一种多励磁源分区层级变磁极型轴向磁场永磁电机及变工况驱动控制系统

本发明涉及一种轴向磁场永磁电机，尤其是一种多励磁源磁极分区型双定子轴向磁场可控永磁电机及其驱动控制，属于特种电机。

背景技术：

1、大幅提升新能源车辆的占比，是一个能有效控制燃油车辆尾气二氧化碳排放的重要举措之一。驱动电机作为电驱动车辆动力系统核心，其转矩密度、机械强度、调速比、噪声、成本、效率和控制策略难度直接影响车辆的性能。永磁类电机因具有高转矩密度、高功率因数和高效率等优势，已经成为电驱动车辆电机的首选。

2、就拓扑结构而言，永磁电机分为径向磁场永磁电机和轴向磁场永磁电机，其中轴向磁场永磁电机的定子与转子沿轴向平行分布、气隙呈现平面状，气隙磁通沿电机轴向分布且垂直于定、转子。近年来，国内外诸多学者对轴向磁场永磁电机拓扑结构进行了深入研究，主要围绕高功率密度、高效率、强调磁能力和高可靠性等方面做了大量工作。为提高轴向电机效率，有学者提出一种无磁轭定子分块轴向电机，降低电机铁心损耗与绕组铜耗，提高电机功率密度，例如英国yasa公司的p400r系列无轭轴向磁场永磁电机，功率密度达到了5.7kw/kg；比利时magnax公司的axf185系列无轭轴向磁场永磁电机，功率密度达到了12.5kw/kg。为进一步降低电机损耗，有学者提出了无铁心轴向电机，定子只有集中式绕组，无铁心损耗，电机效率更高；此外非晶合金轴向电机铁耗显著降低，效率提升更为显著。为提高轴向电机可靠性，有学者提出一种非对称双三相轴向电机，改善了轴向电机的容错能力。

3、可见，由于轴向磁场永磁电机独特紧凑的拓扑结构，较高的转矩密度/功率密度，更强和便利的散热能力，在电动汽车驱动电机的应用中，无论是集中式驱动还是分布式驱动，对极致空间追求下，轴向磁场永磁电机更具有优势。但是，正因为传统轴向磁场永磁电机磁路较短，聚磁效应明显，气隙磁密较高，这也使得此类电机弱磁较为困难，恒功率运行区较窄，调速范围受到很大的限制，不利于满足电动汽车多变运行工况以及宽调速范围运行的需求。尽管提出了一种混合励磁轴向磁场永磁电机(《一种混合励磁轴向磁场永磁同步电机结构》，专利号：zl 202011388266.x)、轴向磁场永磁记忆电机(《一种轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机》，专利号：zl 201310432668.9)等，但是仍然存在调磁范围有限、效率低、可调磁永磁体调磁疲劳等问题。因此，有针对性地设计开发轴向磁场永磁电机新结构，对有效拓宽该类电机的调速范围，提高电机效率具有重要的理论意义和经济价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对传统轴向磁场永磁电机存在的问题，提出一种多励磁源磁极分区型双定子轴向磁场可调永磁电机，利用变磁阻与漏磁通可控效应，构建独特的轴向磁场永磁电机分区磁极拓扑结构，主要包括主磁极和辅助磁极两部分，其中主磁极负责提供气隙主磁通，与双定子磁路串联；辅助磁极负责调节气隙磁场，与双定子磁路并联；所述主磁极与辅助磁极磁通共同构成气隙磁场，且可通过控制加在励磁绕组上的电流大小来控制辅助磁极的磁通路径，进而调节气隙磁通量，拓宽电机调速范围，实现电机多变工况运行，并可以进一步降低转矩脉动，提高功率密度，实现电机高效率、高可靠性运行，提高电机的动态工作性能。

