CN105375715A - 少稀土类宽调速混合永磁磁通切换双定子电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种少稀土类宽调速混合永磁磁通切换双定子电机，外定子内表面沿圆周方向均匀分布X个外定子齿，在X个外定子齿上交替绕制m相电枢绕组以及磁化绕组；中间转子的转子支架外圆表面沿圆周方向交错排列q块导磁块和q块绝缘块；内定子由内定子铁心和混合永磁体单元构成，内定子铁心中沿圆周方向均匀内嵌K块混合永磁体单元，每一个混合永磁体单元均由中间的非稀土铝镍钴永磁体和位于非稀土铝镍钴永磁体两侧的稀土钕铁硼永磁体构成；采用定子分区的结构，将电枢绕组与永磁体分离并分别置于外定子和内定子中，解决了传统磁通切换电机永磁体和电枢绕组用量相互限制的问题，易提升电机功率密度和转矩密度。

Description

少稀土类宽调速混合永磁磁通切换双定子电机

技术领域

本发明涉及一种磁通切换双定子电机，具体涉及一种电动汽车用的少稀土类宽调速混合永磁磁通切换双定子电机，属于电机本体设计技术领域。

背景技术

车用驱动电机是电动汽车的关键动力部件，评价和衡量驱动电机性能优劣的重要指标有高功率密度、高效(全工作平面高效率)、高可靠性、宽调速范围(＞5倍基速)、具有频繁启动和加减速能力、低成本等。目前，在车用驱动电机领域，具有高效、高功率密度等优点的稀土永磁电机是新能源汽车的主选。然而，中、重类稀土永磁材料价格大幅上涨，稀土永磁材料在新能源汽车的渗透率势必将有所下降，诸多汽车生产商开始致力于车用稀土永磁电机永磁材料的深度利用。相较于传统的转子永磁型电机，转子上既无永磁体也无绕组的定子永磁型电机具有结构稳定、安装简单、散热方便、转动惯量小、适合高速运行的优点。其中定子永磁型的磁通切换永磁电机，通过其特殊的聚磁效应使得电机的转矩和功率密度可以做到更高，更适合于严格限制电机尺寸同时又需要较高出力的电动汽车领域，另外磁通切换永磁电机无需斜槽即可获得高度正弦反电动势，拥有传统转子永磁型电机空载磁链为双极性的优点，更兼具容错带故障运行的能力。

