CN108110978A - 一种少稀土双边组合励磁定子分区磁通可调式永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种少稀土双边组合励磁定子分区磁通可调式永磁电机，电机径向从外至内，包括外区定子、中间转子、内区定子；外区定子包括定子齿、定子槽、定子轭，其中电枢齿上绕有三相电枢绕组，外励磁齿上绕有交流励磁绕组；中间转子由导磁块与非导磁块沿圆周方向间隔排布；切向充磁的稀土钕铁硼永磁体嵌入内区定子铁心，且其中心线与电枢齿中心线对齐，非稀土铁氧体与绕有直流励磁绕组的内励磁齿沿圆周方向间隔分布，中心线与外励磁齿中心线对齐。本发明通过采用定子分区结构，缓解了永磁体和电枢绕组的空间竞争问题，同时，混合永磁体和双边励磁绕组的应用，提升了转矩密度和效率，拓宽调速范围并减少稀土永磁材料用量。

Description

一种少稀土双边组合励磁定子分区磁通可调式永磁电机

技术领域

本发明涉及一种少稀土双边组合励磁定子分区磁通可调式永磁电机的本体设计和工作原理分析，属于电机制造领域。

背景技术

作为新能源电动汽车的关键部位之一，车用驱动电机的改良研发成为提高电动汽车性能的重要环节。由于稀土永磁材料具有高磁性能，高效率的优点，因此永磁电机在车用电机领域应用最为广泛。对比传统转子永磁型电机，定子永磁型磁通切换永磁电机，一方面，在定子永磁型结构中，转子上既无永磁体也无绕组，具有结构简单，散热能力好，适合高速运行的特点；另一方面，电机特有的聚磁效应可以有效的增加电机的转矩密度，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。然而，由于永磁体和电枢绕组均集中于定子上，两者间的用量上相互制约，限制了电机的电磁性能的进一步提升，同时稀土永磁材料资源有限，价格波动不定，增加了电机的制造成本。另外，电机的永磁气隙磁场恒定，进而导致电机的固定的恒功率区，难以实现电机的宽调速运行。

为了实现永磁电机磁场的有效调节，早在1985年美国学者就提出了混合励磁的概念。中国专利201610267296.2提出的混合励磁型复合磁通切换永磁电机和201710854763.6提出的一种定子极不等间距的混合励磁双凸极永磁同步电机，都通过增设电励磁绕组，改变励磁电流的方向和大小来调节电机气隙磁场，然而，在进行弱磁和增磁调速控制时，需要对电励磁绕组施加电励磁电流，由此产生的额外励磁损耗，影响了电机的运行效率。

2014年谢菲尔德大学的Z. Q. Zhu教授提出的新型分区定子结构，通过分离摆放电枢绕组和永磁体于内外分区定子，有效缓解磁通切换永磁电机中的定子空间竞争问题。中国专利201510756884.8公开了一种少稀土类宽调速混合永磁磁通切换双定子电机，采用定子分区的结构，大大提高了电机的空间利用率。由非稀土铝镍钴永磁体和稀土钕铁硼永磁体构成的混合永磁体单元，降低了稀土材料用量进而降低电机制造成本，同时利用非稀土铝镍钴的磁场记忆特性达到电机磁场调节功能。然而，非稀土铝镍钴永磁的在线充去磁控制不易，混合永磁体的耦合影响也使得电机的实际调磁范围有限。中国专利201710229480.2公开了一种双端混合励磁型定子分区式磁通切换电机，由稀土钕铁硼永磁体和非稀土铁氧体永磁体混合永磁励磁，外定子侧和内定子侧均放置了电励磁绕组，实现气隙磁场的灵活控制。然而该类电机的内定子结构复杂，需要放置两种类型的永磁体和电励磁绕组，不合理的布置与尺寸配比设计会直接影响励磁绕组的磁场调节范围，甚至会导致铁氧体永磁的不可逆失磁，复杂的结构也不易于实际的生产加工。

可见，现有技术中，组合励磁型磁通切换电机，在电机气隙磁场调节和控制、减少稀土永磁用量与提高电机输出性能以及拓宽电机调速范围的问题上，仍有许多难点等待研究与解决。

发明内容

为了解决传统永磁电机稀土永磁用量大、气隙磁场调节困难、调速范围窄以及高速运行情况下难以保证高输出功率，高效率的问题，提供一种采用混合永磁材料和交直流电励磁的组合励磁方案，具有宽调速范围和高效率的分区式双定子磁通可调式永磁电机。

本发明的目的是采用的技术方案实现的，一种少稀土双边组合励磁定子分区磁通可调式永磁电机，包括同心放置的外区定子、中间转子、内区定子；所述外区定子与内区定子间放置中间转子；

