內(nèi)置磁障式磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種內(nèi)置磁障式磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)，包括定子和同軸套在定子內(nèi)部的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上沿圓周方向均勻固定鑲嵌有若干對(duì)永磁磁鋼，每對(duì)永磁磁鋼都是由兩塊結(jié)構(gòu)相同的矩形的釹鐵硼永磁磁鋼采用V型放置組成，V型開口朝向氣隙，相鄰的兩對(duì)永磁磁鋼相對(duì)于交軸兩側(cè)對(duì)稱布置，在相鄰的兩對(duì)永磁磁鋼之間的轉(zhuǎn)子內(nèi)部設(shè)有弧形開口朝向氣隙的第一組弧形內(nèi)置磁障，在每對(duì)永磁磁鋼的兩塊釹鐵硼永磁磁鋼之間設(shè)弧形開口都朝向氣隙、結(jié)構(gòu)相同且相對(duì)于直軸兩側(cè)對(duì)稱布置的第二、第三組弧形內(nèi)置磁障，每組弧形內(nèi)置磁障各具有內(nèi)、外兩層磁障，相鄰的兩對(duì)永磁磁鋼交替切向充磁，每對(duì)上的兩塊釹鐵硼永磁磁鋼充磁方向相反，提高了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能和可靠性。
【專利說明】
內(nèi)置磁障式磁場(chǎng)増強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種無刷永磁同步電機(jī)，屬于電機(jī)制造及控制領(lǐng)域，特指一種適用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)等應(yīng)用場(chǎng)合的電機(jī)，能夠滿足高效率、高功率密度和寬調(diào)速等驅(qū)動(dòng)性能要求。
【背景技術(shù)】
[0002]車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)是混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的關(guān)鍵執(zhí)行部件之一，混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的整車性能與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能密切相關(guān)。傳統(tǒng)的內(nèi)置式永磁無刷電機(jī)具有高效率和高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域。由于采用稀土永磁磁鋼作為單一勵(lì)磁源，傳統(tǒng)永磁無刷電機(jī)受困于氣隙磁場(chǎng)無法調(diào)節(jié)，因而恒功率調(diào)速范圍較窄，在電動(dòng)汽車等需寬調(diào)速運(yùn)行場(chǎng)合的應(yīng)用中受到一定限制。目前，為了拓寬該類電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，通常采用兩種方法來實(shí)現(xiàn)，一種是改進(jìn)控制策略，另一種是改變電機(jī)結(jié)構(gòu):
I)控制策略。對(duì)于轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)來說，通常采用矢量控制方法來實(shí)現(xiàn)弱磁升速以獲得較寬的調(diào)速范圍，該種控制方法是通過控制電機(jī)直軸電流來實(shí)現(xiàn)電機(jī)弱磁升速。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N200910041656.7的文獻(xiàn)中使用了電壓反饋法，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度高于基速時(shí)，該方法通過采集直交軸的電壓值作為反饋信號(hào)，輸出直軸去磁電流分量來實(shí)現(xiàn)弱磁，該方法具有較好的魯棒性，但其動(dòng)態(tài)性能不佳。中國(guó)專利號(hào)為201511026014.1的文獻(xiàn)中提出了一種電機(jī)弱磁控制方法，該方法是一種基于前饋控制的電壓反饋補(bǔ)償法，其顯著特點(diǎn)是弱磁前饋部分，將弱磁極限電壓和端電壓作為反饋信號(hào)，得到弱磁調(diào)節(jié)電流，與弱磁前饋電流疊加，輸出弱磁算法的直軸去磁電流來實(shí)現(xiàn)弱磁升速，該方法能夠有效提升永磁同步電機(jī)的弱磁控制性能，改善現(xiàn)有技術(shù)的動(dòng)態(tài)性能。上述兩種方法都采用了矢量控制方法來實(shí)現(xiàn)弱磁升速，但是永磁電機(jī)的直軸電感遠(yuǎn)小于交軸電感，即凸極率(交軸電感與直軸電感比值)大于I，由于較小的直軸電感，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于高速弱磁區(qū)域時(shí)，需要較大的直軸去磁電流來抵消一部分永磁磁鏈，從而實(shí)現(xiàn)弱磁升速，然而較大的直軸去磁電流分量使得該類電機(jī)中永磁磁鋼的不可逆退磁危險(xiǎn)大大增加，為了避免永磁磁鋼遭受不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)，通常會(huì)加厚永磁磁鋼，這樣又不可避免的增加了電機(jī)制造成本。
