車用寬調(diào)速直軸磁場增強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)及其分區(qū)調(diào)磁控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種新型永磁無刷電機(jī)，屬于電機(jī)制造及控制領(lǐng)域，特指一種適合于 混合動力汽車、電動汽車應(yīng)用場合等需要寬調(diào)速、高效率、高功率密度等驅(qū)動性能要求的永 磁無刷電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為混合動力汽車、電動汽車的關(guān)鍵執(zhí)行部件之一的車用驅(qū)動電機(jī)，其驅(qū)動性能 的好壞直接影響著混合動力汽車、電動汽車的整車性能。車用驅(qū)動電機(jī)領(lǐng)域采用傳統(tǒng)的內(nèi) 置式永磁無刷電機(jī)，具有高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)。該類永磁無刷電機(jī)由于采用永磁磁鋼 作為單一勵磁源，氣隙磁場保持恒定，調(diào)速范圍較窄，在電動汽車等需寬調(diào)速（調(diào)速范圍不 低于5倍基速）運(yùn)行場合的應(yīng)用受到一定限制。目前，一般通過改進(jìn)控制策略和電機(jī)結(jié)構(gòu) 兩方面來實(shí)現(xiàn)該類永磁電機(jī)的寬調(diào)速范圍運(yùn)行：
[0003] 1)控制策略。采用矢量控制方法，通過控制電機(jī)直軸電流來實(shí)現(xiàn)電機(jī)弱磁升速。 例如中國專利號為200910041656. 7提出了一種基于永磁無刷電機(jī)的弱磁控制系統(tǒng)及其控 制方法，利用矢量控制方法來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的寬調(diào)速運(yùn)行范圍。但其由于直軸電感遠(yuǎn)小于交軸 電感，即電機(jī)凸極率（交軸電感與直軸電感比值）大于1，較小的直軸電感使得該類電機(jī)運(yùn) 行在高速弱磁區(qū)時需要較大的直軸去磁電流來實(shí)現(xiàn)弱磁升速，弱磁升速時，較大的直軸去 磁電流將增加該類電機(jī)中永磁磁鋼的不可逆退磁危險(xiǎn)，為了減小不可逆退磁就采用較厚的 永磁磁鋼，這又客觀上增加了電機(jī)材料成本和浪費(fèi)了有限的稀土資源。
[0004] 2)電機(jī)結(jié)構(gòu)。引入電勵磁繞組形成的混合勵磁電機(jī)，通過調(diào)節(jié)電勵磁磁場的大小 和方向來調(diào)節(jié)電機(jī)氣隙磁場。中國專利號為ZL200720035049. 6提出了一種混合勵磁同步 電動機(jī)，中國專利號為ZL200410064871. 6提出了一種寬調(diào)速雙凸極混合勵磁無刷電機(jī)，上 述兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)的共同特征是：均引入了永磁與電勵磁，增加了可在線調(diào)節(jié)電機(jī)磁場的電 勵磁繞組，通過調(diào)節(jié)電勵磁繞組的電流和方向，不僅可以進(jìn)行增磁控制，能滿足電機(jī)低速大 轉(zhuǎn)矩的要求，同時在高速運(yùn)行時采用弱磁控制，有效拓寬了電機(jī)的調(diào)速范圍。但上述兩種電 機(jī)結(jié)構(gòu)由于軸向磁路的存在，定、轉(zhuǎn)子背輒需要增加導(dǎo)磁性能較好的電工純鐵，結(jié)構(gòu)較為復(fù) 雜，制造、安裝也相對困難。
[0005] 中國專利號為ZL200810023409.X提出了一種寬調(diào)速磁通記憶式定子永磁型電 機(jī)，通過采用具有在線調(diào)磁特性的非稀土鋁鎳鈷永磁磁鋼與直流磁化繞組相結(jié)合，由于鋁 鎳鈷磁鋼在線磁化僅僅需要短時磁化電流或脈沖式磁化電流，該類電機(jī)在有效拓寬調(diào)速范 圍的同時，由于磁化電流作用時間很短（僅為毫秒級），大大減小了磁場調(diào)節(jié)所需的電勵 磁銅耗，從而有效提高了電機(jī)在弱磁區(qū)的運(yùn)行效率。但該類電機(jī)由于增加了磁場調(diào)節(jié)繞組， 需要額外的內(nèi)部空間放置該類繞組，這使得該類電機(jī)的體積較大，功率密度有所降低。另 外，該類電機(jī)磁場在線調(diào)節(jié)和控制也需要額外的磁化繞組逆變器，電機(jī)控制系統(tǒng)成本和復(fù) 雜度也增加。