所述外区定子中，电枢齿与外励磁齿沿圆周方向交替均匀排布，其中电枢齿上绕有三相电枢绕组，外励磁齿上绕有交流励磁绕组；

所述中间转子中，导磁块与非导磁块沿圆周方向均匀间隔分布；

所述内区定子，稀土钕铁硼永磁体沿圆周方向均匀嵌入内区定子的铁心中，稀土钕铁硼永磁体中心线与外区定子中的电枢齿中心线对齐，绕有直流励磁绕组的内励磁齿与非稀土铁氧体永磁体沿圆周方向间隔排列，且内励磁齿中心线与对应的外励磁齿的中心线对齐，非稀土铁氧体永磁体中心线与对应的外励磁齿的中心线对齐，两种永磁体形成一个钕铁硼向外凸的凸极结构。

优选的，所述中间转子中导磁块的块数为中间转子的极数。

优选的，所述三相电枢绕组、交流励磁绕组、直流励磁绕组都为集中式绕组。

优选的，所述内区定子嵌入的稀土钕铁硼永磁体采用N极、S极交替切向充磁，内区定子嵌入的非稀土铁氧体永磁体采用径向充磁。

优选的，所述中间转子与外区定子、中间转子与内区定子组成双层气隙。

优选的，所述中间转子中导磁块与非导磁块的数量均为11个。

本发明采用上述的技术方案的有益效果是：

（1）采用了定子分区式新型双定子结构，电机径向由外至内包括外区定子，中间转子和内区定子，中间转子与内外定子组成双层气隙。采用定子分区的结构，充分利用电机内部空间，为混合永磁体和双边励磁绕组的放置提供了可能，有效调节气隙磁场的同时进一步提高电机转矩密度，也有利于电机的散热冷却。

（2）中间转子由导磁块与非导磁块沿圆周方向间隔组成，其中导磁块的块数为转子的极数。中间转子结构简单，仅由导磁块和非导磁块交替组成，适用于高速运行。

（3）外区定子由定子齿，定子槽和定子轭组成，绕有电枢绕组的电枢齿与绕有交流励磁绕组的外励磁齿沿圆周方向间隔排布。内区定子中，径向充磁的非稀土铁氧体和切向充磁的稀土钕铁硼沿圆周方向嵌入内定子铁心中，形成一个钕铁硼向外凸的凸极结构。绕有直流励磁绕组的内励磁齿与非稀土铁氧体沿圆周均匀间隔分布，其中钕铁硼中心线与电枢齿中心线对齐，铁氧体中心线和内励磁齿的中心线以及外励磁齿中心线对齐。

（4）本电机采用双边励磁，外区定子中交流励磁绕组与内区定子中直流励磁绕组共同励磁，通过配比励磁电流的大小与改变励磁电流方向，灵活调节电机气隙磁场，有效拓宽电机调速范围。

（5）内定子中铁氧体和直流励磁绕组的间隔放置，空间上达到使用更多体积的铁氧体的目的，并提高机械加工可行性，同时也降低铁氧体的不可逆失磁风险。

附图说明

图1为本发明提供的新型少稀土双边组合励磁定子分区磁通可调式永磁电机径向截面结构示意图，其中箭头方向表示永磁体充磁方向。

图2(a)为本发明提供电机的运行原理图，即转子不同位置，电枢齿内磁通线方向为导出时，该电机的磁通路径图。

图2(b)为本发明提供电机的运行原理图，即转子不同位置，电枢齿内磁通线方向为导入时，该电机的磁通路径图。

图3(a)为励磁绕组对气隙磁场的增磁调节原理图。

图3(b)为励磁绕组对气隙磁场的弱磁调节原理图。

图4为外交流励磁绕组与内直流励磁绕组共同对电机进行磁场调节情况下，电枢绕组空载反电势波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

参见图1，一种少稀土双边组合励磁定子分区磁通可调式永磁电机，以一台外定子12槽/转子11极/内定子12极电机为例，该电机包括外区定子1-1，中间转子1-6和内区定子1-7组成，中间转子与内外区定子形成双层气隙。

外区定子1-1由定子槽、定子齿和定子轭组成，定子电枢齿1-2上绕有三相电枢绕组1-4，定子外励磁齿1-3上绕有交流励磁绕组1-5，其中，绕组都为集中式绕组，且6个电枢齿与6个励磁齿沿圆周交替分布。

中间转子1-6由11块导磁块与11块非导磁快沿圆周方向间隔组合放置，其中导磁块的块数为转子的极数N _r。

内区定子1-7，由稀土钕铁硼永磁体1-8、非稀土铁氧体永磁体1-9、内励磁齿1-10、定子轭与定子铁心组成。其中6个稀土钕铁硼永磁体沿圆周方向均匀嵌入内区定子的定子铁心中，且其中心线与电枢齿1-2中心线对齐。3个非稀土铁氧体永磁块与3个绕有直流励磁绕组1-11的内励磁齿沿圆周均匀间隔分布在内区定子中，且铁氧体与励磁齿中心线与外励磁齿1-3齿中心线对齐，两种永磁体形成一个钕铁硼向外凸的凸极结构。

