CN117791922A - 一种磁导率调制电机及区域匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁导率调制电机，包括定子和转子，所述转子内包含高磁能积永磁体和低磁能积永磁体，所述高磁能积永磁体与所述低磁能积永磁体上下布置，中间通过弧型磁障隔离，形成独立的磁场控制区；所述高磁能积永磁体上端部左右对称设置空腔磁障，两个对称设置的空腔磁障之间形成中间导桥，所述空腔磁障内设有磁导率调制绕组，所述调制绕组的线圈缠绕在中间导桥上；所述转子表面开设凹槽，空腔磁障与凹槽之间形成极间磁桥，所述极间磁桥与中间导桥交叉贯通；本发明电机具有弱磁扩速能力强、气隙磁密畸变低、输出转矩控制灵活优点。

Description

一种磁导率调制电机及区域匹配方法

技术领域

本发明涉及一种磁导率调制电机及区域匹配方法，属于电机技术领域。

背景技术

随着能源与环境问题日益严峻，以汽车动力系统电气化为主要特征的各种节能环保型新能源汽车迅猛发展。其中，纯电动汽车以其高效率、零排放等显著优点，已成为新能源汽车发展的主流趋势。然而，由于纯电动汽车采用单一动力源，导致的续航里程不足的问题制约了电动汽车的进一步普及与推广。2025年新能源汽车销量占比将达到20％左右，公共领域用车全面电动化。可见，电动汽车巨大的市场发展愿景与“续航”能力带来的技术难题之间的矛盾将日渐凸出，实现能耗升级以解决“里程焦虑”问题已成为我国电动汽车技术领域必须解决的关键问题。

提高电动汽车续航能力的方法主要有两个方面，一个是提高电池能量密度，另一个是提高能量转化效率。以上两个方法融合在电动汽车的“电池”、“电机”、“电控”三大技术之中。在电池能量密度未取得实质性突破之前，实现电机系统的能效升级，成为突破电动汽车续航里程不足技术瓶颈的可行方案。与传统燃油汽车类似，电动汽车同样具有“市区道路、高速公路、乡村公路”等多个行驶环境，与此同时又存在“频繁启停、加速、刹车、爬坡、高速巡航”等多个运行工况。一般来说，为了满足电动汽车频繁加速、启动以及重载爬坡等工况需求，车用驱动电机需要具有较快的动态响应能力和较大的峰值转矩输出能力(峰值转矩密度≥18Nm/kg)。同时为了实现多工况运行下的高续航能力，车用电机还需具备较宽调速范围内的高效率特性(最高效率≥93-96％，效率≥80％的区域不低于80％)。一般情况下，为了达到电动汽车的动力需求，驱动电机的最高效率区域通常围绕额定功率点或峰值功率点设计[5]，该设计策略在一定程度上满足了电动汽车在城市工况下的驱动需求。然而在典型的郊区或高速路况下，驱动电机往往运行在中高转速区域内，导致电机的高效率区域与电动汽车的高频运行区域并不匹配。由此可见，结合电动汽车的运行工况对驱动电机进行全速域下的效率匹配设计是提高驱动系统效能的关键，也是提升电动汽车续航里程的可行途径。

一般来说，电动汽车复杂工况下的整车运行效率与驱动电机不同速度域下的效率特性密切相关，而传统永磁电机往往将最高效率点设计在额定工况点，这导致电动汽车的频繁工作工况经常处于电机的低效率区域。目前车用永磁电机中实现广域高效的方法一般是基于气隙磁场调节技术。研究较集中的“弱磁升速”、“混合励磁”、“磁场调制”等概念或理论均是试图从气隙磁密本身的变化机理来探究气隙磁场的调节方法。事实上，永磁电机内部定转子铁磁材料磁导率的变化，同样具有影响气隙磁通调节能力的作用，即通过调控永磁电机内部磁桥的磁饱和程度来调节主/漏磁通的大小，从而实现气隙磁场的高效调节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁导率调制电机及区域匹配方法，以解决传统永磁电机往往将最高效率点设计在额定工况点，这导致电动汽车的频繁工作工况经常处于电机的低效率区域的缺陷。

