一种车用永磁电机的抗退磁保护结构及方法与流程

本发明涉及新能源汽车用永磁电机，尤其涉及一种车用永磁电机的抗退磁保护结构及方法。

背景技术：

本部分从以下几方面对新能源车用永磁电机进行介绍：

a)新能源汽车对永磁电机的需求

新能源汽车要求电机转速高，转矩大以满足良好的启动或爬坡能力以及较高的车速；另一方面，由于乘用车空间有限，重量要求严格，电机必须实现轻量化，达到高转矩密度；同时，车用电机必须具有高可靠性和高可维护性。pmsm(永磁同步电机)由于良好的调速能力和高转矩密度，在新能源汽车中得到广泛应用。但轻量化和高功率密度的追求会导致电机饱和程度提高，增加磁钢退磁的风险。同时高速化的设计会导致磁钢涡流损耗增加，磁钢温升严重，退磁风险增加。

b)asc(控制器主动短路保护)功能

在系统出现故障或者是电机感应电压突破控制器安全可控范围时，控制器通常采用主动短路电机的定子绕组的方式实现快速制动，即将igbt模块(绝缘栅双极型晶体管)的上桥或下桥保持闭合，让电机三相定子绕组短路。这种主动短路的策略，可以让能量在电机绕组内主动消耗，从而保证了整个系统的安全性。但是此过程中，电机绕组上会产生一个瞬态的峰值电流，此电流有可能让转子磁钢退磁。

c)保护策略

新能源汽车电机磁钢退磁两个最大的威胁是过高的温度和大电流的冲击。过高的温度，会导致磁钢的矫顽力和剩磁下降，而且温度越高，下降的比例越高；而asc功能会出现瞬态峰值电流，增加大电流冲击，加大了磁钢退磁的可能性。

现有技术中，为了提升磁钢的抗退磁能力，常用的做法是换更高的牌号，或者对磁钢容易退磁的部位使用不同磁性材料，例如公开号为cn105811616a、cn104753212a或cn105024511a公开的技术方案。但是使用高牌号的磁钢相应的电机制造成本会大幅度提升，而使用具有不同矫顽力的分块磁钢，磁钢的生产过程比较复杂。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种车用永磁电机的抗退磁保护结构及方法，针对电机的asc功能，在使用现有磁钢的基础上对电机转子进行改进，使其能削弱asc过程出现的最大瞬态电流对电机转子的冲击，避免电机转子上的磁钢在大电流冲击下发生退磁。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种车用永磁电机的抗退磁保护结构，包括定子和转子，转子朝向定子的一侧沿周向设有多组磁钢，每组磁钢中包括一个或相邻的多个磁钢单元，磁钢单元安装在电机转子上的磁钢槽中朝电机转子的轴向延伸，磁钢槽周围设置有特殊绕组，其特征在于，每个特殊绕组分别具有第一端和第二端，第一端和第二端通过一个开关电路模块连接构成闭合回路，开关电路模块由控制器控制，特殊绕组的工作规则为：控制器采取asc策略之前控制电路模块闭合，特殊绕组导通，定子绕组短路，特殊绕组产生的磁感线方向与定子绕组短路时产生的磁感线变化方向相反，且特殊绕组导通时产生的磁场覆盖磁钢需要保护的部位。

作为优选方案，对应每组需要保护的磁钢分别设有特殊绕组，一组磁钢中设有n个磁钢单元，且n个磁钢单元朝向定子一侧的周向上分布有m条边；对应该组磁钢设置x个特殊绕组，x为整数且取值在1-m之间。

作为优选技术方案，x与n的值相同，每个特殊绕组分别设置在一个磁钢单元的外侧，x个特殊绕组构成的闭合回路所圈定的范围相互独立且分别完全覆盖一个磁钢朝向定子一侧的端面。采用这种设置方式，考虑实际工艺应用，实现起来最容易，并且防退磁效果明显。

本发明通过在电机转子磁钢附近设计特殊绕组，在电机进入asc时，此绕组可以利用法拉第电磁感应原理，避免磁钢在asc过程中产生的瞬态电流作用下发生退磁，并且，在此基础上设置电机特殊绕组不会影响电机的电磁性能。

