一种组合励磁型定子分区式混合永磁磁通切换记忆电机

摘要

本发明公开一种组合励磁型定子分区式混合永磁磁通切换记忆电机，包括外定子、内分区定子和中间转子，内分区定子是紧密贴合在一起的内外两层结构，外层由内定子铁心和钕铁硼永磁体组成，钕铁硼永磁体沿圆周方向均匀嵌入内定子铁心中，钕铁硼永磁体切向充磁，两邻两个钕铁硼永磁体的充磁方向相反；内层由脉冲磁化绕组和可在线充去磁的铝镍钴永磁体组成，铝镍钴永磁体沿圆周方向均匀布置，相邻两个铝镍钴永磁体之间有内定子槽，依次首尾串联的脉冲磁化绕组置放于每个内定子槽内并绕在铝镍钴永磁体上，使得在同样电机体积下永磁体用量和电枢绕组用量可以增大以提升转矩密度，能在线调节铝镍钴永磁的磁化强度，具有宽广的调速范围。

说明书

技术领域

本发明属于电机制造领域，涉及永磁磁通切换电机和记忆电机，用于驱动混合动力汽 车、电动汽车。

背景技术

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。在车用驱动电机领域，应用最为广泛 是永磁同步电机，以钕铁硼为励磁材料的永磁同步电机具有高效率、高功率密度等优点。 与传统的转子永磁型永磁同步电机相比，定子永磁型电机转子上既无永磁体也无绕组，具 有结构稳定、安装简单、散热方便、转动惯量小、适合高速运行的优点。其中定子永磁型 的磁通切换永磁电机，通过其特殊的聚磁效应使得电机的转矩和功率密度较双凸极电机和 磁通反向电机可以做到更高，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，无论是传统的永磁同步电机还是磁通切换永磁电机由于采用永磁磁钢作为单 一励磁源，气隙磁场恒定，在需要弱磁升速运行时，往往只能采用矢量控制的方式，通过 施加持续的电枢电流的直轴弱磁电流分量来削弱气隙磁场，受电枢电流大小、逆变器容量 等限制，因而电机调速范围十分受限，且弱磁升速区间的效率较低。

为拓宽永磁电机的调速范围，比较可行的方案是采用混合励磁技术，中国专利号为 ZL200720035049.6的专利文献中提出的混合励磁同步电机、中国专利号为 ZL200410064871.6的专利文献中提出的双凸极混合励磁无刷电机和中国专利号为 ZL200810023819.4的专利文献中提出的混合励磁磁通切换电机都在永磁电机的基础上引 入电励磁绕组，通过电励磁电流的大小和方向来实现电机气隙磁场的调节，具有调磁手段 简单、方便等优点，但由于电励磁绕组的存在，电机在进行弱磁和增磁调速控制时，需要 一直施加电励磁电流，存在额外励磁损耗，影响了电机的运行效率。

由德国电机学者奥斯托维奇(Ostovic)教授在2001年提出的记忆电机是一种真正意 义上的磁通可控型电机，它采用高剩磁低矫顽力的铝镍钴永磁材料，通过定子绕组或者直 流脉冲绕组产生的磁场，永磁体的磁化状态可被瞬间改变，且其磁化水平能被记忆住，从 而实现对气隙磁场的调节，避免了电枢损耗，实现了在线高效调磁。此外，出现的两种交 轴磁阻增强式记忆电机，通过合理设计漏磁路径实现更大的磁通调节范围。然而，传统记 忆电机中由于永磁体处于转子上，电枢绕组需要同时具备能量转换和磁场调节的能力，电 枢电流的交轴分量与电机磁场相互作用，输出电磁转矩，承担机电能量转换的作用；其直 轴电流分量主要用于对电机磁场进行调节。如何保证电机平稳运行过程中实现电机的磁场 的动态、在线调节，对电机的矢量控制性能提出了苛刻的要求，因此在线调磁难度较大； 其次，由于仅采用了单一铝镍钴永磁体作为励磁源，电机的最大气隙磁通密度很难达到钕 铁硼永磁电机的水平，电机力能指标不高；同时，增磁和去磁磁通均由电枢绕组施加直轴 电流脉冲提供，增磁回路或去磁回路中均存在磁阻较大的气隙，这就导致所需的调磁脉冲 磁动势较大，增加了电枢绕组的电流和匝数。