一种磁导率调制电机，包括定子和转子，所述转子内包含高磁能积永磁体和低磁能积永磁体，所述高磁能积永磁体与所述低磁能积永磁体上下布置，中间通过弧型磁障隔离，形成独立的磁场控制区；

所述高磁能积永磁体上端部左右对称设置空腔磁障，两个对称设置的空腔磁障之间形成中间导桥，所述空腔磁障内设有磁导率调制绕组，所述调制绕组的线圈缠绕在中间导桥上；

所述转子表面开设凹槽，空腔磁障与凹槽之间形成极间磁桥，所述极间磁桥与中间导桥交叉贯通。

进一步地，所述高磁能积永磁体具有高磁能积永磁体磁通A和高磁能积永磁体漏磁通C，所述高磁能积永磁体磁通A为所述弧型磁障与所述空腔磁障之间形成，所述高磁能积永磁体漏磁通C为沿着所述空腔磁障的一周形成。

进一步地，所述磁导率调制绕组具有磁通D，所述磁通D为磁导率调制绕组所产生，所述磁通D与高磁能积永磁体漏磁通C路径重合，根据磁导率调制绕组通入电流的方向。

进一步地，所述定子q轴具有电枢反应q轴磁通E。

进一步地，所述低磁能积永磁体具有低磁能积永磁体磁通B，所述低磁能积永磁体磁通B为沿着所述弧型磁障的外弧而形成。

进一步地，所述空腔磁障为靴型。

进一步地，所述极间磁桥为W型。

进一步地，所述定子设有梨型槽，所述梨型槽用于放置铜线绕组。

进一步地，所述低磁能积永磁体远离空腔磁障的一端设有梯形空腔磁障。

一种磁导率调制电机区域匹配方法，由电机控制器控制电机，所述方法包括：

车辆低速轻载工况，给电机提供较小的q轴电流，磁导率调制绕组不通电，此时W型磁桥磁饱和程度较低，允许磁通通过，高磁能积永磁体大量漏磁，参与磁场能量转换的磁势很少，电机主要依靠低磁能积永磁体提供转矩，转矩较小，此外，铜耗、铁耗均较小，高效率区域向低转速、低转矩区域移动；

车辆中速中载工况，定子侧提供中等q轴电流，磁导率调制绕组不通电，W型磁桥中度饱和，部分磁通可通过磁桥，高磁能积永磁体部分漏磁，电机输出中等转矩；铁耗、铁耗均处于中等水平，高效率区域向中等转速、中等转矩移动；

车辆低速重载工况，定子侧提供较大的q轴电流，磁导率调制绕组通入较大励磁电流，此时，W型磁桥在两个电流所产生的磁场作用下，处于高度饱和状态，高磁能积永磁体的磁通无法通过磁桥，全部进入定子，参与能量转换，高磁能积永磁体与低磁能积永磁体共同励磁，提供大转矩输出；此时铁耗减小的程度大于铜耗的增加程度，高效率区向低转速、大转矩区域移动；

车辆高速轻载工况，定子侧提供较小的q轴电流和较大的d轴去磁电流，磁导率调制绕组通入较小的励磁电流，此时，两个电流均较小，W型磁桥磁饱和程度较低，高磁能积永磁体磁通大量泄漏，铁耗减小，电机高效率区域向高速、小转矩区域移动。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