本发明还公开了一种车用永磁电机的抗退磁保护方法，该方法基于上述的一种车用永磁电机的抗退磁保护结构实现，该方法包括以下步骤：

1)控制器监测电机工作状态判断是否需要开启asc保护，若电机工作在正常模式，执行步骤2)；若电机工作在需要开启asc保护的故障模式下，执行步骤3)；

2)断开特殊线圈，返回执行步骤1)；

3)控制器控制特殊绕组的开关电路模块闭合，然后进入asc模式，返回执行步骤1)。

本方法使正常情况下特殊绕组处于断开状态，电机正常工作；当检测到故障之后，特殊绕组闭合，电机进入asc状态，直到故障排除，特殊线圈断开，电机回复正常工作。本方法在不影响电机正常工作性能的前提条件下，既可以让逆变器在任意转速和工况点下采取asc保护策略，又避免了永磁同步电机在此过程中出现磁钢退磁风险。

附图说明

图1为本发明中磁钢及特殊绕组在电机转子上的布置方式之一。

图2为图1中磁钢和特殊绕组的对应关系示意图。

图3为图1中特殊绕组设置方式的简略示意图。

图4为采用图1结构未设置特殊绕组和设置特殊套组的磁钢退磁仿真对比图。

图5为采用图1结构未设置特殊绕组和设置特殊套组的电机峰值扭矩仿真对比图。

图6为磁钢及特殊绕组在电机转子上的布置方式之二。

图7为磁钢及特殊绕组在电机转子上的布置方式之三。

图8为磁钢及特殊绕组在电机转子上的布置方式之四。

图9为电机工作模式逻辑控制流程图。

其中：1、转子；11、磁钢槽；2、磁钢单元；3、特殊绕组；4、开关电路模块；

具体实施方式

下面结合附图对本专利的优选实施方案作进一步详细的说明，并且在进行位置描述时，以定子和转子的转动中心为内，转子位于定子内侧。

车用永磁电机包括定子和转子1，定子朝向转子1的一侧周向上设置定子绕组，转子1朝向定子的一侧沿周向设有多组磁钢。根据电机采用的磁钢类型的区别，每组磁钢中包括一个或相邻的多个磁钢单元2，磁钢单元2安装在电机转子1上的转子1槽中朝电机转子1的轴向延伸，一个槽安装一个磁钢单元2。例如：电机采用v型磁钢时，一组磁钢中至少包括周向相邻设置的两个磁钢单元2，一组磁钢所有磁钢单元2在电机转子1周向上呈v形排列，如图3-6；电机采用一型磁钢时，一组磁钢中至少包括一个磁钢单元2，一组磁钢中的所有磁钢在电机转子1周向上呈一字排列，且该组磁钢与电机转子1的直径方向垂直；电机采用双一型磁钢时，一组磁钢中包括在径向上内外相邻的两对磁钢，每对磁钢中至少包括一个磁钢单元2，且同一对磁钢中的所有磁钢单元2分别在电机转子1周向上呈一字排列并与电机转子1的直径方向垂直；电机采用v加一型磁钢时，一组磁钢中包括在径向上内外相邻的两对磁钢，其中一对磁钢按v型磁钢的排列方式布置，另一对磁钢按一型磁钢的排列方式布置；电机采用双v型磁钢时，一组磁钢中包括在径向上内外相邻的两对磁钢，两对磁钢分别按v型磁钢的排列方式布置。电机采用的磁钢类型还包括u型和双u型等。

本申请中，电机转子1上设有若干特殊绕组3，每个特殊绕组3分别具有第一端和第二端，第一端和第二端通过一个开关电路模块4连接构成闭合回路，开关电路模块4闭合时，特殊绕组3导通，开关电路模块4断开时，特殊绕组3断开。特殊绕组3的工作规则为：控制器采取asc策略之前控制电路模块4闭合，特殊绕组3导通，定子绕组短路，特殊绕组产生的磁感线方向与定子绕组短路时产生的磁感线变化方向相反，且特殊绕组3导通时产生的磁场覆盖磁钢需要保护的部位。