为降低磁通切换电机中稀土永磁材料的用量，中国专利申请号为201410508547.2的文献中公开了一种混合永磁体在磁通切换永磁电机中的应用方法，在定子中采用了两种磁性能不同的永磁体，其中高磁能积的稀土永磁体安装在定子模块的轭部，低磁能积并低价格的非稀土铁氧体永磁体安装在靠近定子模块的齿部，一方面显著降低了电机的制造成本，同时缓解了定子齿部的磁饱和现象。然而，为了维持较高的功率密度，非稀土永磁材料的体积将数倍于稀土永磁材料，在有限的定子内侧不可避免地带来空间竞争问题或是造成电机制造尺寸的增大。同时，将该类电机应用于电动汽车领域，依然存在永磁固有磁场无法调节、调速范围窄的缺陷。为实现对磁通切换永磁电机气隙磁场的有效调节，中国专利申请号为201310091558.0的文献中提出的混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机和中国专利申请号为201410344216.X的文献中公开的一种组合式多齿定子铁心混合励磁开关磁通电机中，均采用了增设电励磁绕组形成混合励磁磁通切换电机，达到扩宽电机调速范围的目的，同时也可减少稀土永磁材料的用量，然而，混合励磁的电励磁场和永磁磁场的相互耦合易导致电机的局部磁场高度饱和，从而影响实际的磁场调节范围。可见，现有技术的少稀土类混合励磁磁通切换电机应用于电动汽车时，在电机气隙磁场的有效调节与控制、电机调速范围的扩宽、保证电机高效性能的前提下减少稀土永磁材料用量等方面尚存在亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种适合电动汽车运行特点、在宽调速范围内能保持高效率的少稀土类宽调速混合永磁磁通切换双定子电机，在保持传统磁通切换永磁电机的高效、高功率密度、结构简单、运行可靠等优点的基础上，实现有效减少稀土永磁材料的用量、降低电机制造成本并满足车用驱动电机宽调速范围的要求。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：本发明包括外定子、中间转子和内定子，中间转子和外定子之间具有径向外气隙，中间转子和内定子之间具有径向内气隙，外定子内表面沿圆周方向均匀分布X个外定子齿，在X个外定子齿上交替绕制m相电枢绕组以及磁化绕组；中间转子由转子支架、q块导磁块和q块绝缘块构成，转子支架外圆表面沿圆周方向交错排列q块导磁块和q块绝缘块；内定子由内定子铁心和混合永磁体单元构成，内定子铁心中沿圆周方向均匀内嵌K块混合永磁体单元，每一个混合永磁体单元均由中间的非稀土铝镍钴永磁体和位于非稀土铝镍钴永磁体两侧的稀土钕铁硼永磁体构成，相邻两个混合永磁体单元单元沿切向充磁且方向相反；外定子齿数X、电枢绕组相数m、导磁块和绝缘块数量q、混合永磁体单元数量K满足关系：X＝2mN_c＝2K和2q＝X±2n，n为正整数，N_c为一相绕组的线圈个数。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明采用定子分区的结构，将传统磁通切换电机中的电枢绕组与永磁体分离，并分别置于外定子和内定子中，充分利用了电机的内部空间，解决了传统磁通切换电机永磁体和电枢绕组用量相互限制的问题，散热方便、空间利用率高、易提升电机功率密度和转矩密度；

(2)采用了稀土钕铁硼和非稀土铝镍钴混合永磁材料，有效降低了稀土永磁材料的用量，钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体共同作用，确保了电机功率密度和转矩密度，同时提供了电机磁场灵活调节的能力；

(3)励磁绕组位于外定子，不需要滑环、电刷等装置，磁场调节范围广，磁化电流持续时间短、损耗低、运行效率高；同时励磁绕组可随时对铝镍钴永磁体进行在线反复充去磁，改变气隙磁场，通过弱磁提高了电机恒功率宽调速运行和增磁以产生较大的启动转矩。

(4)本电机采用两种永磁体混合励磁，一种永磁体意外失磁时，另一种永磁体能正常供磁，保证电机正常运转，大大提高了电机的可靠性；

(5)高矫顽力的钕铁硼永磁体置于低矫顽力的铝镍钴两端，使得铝镍钴永磁体不与硅钢片直接接触，降低了铝镍钴永磁体的局部不可逆退磁风险，保证了铝镍钴永磁体的磁性能，对于电机实现高效在线调磁运行非常关键；

(6)本电机的电枢绕组和励磁绕组均采用集中式绕组，具有端部短，漏抗小，下线方便等优点，降低了电机铜耗，提高了电机效率。

(7)采用非稀土的铝镍钴永磁体和稀土钕铁硼永磁体混合励磁，根据调磁范围的大小确定两种永磁体尺寸关系。外定子上的励磁绕组可随时通过施加不同大小和方向的短时直流脉冲对铝镍钴永磁体进行在线反复充去磁，改变气隙磁场，通过弱磁提高了电机恒功率宽调速运行和增磁以产生较大的启动转矩。

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为本发明提供的少稀土类混合永磁型双定子磁通切换电机的径向截面示意图；