采用两种不同磁能积的永磁体，高磁能积永磁体用量较少，用来实现磁场的调控；低磁能积永磁体用量多，可在降低电机成本的基础上，提高电机的输出转矩密度；

转子采用W型磁桥，有利于漏磁的实现，通过漏磁的调节实现气隙磁场的调节；从而改善电机的弱磁调速性能；

“靴”型磁障隔绝了高磁能积永磁体的不可控漏磁，并提高了转子的机械结构强度，有利于电机的高速运行；

高磁能积永磁体与低磁能积永磁体中间设置弧形隔磁磁障，形成了漏磁可控区(高磁能积永磁体区域)和漏磁不可控区(低磁能积永磁体区域)，有利于磁场分区利用，改善电机的输出特性，提高转矩与转速控制的灵活度；

电机全速域高效区匹配方法，合理匹配了电机的铜耗与铁耗，为电动汽车驱动系统的能耗的合理优化提供了新的思路，有利于电动汽车节能增效。

附图说明

图1是本发明的电机结构；

图2是本发明磁导率调制的原理图

图3是本发明全速域高效区匹配方法图；

图中：1.定子；2.定子槽；3.铜线绕组；4.转子；5.极间磁桥；6.弧形空腔磁障；7.空腔磁障；8.高磁能积永磁体；9.低磁能积永磁体；10.梯形空腔磁障；11.中间导桥；12.磁导率调制绕组；13.凹槽；A.高磁能积永磁体磁通；B.低磁能积永磁体磁通；C.高磁能积永磁体漏磁通；D.磁通；E.电枢反应q轴磁通。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1

参见图1与图2，本发明公开一种磁导率调制电机，包括定子1、转子4，定子采用梨型槽2，槽内放置铜线绕组3，转子4内包含高磁能积永磁体8和低磁能积永磁体9，所述高磁能积永磁体8与所述低磁能积永磁体9上下布置，中间通过弧型磁障6隔离，形成独立的磁场控制区，高磁能积永磁体用量少，漏磁可以调控，低磁能积永磁体用量大，漏磁不可以调控；

高磁能积永磁体8上端部左右对称设置空腔磁障7，两个对称设置的空腔磁障7之间形成中间导桥11，所述空腔磁障7内设有磁导率调制绕组12，所述调制绕组12的线圈缠绕在中间导桥11上；

转子表面开设凹槽13，空腔磁障7与凹槽13之间形成极间磁桥5，极间磁桥5与中间导桥11交叉贯通。

在本实施例中，空腔磁障7为靴型，极间磁桥5为W型，转子外圆面开设凹槽，“靴”型磁障与转子外圆凹槽之间形成W型磁桥；在“靴”型空腔磁障内安放磁导率调制绕组，由磁导率调制绕组产生的磁势与定子电枢反应共同控制W型磁桥的磁场饱和程度，从而控制高磁能积永磁体磁通的泄漏量。

在本实施例中，转子采用W型磁桥，有利于漏磁的实现，通过漏磁的调节实现气隙磁场的调节；从而改善电机的弱磁调速性能。

在本实施例中，靴”型磁障隔绝了高磁能积永磁体的不可控漏磁，并提高了转子的机械结构强度，有利于电机的高速运行。

在本实施例中，低磁能积永磁体9远离空腔磁障7的一端设有梯形空腔磁障10，梯形空腔磁障阻碍低磁能积永磁体的漏磁，充分利用低磁能积永磁体的磁能产生电磁转矩。

参考图2，所述高磁能积永磁体8具有高磁能积永磁体磁通A和高磁能积永磁体漏磁通C，采用了两种磁能积不同的永磁体，高磁能积的永磁体靠近气隙，低磁能积永磁体靠近转子转轴；高、低磁能积永磁体之间采用弧形磁障隔开，高磁能积永磁体用量少，具有漏磁回路；高磁能积永磁体用量多，无漏磁回路；

所述高磁能积永磁体磁通A为所述弧型磁障6与所述空腔磁障7之间形成，所述高磁能积永磁体漏磁通C为沿着所述空腔磁障7的一周形成；所述低磁能积永磁体9具有低磁能积永磁体磁通B，所述低磁能积永磁体磁通B为沿着所述弧型磁障6的外弧而形成；所述定子1q轴具有电枢反应q轴磁通E。所述磁导率调制绕组12具有磁通D，所述磁通D为磁导率调制绕组12所产生；磁导率调制绕组产生的磁通D与高磁能积永磁体漏磁通C路径重合，根据磁导率调制绕组通入电流的方向，磁通D对漏磁通C具有增磁和去磁的作用，针对四条磁通路径阐述如下：