2、本发明的技术方案为：一种多励磁源磁极分区型双定子轴向磁场可控永磁电机，包括第一定子(1)、第二定子(2)、第一永磁体(3)、第二永磁体(4)、第三永磁体(5)、第四永磁体(6)、第一转子轭(7)、第二转子轭(8)、第一电枢绕组(9)、第二电枢绕组(10)、第一励磁绕组(11)、第二励磁绕组(12)和第一气隙(13)、第二气隙(14)；第一定子(1)、第二定子(2)对称放置在电机外侧且槽口朝内；第一电枢绕组(9)以分布式结构缠绕在第一定子(1)的定子齿上，第二电枢绕组(10)以分布式结构缠绕在第二定子(2)的定子齿上，第一励磁绕组(11)以集中式结构缠绕在第一定子(1)的定子齿上，第二励磁绕组(12)以集中式结构缠绕在第二定子(2)的定子齿上；第一转子轭(7)、第二转子轭(8)对称放置在电机内侧且槽口朝内，第一转子轭(7)内侧均匀分布多个扇形槽，扇形槽中嵌入第三永磁体(5)；第二转子轭(8)内侧同样均匀分布多个扇形槽，扇形槽中嵌入第四永磁体(6)，所述第一转子轭(7)、第二转子轭(8)上的扇形槽的位置完全对称；第一转子轭(7)、第二转子轭(8)中间放置第一永磁体(3)、第二永磁体(4)，所述第一永磁体(3)、第二永磁体(4)之间间隔设置且与第三永磁体(5)、第四永磁体(6)周向错开排布；第一定子(1)的内侧和第一转子轭(7)的外侧之间设有第一气隙(13)，第二定子(2)的内侧和第二转子轭(8)的外侧之间设有第二气隙(14)，第一定子(1)、第二定子(2)的轴心线与第一转子轭(7)、第二转子轭(8)的转动轴心线相重合。

3、进一步，所述的第一定子(1)、第二定子(2)的定子铁心由硅钢片沿圆周方向卷绕而成，且定子面向转子部分为定子齿；所述第一转子轭(7)、第二转子轭(8)的转子铁心由硅钢片沿圆周方向卷绕而成；当设计高速运行的一种多励磁源磁极分区型双定子轴向磁场可控永磁电机时，所述第一转子轭(7)、第二转子轭(8)的转子铁心由软磁材料压铸而成。

4、进一步，所述的第一电枢绕组(9)、第二电枢绕组(10)为双层绕组，且为分布式结构，节距≥360°/(2*p)；p为转子极对数；

5、所述第一励磁绕组(11)、第二励磁绕组(12)为单层绕组且间隔120°*z/(2*p)分布，其中z为定子槽数；

6、第一转子轭(7)内侧均匀分布8个深为3mm，弧度为0.285*360°/(2*p)的扇形槽，相邻扇形槽间隔为(1-0.285)*360°/(2*p)，第二转子轭(8)内侧同样均匀分布8个深为3mm，弧度为0.285*360°/(2*p)的扇形槽，相邻扇形槽间隔同样为(1-0.285)*360°/(2*p)。

7、5、进一步，所述的第一永磁体(3)、第二永磁体(4)极对数为p，沿周向以n、s交替分布，第一永磁体(3)、第二永磁体(4)沿电机轴向充磁且充磁方向相反；第三永磁体(5)、第四永磁体(6)沿电机切向充磁且充磁方向相反；所述第一永磁体(3)、第二永磁体(4)的磁能积大于所述第三永磁体(5)、第四永磁体(6)；所述第一永磁体(3)、第二永磁体(4)之间间隔0.55*360°/(2*p)且与第三永磁体(5)、第四永磁体(6)周向错开0.1325*360°/(2*p)排布；

8、第三永磁体(5)、第四永磁体(6)产生的磁通在空载时基本不参与气隙磁场励磁，在负载时能够进入气隙磁场进行励磁，改变电机主磁路磁通量，拓宽电机调速范围；当第三永磁体(5)、第四永磁体(6)为铝镍钴可变永磁材料时，通过励磁绕组通入直流励磁可以调节所述第三永磁体(5)、第四永磁体(6)的磁能积。