中国专利号为ZL200810023409.X的专利文献中提出的宽调速磁通记忆式定子永磁型 电机和中国专利号为ZL201410756127.6的专利文献中提出的E型定子铁心磁通切换型混 合永磁记忆电机虽然能实现气隙磁场的有效调节，但永磁体和绕组均位于定子上，永磁体 和电枢绕组用量相互限制，限制了电机的转矩密度。

可见，现有技术中，诸如“混合励磁电机”以及“永磁记忆电机”等电机，在实现电 机气隙磁场的有效调节与控制、保证电机力能指标的同时达到有效拓宽电机调速范围等方 面难以兼顾，这也成为永磁电机技术领域存在的具有共性的技术难点之一。

发明内容

本发明目的是：为了解决传统永磁电机气隙磁场难以调节、调速范围窄、高速时输出 功率和效率低的问题，提供一种转子结构简单、采用混合永磁材料，具有高效率、高转矩 密度、宽调速运行范围的组合励磁型定子分区式混合永磁磁通切换记忆电机。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包括外定子、内分区定子和中间转子， 外定子由外定子齿、外定子槽和外定子轭组成，外定子齿沿圆周方向均匀分布且在外定子 齿上绕有三相电枢绕组，所述内分区定子是紧密贴合在一起的内外两层结构，外层由内定 子铁心和钕铁硼永磁体组成，钕铁硼永磁体沿圆周方向均匀嵌入内定子铁心中，钕铁硼永 磁体的中心与外定子的外定子齿中心对齐，钕铁硼永磁体切向充磁，两邻两个钕铁硼永磁 体的充磁方向相反；内层由脉冲磁化绕组和可在线充去磁的铝镍钴永磁体组成，铝镍钴永 磁体沿圆周方向均匀布置，中心与外定子槽的中心对齐，相邻两个铝镍钴永磁体之间有内 定子槽，内定子槽的中心与外定子的外定子齿中心对齐，依次首尾串联的脉冲磁化绕组置 放于每个内定子槽内并绕在铝镍钴永磁体上。

本发明采用上述技术方案后具有的优点是：

1、本发明采用内定子分区的内外双定子结构，充分利用电机内部空间，解决了传统 磁通切换电机永磁体和电枢绕组用量相互限制的问题，使得在同样电机体积下永磁体用量 和电枢绕组用量可以增大以提升转矩密度，也为该类电机采用不同类型永磁材料作为励磁 源以及增加非稀土永磁材料的用量提供了足够的空间，为提升少稀土类永磁电机功率密度 和转矩密度提供了可能。

2、由于本发明电机采用了定子永磁型结构，钕铁硼永磁体、铝镍钴永磁体以及脉冲 磁化绕组均置于内分区定子上，而电枢绕组置于外定子上，实现了电枢绕组和永磁体的分 离，更易于电机的散热、冷却。

3、本发明电机所采用的中间转子结构简单，既无永磁材料，也无绕组，仅由导磁铁 心和非导磁材料交替构成，特别适用于高速运行。

4、本发明电机所用的电枢绕组和脉冲磁化绕组均采用集中式绕组，降低了绕组端部 长度，从而有效降低电机铜耗，提高电机运行效率。同时磁场在线调节手段简单、直接。 由于磁化电流持续时间较短(<1s)，使电机在实现更宽调速范围的同时，能保持较高的运 行效率。

5、本发明电机采用稀土永磁钕铁硼和非稀土铝镍钴永磁两种类型的永磁材料作为电 机的主励磁源，两种永磁可根据电机的过载能力和调速范围的要求约束和限定两种永磁材 料的用量(宽度和厚度)之间的关系，通过控制短时磁化绕组电流的大小和方向，能在线 调节铝镍钴永磁的磁化强度和工作点，一方面可实现电机的弱磁控制，使电机具有宽广的 调速范围；还可以进行增磁控制，满足电动汽车快速起动、爬坡以及紧急制动所需的大转 矩的要求。

附图说明

图1是本发明一种组合励磁型定子分区式混合永磁磁通切换记忆电机的径向截面结 构示意图，其中箭头方向表示永磁体充磁方向；

图2是图1中内分区定子的结构放大示意图；

图3是图1中中间转子的结构放大示意图；

图4、图5、图6是本发明的中间转子在不同位置下和铝镍钴永磁体充去磁不同情况 下，永磁磁路和磁场方向示意图；

图7是本发明电机的等效磁路图；

图8是图2中铝镍钴永磁体在极限充去磁情况下，电枢绕组空载反电势波形图。

图中：1.外定子；1-1.电枢绕组；2.内分区定子；2-1.钕铁硼永磁体；2-2.铝镍钴永磁 体；2-3.脉冲磁化绕组；2-4.内定子铁心；2-4-1.凸台；2-5.导磁桥；3.中间转子；3-1.导磁 块；3-2.非导磁块。