[0003]2)電機(jī)結(jié)構(gòu)。對(duì)于定子永磁型電機(jī)來說，通?？梢愿淖冸姍C(jī)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)磁通可變。第一種方法是引入電勵(lì)磁繞組形成混合勵(lì)磁電機(jī)，該類電機(jī)可以通過調(diào)節(jié)電勵(lì)磁磁場(chǎng)的大小和方向來達(dá)到電機(jī)磁通可控的目的，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的弱磁升速，拓寬其調(diào)速范圍。中國(guó)專利號(hào)為201510026381.5提出了一種混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)，該種結(jié)構(gòu)在只使用永磁磁鋼作為單一勵(lì)磁源的傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)的基礎(chǔ)之上，加入電勵(lì)磁繞組來形成混合勵(lì)磁電機(jī)，通過調(diào)節(jié)電勵(lì)磁繞組的電流大小和方向，可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)電機(jī)磁場(chǎng)。在低速運(yùn)行的時(shí)候可以輸入增磁電流使電勵(lì)磁繞組產(chǎn)生增磁磁場(chǎng)，與永磁磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)進(jìn)行疊加，從而滿足電機(jī)在低速時(shí)對(duì)于大轉(zhuǎn)矩的要求。在高速運(yùn)行的時(shí)候可以輸入弱磁電流來產(chǎn)生弱磁磁場(chǎng)，抵消永磁磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)，從而使得氣隙磁場(chǎng)減弱，進(jìn)而拓寬電機(jī)的調(diào)速范圍。但上述電機(jī)結(jié)構(gòu)由于增加了電勵(lì)磁繞組，這會(huì)增加額外的銅耗，從而使得電機(jī)的效率降低，同時(shí)電勵(lì)磁繞組的加入也增加了電機(jī)的體積，從而使得電機(jī)的功率密度有所降低。另外，該類電機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造加工和安裝相對(duì)困難。
[0004]第二種方法是采用記憶永磁磁鋼材料作為第二勵(lì)磁源，記憶永磁磁鋼材料包括鋁鎳鈷和杉鈷等，該類材料具有剩磁高和矯頑力低的特點(diǎn)，可以通過施加脈沖電流來改變?cè)擃惒牧系拇呕癄顟B(tài)，并且其磁化水平能被記憶住，因而被稱為記憶材料。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮閆L 201510756639.7提出了一種組合勵(lì)磁型定子分區(qū)式混合永磁磁通切換電機(jī)，該結(jié)構(gòu)將具有在線調(diào)磁特性的非稀土鋁鎳鈷永磁磁鋼與稀土釹鐵硼永磁磁鋼相結(jié)合，共同作為勵(lì)磁源，增加磁化繞組，通過控制短時(shí)磁化繞組電流的大小和方向來在線調(diào)節(jié)鋁鎳鈷永磁磁鋼的磁化狀態(tài)。低速時(shí)，鋁鎳鈷永磁磁鋼處于增磁磁化狀態(tài)，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)與稀土釹鐵硼產(chǎn)生的磁場(chǎng)相疊加，從而產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩。高速時(shí)，鋁鎳鈷永磁磁鋼處于弱磁磁化狀態(tài)，使得氣隙磁場(chǎng)降低，從而使得電機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍。因?yàn)榉窍⊥龄X鎳鈷永磁磁鋼在線磁化只需要短時(shí)的脈沖磁化電流，該類電機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩和較寬調(diào)速范圍的同時(shí)，由于施加磁化電流來改變鋁鎳鈷磁化狀態(tài)的作用時(shí)間很短，調(diào)節(jié)磁場(chǎng)所用的電勵(lì)磁銅耗大大降低，使得電機(jī)的運(yùn)行效率得到了有效的提高。但是該類電機(jī)需要額外的內(nèi)部空間來放置磁化繞組，使得該類電機(jī)的體積相對(duì)較大，從而使得電機(jī)的功率密度有所降低。除此之外，該類電機(jī)需要額外的磁化繞組逆變器來進(jìn)行磁場(chǎng)在線調(diào)節(jié)和控制，大大增加了電機(jī)控制系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。并且，鋁鎳鈷永磁材料矯頑力較低，與鐵器接觸會(huì)造成局部不可逆退磁和磁通分布的畸變，其磁化狀態(tài)不易維持，同時(shí)鋁鎳鈷材料硬而脆，可加工性能較差。