参见图1，本发明采用稀土钕铁硼永磁体和非稀土铁氧体永磁两种永磁体混合，钕铁硼采用N极、S极交替切向充磁，具体充磁方向如图1中箭头所示。

参见图2(a)、2(b)，本发明公开的电机遵循“磁通切换”的原理，在图2(a)所示转子位置时，内定子上钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体产生的磁通经过中间转子进入外区定子上的电枢齿以及外励磁齿进而形成一个闭合回路，对于空载的电枢绕组而言，其两端会感应出相应的反电动势；而当转子运动到如图2(b)所示位置时，两种永磁体产生的磁通与图2(a)产生的磁通大小相等，但穿行方向对于电枢绕组来说正好相反，该反电动势与图2(a)产生的反电动势相比，幅值相等，方向相反。基于这一原理，中间转子1-6转动时，电枢绕组里匝链的永磁磁通就会不断地在正负最大值之间改变，与之相对应，电枢绕组两端会产生幅值和相位交变的反电势。

参见图3(a)、3(b)，为双边励磁绕组对电机磁场的增磁调节原理图。在图3(a)示转子位置，外交流励磁绕组通正向增磁电流，产生的交流励磁磁通通过中间转子进入电枢齿；内直流励磁绕组通正向电流,产生的电励磁磁通经过铁氧体进入电机主磁场，两种励磁磁通同时对电机进行增磁；另外，钕铁硼与铁氧体永磁体产生的永磁磁通通过中间转子进入电枢齿，对电机进行励磁；励磁磁通与永磁磁通在磁路上为并联关系，可以取得较好的磁效果。

图3(b)为励磁绕组对电机磁场的弱磁调节原理图。同样的转子位置下，外交流励磁绕组通负向弱磁电流时，产生的电励磁磁通在经过电枢齿时与钕铁硼和铁氧体永磁体产生的磁场方向相反，起到弱磁作用。通过配比双边励磁电流的大小与改变励磁电流方向，灵活调节电机气隙磁场，有效拓宽电机调速范围。

参见图4，利用有限元仿真分析，在交流励磁绕组与直流励磁绕组对电机磁场共同调节的情况下，该电机的电枢绕组空载反电势波形图，其反电势有效值可由11.9V上升至112.5V，变化幅度达1000%，可知本发明电机由于使用混合永磁体，采用双边组合励磁的方法，使得该电机的气隙磁场调节更加灵活，调磁范围更广。

Claims (6)

1.一种少稀土双边组合励磁定子分区磁通可调式永磁电机，其特征在于：可调式永磁电机包括同心放置的外区定子（1-1）、中间转子（1-6）、内区定子（1-7）；所述外区定子（1-1）与内区定子（1-7）间放置中间转子（1-6）；

所述外区定子（1-1）中，电枢齿（1-2）与外励磁齿（1-3）沿圆周方向交替均匀排布，其中电枢齿（1-2）上绕有三相电枢绕组（1-4），外励磁齿（1-3）上绕有交流励磁绕组（1-5）；

所述中间转子（1-6）中，导磁块与非导磁块沿圆周方向均匀间隔分布；

所述内区定子（1-7），稀土钕铁硼永磁体（1-8）沿圆周方向均匀嵌入内区定子（1-7）的铁心中，稀土钕铁硼永磁体（1-8）中心线与外区定子（1-1）中的电枢齿（1-2）中心线对齐，绕有直流励磁绕组（1-11）的内励磁齿（1-10）与非稀土铁氧体永磁体（1-9）沿圆周方向间隔排列，且内励磁齿（1-10）中心线与对应的外励磁齿（1-3）的中心线对齐，非稀土铁氧体永磁体（1-9）中心线与对应的外励磁齿（1-3）的中心线对齐，两种永磁体形成一个钕铁硼向外凸的凸极结构。

2.根据权利要求1所述的少稀土双边组合励磁定子分区磁通可调式永磁电机，其特征是，所述中间转子（1-6）中导磁块的块数为中间转子（1-6）的极数。

3.根据权利要求1或2所述的少稀土双边组合励磁定子分区磁通可调式永磁电机，其特征是，所述三相电枢绕组（1-4）、交流励磁绕组（1-5）、直流励磁绕组（1-11）都为集中式绕组。

4.根据权利要求1或2所述的少稀土双边组合励磁定子分区磁通可调式永磁电机，其特征是，所述内区定子（1-7）嵌入的稀土钕铁硼永磁体（1-8）采用N极、S极交替切向充磁，内区定子（1-7）嵌入的非稀土铁氧体永磁体（1-9）采用径向充磁。

5.根据权利要求3所述的少稀土双边组合励磁定子分区磁通可调式永磁电机，其特征是，所述中间转子（1-6）与外区定子（1-1）、中间转子（1-6）与内区定子（1-7）组成双层气隙。

6.根据权利要求4所述的少稀土双边组合励磁定子分区磁通可调式永磁电机，其特征是，所述中间转子（1-6）中导磁块与非导磁块的数量均为11个。