具体实施方式

参见图1，图1是以一台6槽/转子5极/内定子6极电机为例。本发明电机包括外定 子1、内分区定子2和中间转子3。外定子1、中间转子3和内分区定子2由外而内同轴 布置。外定子1和中间转子3之间均具有径向的外气隙，内分区定子2和中间转子3之间 具有径向的内气隙。

外定子1由外定子齿、外定子槽、外定子轭组成，外定子槽数为N_s，外定子齿沿圆 周方向均匀分布，在外定子齿上绕有三相电枢绕组1-1，且该电枢绕组1-1为集中式三相 绕组。如图1，在6个外定子齿上绕有三相电枢绕组1-1。

参见图2，内分区定子2为内外两层的径向分层结构，内外两层紧密贴合在一起。外 层由内定子铁心2-4和多个稀土钕铁硼永磁体2-1组成；内层由可在线充去磁的多个铝镍 钴永磁体2-2以及脉冲磁化绕组2-3组成。钕铁硼永磁体2-1的数量是P个，P个钕铁硼 永磁体2-1沿圆周方向均匀嵌入内定子铁心2-4中，且钕铁硼永磁体2-1的中心与外定子 1的外定子齿中心对齐，两者在同一直径上。钕铁硼永磁体2-1的内、外径分别等于内定 子铁心2-4的的内、外径。P个钕铁硼永磁体2-1均是切向充磁的，两邻两个钕铁硼永磁 体2-1的充磁方向相反。

铝镍钴永磁体2-2的数量是Q个，Q个铝镍钴永磁体2-2沿圆周方向均匀布置，铝镍 钴永磁体2-2均是径向充磁，铝镍钴永磁体2-2的中心与外定子1的外定子槽的中心对齐， 两者在同一直径上。其中，P＝Q＝N_s。相邻两个铝镍钴永磁体2-2之间有内定子槽，内定 子槽的中心与外定子1的外定子齿中心对齐，在同一直径上。脉冲磁化绕组2-3置放于每 个内定子槽内，并绕在铝镍钴永磁体2-2上，脉冲磁化绕组2-3为集中绕组，依次首尾串 联形成单相脉冲绕组，脉冲绕组施加短时脉冲电流，且脉冲电流方向形成交替分布，以改 变铝镍钴永磁体2-2的磁化水平甚至磁化方向来调节电机的气隙磁场。

铝镍钴永磁体2-2是由铝镍钴永磁材料制成，铝镍钴永磁材料具有矫顽力低的特点， 采用铸造型制造工艺，温度稳定性高，且能被短时脉冲电流充、去磁，并“记忆”住其磁 密水平，实现电机气隙磁密灵活调节。

在所有铝镍钴永磁体2-2的内圈上固定一个导磁桥2-5。外定子铁心具有一个凸台 2-4-1，该凸台2-4-1伸出在内定子槽内，便于固定铝镍钴永磁体2-2，使内分区定子2的 内外两层固定在一起形成一个整体，铝镍钴永磁体2-2的外表面与内定子铁心2-4的内表 面紧密贴合。

参见图3，中间转子3是由多块导磁块3-1与多块非导磁块3-2沿圆周方向间隔组合 构成，导磁块3-1与非导磁块3-2的侧面紧密贴合。其中导磁块3-1的个数N_r即为中间转 子3的极对数，且满足N_r＝kN_s±1，(k＝1，2，3….)。图3中的中间转子3是由5块导 磁块3-1与5块非导磁块3-2构成。