高磁能积永磁体磁通A与高磁能积永磁体漏磁通C,高磁能积永磁体磁通A经过气隙进入定子，参与能量转换；在电机空载且磁导率调制绕组无电流时，W型极间磁桥磁饱和程度低，磁通路径C经过W型磁桥，在转子内部磁极之间形成短路；由于弧型空腔磁障6和梯型空腔磁障10的存在，低磁能积永磁体几乎无漏磁，绝大部分磁通从低磁能积永磁体磁通B进入定子，进行能量转换；当电机非空载或磁导率调制绕组通电时，由于电枢反应，定子q轴电流产生的磁通进入转子W型磁桥，磁导率调制绕组产生的磁通也进入W型磁桥，W型磁桥磁导率发生改变；定子电枢反应与磁导率调制绕组在W型磁桥上形成了磁场饱和程度的二级调控，定子电枢反应q轴电流及磁导率调制电流决定了高磁能积永磁体所产生的主磁通与漏磁通的配比关系。

通过定子电枢反应及磁导率调制绕组进行两级调节，控制W型磁桥的磁导率，从而控制电机中铁耗与铜耗的配比关系，在电机全速度区域内，根据磁导率的调节，匹配电机的高效率区域的位置，优化电动汽车重在爬坡、高速轻载、中速中载等工况的电机能耗。重载爬坡时，电机转子磁桥磁导率降低，少漏磁，大转矩输出；高速轻载时，转子磁桥磁导率升高，多漏磁，实现弱磁扩速，高速小转矩输出；中速中载时，转子磁桥导磁能力适中，部分漏磁，实现中速中载运行。

实施例2

公开了一种磁导率调制电机区域匹配方法，根据车辆的路况信息，VCU将指令发送至电机控制器，由电机控制器控制电机做出相应的控制策略。

1.车辆低速轻载工况，给电机提供较小的q轴电流，磁导率调制绕组不通电，此时W型磁桥磁饱和程度较低，允许磁通通过，高磁能积永磁体大量漏磁，参与磁场能量转换的磁势很少，电机主要依靠低磁能积永磁体提供转矩，转矩较小，此外，铜耗、铁耗均较小，高效率区域向低转速、低转矩区域移动；

2.车辆中速中载工况，定子侧提供中等q轴电流，磁导率调制绕组不通电，W型磁桥中度饱和，部分磁通可通过磁桥，高磁能积永磁体部分漏磁，电机输出中等转矩；铁耗、铁耗均处于中等水平，高效率区域向中等转速、中等转矩移动；

3.车辆低速重载工况，定子侧提供较大的q轴电流，磁导率调制绕组通入较大励磁电流，此时，W型磁桥在两个电流所产生的磁场作用下，处于高度饱和状态，高磁能积永磁体的磁通无法通过磁桥，全部进入定子，参与能量转换，高磁能积永磁体与低磁能积永磁体共同励磁，提供大转矩输出；此时铁耗减小的程度大于铜耗的增加程度，高效率区向低转速、大转矩区域移动；

4.车辆高速轻载工况，定子侧提供较小的q轴电流和较大的d轴去磁电流，磁导率调制绕组通入较小的励磁电流，此时，两个电流均较小，W型磁桥磁饱和程度较低，高磁能积永磁体磁通大量泄漏，铁耗减小，电机高效率区域向高速、小转矩区域移动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁导率调制电机，包括定子(1)和转子(4)，其特征在于，所述转子(4)内包含高磁能积永磁体(8)和低磁能积永磁体(9)，所述高磁能积永磁体(8)与所述低磁能积永磁体(9)上下布置，中间通过弧型磁障(6)隔离，形成独立的磁场控制区；