[0005]可見，在現(xiàn)有的技術(shù)中，諸如使用弱磁控制方法和引入電勵(lì)磁或者記憶永磁材料來形成混合勵(lì)磁電機(jī)等方法，在實(shí)現(xiàn)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的有效調(diào)節(jié)和控制、高效率、高功率密度、低成本的同時(shí)達(dá)到有效拓寬電機(jī)調(diào)速范圍等方面難以兼顧，這也成為當(dāng)前車用永磁無刷電機(jī)領(lǐng)域中亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有傳統(tǒng)永磁無刷電機(jī)存在氣隙磁通不可控、調(diào)速范圍窄、功率密度和效率低等問題，提供一種體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造加工方便、永磁磁鋼不易退磁、具有高效率和高功率密度、直軸電感大于交軸電感且調(diào)速范圍較寬的內(nèi)置磁障式磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)，以滿足電動(dòng)汽車用牽引電機(jī)對(duì)于電機(jī)調(diào)速范圍的要求。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:包括定子和同軸套在定子內(nèi)部的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的中心處同軸安放轉(zhuǎn)軸，定子內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子外壁之間具有氣隙，定子由定子齒、定子槽、定子軛組成，相鄰兩個(gè)定子齒之間形成定子槽，定子槽內(nèi)安放有電樞繞組，轉(zhuǎn)子上沿圓周方向均勻固定鑲嵌有若干對(duì)永磁磁鋼，每對(duì)永磁磁鋼都是由兩塊結(jié)構(gòu)相同的矩形的釹鐵硼永磁磁鋼采用V型放置組成，V型開口朝向氣隙；相鄰的兩對(duì)永磁磁鋼相對(duì)于電機(jī)交軸兩側(cè)對(duì)稱布置;在相鄰的兩對(duì)永磁磁鋼之間的轉(zhuǎn)子內(nèi)部設(shè)有弧形開口朝向氣隙的第一組弧形內(nèi)置磁障，在每對(duì)永磁磁鋼的兩塊釹鐵硼永磁磁鋼之間的轉(zhuǎn)子內(nèi)部設(shè)弧形開口都朝向氣隙、結(jié)構(gòu)相同且相對(duì)于電機(jī)直軸兩側(cè)對(duì)稱布置的第二組弧形內(nèi)置磁障和第三組弧形內(nèi)置磁障；每組弧形內(nèi)置磁障各具有內(nèi)、外兩層磁障；相鄰的兩對(duì)永磁磁鋼交替切向充磁，每對(duì)上的兩塊釹鐵硼永磁磁鋼充磁方向相反。
[0008]進(jìn)一步地，每塊釹鐵硼永磁磁鋼的內(nèi)外邊緣處都開有空氣槽，每塊釹鐵硼永磁磁鋼之間相互不貫通不相連。
[0009]進(jìn)一步地，第一組弧形內(nèi)置磁障的外層磁障的圓心O I和內(nèi)層磁障的圓心O 2在交軸G軸上，最靠近第一組弧形內(nèi)置磁障的第二組弧形內(nèi)置磁障的內(nèi)、外兩層磁障和最靠近第一組弧形內(nèi)置磁障的第三組弧形內(nèi)置磁障的內(nèi)、外兩層磁障具有共同的圓心0 2。
[0010]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后具有的有益效果是:
1、本發(fā)明在轉(zhuǎn)子直軸磁路上采用V形放置的釹鐵硼永磁磁鋼，永磁磁鋼切向充磁，達(dá)到聚磁效應(yīng)，提高釹鐵硼永磁磁鋼的利用率，同時(shí)釹鐵硼永磁磁鋼厚度合適，有利于獲得較大的直軸電感。在交軸磁路上增加雙層氣隙磁通屏障，以此減小電機(jī)的交軸電感，從而使得電機(jī)具有直軸電感大于交軸電感的反凸極特性。該電機(jī)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造加工方便，并且保留了傳統(tǒng)永磁無刷電機(jī)高效率和高功率密度的優(yōu)點(diǎn)。該電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，由于直軸電感大于交軸電感，可采用與傳統(tǒng)永磁表貼式電機(jī)相類似的直軸電流為零的控制方式來控制該電機(jī)，也可采用直軸磁場(chǎng)增強(qiáng)控制方法，輸入磁場(chǎng)增強(qiáng)型電流來產(chǎn)生正值磁阻轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)磁場(chǎng)增強(qiáng)型電流對(duì)于釹鐵硼永磁磁鋼起到增磁作用，從而有效避免了釹鐵硼永磁磁鋼在電機(jī)低速或者重載運(yùn)行條件下，較大的電樞反應(yīng)產(chǎn)生的去磁電流時(shí)所遭受的不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)；在高速運(yùn)行時(shí)，該電機(jī)可采用直軸磁場(chǎng)增強(qiáng)與直軸磁場(chǎng)輕度削弱相協(xié)調(diào)控制的方法，與傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁無刷電機(jī)相比，由于該電機(jī)較大的直軸電感且交軸電感小于直軸電感，可使用相對(duì)較小的直軸弱磁電流來弱化氣隙磁場(chǎng)，使得該電機(jī)具有相對(duì)更寬的調(diào)速范圍，從而使得該電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能和可靠性得到了提高。