开关电路模块4通断由控制器控制，当电机正常工作时，开关电路模块4断开；当电机进入asc状态时，开关电路模块4闭合，此时，当asc过程出现最大瞬态冲击电流时，此特殊绕组3会感生电动势，并产生感应电流，由此形成一个和asc瞬态电流反向的磁场，从而削弱瞬态电流对电机转子1的冲击，避免了转子1磁钢在大电流场强下发生退磁。

本发明通过在电机转子1磁钢附近设计特殊绕组3，在电机进入asc时，此绕组可以利用法拉第电磁感应原理，避免磁钢在asc过程中产生的瞬态电流作用下发生退磁，并且，在此基础上设置电机特殊绕组3不会影响电机的电磁性能。

以下结合具体实施例对上述绕线规则进行详细说明。

实施例1：

如图1-3，本实施例中采用v型磁钢，一组磁钢由两个磁钢单元2组成，所述磁钢单元2为矩形，磁钢单元2沿转子1槽的轴向延伸。对应一组磁钢设有两个特殊绕组3，每个特殊绕组3分别设置在一个磁钢单元2的外侧，两个特殊绕组3构成的闭合回路所圈定的范围相互独立且分别完全覆盖一个磁钢朝向定子一侧的端面。

通过图4对比可知，无特殊绕组3时，磁钢退磁明显；加上特殊绕组3之后，磁钢退磁区域几乎为零。可见，本实施例中的特殊绕组3对于车用永磁同步电机在asc过程中防止磁钢退磁的效果非常明显。

通过图5可知，特殊绕组3布置前后，电机扭矩值与波形基本一致。可见，特殊绕组3的设计并没有影响电机的电磁性能。

实施例2：

如图6，本实施例与实施例1的区别在于，对应一组磁钢设置的两个特殊绕组3分别构成的闭合回路所圈定的范围存在重合，其中一个特殊绕组3a构成的闭合回路所圈定的范围大于另一特殊绕组3b构成的闭合回路所圈定的范围，特殊绕组3a的闭合回路所圈定的范围覆盖一组磁钢中朝向定子一侧的周向上最外侧的两边，特殊绕组3b的闭合回路所圈定的范围覆盖一组磁钢中朝向定子一侧的周向上相对内侧的两边。

实施例3：

如图7，本实施例与实施例1的区别在于，对应一组磁钢设置四个特殊绕组3，每个特殊绕组3构成的闭合回路所圈定的范围相互独立，每个特殊绕组3的闭合回路所圈定的范围分别覆盖一组磁钢中朝向定子一侧的周向上的多条边。

实施例4：

如图8，本实施例与实施例1的区别在于，对应一组磁钢设置三个特殊绕组3，每个特殊绕组3构成的闭合回路所圈定的范围相互独立，其中两个特殊绕组3的闭合回路所圈定的范围覆盖分别覆盖一组磁钢中朝向定子一侧的周向上最外侧的两边，另一组特殊绕组3构成的闭合回路所圈定的范围覆盖一组磁钢中朝向定子一侧的周向上相对内侧的两边。

本发明还公开了一种车用永磁电机的抗退磁保护方法，该方法基于上述公开的车用永磁电机的抗退磁保护结构实现，包括以下步骤：

1)控制器监测电机工作状态判断是否需要开启asc保护，若电机工作在正常模式，执行步骤2)，若电机工作在需要开启asc保护的故障模式下，执行步骤3)；

2)断开特殊线圈，返回执行步骤1)；

3)控制器控制特殊绕组3的开关电路模块4闭合，然后进入asc模式，返回执行步骤1)。

其中，控制器监控电机工作状态判断是否需要开启asc保护的具体实现为现有技术，在此不再展开说明。

本方法使正常情况下特殊绕组3处于断开状态，电机正常工作；当检测到故障之后，特殊绕组3闭合，电机进入asc状态，直到故障排除，特殊线圈断开，电机回复正常工作。本方法在不影响电机正常工作性能的前提条件下，既可以让逆变器在任意转速和工况点下采取asc保护策略，又避免了永磁同步电机在此过程中出现磁钢退磁风险。

本发明中实施例1～4中电机磁钢为单v型设计，但由于转子磁钢有单一、双一、双v等许多设计形式，在此不一一展开。凡涉及到应用本特殊绕组或类似形式对磁钢进行防退磁保护的设计均在保护范围之内。