CN101860158A - 开关磁通永磁同步电机 - Google Patents

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索来春
刘继平
高立军
燕申武
唐富忠
张星
张志强
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Abstract

开关磁通永磁同步电机，属于电机技术领域。它解决了现有电动汽车用电机存在的转矩脉动大及弱磁控制能力差的问题。它包括定子和转子，定子的内环表面和转子的外环表面之间为气隙，所述定子由12块定子铁心叠片和12块永磁体依次相间紧密拼装成圆筒形，每块定子铁心叠片的径向截面为开口向内的U型，定子的定子铁心叠片的U型槽内分布有集中绕组；所述转子的外圆周上均匀分布有10个凸极；所述永磁体的充磁方向为圆周方向，相邻永磁体的充磁方向沿圆周方向相反。本发明作为电动汽车的驱动电机。

Description

开关磁通永磁同步电机
技术领域
本发明涉及一种开关磁通永磁同步电机，属于电机技术领域。
背景技术
在电动汽车上应用的电机主要有异步电机、无刷永磁同步电机和开关磁阻电机。其中异步电机的矢量调控技术比较成熟，较早应用于电动汽车的驱动***，具有明显的优势，是电动汽车驱动***的主流产品。但是异步电机的驱动电路复杂，制造成本高，与无刷永磁同步电机相比，其效率和功率密度都偏低，正逐步被新型的无刷永磁同步电机所取代。
无刷永磁同步电机采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，具有较高的功率密度和效率，并且调速范围宽，是电动汽车用电机中的强有力竞争者。但由于其存在高成本，弱磁控制差以及加工制造困难等缺陷，影响了它的发展。嵌入式永磁电机虽在弱磁控制方面具有优势，但由于其转子结构复杂及成本高，依然影响其进一步的发展。同时由于无刷永磁同步电机将永磁体安装在转子上，为了防止转子高速运行时永磁体受到离心力的作用而甩落出去，需要采用不锈钢或非金属纤维材料制成的固定装置来对永磁体进行固定，固定装置会引起转子的散热困难，导致温升过高，这可能会导致永磁体发生不可逆退磁、限制电机出力及减小功率密度等。
开关磁阻电机由于结构紧凑牢固，适合高速运行，驱动电路简单，成本低，性能可靠，转速范围宽且效率高并能够方便的实现四象限控制，而适用于各种电动车辆的各种工况下运行。但是由于这种电机设计与控制上存在的缺陷，会造成转矩脉动大，进而出现较大的噪声和振动，功率密度和效率偏低；同时还要配合位置传感器来使用，造成***结构复杂，可靠性降低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有电动汽车用电机存在的转矩脉动大及弱磁控制能力差的问题，提供一种开关磁通永磁同步电机。
本发明包括定子和转子，定子的内环表面和转子的外环表面之间为气隙，所述定子由12块定子铁心叠片和12块永磁体依次相间紧密拼装成圆筒形，每块定子铁心叠片的径向截面为开口向内的U型，定子的定子铁心叠片的U型槽内分布有集中绕组；所述转子的外圆周上均匀分布有10个凸极；
所述永磁体的充磁方向为圆周方向，相邻永磁体的充磁方向沿圆周方向相反。
本发明的优点是：
本发明是一种全新设计的电机结构，它采用定子与转子的双凸极结构，将永磁体与定子铁心叠片相间排列，在定子上采用集中绕组的绕线形式，这种结构形式充分利用了永磁体的聚磁效应，有利于缩小定子的U型开槽空间和减少永磁体的用量，使电机的总体积变小，从而降低了电机的成本；由于本发明中电机定子结构的特殊性，它将永磁体嵌在U型定子铁心的叠片之间，集中绕组集中在定子上，使得其电枢反应磁通与永磁磁通在磁路上是并联的，而不同于转子永磁型和一般定子永磁型电机中的串联关系，它使电枢反应磁场对永磁体工作点的扰动很小，提高了电机的电枢电流和负载能力。电机的转子上既无永磁体又无绕组，提高了其机械强度，适合高速运行，并能够允许较高的工作温度，工作效率高。
电机的弱磁控制能力一般通过调节电流密度有效值和槽满率来调节，本发明电机所形成的电枢反应磁通与永磁磁通的并联结构，能有效避免永磁体的不可逆退磁，所以集中绕组的电流密度可以选择较大，使电机适合高速运行，保证电机通过弱磁控制稳定运行在恒定功率区域，这使电机的弱磁控制能力得到明显的改善。
本发明中转子有10个凸极，则其极距所跨的机械角度为36°，这样每相永磁磁链及相应的反电动势在36°范围内接近正弦分布，由此可以采用正弦波电流供电，对本发明所述电机采用正弦波控制，采用矢量控制方法控制电机的转矩，并合理选择集中绕组的匝数、气隙、永磁体厚度等结构参数后，可以使电机稳定运行，使转矩波动控制在一定的允许范围内。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式包括定子和转子2，定子的内环表面和转子2的外环表面之间为气隙，其特征在于：所述定子由12块定子铁心叠片1-1和12块永磁体1-2依次相间紧密拼装成圆筒形，每块定子铁心叠片1-1的径向截面为开口向内的U型，定子的定子铁心叠片1-1的U型槽内分布有集中绕组1-3；所述转子2的外圆周上均匀分布有10个凸极；
所述永磁体1-2的充磁方向为圆周方向，相邻永磁体1-2的充磁方向沿圆周方向相反。
本实施方式所述电机的制造成本低，结构简单，它采用无刷电机技术，将永磁体1-2镶嵌于相邻的定子铁心叠片1-1之间，这种结构，方便于采用定子冷却的方式来进行永磁体1-2的冷却控制，以避免永磁体1-2的高温退磁。永磁体1-2可采用最简单的长方体结构,易于加工和制造，并且安装容易。转子2的结构简单且坚固可靠，无永磁材料,不存在永磁散热及固紧问题。所述电机借鉴了开关磁阻电机以及表面封装永磁电机的结构特点，它不但具有开关磁阻电机的高可靠性和低成本的特点，同时具有表面封装永磁电机的高性能，并且整体性能优于表面安装和内部安装永磁体的电机，具有很强的市场竞争力。