[0011 ] 2、本發(fā)明由于具有相對(duì)較大的直軸電感，在高速運(yùn)行時(shí)，所需的弱磁直軸電流較小，從而使得該電機(jī)在相同的調(diào)速范圍內(nèi)有效減小了弱磁升速所產(chǎn)生的額外的銅耗，并且較小的弱磁直軸電流也能有效降低釹鐵硼永磁磁鋼在電機(jī)高速弱磁運(yùn)行時(shí)所遭受的不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)。
[0012]3、本發(fā)明在轉(zhuǎn)子內(nèi)部的交軸磁路上采用了磁通屏障，使得交軸電感顯著減小，并且交軸磁路不容易飽和，有利于電機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)電感參數(shù)的在線準(zhǔn)確估計(jì)，同時(shí)也能夠保證電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩輸出。
[0013]4、本發(fā)明采用了 V形放置的釹鐵硼永磁磁鋼，在保證釹鐵硼永磁磁鋼抵抗不可逆退磁能力的同時(shí)，降低了永磁磁鋼用量，從而節(jié)約了電機(jī)制造成本，同時(shí)也免去了較厚永磁磁鋼所造成的直軸電感降低的風(fēng)險(xiǎn)。另外，分段式矩形釹鐵硼永磁磁鋼和導(dǎo)磁橋的連接方式，有效降低了永磁磁鋼單位體積內(nèi)的渦流損耗，從而有利于電機(jī)效率的提升。
[0014]5、本發(fā)明在轉(zhuǎn)子內(nèi)部的交軸磁路上采用了雙層不等厚磁通屏障，在保證交軸電感較小的情況下，也增加了電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度以及可靠性，同時(shí)合理的交軸磁障厚度以及安放位置，使得交軸磁障對(duì)直軸磁路的影響較小，直軸磁路不易飽和，因此直軸電感受交軸電感的影響較小，直交軸電感在電機(jī)的整個(gè)運(yùn)行工況下變化幅度較小，并且直軸電感總是大于交軸電感。
[0015]6、本發(fā)明的定子繞組采用模塊化分?jǐn)?shù)槽集中式繞組，使得該電機(jī)直軸電感得到進(jìn)一步的增大，有利于該電機(jī)使用較小的弱磁電流來獲得較寬的調(diào)速范圍，且降低釹鐵硼永磁磁鋼所遭受的不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)也減小了相間互感，使得相間互感和自感的比值相對(duì)較小，從而使得該電機(jī)的容錯(cuò)能力和可靠性得到了一定的提升。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明內(nèi)置磁障式磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)的徑向截面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的機(jī)械裝配軸向圖；
圖3是圖1中定子結(jié)構(gòu)示意圖及三相繞組分布放大圖；
圖4是圖3中定子電樞繞組為等節(jié)距連接方式示意圖；
圖5是圖3中定子電樞繞組為同心式連接方式示意圖；
圖6是圖1中轉(zhuǎn)子局部結(jié)構(gòu)及幾何尺寸標(biāo)注放大示意圖；
圖7是圖6中第一塊和第二塊釹鐵硼永磁磁鋼31、32的結(jié)構(gòu)及幾何尺寸標(biāo)注放大示意圖；
圖8是圖6中轉(zhuǎn)子上的弧形內(nèi)置磁障結(jié)構(gòu)以及磁障外層的幾何尺寸標(biāo)注放大示意圖；
圖9是圖6中轉(zhuǎn)子上的弧形內(nèi)置磁障結(jié)構(gòu)以及磁障內(nèi)層的幾何尺寸標(biāo)注放大示意圖；
圖10是本發(fā)明轉(zhuǎn)子中局部釹鐵硼永磁磁鋼3的充磁方式示意圖；
圖11是本發(fā)明運(yùn)行在正值直軸電流(直軸磁場(chǎng)增強(qiáng))下的磁場(chǎng)分布圖；
圖12是本發(fā)明運(yùn)行在負(fù)值直軸電流(直軸磁場(chǎng)削弱)下的磁場(chǎng)分布圖；
圖13是本發(fā)明反電動(dòng)勢(shì)各次諧波圖；
圖14是本發(fā)明的直交軸電感圖；
圖15是本發(fā)明和傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化比較圖；
圖16是本發(fā)明和傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁無刷電機(jī)的功率隨轉(zhuǎn)速變化圖。
[0017]圖中:1.定子;2.轉(zhuǎn)子;3.釹鐵硼永磁磁鋼;4.空氣槽;5.弧形內(nèi)置磁障;6.轉(zhuǎn)軸;7.端蓋;8.機(jī)座;9.定子齒；10.定子槽；11.定子軛;21、23、25、27、29、31、33、35、37.電樞繞組;31.第一塊釹鐵硼永磁磁鋼;32.第二塊釹鐵硼永磁磁鋼;51第一組弧形內(nèi)置磁障、52第二組弧形內(nèi)置磁障、53第三組弧形內(nèi)置磁障。
【具體實(shí)施方式】