图2为本发明提供的少稀土类混合永磁型双定子磁通切换电机的轴向剖面示意图；

图3、图4、图5、图6分别为中间转子在不同位置下该电机的永磁磁路和磁场方向示意图；

图7为中间转子在不同位置下该电机中同一电枢绕组匝链永磁磁链变化示意图；

图8、图9分别为铝镍钴永磁体正向磁化、反向磁化状态时的空载等效磁路图；

图10为铝镍钴永磁体充去磁时，混合永磁单元不同磁化水平下的电枢绕组匝链磁链波形图。

图中：1-1.外定子；1-2.电枢绕组；1-3.磁化绕组；1-4.绝缘块；1-5.导磁块；1-6.内定子；1-7.稀土钕铁硼永磁体；1-8.非稀土铝镍钴永磁体；

2-1.机壳；2-2.电枢绕组与磁化绕组；2-3.中间转子；2-4.第一轴承；2-5.第二轴承；2-6.第三轴承；2-7.电机输出轴；2-8.中间转子支架。

具体实施方式

参见图1与图2，以一台外定子12槽/转子7极/内定子6极电机为例，其中三相定子齿数为12，磁化绕组数为6，中间转子为7极，内定子内嵌6块混合永磁单元。

本发明包括外定子1-1、中间转子2-3和内定子1-6，内定子1-6外同轴套中间转子2-3，中间转子2-3外同轴套外定子1-1。中间转子2-3和外定子1-1之间具有径向外气隙，中间转子2-3和内定子1-6之间具有径向内气隙。外气隙和内气隙的大小均为0.4-0.8mm。

外定子1-1由外定子铁心、电枢绕组1-2和磁化绕组1-3构成，外定子齿数为X，外定子1-1内表面沿圆周方向均匀分布X个外定子齿，在X个外定子齿上交替绕制m相电枢绕组1-2以及磁化绕组1-3，m相电枢绕组1-2和磁化绕组1-3均为集中分布式绕组。如图1的外定子1-1有12个外定子齿，在12个外定子齿上交替绕制三相电枢绕组1-2和磁化绕组1-3。

中间转子2-3由转子支架、q块导磁块1-5和q块绝缘块1-4构成，转子支架外圆表面沿圆周方向交错排列设置q块导磁块1-5和q块绝缘块1-4，形成类似磁齿轮的调制环结构。如图1的中间转子2-3是由7块导磁块1-5和7块绝缘块1-4交错排列构成。

内定子1-6由内定子铁心和混合永磁体单元构成，内定子铁心中内嵌K块混合永磁体单元，K块混合永磁体单元沿圆周方向均匀分布，混合永磁体单元的外径等于内定子1-6的外径。每一个混合永磁体单元均由中间的非稀土铝镍钴永磁体1-8和位于非稀土铝镍钴永磁体1-8两侧的稀土钕铁硼永磁体1-7构成，形成混合永磁体单元结构。中间的非稀土铝镍钴永磁体1-8和两侧的稀土钕铁硼永磁体1-7内外径均相等，并且紧密贴合在一起。图1中箭头表示混合永磁体单元的磁化方向，混合永磁体的充磁方向呈切向分布，相邻两个混合永磁体单元单元沿切向充磁且方向相反，即NS-SN分布。为尽可能的消除非稀土铝镍钴永磁体1-8和稀土钕铁硼永磁体1-7之间的交叉耦合现象，这里非稀土铝镍钴永磁体1-8的沿磁化方向的长度取为稀土钕铁硼永磁体1-7的的沿磁化方向的长度的3.5倍左右。如图1中内定子1-6中内嵌有6块混合永磁体单元。

外定子齿数X、电枢绕组1-2相数m、导磁块1-5和绝缘块1-4数量q、混合永磁体单元数量K满足关系：X＝2mN_c＝2K和2q＝X±2n，n为正整数，其中N_c为定义的构成一相绕组的线圈个数。

参见图2，将外定子1-1和内定子1-6均固定于机壳2-1上，中间转子2-5通过支架2-8与电机输出轴2-7连接，并通过第一轴承2-4和第二轴承2-5与机壳2-1转动连接；电机输出轴2-7通过第三轴承2-6与机壳2-1转动连接。