[0006] 中國專利號為ZL201410480447. 3提出了一種電動汽車用直軸磁場增強(qiáng)型寬調(diào)速 永磁無刷電機(jī)，通過轉(zhuǎn)子的每個槽內(nèi)填充有一個磁障，磁障相對于轉(zhuǎn)子的槽部中心線即交 軸對稱；轉(zhuǎn)子每個齒部上都固定鑲嵌有四段圓弧形的永磁磁鋼，這四段永磁磁鋼分為內(nèi)、外 兩層，每層上有兩段，每層上的兩段永磁磁鋼的結(jié)構(gòu)相同且相對于轉(zhuǎn)子齒部中心線即直軸 對稱，同一層上的兩段永磁磁鋼之間相互不貫通不相連，之間形成圓弧形的導(dǎo)磁橋；每段永 磁磁鋼的圓心都位于轉(zhuǎn)子的直徑上。但該電機(jī)采用了圓弧形的永磁磁鋼，磁場設(shè)置不夠合 理，調(diào)速模式較為復(fù)雜，導(dǎo)致調(diào)節(jié)效率不高，也造成了材料的浪費(fèi)。
[0007] 綜上所述，獲得高效率、高功率密度、寬調(diào)速運(yùn)行范圍的永磁無刷電機(jī)仍然是當(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】

[0008] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明研發(fā)的具有寬調(diào)速、高效率的直軸磁場增強(qiáng)型 永磁無刷電機(jī)，并采用與之相結(jié)合的分區(qū)調(diào)磁控制策略，提高了低速時電機(jī)運(yùn)行效率，解決 了傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)難以調(diào)速范圍小的不足。特別適用于要求低速大轉(zhuǎn)矩、效率運(yùn) 行高、調(diào)速范圍寬混合動力汽車、電動汽車領(lǐng)域。
[0009] 為了解決上述技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0010] 一種直軸磁場增強(qiáng)型永磁無刷電機(jī)，其特征在于：包括定子、轉(zhuǎn)子、非磁性襯套和 轉(zhuǎn)軸組成，其中轉(zhuǎn)子位于定子的內(nèi)部，轉(zhuǎn)子中心開槽，用于安放轉(zhuǎn)軸；電樞槽沿定子周向均 勻分布，電樞槽內(nèi)放置單層電樞繞組。
[0011] 所述轉(zhuǎn)子沿圓周方向上徑向均勻嵌入條形的永磁磁鋼。永磁磁鋼分為呈現(xiàn)一定關(guān) 系的兩部分，一部分永磁磁鋼為非稀土永磁材料，靠近轉(zhuǎn)軸的另一部分永磁磁鋼為稀土永 磁材料。
[0012] 沿轉(zhuǎn)子圓周方向上，每兩個相鄰永磁磁鋼中間位置增加一個磁障，磁障為非導(dǎo)磁 材料組成。
[0013]在一個實(shí)施例中，通過非磁性襯套將轉(zhuǎn)子鐵芯，磁障和轉(zhuǎn)軸緊密結(jié)合起來。
[0014]在一個實(shí)施例中，磁障沿圓周方向弧度角為Θi是稀土永磁磁鋼沿圓周方向弧度 角θ22的3. 5~5倍。
[0015] 定義沿永磁磁鋼中心線方向?yàn)榻惠S，和交軸相對應(yīng)的電機(jī)電感為交軸電感，沿相 鄰永磁磁鋼中間位置方向?yàn)橹陛S，和直軸相對應(yīng)的電機(jī)電感為直軸電感；磁障位于交軸磁 路上。
[0016] 該電機(jī)采用采用分區(qū)調(diào)磁控制，設(shè)永磁轉(zhuǎn)矩最大值和磁阻轉(zhuǎn)矩最大值的比值為Ρ;低速 時，本發(fā)明采用最大轉(zhuǎn)矩啟動，此時電流相對于交軸的夾角此時直軸電
流大于零，即采用"直軸磁場增強(qiáng)"控制;達(dá)5權(quán)淀轉(zhuǎn)速時，直軸電流緩慢減小，但依然大于零，此時 電流角度γ2從γ?到0變化，并保持電流幅值和端部電壓不變，此時依然是采用"直軸磁 場增強(qiáng)"控制；當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高，保持電流角度γ3 = 〇,即采用"直軸電流為零"控制方 法。
