CN105322744A - 电动汽车用***式组合型永磁无刷电机 - Google Patents

电动汽车用***式组合型永磁无刷电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电动汽车用***式组合型永磁无刷电机，转子同轴位于定子内部，转子的每个极上固定镶嵌有一块矩形的钕铁硼永磁磁钢和两块相同的矩形的铁氧体永磁磁钢，钕铁硼永磁磁钢靠近气隙且相对于转子极中心线对称，两块铁氧体永磁磁钢靠近转轴并分布在转子极中心线的两侧且相对于极中心线对称，在两块铁氧体永磁磁钢之间是导磁桥，每个极上永磁磁钢都沿圆周的切向方向充磁，同一极上充磁方向相同，相邻两极上充磁方向相反；同时采用稀土永磁和非稀土铁氧体永磁两种材料，在确保少稀土永磁电机的功率密度和转矩密度的基础上，成本降低50％以上，能在具备较高的功率密度和转矩密度的前提下满足电动汽车应用场合对转矩和功率的要求。

Description

电动汽车用***式组合型永磁无刷电机
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机，属于电机制造及控制领域，特指一种适合于牵引混合动力汽车、电动汽车等应用场合需要宽调速、高效率、高功率密度等驱动性能要求的永磁无刷电机。
背景技术
随着永磁体性能的提升，以钕铁硼为主的稀土永磁电机，由于具有高功率密度、高效率等优点已经在混合动力汽车、电动汽车等领域取得了广泛应用。近年来稀土矿产的过度开采不仅使稀土储备量大幅下降，而且对生态环境造成了严重破坏。为了保护稀土资源以及稀土永磁需求量的增加导致了稀土永磁价格的飙升，稀土永磁电机市场也受到了巨大冲击，因此，出现了非稀土或少稀土永磁电机。
就技术层面而言，非稀土类电机可以分为两类。一类是不采用永磁材料的非永磁类电机，如直流电机、感应电机、开关磁阻电机等。由于直流电机转子上的电枢绕组需要通过集电环和电刷与外部电路相连，当电机高速旋转时，集电环和电刷之间会产生火花和磨损，在电动汽车领域的应用已相对较少。感应电机结构简单，造价相对较低、运行可靠，但是其功率密度、效率、功率因数等相对较低。开关磁阻电机结构简单，价格便宜且调速范围较宽，但是其双凸极的结构造成了较大的转矩脉动和运行噪声。另一类电机仍属于永磁电机的范畴，但这类电机采用了铁氧体、铝镍钴等非稀土永磁材料。铁氧体永磁材料价格低廉，仅为稀土永磁材料的十分之一左右。但由于铁氧体永磁的磁能积较低，直接使用铁氧体材永磁代替稀土永磁励磁，电机的功率密度会明显下降，难以满足电动汽车应用的要求。文献“PerformanceofPMASynRMwithferritemagnetsforEV/HEVapplicationsconsideringproductivity”中(公开发表于2014年IEEETransactionsonIndustry.Applications50卷，4期，2427-2435页)，在同步磁阻电机中加入铁氧体永磁形成了永磁助磁式同步磁阻电机。该电机同时利用了磁阻转矩和永磁转矩，有效提高了电机的转矩密度。但是，由于磁阻转矩占输出转矩的主要部分，永磁助磁式同步磁阻电机的转矩脉动较大。文献“Rotorstructurein50kWspoke-typeinteriorpermanentmagnetsynchronousmotorwithferritepermanentmagnetsforautomotiveapplications”中(公开发表于2013年IEEEEnergyConversionCongressandExposition，606-613页)，通过在传统轮辐状铁氧体电机转子中增加气隙，利用磁阻转矩提高了电机的功率密度，但是转子的机械强度也因此降低，高速运行时存在风险。为了保证一定的功率密度，铁氧体永磁电机一般需要采用大量的铁氧体永磁材料，这会导致电机的直轴电感降低，从而影响电机的弱磁升速能力，不适合电机的高速运行。