参见图4，本发明电机的运行遵循磁通切换原理，由外定子1、中间转子3以及内分 区定子2在磁路上呈现串联结构，共同形成电机的主磁路。在中间转子3运动在图4所示 的位置时，永磁体产生的磁通进入外定子齿，对于开路三相电枢绕组1-1来说，其两端会 感应出一定的反电动势；而当中间转子3运动到图5的位置时，永磁磁通在数量上保持不 变但穿行的方向对绕组来说恰好相反，为穿出外定子齿，显然，此时绕组中感应的反电动 势与上一种情况相比，数值相同但极性相反。正是基于这个原理，当中间转子3转动后， 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，绕组两端会产生 幅值和相位交变的反电势。参见图5和图6，利用磁路原理，研究铝镍钴永磁体2-2充去 磁对电机磁场的影响，图5)所示为可充去磁的铝镍钴永磁体2-2与稀土钕铁硼永磁体2-1 产生的磁通方向相同时的磁通路径图，此时铝镍钴永磁体2-2所产生的磁回路的路径次序 为：第一个铝镍钴永磁体2-2、导磁桥2-5、第二个铝镍钴永磁体2-2、内定子铁心2-4、 内气隙、导磁块3-1、外气隙、外定子1、外气隙、导磁块3-1、内气隙、内定子铁心2-4、 第一个铝镍钴永磁体2-2。钕铁硼永磁体2-1所产生的磁回路的路径次序为钕铁硼永磁体 2-1、内定子铁心2-4、内气隙、导磁块3-1、外气隙、外定子1、外气隙、导磁块3-1、内 气隙、内定子铁心2-4、钕铁硼永磁体2-1。通过改变磁脉冲电流的大小，可灵活改变可充 去磁的铝镍钴永磁体2-2的磁化水平，即可改变混合永磁磁场的强弱，从而可对电机进行 增磁升矩或弱磁增速。图6所示磁通路径为铝镍钴永磁体2-2与钕铁硼永磁体2-1的磁通 方向相反时，即铝镍钴永磁体2-2极限去磁至反向充磁，钕铁硼永磁体2-1将被铝镍钴永 磁体2-2大量短路，该短路磁回路的路径次序为：第一个铝镍钴永磁体2-2、导磁桥2-5、 第二个铝镍钴永磁体2-2、内定子铁心2-4、钕铁硼永磁体2-1、内定子铁心2-4、第一个 铝镍钴永磁体2-2，这使得气隙磁场磁通密度进一步降低，从而实现扩宽电机调速范围的 目的。

参见图7，在铝镍钴永磁体2-2的铝镍钴充磁方向与钕铁硼永磁体2-1的钕铁硼充磁 方向一致时，即该电机正常运行情况下的空载等效磁路，为尽可能的消除钕铁硼永磁与铝 镍钴永磁之间的交叉耦合现象，两种永磁体的等效磁动势应大致相等，即：

$F_{Cnfb}-\frac{{\Phi }_{nfb}}{{\Lambda }_{nfb}}=F_{Canc}-\frac{{\Phi }_{anc}}{{\Lambda }_{anc}}---\left(1\right)$

其中，F_Canc、F_Cnfb分别为铝镍钴和钕铁硼永磁体的计算磁动势，Λ_anc、Λ_nfb分别为铝镍钴 和钕铁硼永磁体的内磁导，Φ_anc、Φ_nfb分别为铝镍钴和钕铁硼永磁体提供的每极磁通。于 是，设计中，铝镍钴永磁体磁化方向长度l_anc和钕铁硼永磁体磁化方向长度l_nfb需满足约束 公式：

$\frac{l_{nfb}}{l_{anc}}=\frac{H_{Canc}-\frac{B_{anc}}{k_{anc}}}{H_{Cnfb}-\frac{B_{nfb}}{k_{nfb}}}---\left(2\right)$

其中，H_Canc、H_Cnfb分别为铝镍钴和钕铁硼永磁体的矫顽力，k_anc、k_nfb分别为铝镍钴和钕铁 硼永磁体的回复线斜率，定义混和永磁体弱磁系数K：

$K=\frac{{\Phi }_{nfb}+{\Phi }_{anc}}{{\Phi }_{nfb}}=\frac{B_{nfb}{A}_{nfb}+B_{anc}{A}_{anc}}{B_{nfb}{A}_{nfb}}---\left(3\right)$

其中，k_anc、k_nfb分别为铝镍钴和钕铁硼永磁体提供的每极磁通的截面积。

由公式(2)和(3)可知，当已知钕铁硼向外磁路提供的磁通大小及尺寸和弱磁系数 时，即可大致推算出铝镍钴的尺寸。

参见图8，利用有限元仿真分析，可得空载情况下铝镍钴完全反向磁化和完全正向磁 化时的电枢绕组反电势波形图，其反电势有效值由6.2V上升至65.8V，变化幅度高达 1000％，可知本发明电机由于采用的可在线充去磁的铝镍钴永磁体，基于记忆电机的原理， 使得该电机的弱磁能力更强，调磁范围更广。