当电机通电旋转时，转子2将受到电磁力矩的作用，为防止转子2在电机轴上打滑，使转子2与电机轴之间有一定的过盈量，压入过盈配合。能够防止转子2在电机轴上轴向窜动。
本实施方式所述电机是一种永磁交流电机，除用于混合动力汽车方面的使用，在HV/EV牵引电机、汽车伺服电机、工业驱动电机、风力水利发电机等领域具有非常广泛的工业应用前景。
工作过程及原理：本发明所述电机在运行时遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，因磁场的扭曲会产生切向磁拉力，形成电磁转矩。在电机运行过程中，假定转子极中心线与同一定子极下左、右定子铁心叠片1-1的中心线重合的位置分别为位置A和位置B，那么当转子2从位置A移动到位置B的过程中，集中绕组1-3里匝链的磁通在数量上保持不变，但其方向会随着转子2位置的改变而反向，就实现了磁通切换，由此电机命名为开关磁通永磁同步电机，其每相的永磁磁链为双极性，这是其一大特性。
在电机运行过程中，电机的结构特点保证了每相永磁磁链及相应的反电势波形在1个转子极距36°内接近正弦波，这使本发明电机可以采用正弦波电流供电控制的方式运行，使其在交流驱动领域有良好的应用前景。此外，永磁体1-2置于定子铁心叠片1-1之间，产生的高磁阻磁路限制了电枢反应磁通穿过永磁体，并且电枢反应磁通与永磁磁通在磁路上是并联的，能够有效避免永磁体1-2的高温不可逆退磁。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述转子2由多个冷轧硅钢片叠压而成。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
转子2是电机主磁路的导磁体，转子2由多个冷轧硅钢片叠压而成，能够减小转子2的涡流损耗。本实施方式中的转子2可选择牌号为DW310-35的冷轧硅钢片叠压而成，它的表面具有良好的绝缘薄膜。DW310-35是一种含碳量极低的硅铁软磁合金，硅的含量为0.5-4.5%。加入硅后提高了铁的电阻率和最大磁导率，降低了矫顽力、铁心损耗和磁时效，它能使电机的磁场能量最大的转化为力矩，降低了热能的产生，提高了电机的效率。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述定子由多个冷轧硅钢片叠压而成。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
定子的材质可与转子2的材质相同，定子的多个冷轧硅钢片之间通过涂酚醛树脂粘结剂的粘结方式，晾干后叠压，成形。酚醛树脂是一种碱性碳纤维树脂复合材料，具有良好的耐酸性能、力学性能、耐热性能，防腐蚀，它使定子的多个冷轧硅钢片的粘结强度高，并且具有良好的耐热性能。
具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述永磁体1-2的材质为钕铁硼材料。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
采用钕铁硼材料制作永磁体1-2，例如型号为N38H的钕铁硼材料，它的工作温度最高可达120℃。钕铁硼材料是当前磁性最强的永磁材料，具有体积小、重量轻、磁性强和价格低的特点，有极高的磁能积和矫力，是混合动力汽车电机重要的功能材料。
具体实施方式五：本实施方式与实施方式一、二、三或四的不同之处在于所述集中绕组1-3采用高强度聚酯漆包圆铜线绕制而成。其它组成及连接关系与实施方式一、二、三或四相同。
集中绕组1-3采用高强度聚酯漆包圆铜线绕制而成，例如采用QZ-2型高强度聚酯漆包圆铜线，它的标准直径为1.12mm，绝缘等级为B，耐温可达120℃。
本发明中电机的转子轴可采用不导磁不锈钢材料1Cr18Ni9Ti制成，经热处理和二三次研磨加工后，其装配部分的表面硬度能达到HV500-HV600，精度可达微米级，表面粗糙度Ra≤0.8um，能够保证电机转子2与电机轴的同心度安装要求。
本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。

Claims (5)

1.一种开关磁通永磁同步电机，它包括定子和转子（2），定子的内环表面和转子（2）的外环表面之间为气隙，其特征在于：所述定子由12块定子铁心叠片（1-1）和12块永磁体（1-2）依次相间紧密拼装成圆筒形，每块定子铁心叠片（1-1）的径向截面为开口向内的U型，定子的12块定子铁心叠片（1-1）的U型槽内分布有集中绕组（1-3）；所述转子（2）的外圆周上均匀分布有10个凸极；
所述永磁体（1-2）的充磁方向为圆周方向，相邻永磁体（1-2）的充磁方向沿圆周方向相反。
2.根据权利要求1所述的开关磁通永磁同步电机，其特征在于：所述转子（2）由多个冷轧硅钢片叠压而成。
3.根据权利要求1所述的开关磁通永磁同步电机，其特征在于：所述定子由多个冷轧硅钢片叠压而成。
4.根据权利要求1所述的开关磁通永磁同步电机，其特征在于：所述永磁体（1-2）的材质为钕铁硼材料。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的开关磁通永磁同步电机，其特征在于：所述集中绕组（1-3）采用高强度聚酯漆包圆铜线绕制而成。
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