因此，如何在减少稀土永磁用量的同时保证电机的高功率密度和宽调速范围的性能是目前永磁电机领域需要解决或突破的技术难点。
发明内容
本发明的目的是提出一种同时使用铁氧体永磁材料和钕铁硼永磁材料作为励磁源，既具有较高的功率密度又有较宽的调速范围的电动汽车用***式组合型永磁无刷电机。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明包括定子、转子和转轴，转子同轴位于定子内部，转子中心是转轴，定子内壁和转子外壁之间具有气隙，转子的每个极上固定镶嵌有一块矩形的钕铁硼永磁磁钢和两块相同的矩形的铁氧体永磁磁钢，钕铁硼永磁磁钢靠近气隙且相对于转子极中心线对称，两块铁氧体永磁磁钢靠近转轴并分布在转子极中心线的两侧且相对于极中心线对称，在两块铁氧体永磁磁钢之间是导磁桥，导磁桥与两块铁氧体永磁磁钢之间无缝固定连接；同一极上的导磁桥的径向中心线与钕铁硼永磁磁钢的径向中心线重合，同一极上的钕铁硼永磁磁钢内端无缝固定连接导磁桥的外端；转子的每个极上的一块矩形的钕铁硼永磁磁钢和两块矩形的铁氧体永磁磁钢都沿圆周的切向方向充磁，同一极上的一块矩形的钕铁硼永磁磁钢和两块矩形的铁氧体永磁磁钢的充磁方向相同，相邻两极上的一块矩形的钕铁硼永磁磁钢和两块矩形的铁氧体永磁磁钢的充磁方向相反。
钕铁硼永磁磁钢沿充磁方向的厚度是w1，铁氧体永磁磁钢沿充磁方向的厚度是w2，导磁桥的厚度是w4，钕铁硼永磁磁钢3沿转子径向的宽度是h1，铁氧体永磁磁钢沿转子径向的宽度是h2，w1:w2＝1:1.5、h1:h2＝1:3.7、w4:w2＝1:1.5。
导磁桥外端面与其两侧的两块铁氧体永磁磁钢外端面平齐。
在不同极上的相邻两个铁氧体永磁磁钢的内端之间嵌有非导磁材料块或者是在其间留有气隙。
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：
1、本发明电机的转子同时采用了稀土永磁和非稀土铁氧体永磁两种不同类型的材料，且非稀土永磁材料用量占总永磁用量(稀土和非稀土)的60％以上，在确保少稀土永磁电机的功率密度和转矩密度的基础上，成本降低50％以上，能在具备较高的功率密度和转矩密度的前提下满足电动汽车应用场合对转矩和功率的要求，
2、本发明电机永磁材料用量和电机电感等直接决定了电机的转矩密度、弱磁能力以及调速范围等关键性能指标。在电机的每一极上，沿半径方向由内至外分别嵌有两块***式并排放置的铁氧体永磁体和一块稀土永磁体，铁氧体永磁体和稀土永磁体的厚度在尺寸上按1.5:1、宽度在尺寸上按3.7:1进行设计，确保了电机在中低速区的功率密度和转矩密度，有效提高了高速区的弱磁能力，有利于电动汽车的高速巡航能力。
3、本发明电机中非稀土铁氧体永磁体采用了两块铁氧体***式并排放置的结构，且两块铁氧体的厚度可以相等或不等，但***式结构两块铁氧体之间的硅钢片导磁块厚度与铁氧体的厚度之间满足1:1.5，两块铁氧体产生的磁通通过硅钢片导磁块串联，该放置方式有效减小了弱磁回路的磁阻，增大了电机的直轴电感，进一步增强了电机的弱磁升速能力，并降低了永磁体涡流损耗。