[0017]本發(fā)明定子可采用模塊化繞組，有利于增加直軸電感，同時減小相間互感，增加容 錯能力。
[0018] 由于交軸電感較小，在忽略定子電阻時，所得轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：
[0019]
[0020] 式中，ulin為電壓極限值，w為轉(zhuǎn)速，id、iq為直交軸電流，Φf為永磁磁鏈，Ld、Lq為 直交軸電感。由公式1得出，同樣的電流條件下，較小的交軸電感更有利于轉(zhuǎn)速的升高。
[0021] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后具有的有益效果是：
[0022] (1)本發(fā)明采用磁障（或氣隙）存在于交軸磁路上，實(shí)現(xiàn)直軸電感大于交軸電感， 使得電機(jī)不僅可以采用傳統(tǒng)無刷電機(jī)直軸為零的控制方法，也可采用直軸磁場增強(qiáng)控制方 法。低速時，本發(fā)明直軸電流大于零，磁場增強(qiáng)有利于低速大轉(zhuǎn)矩的實(shí)現(xiàn)，且不用考慮退磁 的風(fēng)險(xiǎn)。
[0023] (2)本發(fā)明由于采用直軸磁場增強(qiáng)控制，使得非稀土永磁磁鋼工作運(yùn)行點(diǎn)上移，使 得在同樣的轉(zhuǎn)矩下，稀土永磁材料減小成為可能。而稀土永磁材料作為電機(jī)的主要成本之 一，則電機(jī)造價(jià)成本得到了降低。
[0024] (3)本發(fā)明由于電樞磁場對永磁磁場起增磁作用，同樣的轉(zhuǎn)速下，有較小的空載反 電動勢就可以獲得與外加電壓相應(yīng)的氣隙合成磁場，使得鐵心飽和程度低于前者，對于鐵 耗的減少是有利的。
[0025] (4)本發(fā)明由于較小的交軸電感，使得交軸磁路不容易飽和，有利于轉(zhuǎn)矩的線性調(diào) 節(jié)，和電機(jī)電感參數(shù)的估計(jì)和無位置傳感器的實(shí)現(xiàn)。
[0026] (5)本發(fā)明采用混合永磁材料，用非稀土永磁材料來部分替代稀土永磁材料，有效 的節(jié)約稀土永磁材料，并提高了非稀土永磁材料的利用特性。
[0027] 本發(fā)明是定子繞組采用分布式繞組或模塊化繞組，通過改變轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，獲得 較大的直軸電感和較小的交軸電感。并采用與之相結(jié)合的分區(qū)調(diào)磁控制策略，有效利用了 永磁磁鋼，獲得較高效率，并使得調(diào)速范圍得到擴(kuò)展。本發(fā)明適用于需要低速大轉(zhuǎn)矩、高效 率、寬調(diào)速范圍的混合動力汽車和電動汽車領(lǐng)域，具有一定的科研和利用價(jià)值。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明徑向截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖2是圖1中三相繞組相間無物理隔離的連接方式示意圖。
[0030] 圖3是圖1中三相繞組相間有物理隔離的連接方式示意圖。
[0031] 圖4是圖1中轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)局部永磁磁鋼充磁示意圖。
[0032] 圖5是圖1中永磁磁鋼幾何尺寸標(biāo)注放大示意圖。
[0033] 圖6是圖1中轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)局部及幾何尺寸標(biāo)注放大示意圖。
[0034] 圖7是圖1中轉(zhuǎn)子直軸、交軸示意圖。
[0035] 圖8是本發(fā)明的直軸磁場圖。
[0036] 圖9是本發(fā)明的交軸磁場圖。
[0037] 圖10是本發(fā)明和傳統(tǒng)永磁無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化圖。
[0038] 圖11是本發(fā)明和傳統(tǒng)永