参见图3与图4，该电机的运行遵循“磁通切换”原理，中间转子2-5的导磁块1-5在如图3所示的位置时，非稀土铝镍钴永磁体1-8和稀土钕铁硼永磁体1-7产生的磁通穿出外定子齿进入中间转子2-5，进而形成一个闭合回路。对于空载的电枢绕组1-2而言，其两端会感应出相应的反电动势。而当转子运动到图5所示位置时，永磁磁通在数量上保持不变，但穿行的方向对于电枢绕组1-2来说正好相反，为穿入外定子齿。显然，此时产生的反电动势与上一种情况相比，数值相等但极性相反。正是基于这一原理，中间转子2-5转动时，永磁体产生的磁通在正负最大值之间周期性变化，进而使得电枢绕组1-2感应产生的反电动势的幅值和相位也呈周期性变化。图3、图4、图5、图6分别示出了中间转子2-3在不同位置下该电机的永磁磁路和磁场方向，其中图3与图5中，电枢绕组1-2的匝链的磁链幅值分别为正、负最大值，图4与图6中，电枢绕组1-2在永磁磁场下产生的匝链感应磁通为零；即，当中间转子2-5旋转后，导磁块1-5从混合永磁体的N极旋转到S极，对应的定子电枢绕组1-2中即可产生如图7所示的匝链双极性磁链，图7中a、b、c、d分别对应图3、图4、图5、图6中的四个位置。

参见图7、8所示，对于该磁路，永磁体向外磁路提供的每极总磁通：

${\mathrm{\Φ}}_m=\frac{F_{c\_anc}+2F_{c\_nfb}}{R_{m\_anc}+2R_{m\_nfb}+R_{m\_g}+R_{m\_r}}={\mathrm{\Φ}}_{anc}+{\mathrm{\Φ}}_{nfb}---\left(1\right)$

永磁体磁动势源的计算磁动势F_c＝H_cl，公式中H_c均为绝对值，l为永磁体充磁方向长度。

定义弱磁系数： $k=\frac{{\mathrm{\Φ}}_m}{{\mathrm{\Φ}}_{nfb}}=\frac{F_{c\_anc}+2F_{c\_nfb}}{2F_{c\_nfb}},---\left(2\right)$

其中，F_{c_anc}、F_{c_nfb}分别为非稀土铝镍钴永磁体1-7和稀土钕铁硼永磁体1-8的计算磁动势，R_{m_anc}、R_{m_nfb}分别为非稀土铝镍钴永磁体1-7和稀土钕铁硼永磁体1-8的内磁阻，R_{m_g}、R_{m_r}分别为气隙磁阻和转子磁阻，Φ_anc、Φ_nfb分别为非稀土铝镍钴永磁体1-7和稀土钕铁硼永磁体1-8提供的每极磁通，Φ_m为两种永磁体提供的每极总磁通。

非稀土铝镍钴永磁体1-7磁化方向长度l_anc和稀土钕铁硼永磁体1-8磁化方向长度l_nfb需满足正向磁化和反向磁化时的两个约束条件，如下所示：

参见图8所示，非稀土铝镍钴永磁体1-7被正向磁化时，使铝镍钴永磁体满磁化对整个磁路磁通的最大弱磁系数大于1.4时，则

$\frac{{\mathrm{\Φ}}_m}{{\mathrm{\Φ}}_{nfb}}=\frac{F_{c\_anc}+2F_{c\_nfb}}{2F_{c\_nfb}}=\frac{H_{c\_anc}{l}_{anc}+2H_{c\_nfb}{l}_{nfb}}{2H_{c\_nfb}{l}_{nfb}}>1.4,---\left(3\right)$

参见图9所示，非稀土铝镍钴永磁体1-7被反向磁化时，使铝镍钴永磁体满磁化对整个磁路磁通的最小弱磁系数小于0.6时，则

$0.6>\frac{{\mathrm{\Φ}}_m}{{\mathrm{\Φ}}_{nfb}}=\frac{2F_{c\_nfb}-F_{c\_anc}}{2F_{c\_nfb}}=\frac{2H_{c\_nfb}{l}_{nfb}-H_{c\_anc}{l}_{anc}}{2H_{c\_nfb}{l}_{nfb}}>0,---\left(4\right)$

