1.85l12～2.25l12，选取每个约束范围的最小值作为初始值，代入优化模型，输出结果为各结构参数bk具体值：
先根据“低速重载”工况下，满足转矩优化模型f1(bk)min＝F(bk，a1)中转矩a1的输出达到要求，如果转矩a1的输出达到设定的要求值，则将对应的结构参数具体值代入公式(14)，计算出最小直轴磁链幅值|Ψdmin|，即所述的直轴磁链幅值|Ψd|的最小值。再将最小直轴磁链幅值|Ψdmin|与设定的阈值β大小关系为判断依据，以最小的直轴磁链幅值|Ψdmin|逼近0为依据，本发明选择β＝0.0002，当|Ψdmin|≤β，即符合要求，输出当前各最优参数；当|Ψdmin|＞β，即不符合要求，然后在各个结构参数的约束范围内按设定的步长增大设计变量的数值，重新代入优化模型f1(bk)min＝F(bk，a1)，最终输出最小直轴磁链幅值|Ψdmin|，再重新与设定阈值β作比较，如此重复，直至|Ψdmin|≤β为止，得到当前各最优参数。如果转矩a1的输出没有达到设定的要求值，则在各个结构参数的约束范围内按设定的步长增大设计变量的数值，重新代入优化模型f1(bk)min＝F(bk，a1)。
本发明通过这种综合优化，最终选取最优结构参数作为最优尺寸，实现宽区域恒功率运行的效果。
参见下表1，提供了优化前后电机的参数对比，证明该设计优化手段的有效性；
表1
Figure BDA0004134357940000131
参见图1，以一台额定转速为1200rpm，额定转矩为28Nm的36槽8极的永磁扁线电机为例。参见图12和图13，在低速重载运行时，将内外层永磁体5、4充磁，并对扁线电枢绕组3施加电流，有效封堵漏磁路径，使得漏磁分量Ψσ逐渐减少，流向定子铁心1的主磁通逐渐增加，提高了转矩密度。随着转速上升，逐渐对内外层永磁体4、5施加去磁电流，同时漏磁分量Ψσ(id，iq)逐渐增加，漏磁通分别经过自漏磁桥10和极间漏磁桥11两侧的漏磁路径流入相邻永磁体或自身中，实现高转速运行。该工况下，漏磁分量Ψσ(id，iq)的引入降低了弱磁控制难度，由于弱磁电流的减小，一方面降低了永磁体不可逆退磁的风险，另一方面减小了损耗，从而在拓宽永磁扁线电机调速范围的同时也提高了电机的运行效率。
参见图14和图15，通过有限元仿真分析，得到本发明实施例和传统永磁扁线电机的转矩转速性能的比较图，验证了本发明最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机高转矩和宽调速的优势。该电机在低速运行时，由于漏磁区域饱和，提高了该工况下电机的输出转矩，使得总转矩略大于传统永磁电机；高速运行时，由于漏磁分量Ψσ(id，iq)的引入，更易实现最小直轴磁链向0的逼近，能够实现较为理想的恒功率调速范围的拓宽，验证了该设计方法的有效性。

Claims (10)

1.一种最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机，包括由外向内同轴心设置的定子和转子，其特征是：转子上沿圆周方向均匀设置多个永磁体组和多个不规则类矩形磁障(7)，每个永磁体组和每个不规则类矩形磁障(7)彼此交错布置，每个永磁体组沿d轴对称，每个不规则类矩形磁障(7)沿q轴对称；在径向截面上的每个永磁体组均由两块外层永磁体(4)和一块内层永磁体(5)，一块内层永磁体(5)与d轴相垂直，两块外层永磁体(4)的结构相同，之间不接触，呈开口沿径向朝外的V型布置；在d轴同一侧且远离d轴的外层永磁体(4)的端部与内层永磁体(5)的端部之间设置一个类L形磁障(6)，同一极上的两个类L形磁障(6)结构相同；不规则类矩形磁障(7)和类L形磁障(6)之间是自漏磁桥(10)，在每个不规则类矩形磁障(7)的正外侧，转子(2)的外侧壁形成的是半椭圆形小磁障(8)，半椭圆形小磁障(8)和不规则类矩形磁障(7)之间是极间漏磁桥(11)，同一极上的两块外层永磁体(4)和一块内层永磁体(5)的充磁方向均相同，均沿各自内外厚度方向充磁，相邻两极上的两块外层永磁体(4)和一块内层永磁体(5)充磁方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机，其特征是：两块外层永磁体(4)形成的V型的侧壁方向是外层永磁体(4)的宽度方向，内层永磁体(5)的宽度方向是与d轴相垂直的方向，外层永磁体(4)和内层永磁体(5)的宽度相等；外层永磁体(4)的厚度大于内层永磁体(5)的厚度。