4、本发明电机采用两块***的铁氧体永磁与一块稀土永磁组合励磁，稀土永磁产生的磁通与两块铁氧体永磁产生的串联磁通相并联，保持铁氧体永磁的厚度不变，增加稀土永磁的厚度，能有效提高铁氧体永磁的工作点，防止了铁氧体永磁的不可逆去磁，由于稀土永磁的厚度较小，磁阻小，大量的弱磁磁通会经过稀土永磁，从而提升了铁氧体永磁的抗去磁能力。
5、本发明电机的转子采用轮辐状结构，永磁磁钢沿圆周切向方向交替充磁，利用“聚磁效益”有效提高了永磁材料的利用率和转矩密度。转子整体结构上采用了分块模块化的部件结构，有效降低了转子铁心的涡流损耗和铁耗，模块化转子分块结构，简化了安装难度。
6、本发明电机的定子采用模块化分数槽集中式绕组，绕组分相按“AABBCC”进行模块化分相，提高了电机绕组因数，降低了电机反电势谐波，能减小电机运行过程中的转矩脉动。
附图说明
图1是本发明电动汽车用***式组合型永磁无刷电机的径向截面结构示意图；
图2是本发明的机械装配轴向图；
图3是图1中转子局部结构放大示意图以及永磁磁钢充磁示意图；
图4是图1中定子结构示意图及三相绕组分布图；
图5是图4中定子电枢绕组的连接方式示意图；
图6是本发明中永磁磁钢的磁通示意图；
图7是本发明空载磁场分布图；
图8是图1中转子上的直轴、交轴示意图；
图9是图1中永磁磁钢的结构和几何尺寸标注放大示意图；
图10是传统轮辐状铁氧体永磁同步电机径向截面结构示意图；
图11是本发明和传统轮辐状铁氧体永磁同步电机的转矩随转速变化比较图；
图12是本发明和传统轮辐状铁氧体永磁同步电机的功率随转速变化比较图。
图中：1.定子；2.转子；3.钕铁硼永磁磁钢；4.铁氧体永磁磁钢；5.圆形定位孔；6.非导磁材料块；7.端盖；8.转轴；9.机座；10.定子轭；11.定子齿；12.电枢绕组；13.定子槽；14.导磁桥。
具体实施方式
参见图1、图2和图3，本发明包括定子1、转子2、转轴8和端盖7，定子1和端盖7固定连接在一起，端盖7固定安装在机座9上。转子2同轴位于定子1内部，转子2的中心有开槽，用于安放转轴8，转子2由转轴8带动旋转。定子1和转子2都是由0.35mm厚度的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95，转轴8是由不导磁材料组成。定子1内壁和转子2外壁之间具有气隙，气隙的厚度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及定子1、转子2加工和装配工艺有关。
转子2的每个极上都固定镶嵌有一块矩形的钕铁硼永磁磁钢3和两块相同的矩形的铁氧体永磁磁钢4。其中，钕铁硼永磁磁钢3位于转子2靠近气隙的部分且相对于该转子极中心线对称，两块铁氧体永磁磁钢4位于转子2靠近转轴8的部分，并分布在转子极中心线的两侧且相对于极中心线对称。使转子2沿半径方向由内至外分别嵌有两块***式并排放置的铁氧体永磁体和一块稀土永磁体。转子2极上的钕铁硼永磁磁钢3都圆周方向均匀分布。图1仅以10极电机为例，共有10块钕铁硼永磁磁钢3和20块铁氧体永磁磁钢4沿圆周方向均匀内嵌入转子2中。导磁桥14位于两块铁氧体永磁磁钢4之间，导磁桥14与两块铁氧体永磁磁钢4之间无缝固定连接。同一极上的导磁桥14的径向中心线与钕铁硼永磁磁钢3的径向中心线重合，在同一直径上。同一极上的钕铁硼永磁磁钢3内端无缝固定连接于导磁桥14的外端。导磁桥14的外端面与导磁桥14两侧的两块铁氧体永磁磁钢4外端面平齐。为了防止铁氧体永磁磁钢4的内端部的漏磁，在不同极上的相邻两个铁氧体永磁磁钢4的内端之间嵌有非导磁材料块6。为了简化工艺或减轻电机转子2的重量，也可直接采用气隙作为非导磁材料块6，即在不同极上的相邻两个铁氧体永磁磁钢4的内端面之间留有气隙。