将H_anc＝119366A/m，H_nfb＝890000A/m代入式(3)(4)，整理得非稀土铝镍钴永磁体1-7和稀土钕铁硼永磁体1-8的磁化方向的长度比例是7.45>l_anc/2l_nfb>2.98。

参见图1和图10，利用有限元仿真分析，研究磁化绕组1-3对本发明电机磁场的调节性能。由电机学理论可知，在其他参数不变的情况下，电枢绕组1-2匝链磁链幅值越大，电机输出转矩越大，负载能力越强。所述电机运行时，当磁化绕组1-3通入不同大小的直流电流时，可以改变非稀土铝镍钴永磁体1-7的磁化强度。当混合永磁单元中非稀土铝镍钴永磁体1-7磁化方向与产生的总磁动势方向相同时，可增加非稀土铝镍钴永磁体1-7的磁化强度，使电枢绕组1-2的磁链幅值上升，提高电机的转矩输出能力；若混合永磁单元中非稀土铝镍钴永磁体1-7磁化方向与产生的总磁动势相反时，则使电枢绕组1-2的磁链幅值降低，在电枢绕组输入额定电流不变的情况下，降低了电机的输出转矩，提高了电机输出转速，起到弱磁升速的作用，能提高电机的调速范围。图10所示为非稀土铝镍钴永磁体1-7不同磁化状态下，电枢绕组1-2匝链磁链的变化曲线。由此可得，随着非稀土铝镍钴永磁体1-7磁化状态的增大或减小，电枢绕组1-2匝链磁链也随之增大或减小，即磁化绕组可通过在线调节非稀土铝镍钴永磁体1-7的磁化强度达到改变混合永磁单元磁化水平的目的，从而实现电机的气隙磁场的在线调节与控制，使本发明电机的调速范围得以扩大，对于电动汽车用驱动电机而言，具有显著的优越性。

Claims (5)

1.一种少稀土类宽调速混合永磁磁通切换双定子电机，包括外定子(1-1)、中间转子(2-3)和内定子(1-6)，中间转子(2-3)和外定子(1-1)之间具有径向外气隙，中间转子(2-3)和内定子(1-6)之间具有径向内气隙，其特征是：外定子(1-1)内表面沿圆周方向均匀分布X个外定子齿，在X个外定子齿上交替绕制m相电枢绕组(1-2)以及磁化绕组(1-3)；中间转子(2-3)由转子支架、q块导磁块(1-5)和q块绝缘块(1-4)构成，转子支架外圆表面沿圆周方向交错排列q块导磁块(1-5)和q块绝缘块(1-4)；内定子(1-6)由内定子铁心和混合永磁体单元构成，内定子铁心中沿圆周方向均匀内嵌K块混合永磁体单元，每一个混合永磁体单元均由中间的非稀土铝镍钴永磁体(1-8)和位于非稀土铝镍钴永磁体(1-8)两侧的稀土钕铁硼永磁体(1-7)构成，相邻两个混合永磁体单元单元沿切向充磁且方向相反；外定子齿数X、电枢绕组(1-2)相数m、导磁块(1-5)和绝缘块(1-4)数量q、混合永磁体单元数量K满足关系：X＝2mN_c＝2K和2q＝X±2n，n为正整数，N_c为一相绕组的线圈个数。

2.根据权利要求1所述少稀土类宽调速混合永磁磁通切换双定子电机，其特征是：非稀土铝镍钴永磁体(1-7)沿磁化方向长度l_anc和稀土钕铁硼永磁体(1-8)沿磁化方向长度l_nfb需满足：7.45>l_anc/2l_nfb>2.98。

3.根据权利要求1所述少稀土类宽调速混合永磁磁通切换双定子电机，其特征是：外气隙和内气隙的大小均为0.4-0.8mm。

4.根据权利要求1所述少稀土类宽调速混合永磁磁通切换双定子电机，其特征是：电枢绕组(1-2)和磁化绕组(1-3)均为集中分布式绕组。

5.根据权利要求1所述少稀土类宽调速混合永磁磁通切换双定子电机，其特征是：混合永磁体单元的外径等于内定子(1-6)的外径。