[0018]參見圖1和圖2，本發(fā)明包括定子1、轉(zhuǎn)子2、轉(zhuǎn)軸6和端蓋7，定子I和端蓋7固定連接在一起，端蓋7固定安裝在機(jī)座8上。轉(zhuǎn)子2同軸套在定子I內(nèi)部，在轉(zhuǎn)子2的中心處同軸固定安放轉(zhuǎn)軸6。定子I內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子2外壁之間具有氣隙，氣隙的厚度與電機(jī)的功率等級(jí)、所選取的永磁材料以及定子1、轉(zhuǎn)子2加工和裝配工藝有關(guān)。定子I和轉(zhuǎn)子2都是由0.35mm厚度的硅鋼片疊壓而成，疊壓系數(shù)為0.95，轉(zhuǎn)軸6是由不導(dǎo)磁材料組成。
[0019]參見I和圖3，定子I由定子齒9、定子槽10、定子軛11組成。相鄰兩個(gè)定子齒9之間形成定子槽10，定子齒9徑向橫截面為T型，T型的頂部靠近轉(zhuǎn)子2，T型的底部與定子軛11連為一體。定子齒9中心處的齒寬記為ii，定子軛11的徑向?qū)挾葹? &為了防止定子軛11的磁路飽和，要求? 2 =2-3? I。在定子槽10內(nèi)安放電樞繞組。
[0020]圖3中，A、B、C為定子上的電樞繞組，“+”為定子電樞繞組的進(jìn)線方向，為定子電樞繞組的出線方向。本發(fā)明的電機(jī)含有36槽，含有兩個(gè)繞組周期，以一個(gè)繞組周期為例，電樞繞組21、23、25、27、29、31、33、35、37成以下模塊化分?jǐn)?shù)槽集中式排列:A+A+A+A-A-A-B+B+B+B-B-B-C+C+C+C-C-C-。其中每相繞組集中在一起，電樞繞組既可按照?qǐng)D4所示的等節(jié)距排列，也可按照?qǐng)D5所示的同心式分布排列。[0021 ] 參見圖1和圖6，在轉(zhuǎn)子2上，沿圓周方向均勾固定鑲嵌有若干對(duì)永磁磁鋼，永磁磁鋼的對(duì)數(shù)等于電機(jī)極數(shù)。每對(duì)永磁磁鋼都由兩塊矩形的釹鐵硼永磁磁鋼3采用V型放置組成。V型開口朝向氣隙，每塊釹鐵硼永磁磁鋼3的內(nèi)外邊緣處都開有空氣槽4，用于減小釹鐵硼永磁磁鋼3外邊界的漏磁。兩塊釹鐵硼永磁磁鋼3相互不貫通不相連，之間形成導(dǎo)磁橋。兩塊釹鐵硼永磁磁鋼3的結(jié)構(gòu)相同，兩塊釹鐵硼永磁磁鋼3之間的中心線ft/即電機(jī)的直軸d軸，其中，O為轉(zhuǎn)軸6的軸心，兩塊釹鐵硼永磁磁鋼3相對(duì)于直軸c/軸兩側(cè)對(duì)稱布置。兩塊釹鐵硼永磁磁鋼3相互不貫通不相連，之間形成導(dǎo)磁橋。圖1僅以8極電機(jī)為例，圖1中共有16塊釹鐵硼永磁磁鋼3，每極上的兩塊釹鐵硼永磁磁鋼3形成一對(duì)，共8對(duì)永磁磁鋼沿圓周方向均勾分布，均內(nèi)嵌在轉(zhuǎn)子2中。
[0022]相鄰的兩對(duì)永磁磁鋼的中心線是㈨，其中，O為轉(zhuǎn)軸6的軸心，中心線㈨即電機(jī)的交軸g軸，相鄰的兩對(duì)永磁磁鋼3相對(duì)于交軸g軸兩側(cè)對(duì)稱布置。
[0023]在轉(zhuǎn)子2內(nèi)部設(shè)有三組具有內(nèi)、外兩層弧形內(nèi)置磁障5，分別是第一組弧形內(nèi)置磁障51、第二組弧形內(nèi)置磁障52、第三組弧形內(nèi)置磁障53，如圖6中所示，其中，第一組弧形內(nèi)置磁障51設(shè)在相鄰的兩對(duì)永磁磁鋼之間的轉(zhuǎn)子2內(nèi)部，磁障的弧形開口朝向氣隙。第一組弧形內(nèi)置磁障51的外層磁障圓心是O I，第一組弧形內(nèi)置磁障51的內(nèi)層磁障圓心是O 2，圓心O I和02在交軸Q1軸上，第一組弧形內(nèi)置磁障51中的外層磁障的外徑是7? I。
[0024]在每對(duì)永磁磁鋼的兩塊釹鐵硼永磁磁鋼3之間的轉(zhuǎn)子2內(nèi)部設(shè)第二組弧形內(nèi)置磁障52和第三組弧形內(nèi)置磁障53，第二組弧形內(nèi)置磁障52和第三組弧形內(nèi)置磁障53的弧形開口也朝向氣隙、結(jié)構(gòu)相同且相對(duì)于中心線㈨兩側(cè)對(duì)稱布置。對(duì)于每個(gè)第一組弧形內(nèi)置磁障51，最靠近該第一組弧形內(nèi)置磁障51的第二組弧形內(nèi)置磁障52的內(nèi)、外兩層和最靠近該第一組弧形內(nèi)置磁障51的第三組弧形內(nèi)置磁障53內(nèi)、外兩層具有共同的圓心O2，與第一組弧形內(nèi)置磁障51的內(nèi)層磁障圓心O2相同，即除了第一組弧形內(nèi)置磁障51的外層磁障圓心是Oi之外，其余的弧形內(nèi)置磁障的圓心均是O2。第二組弧形內(nèi)置磁障52中的外層磁障的外徑是W2，第三組弧形內(nèi)置磁障53中的內(nèi)層磁障的外徑是7?3。
[0025]轉(zhuǎn)子2的外徑是7? 4，內(nèi)徑是7? 5，需要滿足條件:0.117? 4 (Ri彡0.207? 4，
0.307? 4 2彡0.35 Ra,QAR a (Rz彡0.45瓜。以O(shè)為圓心，O!所在圓的半徑是7? ιι，O2所在圓的半徑是7? 22，即軸心O與圓心O 2之間的距離是7? 11，軸心O與圓心O 2之間的距離是7? 22。半徑7? 11和轉(zhuǎn)子2外徑7? 4之間的約束關(guān)系為7? 11 =1.11?1.157? 4。半徑7? 22和轉(zhuǎn)子2外徑7? 4之間的約束關(guān)系為7? 22 =1.15-1.27? 4。