在转子2上，靠近转轴8的位置处和靠近定子1的位置处都各沿圆周方向均匀分布有与转子2极数相等的圆形定位孔5，以加强转子2的机械强度。圆形定位孔5的圆心位于转子相邻两极的对称中心线上。
参见图3，转子2的每个极上的一块矩形的钕铁硼永磁磁钢3和两块矩形的铁氧体永磁磁钢4都沿圆周的切向方向充磁，同一极上的一块矩形的钕铁硼永磁磁钢3和两块矩形的铁氧体永磁磁钢的充磁方向相同，相邻两极上的一块矩形的钕铁硼永磁磁钢3和两块矩形的铁氧体永磁磁钢的充磁方向相反。
参见图4，定子1由定子轭10、定子齿11、定子槽13组成。相邻两个定子齿11之间形成定子槽13，定子齿11径向横截面为T型，T型的顶部靠近转子2，T型的底部与定子轭10连为一体。在定子齿11上套有集中式电枢绕组12。定子1上共有12个定子齿11，每相邻两个定子齿11上的电枢绕组12分别对应A、B、C三相。
参见图5，图4中“+”为电枢绕组12的进线方向，“-”为电枢绕组12的出线方向，A、B、C为电机三相绕组。图4中所标求的13-1直至13-12分别为12个定子槽13，每个定子槽13中放置有两个电枢绕组12。
参见图6和图7，钕铁硼永磁磁钢3产生的磁通A的路径如下：依次经过钕铁硼永磁磁钢3、第一个定子齿11、定子轭10、第二个定子齿11；两块铁氧体永磁磁钢4串联产生的磁通B的路径如下：依次经过第二块铁氧体永磁磁钢4、导磁桥14、第一块铁氧体永磁磁钢4、第一个定子齿11、定子轭10、第二个定子齿11；铁氧体永磁磁钢4的内端部存在漏磁，其产生的漏磁磁通C的路径如下：第二块铁氧体永磁磁钢4、导磁桥14、第一块铁氧体永磁磁钢4、第一块非导磁材料6、辐条状转子部件2-2、第二块非导磁材料块6。钕铁硼永磁磁钢3产生的磁通A和两块铁氧体永磁磁钢4串联产生的磁通B相互并联构成一个转子极上永磁体产生的总磁通。同时，由于非导磁材料块6增大了铁氧体永磁磁钢4产生的内端部漏磁磁通C的路径中的磁阻，铁氧体永磁磁钢4的端部漏磁得到了有效抑制。
参见图8，钕铁硼永磁磁钢3和铁氧体永磁磁钢4位于直轴磁路上，电机的直轴电感较小。铁氧体永磁磁钢4采用***结构，两块铁氧体永磁磁钢4之间的导磁桥14能有效增加电机的直轴电感，从而增加电机的调速范围。
参见图9，钕铁硼永磁磁钢3沿充磁方向的厚度w1和铁氧体永磁磁钢4沿充磁方向的厚度w2直接决定了直轴磁路的磁阻，因而对电机的直轴电感影响较大，而钕铁硼永磁磁钢3沿转子2径向的宽度h1和铁氧体永磁磁钢4沿转子径向的宽度h2对电机的输出转矩影响较大。为了在维持一定转矩输出的基础上，尽可能减少稀土永磁的用量并保证一定的调速范围，需合理选取钕铁硼永磁磁钢3沿充磁方向的厚度w1、沿转子径向的宽度h1和两块铁氧体永磁磁钢4沿充磁方向的厚度w2,、w3、两块铁氧体永磁磁钢4沿转子径向的宽度h2。其中，w2＝w3，w1:w2＝1:1.5，h1:h2＝1:3.7,这样的尺寸设计使铁氧体永磁磁钢4非稀土永磁材料用量占总永磁用量(稀土和非稀土)的60％以上，确保了电机在中低速区的功率密度和转矩密度，有效提高了高速区的弱磁能力。导磁桥14的厚度w4与两块铁氧体永磁磁钢4的厚度w2之间满足w4:w2＝1:1.5，该放置方式有效减小了弱磁回路的磁阻，提高了电机的电感，进一步增强了电机的弱磁升速能力。
为了充分体现本发明组合永磁型同步电机的优势，图10为传统轮辐状铁氧体永磁同步电机。从图10中可以看出，传统轮辐状铁氧体永磁同步电机中只采用铁氧体永磁磁钢4进行励磁。在相同的功率大小下，传统轮辐状铁氧体永磁同步电机中铁氧体永磁磁钢4的厚度大于本发明的两块铁氧体永磁磁钢4的厚度之和，因此其直轴磁路上磁阻较大，直轴电感较小。而本发明两块铁氧体永磁磁钢4之间的隔磁桥14能进一步增大电机的直轴电感。