3.根据权利要求1所述的一种最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机，其特征是：两块外层永磁体(4)的内端之间形成中间导磁桥(12)，内层永磁体(5)的端部与类L形磁障(6)的对应端部之间是内导磁桥(13)，外层永磁体(4)的端部与类L形磁障(6)的对应端部之间是外导磁桥(14)。
4.根据权利要求3所述的一种最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机，其特征是：中间导磁桥(12)、内导磁桥(13)、外导磁桥(14)的宽度l21、l22、l23满足l21∶l22∶l23＝2∶1∶1。
5.根据权利要求3所述的一种最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机，其特征是：半椭圆形小磁障(8)与不规则类矩形磁障(7)的外侧边分别在两个同心圆上，该同心圆的圆心为O2且在q轴上，圆心O2至转子的中心O2的距离是R3，R3与转子外径R1的约束关系为：R3＝1.3R1～1.35R1，半椭圆形小磁障(8)的半径是R41，R41与转子外径R1的约束关系为：R41＝0.65R1～0.67R1，不规则类矩形磁障(7)的外侧边的半径是R42，R41与R42的约束关系为：R42＝1.05R41～1.08R41。
6.一种如权利要求1所述的最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机的设计方法，其特征是具有以下步骤：
步骤1)：将漏磁分量ψσ(id，iq)引入直轴磁链，所述的直轴磁链ψd(id,iq)＝ψpm(id,iq)+Ld(id,iq)·id-ψσ(id,iq)，ψpm(id,iq)为永磁磁链，Ld(id,iq)为直轴电感，id,iq分别为d、q轴额定电流；
步骤2)：基于所述的直轴磁链ψd(id,iq)计算出直轴磁链幅值
Figure FDA0004134357930000021
根据所述的直轴磁链幅值|Ψd|确定电机轴长l、内外永磁体宽度wi、内外永磁体厚度hi、自漏磁桥(10)宽度l11、极间漏磁桥(11)宽度l12这些关键结构参数及其范围；μ0是气隙磁导率，μr是相对磁导率，N为每相绕组匝数，i＝1,2，wi＝w1,w2，分别是内、外层永磁体(5、4)宽度，hi＝h1,h2，分别是内、外层永磁体(5、4)厚度，l是电机轴长；Bpm是永磁体磁密；
步骤3)：选取典型工况代表点对所述的关键结构参数优化，根据优化后关键结构参数计算出最小的直轴磁链幅值|Ψd|，以最小的直轴磁链幅值|Ψd||逼近0为依据获得最优的关键结构参数。
7.根据权利要求6所述的最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机的设计方法，其特征是：所述的关键结构参数的范围为：
Figure FDA0004134357930000022
w1＝w2，h1＝1.5h2～1.8h2，l12＝R42-R41，l11＝1.85l12～2.25l12，R41＝0.65R1～0.67R1，R42＝1.05R41～1.08R41，i＝1,2；半椭圆形小磁障(8)与不规则类矩形磁障(7)的外侧边分别在两个同心圆上，R41是半椭圆形小磁障(8)半径，R42是不规则类矩形磁障(7)外侧边的半径。
8.根据权利要求6所述的最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机的设计方法，其特征是：所述的漏磁分量
Figure FDA0004134357930000023
9.根据权利要求7所述的最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机的设计方法，其特征是：在电机恒转矩区中选择一个典型工况代表点，以转矩为优化目标为转矩建立转矩优化模型，在电机恒功率区中选择一个典型工况代表点，以最小的直轴磁链幅值|Ψd|为优化目标；选取每个结构参数范围的最小值作为初始值，经所述的转矩优化模型获得转矩，若转矩达到要求，再计算出最小的直轴磁链幅值|Ψd|，以最小的直轴磁链幅值|Ψd||逼近0为依据获得最优的关键结构参数。
10.根据权利要求9所述的最小直轴磁链逼近型永磁扁线驱动电机的设计方法，其特征是：如果转矩的输出没有达到要求，则在各个结构参数的约束范围内按设定的步长增大结构参数的数值，重新经转矩优化模型获得转矩以及最小的直轴磁链幅值|Ψd|。
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