[0026]圖1中的8極電機(jī)共有48段弧形內(nèi)置磁障，每段弧形內(nèi)置磁障都互不相通，在每段弧形內(nèi)置磁障內(nèi)部嵌有非導(dǎo)磁材料塊，為了簡(jiǎn)化工藝或者減輕電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量，也可以直接采用氣隙作為非導(dǎo)磁材料快。
[0027]參見圖6和圖7，每對(duì)永磁磁鋼的兩塊釹鐵硼永磁磁鋼3分別是第一塊釹鐵硼永磁磁鋼31和第二塊釹鐵硼永磁磁鋼32，第一塊釹鐵硼永磁磁鋼31和第二塊釹鐵硼永磁磁鋼32之間的夾角為仏，每塊釹鐵硼永磁磁鋼3的矩形的徑向?qū)挾榷紴閞3，切向厚度都為A 3，為了保證電機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性，減小釹鐵硼永磁磁鋼的不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的能力以及具有較大的直軸電感，需要滿足條件70°彡θ3彡75°，0〈r3 <0.257? 4，W3 Xh3 =50.00mm2。每對(duì)永磁磁鋼中的兩塊釹鐵硼永磁磁鋼的用量為定量。兩塊釹鐵硼永磁磁鋼3之間間隔的最短距離為Z 3，為了盡量減少漏磁以及便于加工，需滿足條件ImmSX3 <2mm;兩塊釹鐵硼永磁磁鋼3距離轉(zhuǎn)子2的軸心O的最長(zhǎng)距離為7 3，為了減小漏磁和保證一定的機(jī)械強(qiáng)度，需滿足條件W 5 +3mm^7 3 (Rb +8mm。
[0028]參見圖6、圖8和圖9，每段弧形內(nèi)置磁障5與釹鐵硼永磁磁鋼3之間都留有一定的距離，以保證一定的機(jī)械強(qiáng)度。第二組弧形內(nèi)置磁障52的外層磁障所占的弧度角為內(nèi)2，第三組弧形內(nèi)置磁障53的外層磁障所占的弧度角為化5，弧度角內(nèi)2和弧度角化5相等，第二組弧形內(nèi)置磁障52和第三組弧形內(nèi)置磁障53的外層磁障和的徑向厚度都為A 2。第二組弧形內(nèi)置磁障52的內(nèi)層磁障所占的弧度角為內(nèi)4，第三組弧形內(nèi)置磁障53的內(nèi)層磁障所占的弧度角為，弧度角〃54和弧度角化4目等。第一組弧形內(nèi)置磁障51的外層磁障所占弧度角為
，第一組弧形內(nèi)置磁障51的外層磁障的徑向厚度為A1，第一組弧形內(nèi)置磁障51的內(nèi)層所占弧度角為為化5，三組弧形內(nèi)置磁障51、52、53的內(nèi)層磁障徑向厚度相等，徑向厚度都為A 4。三組弧形內(nèi)置磁障51、52、53的弧度角以及徑向厚度關(guān)系到轉(zhuǎn)子2高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)也關(guān)系到電機(jī)的直交軸電感的特性，為了具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和相應(yīng)的直交軸電感特性，要滿足70° 彡 %1 彡75°，8° 彡內(nèi)2 彡 12°，0.60 %ι ( θ55 ^0.75 H.40 θ55 (K2.15 沒55，Ai =1.4~1.6h 3,h 2 =0.4~0.5h 3 ,h 4 =0.5~0.6h 3。第一組弧形內(nèi)置磁障51的外層磁障的厚度較厚，第一組弧形內(nèi)置磁障51的內(nèi)層磁障以及第二組弧形內(nèi)置磁障52、第三組弧形內(nèi)置磁障53的內(nèi)、外層磁障的厚度都相對(duì)較薄。
[0029]參見圖10，相鄰的兩對(duì)永磁磁鋼采用交替充磁方式，每對(duì)上的兩塊釹鐵硼永磁磁鋼3都采用切向充磁方向，并且充磁方向相反，相鄰的兩對(duì)永磁磁鋼上的近鄰的兩塊釹鐵硼永磁磁鋼3充磁方向相同，即分布在中心線㈨兩側(cè)的兩塊釹鐵硼永磁磁鋼3充磁方向相同。
[0030]與直軸對(duì)應(yīng)的電機(jī)電感稱為直軸電感，與交軸對(duì)應(yīng)的電機(jī)電感稱為交軸電感，其中直軸和交軸在電角度上相互垂直。本發(fā)明中的弧形內(nèi)置磁障5位于交軸磁路上，使得交軸磁阻增加，交軸電感減小，并且弧形內(nèi)置磁障5的弧度與直軸磁路基本平行，因此弧形內(nèi)置磁障5對(duì)于直軸磁路的影響較小。本發(fā)明中的釹鐵硼永磁磁鋼3位于直軸上，合理的厚度保證了電機(jī)的直軸電感相對(duì)較大，這樣使得直軸電感大于交軸電感。
[0031]本發(fā)明工作時(shí)，在不同的運(yùn)行區(qū)間使用分區(qū)直軸電流控制方法，能滿足電機(jī)在全運(yùn)行區(qū)間內(nèi)電機(jī)高效率、高功率密度和寬調(diào)速運(yùn)行范圍的性能要求，并且能防止釹鐵硼永磁磁鋼3的不可逆退磁。參見圖11，釹鐵硼永磁磁鋼3產(chǎn)生的磁通路徑?1如下:依次經(jīng)過第一對(duì)永磁磁鋼中的第一塊釹鐵硼永磁磁鋼、轉(zhuǎn)子2、相鄰的第二對(duì)永磁磁鋼中的第二塊釹鐵硼永磁磁鋼、轉(zhuǎn)子2、第二個(gè)定子齒9、定子軛11、第一個(gè)定子齒9、轉(zhuǎn)子2、第一對(duì)永磁磁鋼中的第一塊釹鐵硼永磁磁鋼形成閉合回路。定子上的電樞繞組通電產(chǎn)生的磁通路徑P2和釹鐵硼永磁磁鋼3產(chǎn)生的磁通路徑？