车用宽调速直轴磁场增强型永磁无刷电机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种新型永磁无刷电机，属于电机制造及控制领域，特指一种适 合于混合动力汽车、电动汽车应用场合等需要宽调速、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】
[0002] 作为混合动力汽车、电动汽车的关键执行部件之一的车用驱动电机，其驱动性能 的好坏直接影响着混合动力汽车、电动汽车的整车性能。车用驱动电机领域采用传统的内 置式永磁无刷电机，具有高效率、高功率密度等优点。该类永磁无刷电机由于采用永磁磁钢 作为单一励磁源，气隙磁场保持恒定，调速范围较窄，在电动汽车等需宽调速（调速范围不 低于5倍基速）运行场合的应用受到一定限制。目前，一般通过改进控制策略和电机结构 两方面来实现该类永磁电机的宽调速范围运行：
[0003] 1)控制策略。采用矢量控制方法，通过控制电机直轴电流来实现电机弱磁升速。 例如中国专利号为200910041656. 7提出了一种基于永磁无刷电机的弱磁控制系统及其控 制方法，利用矢量控制方法来实现电机的宽调速运行范围。但其由于直轴电感远小于交轴 电感，即电机凸极率（交轴电感与直轴电感比值）大于1，较小的直轴电感使得该类电机运 行在高速弱磁区时需要较大的直轴去磁电流来实现弱磁升速，弱磁升速时，较大的直轴去 磁电流将增加该类电机中永磁磁钢的不可逆退磁危险，为了减小不可逆退磁就采用较厚的 永磁磁钢，这又客观上增加了电机材料成本和浪费了有限的稀土资源。
[0004] 2)电机结构。引入电励磁绕组形成的混合励磁电机，通过调节电励磁磁场的大小 和方向来调节电机气隙磁场。中国专利号为ZL200720035049. 6提出了一种混合励磁同步 电动机，中国专利号为ZL200410064871. 6提出了一种宽调速双凸极混合励磁无刷电机，上 述两种电机结构的共同特征是：均引入了永磁与电励磁，增加了可在线调节电机磁场的电 励磁绕组，通过调节电励磁绕组的电流和方向，不仅可以进行增磁控制，能满足电机低速大 转矩的要求，同时在高速运行时采用弱磁控制，有效拓宽了电机的调速范围。但上述两种电 机结构由于轴向磁路的存在，定、转子背轭需要增加导磁性能较好的电工纯铁，结构较为复 杂，制造、安装也相对困难。
[0005] 中国专利号为ZL200810023409.X提出了一种宽调速磁通记忆式定子永磁型电 机，通过采用具有在线调磁特性的非稀土铝镍钴永磁磁钢与直流磁化绕组相结合，由于铝 镍钴磁钢在线磁化仅仅需要短时磁化电流或脉冲式磁化电流，该类电机在有效拓宽调速范 围的同时，由于磁化电流作用时间很短（仅为毫秒级），大大减小了磁场调节所需的电励 磁铜耗，从而有效提高了电机在弱磁区的运行效率。但该类电机由于增加了磁场调节绕组， 需要额外的内部空间放置该类绕组，这使得该类电机的体积较大，功率密度有所降低。另 外，该类电机磁场在线调节和控制也需要额外的磁化绕组逆变器，电机控制系统成本和复 杂度也增加。
[0006] 中国专利号为ZL201410480447. 3提出了一种电动汽车用直轴磁场增强型宽调速 永磁无刷电机，通过转子的每个槽内填充有一个磁障，磁障相对于转子的槽部中心线即交 轴对称；转子每个齿部上都固定镶嵌有四段圆弧形的永磁磁钢，这四段永磁磁钢分为内、外 两层，每层上有两段，每层上的两段永磁磁钢的结构相同且相对于转子齿部中心线即直轴 对称，同一层上的两段永磁磁钢之间相互不贯通不相连，之间形成圆弧形的导磁桥；每段永 磁磁钢的圆心都位于转子的直径上。但该电机采用了圆弧形的永磁磁钢，磁场设置不够合 理，调速模式较为复杂，导致调节效率不高，也造成了材料的浪费。
[0007] 综上所述，获得高效率、高功率密度、宽调速运行范围的永磁无刷电机仍然是当前 车用永磁无刷电机领域中亟待解决的问题。 【实用新型内容】
[0008] 为克服现有技术中的不足，本实用新型研发的具有宽调速、高效率的直轴磁场增 强型永磁无刷电机，并采用与之相结合的分区调磁控制策略，提高了低速时电机运行效率， 解决了传统内置式永磁同步电机难以调速范围小的不足。特别适用于要求低速大转矩、效 率运行高、调速范围宽混合动力汽车、电动汽车领域。