9、进一步，所述的第一转子轭(7)、第二转子轭(8)的转子铁心之间设置有空心散热孔，通过油冷、风冷形式降低转子温度和永磁体失磁风险；第一转子轭(7)、第二转子轭(8)的气隙侧与第一永磁体(3)、第二永磁体(4)轴向正对的位置可设置深度为h的弧形开槽，h≤3mm，不仅可以起到调节第一永磁体(3)、第二永磁体(4)、第三永磁体(5)、第四永磁体(6)的磁通作用，同时可以减小电机的齿槽转矩与轴向磁拉力。

10、进一步，第一励磁绕组(11)、第二励磁绕组(12)发生故障时第一电枢绕组(9)、第二电枢绕组(10)可独立工作，不影响电机的正常运行；此外，所述电枢绕组故障时，励磁绕组也可以代替电枢绕组，通入三相电流驱动电机运行，提高了电机的容错能力与运行可靠性。

11、进一步，第一定子(1)、第二定子(2)可错开一定的角度α(≤120°*z/(2*p))，通过控制错开角度，可改变电机的漏磁量与气隙磁密大小，进而改变电机的输出转矩与功率等级。

12、本发明的一种多励磁源磁极分区型双定子轴向磁场可控永磁电机变工况驱动控制系统，采用4个h桥构成电机功率变换器，其中第一励磁绕组(11)、第二励磁绕组(12)的进出两端分别连接一个h桥桥臂中心点，第一定子(1)、第二定子(2)上的两套电枢绕组的进和出两端分别各连接一个h桥桥臂中心点构成开绕组结构或双三相结构；第一励磁绕组(11)、第二励磁绕组(12)的h桥与三相绕组的开绕组结构母线串联。

13、进一步，具有多模式工况运行；当所述第一定子(1)、第二定子(2)上的两套三相绕组的中性点打开时，电机以开绕组结构运行；当所述第一定子(1)、第二定子(2)上的两套三相绕组的中性点相接时，电机以双三相结构运行。

14、进一步，第一励磁绕组(11)、第二励磁绕组(12)单独通过一个h桥控制，通过控制四个开关管的导通可以控制正负励磁电流的通入，实现电机磁场的增磁和去磁作用；且当励磁绕组故障时不会影响电枢绕组功率变换器的控制效果。

15、本发明的一种多励磁源磁极分区型双定子轴向磁场可控永磁电机，由双定子，励磁绕组，电枢绕组，主磁极，辅助磁极，对称双轭转子铁心构成。两个定子对称放置在电机外侧且定子齿上都绕制着励磁绕组和电枢绕组，励磁绕组通入直流电流，也称直流绕组，电枢绕组通入交流电流，也称交流绕组。对称双轭转子铁心放置在两个定子中间，且分别与两个定子之间设有气隙。主磁极放置在两个对称双轭转子铁心之间且沿电机轴向交替充磁，辅助磁极分别嵌入两个对称双轭转子铁心内部且沿电机切向交替充磁。

16、本发明的有益效果在于：

17、1.励磁绕组不工作时辅助磁极的磁通基本不参与气隙磁场励磁，励磁绕组工作时辅助磁极的磁通进入气隙，与主磁极的磁通共同构成气隙磁场，可实现气隙磁场的磁通调节，拓宽电机的调速范围。

18、2.对称双定子结构可平衡电机轴向磁拉力，提高电机功率密度与运行可靠性，加强电机散热能力。

19、3.与传统轴向磁场永磁电机相比，对称双轭转子结构设计可使电机具有反凸极特性，电机可利用磁阻转矩，利于电机重载运行。

20、4.主磁极放置于对称双轭转子铁心之间，中空结构易于散热，方便热交换介质带出转子热量。

21、5.两个定子上均绕制有励磁绕组和电枢绕组，励磁绕组故障时电枢绕组可独立工作，不影响电机的正常运行；此外，电枢绕组故障时，励磁绕组也可以充当电枢绕组，驱动电机正常运行，提高了电机的容错能力和运行可靠性。

22、6.电机可在双定子错开一定角度α(≤120°*z/(2*p))的情况下运行，此时可改变电机的漏磁量与气隙磁密大小，进而改变电机的输出转矩与功率等级。