1相同，當(dāng)采用“直軸磁場(chǎng)增強(qiáng)”控制方法時(shí)，直軸電流為正值，直軸電流產(chǎn)生的磁通路徑P2與路徑pi重合，由于直軸電流產(chǎn)生的磁通與釹鐵硼永磁磁鋼3產(chǎn)生的磁通方向相同，因此直軸磁通得到增強(qiáng)，釹鐵硼永磁磁鋼3不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)被減小。圖11為電機(jī)運(yùn)行在正值直軸電流下(直軸磁場(chǎng)增強(qiáng))的磁力線分布圖，圖12為電機(jī)運(yùn)行在負(fù)值直軸電流(直軸磁場(chǎng)削弱)下的磁力線分布圖，從圖中可以看出電機(jī)運(yùn)行在正值直軸電流下時(shí)磁力線分布相對(duì)較密，磁場(chǎng)得到增強(qiáng)，釹鐵硼永磁磁鋼3不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)減小。在低速或啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)采用采用“直軸磁場(chǎng)增強(qiáng)”控制方法，即直軸電流大于零以此來獲得最大轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，依舊采用直軸電流大于零控制，直軸電流逐漸減小，可獲得較大運(yùn)行轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高時(shí)，為了獲得較寬的調(diào)速范圍，采用“直軸磁場(chǎng)輕度削弱”控制方法，直軸電流減小為負(fù)值，由于直軸電感較大，只需較小的直軸電流來實(shí)現(xiàn)弱磁升速。
[0032]參見圖13和圖14，分別為本發(fā)明電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)圖和電感圖。由圖13可以看出，本發(fā)明由于采用新型模塊化分?jǐn)?shù)槽集中式繞組，因而電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的諧波較小，3次和5次諧波都相對(duì)較小。由圖14可以看出，C為電機(jī)的直軸電感，D為電機(jī)的交軸電感，由于本發(fā)明的電機(jī)采用了特殊的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵撾姍C(jī)在不同的電流幅值下都具備直軸電感大于交軸電感的特性，該特性也是磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)所特有的特性。
[0033 ]將同樣功率大小的傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁無刷電機(jī)與本發(fā)明進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)和本發(fā)明采用相同的控制方法(最大轉(zhuǎn)矩電流比控制和最大功率輸出控制)，通過有限元仿真，得到兩個(gè)電機(jī)的相關(guān)轉(zhuǎn)矩和功率特性曲線，分別參見圖15和圖16，圖15和圖16中的曲線E表示本發(fā)明電機(jī)，曲線F表示傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁無刷電機(jī)。由圖15可知，低速時(shí)，本發(fā)明電機(jī)轉(zhuǎn)矩比傳統(tǒng)電機(jī)略大，同時(shí)由于本發(fā)明電機(jī)采用了直軸磁場(chǎng)增強(qiáng)型電機(jī)結(jié)構(gòu)，直軸電流大于零，對(duì)電機(jī)永磁磁場(chǎng)起增強(qiáng)作用，因而永磁磁鋼不會(huì)遭受不可逆退磁。高速時(shí)，本發(fā)明仍可采用直軸磁場(chǎng)增強(qiáng)和直軸磁場(chǎng)輕度削弱兩種方法進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，在同樣的轉(zhuǎn)速下，本發(fā)明的電機(jī)的轉(zhuǎn)矩高于傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁無刷電機(jī)。參見圖16，在低速時(shí)，采用最大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，兩個(gè)電機(jī)功率上升曲線接近重合。高速時(shí)，由于本發(fā)明具有相對(duì)較大的直軸電感，因而具有有更寬的調(diào)速范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種內(nèi)置磁障式磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)，包括定子和同軸套在定子內(nèi)部的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的中心處同軸安放轉(zhuǎn)軸，定子內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子外壁之間具有氣隙，定子由定子齒、定子槽、定子軛組成，相鄰兩個(gè)定子齒之間形成定子槽，定子槽內(nèi)安放有電樞繞組;其特征是:轉(zhuǎn)子上沿圓周方向均勻固定鑲嵌有若干對(duì)永磁磁鋼，每對(duì)永磁