[0009] 为了解决上述技术问题，实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：
[0010] 一种直轴磁场增强型永磁无刷电机，其特征在于：包括定子、转子、非磁性衬套和 转轴组成，其中转子位于定子的内部，转子中心开槽，用于安放转轴；电枢槽沿定子周向均 匀分布，电枢槽内放置单层电枢绕组。
[0011] 所述转子沿圆周方向上径向均匀嵌入条形的永磁磁钢。永磁磁钢分为呈现一定关 系的两部分，一部分永磁磁钢为非稀土永磁材料，靠近转轴的另一部分永磁磁钢为稀土永 磁材料。
[0012] 沿转子圆周方向上，每两个相邻永磁磁钢中间位置增加一个磁障，磁障为非导磁 材料组成。
[0013] 在一个实施例中，通过非磁性衬套将转子铁芯、磁障和转轴紧密结合起来。
[0014] 在一个实施例中，磁障沿圆周方向弧度角为9i是稀土永磁磁钢沿圆周方向弧度 角％的3. 5~5倍。
[0015] 定义沿永磁磁钢中心线方向为交轴，和交轴相对应的电机电感为交轴电感，沿相 邻永磁磁钢中间位置方向为直轴，和直轴相对应的电机电感为直轴电感；磁障位于交轴磁 路上。
[0016] 该电机采用采用分区调磁控制，设永磁转矩最大值和磁阻转矩最大值的 比值为P;低速时，本实用新型采用最大转矩启动，此时电流相对于交轴的夹角
速时，直轴电流缓慢减小，但依然大于零，此时电流角度Y2从Y1到0变化，并保持电流幅 值和端部电压不变，此时依然是采用"直轴磁场增强"控制；当转速进一步升高，保持电流角 度Y3 = 0,即采用"直轴电流为零"控制方法。
[0017] 本实用新型定子可采用模块化绕组，有利于增加直轴电感，同时减小相间互感，增 加容错能力。
[0018] 由于交轴电感较小，在忽略定子电阻时，所得转速表达式为：
[0020] 式中，Ulin^电压极限值，w为转速，id、iq为直交轴电流，力f为永磁磁链，Ld、Lq为 直交轴电感。由公式1得出，同样的电流条件下，较小的交轴电感更有利于转速的升高。
[0021] 本实用新型采用上述技术方案后具有的有益效果是：
[0022] (1)本实用新型采用磁障（或气隙）存在于交轴磁路上，实现直轴电感大于交轴电 感，使得电机不仅可以采用传统无刷电机直轴为零的控制方法，也可采用直轴磁场增强控 制方法。低速时，本实用新型直轴电流大于零，磁场增强有利于低速大转矩的实现，且不用 考虑退磁的风险。
[0023] (2)本实用新型由于采用直轴磁场增强控制，使得非稀土永磁磁钢工作运行点上 移，使得在同样的转矩下，稀土永磁材料减小成为可能。而稀土永磁材料作为电机的主要成 本之一，则电机造价成本得到了降低。
[0024] (3)本实用新型由于电枢磁场对永磁磁场起增磁作用，同样的转速下，有较小的空 载反电动势就可以获得与外加电压相应的气隙合成磁场，使得铁心饱和程度低于前者，对 于铁耗的减少是有利的。
[0025] (4)本实用新型由于较小的交轴电感，使得交轴磁路不容易饱和，有利于转矩的线 性调节，和电机电感参数的估计和无位置传感器的实现。
[0026] (5)本实用新型采用混合永磁材料，用非稀土永磁材料来部分替代稀土永磁材料， 有效的节约稀土永磁材料，并提高了非稀土永磁材料的利用特性。
[0027] 本实用新型是定子绕组采用分布式绕组或模块化绕组，通过改变转子磁路结构， 获得较大的直轴电感和较小的交轴电感。并采用与之相结合的分区调磁控制策略，有效利 用了永磁磁钢，获得较高效率，并使得调速范围得到扩展。本实用新型适用于需要低速大转 矩、高效率、宽调速范围的混合动力汽车和电动汽车领域，具有一定的科研和利用价值。
【附图说明】
[0028] 图1是本实用新型径向截面结构示意图。
[0029] 图2是图1中三相绕组相间无物理隔离的连接方式示意图。
[0030] 图3是图1中三相绕组相间有物理隔离的连接方式示意图。
[0031] 图4是图1中转子结构局部永磁磁钢充磁示意图。
[0032] 图5是图1中永磁磁钢几何尺寸标注放大示意图。
[0033] 图6是图1中转子结构局部及几何尺寸标注放大示意图。
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