所述高磁能积永磁体(8)上端部左右对称设置空腔磁障(7)，两个对称设置的空腔磁障(7)之间形成中间导桥(11)，所述空腔磁障(7)内设有磁导率调制绕组(12)，所述调制绕组(12)的线圈缠绕在中间导桥(11)上；

所述转子表面开设凹槽(13)，所述空腔磁障(7)与凹槽(13)之间形成极间磁桥(5)，所述极间磁桥(5)与中间导桥(11)交叉贯通。

2.根据权利要求1所述的磁导率调制电机，其特征在于，所述高磁能积永磁体(8)具有高磁能积永磁体磁通(A)和高磁能积永磁体漏磁通(C)，所述高磁能积永磁体磁通(A)为所述弧型磁障(6)与所述空腔磁障(7)之间形成，所述高磁能积永磁体漏磁通(C)为沿着所述空腔磁障(7)的一周形成。

3.根据权利要求1所述的磁导率调制电机，其特征在于，所述磁导率调制绕组(12)具有磁通(D)，所述磁通(D)为磁导率调制绕组(12)所产生，所述磁通(D)与高磁能积永磁体漏磁通(C)路径重合，根据磁导率调制绕组通入电流的方向。

4.根据权利要求1所述的磁导率调制电机，其特征在于，所述定子(1)q轴具有电枢反应q轴磁通(E)。

5.根据权利要求1所述的磁导率调制电机，其特征在于，所述低磁能积永磁体(9)具有低磁能积永磁体磁通(B)，所述低磁能积永磁体磁通(B)为沿着所述弧型磁障(6)的外弧而形成。

6.根据权利要求1所述的磁导率调制电机，其特征在于，所述空腔磁障(7)为靴型。

7.根据权利要求1所述的磁导率调制电机，其特征在于，所述极间磁桥(5)为W型。

8.根据权利要求1所述的磁导率调制电机，其特征在于，所述定子(1)设有梨型槽(2)，所述梨型槽(2)用于放置铜线绕组(3)。

9.根据权利要求1所述的磁导率调制电机区域匹配方法，其特征在于，所述低磁能积永磁体(9)远离空腔磁障(7)的一端设有梯形空腔磁障(10)。

10.一种磁导率调制电机区域匹配方法，由电机控制器控制电机，其特征在于，所述方法包括：

车辆低速轻载工况，给电机提供较小的q轴电流，磁导率调制绕组不通电，此时W型磁桥磁饱和程度较低，允许磁通通过，高磁能积永磁体大量漏磁，参与磁场能量转换的磁势很少，电机主要依靠低磁能积永磁体提供转矩，转矩较小，此外，铜耗、铁耗均较小，高效率区域向低转速、低转矩区域移动；

车辆中速中载工况，定子侧提供中等q轴电流，磁导率调制绕组不通电，W型磁桥中度饱和，部分磁通可通过磁桥，高磁能积永磁体部分漏磁，电机输出中等转矩；铁耗、铁耗均处于中等水平，高效率区域向中等转速、中等转矩移动；

车辆低速重载工况，定子侧提供较大的q轴电流，磁导率调制绕组通入较大励磁电流，此时，W型磁桥在两个电流所产生的磁场作用下，处于高度饱和状态，高磁能积永磁体的磁通无法通过磁桥，全部进入定子，参与能量转换，高磁能积永磁体与低磁能积永磁体共同励磁，提供大转矩输出；此时铁耗减小的程度大于铜耗的增加程度，高效率区向低转速、大转矩区域移动；

车辆高速轻载工况，定子侧提供较小的q轴电流和较大的d轴去磁电流，磁导率调制绕组通入较小的励磁电流，此时，两个电流均较小，W型磁桥磁饱和程度较低，高磁能积永磁体磁通大量泄漏，铁耗减小，电机高效率区域向高速、小转矩区域移动。