磁鋼都是由兩塊結(jié)構(gòu)相同的矩形的釹鐵硼永磁磁鋼(3)采用V型放置組成，V型開口朝向氣隙；相鄰的兩對(duì)永磁磁鋼相對(duì)于電機(jī)交軸兩側(cè)對(duì)稱布置;在相鄰的兩對(duì)永磁磁鋼之間的轉(zhuǎn)子內(nèi)部設(shè)有弧形開口朝向氣隙的第一組弧形內(nèi)置磁障(51)，在每對(duì)永磁磁鋼的兩塊釹鐵硼永磁磁鋼(3)之間的轉(zhuǎn)子內(nèi)部設(shè)弧形開口都朝向氣隙、結(jié)構(gòu)相同且相對(duì)于電機(jī)直軸兩側(cè)對(duì)稱布置的第二組弧形內(nèi)置磁障(52)和第三組弧形內(nèi)置磁障(53);每組弧形內(nèi)置磁障(51、52、53)各具有內(nèi)、外兩層磁障；相鄰的兩對(duì)永磁磁鋼交替切向充磁，每對(duì)上的兩塊釹鐵硼永磁磁鋼(3)充磁方向相反。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述內(nèi)置磁障式磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)，其特征是:每塊釹鐵硼永磁磁鋼(3)的內(nèi)外邊緣處都開有空氣槽(4)，每塊釹鐵硼永磁磁鋼(3)之間相互不貫通不相連。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述內(nèi)置磁障式磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)，其特征是:第一組弧形內(nèi)置磁障(51 )的外層磁障的圓心0 I和內(nèi)層磁障的圓心02在交軸Q1軸上，最靠近第一組弧形內(nèi)置磁障(51)的第二組弧形內(nèi)置磁障(52)的內(nèi)、外兩層磁障和最靠近第一組弧形內(nèi)置磁障(51)的第三組弧形內(nèi)置磁障(53)的內(nèi)、外兩層磁障具有共同的圓心仍。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述內(nèi)置磁障式磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)，其特征是:第一組弧形內(nèi)置磁障(51)中的外層磁障的外徑是TP1，第二組弧形內(nèi)置磁障(52)中的外層磁障的外徑是奶，第三組弧形內(nèi)置磁障(53)中的內(nèi)層磁障的外徑是7?3，0.11瓜(Ri彡0.207?4，0.307? 4(Ih彡0.35 Ri ,QARi 彡0.45 Ri, Ri和7? 5分別是轉(zhuǎn)子的外徑和內(nèi)徑。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述內(nèi)置磁障式磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)，其特征是:轉(zhuǎn)軸的軸心O與圓心O 2之間的距離是7? H、與圓心?之間的距離是7? 22，T? Ii=1.11?1.157? 4，7? 22=1.15?1.27?4，7?4是轉(zhuǎn)子的外徑。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述內(nèi)置磁障式磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)，其特征是:每對(duì)永磁磁鋼中的兩塊釹鐵硼永磁磁鋼(3)之間的夾角為仏、每塊釹鐵硼永磁磁鋼(3 )的徑向?qū)挾葹閞3、切向厚度為A 3 ,70°^ O3 彡75°，(Kr 3 <0.257? 4 ,w3 Xh 3 =50.0Omm2;兩塊釹鐵硼永磁磁鋼(3)之間間隔的最短距離為Z 3 ,Imm^x3 <2mm;兩塊釹鐵硼永磁磁鋼(3)距離轉(zhuǎn)子的軸心O的最長(zhǎng)距離為y 3 ,Rb +3mm^7 3 (Rb +8mm ； R 4和7? 5分別是轉(zhuǎn)子的外徑和內(nèi)徑。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述內(nèi)置磁障式磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)，其特征是:第二、第三組弧形內(nèi)置磁障(52、53)的外層磁障所占的弧度角都為內(nèi)2，第二、第三組弧形內(nèi)置磁障(52、53)的內(nèi)層磁障所占的弧度角都為化4，第一組弧形內(nèi)置磁障(51)的內(nèi)、外層磁障所占弧度角分別為％5、，第一組弧形內(nèi)置磁障(51)的外層磁障的徑向厚度為A1，三組弧形內(nèi)置磁障(51、52、53)的內(nèi)層磁障徑向厚度都為力4，70°彡^1^75° ,8°^ θ52 ^12° ,0.60 Θ51 (^55 <0.75 沒51，I.40 ^55^; ^54^:2.15 Ui =1.4~1.6h 3 ,h 2 =0.4~0.5h 3 ,h 4 =0.5~.0.6h 3 ο
【文檔編號(hào)】H02K29/00GK106026597SQ201610537453
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月11日
【發(fā)明人】朱孝勇, 楊深, 全力, 張超, 杜懌, 項(xiàng)子旋, 殷佳寧, 樊德陽, 吳文葉
【申請(qǐng)人】江蘇大學(xué)