将同样功率大小的传统轮辐状铁氧体永磁同步电机与本发明进行对比分析。在相同的逆变器电路和电压下，对传统电机和本发明采用相同的控制方法(最大转矩电流比控制和最大功率输出控制)，通过有限元仿真，得到两个电机的相关转矩和功率特性曲线，分别参见图11和图12，图11和图12中的曲线E表示本发明电机，曲线F表示传统轮辐状铁氧体永磁同步电机。由图11可知，低速时，两个电机有相同的输出转矩；高速时，在同样的转速下，本发明电机的输出转矩高于传统轮辐状铁氧体永磁同步电机。参见图12，在低速时，采用最大转矩启动，两个电机功率上升曲线重合。高速时，由于本发明电机直轴电感较大，明显扩大了电机调速范围。

Claims (7)

1.一种电动汽车用***式组合型永磁无刷电机，包括定子(1)、转子(2)和转轴(8)，转子(2)同轴位于定子(1)内部，转子(2)中心是转轴(8)，定子(1)内壁和转子(2)外壁之间具有气隙，其特征是：转子(2)的每个极上固定镶嵌有一块矩形的钕铁硼永磁磁钢(3)和两块相同的矩形的铁氧体永磁磁钢(4)，钕铁硼永磁磁钢(3)靠近气隙且相对于转子极中心线对称，两块铁氧体永磁磁钢(4)靠近转轴(8)并分布在转子极中心线的两侧且相对于极中心线对称，在两块铁氧体永磁磁钢(4)之间是导磁桥(14)，导磁桥(14)与两块铁氧体永磁磁钢(4)之间无缝固定连接；同一极上的导磁桥(14)的径向中心线与钕铁硼永磁磁钢(3)的径向中心线重合，同一极上的钕铁硼永磁磁钢(3)内端无缝固定连接导磁桥(14)的外端；转子(2)的每个极上的一块矩形的钕铁硼永磁磁钢(3)和两块矩形的铁氧体永磁磁钢(4)都沿圆周的切向方向充磁，同一极上的一块矩形的钕铁硼永磁磁钢(3)和两块矩形的铁氧体永磁磁钢的充磁方向相同，相邻两极上的一块矩形的钕铁硼永磁磁钢(3)和两块矩形的铁氧体永磁磁钢的充磁方向相反。
2.根据权利要求1所述一种电动汽车用***式组合型永磁无刷电机，其特征是：钕铁硼永磁磁钢(3)沿充磁方向的厚度是w1，铁氧体永磁磁钢(4)沿充磁方向的厚度是w2，导磁桥(14)的厚度是w4，钕铁硼永磁磁钢(3)沿转子径向的宽度是h1，铁氧体永磁磁钢(4)沿转子径向的宽度是h2，w1:w2＝1:1.5、h1:h2＝1:3.7、w4:w2＝1:1.5。
3.根据权利要求1所述一种电动汽车用***式组合型永磁无刷电机，其特征是：导磁桥(14)外端面与其两侧的两块铁氧体永磁磁钢(4)外端面平齐。
4.根据权利要求1所述一种电动汽车用***式组合型永磁无刷电机，其特征是：在不同极上的相邻两个铁氧体永磁磁钢(4)的内端之间嵌有非导磁材料块(6)。
5.根据权利要求1所述一种电动汽车用***式组合型永磁无刷电机，其特征是：在不同极上的相邻两个铁氧体永磁磁钢(4)的内端面之间留有气隙。
6.根据权利要求1所述一种电动汽车用***式组合型永磁无刷电机，其特征是：在转子(2)上，靠近转轴(8)的位置处和靠近定子(1)的位置处都各沿圆周方向均匀分布有与转子(2)极数相等的圆形定位孔(5)，圆形定位孔(5)的圆心位于转子(2)相邻两极的对称中心线上。
7.根据权利要求1所述一种电动汽车用***式组合型永磁无刷电机，其特征是：定子(1)由定子轭(10)、定子齿(11)和定子槽(13)组成，相邻两个定子齿(11)之间形成定子槽(13)，定子齿(11)径向横截面为T型，在定子齿(11)上套有集中式电枢绕组(12)，每相邻两个定子齿(11)上的电枢绕组(12)分别对应A、B、C三相。
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