[发明专利]电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁无刷电机，属于电机制造及控制领域，特指一种适合于牵引混合动力汽车、电动汽车等应用场合需要宽调速、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

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：

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。

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。

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。

因此，如何获得高效率、高功率密度、宽调速运行范围的永磁无刷电机成为当前车用永磁无刷电机领域中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、直轴电感大于交轴电感、具有高效率、高功率密度、宽调速运行范围的电动汽车牵引永磁无刷电机，以解决传统内置式永磁无刷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等问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明包括定子、转子和转轴，转子同轴位于定子内部且之间具有气隙，转子的中心处连接转轴，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，外层靠近气隙，内层靠近转轴；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。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1、本发明在转子交轴磁路上增加磁障或气隙，同时在直轴磁路上采用分段分层式弧形永磁磁钢和导磁磁桥的结构，使得电机的直轴电感大于交轴电感，在保留永磁无刷电机高效率、高功率密度的同时，使得电机低速或启动时可采用与传统永磁表贴式电机相类似的直轴电流为零的控制方式，也可采用直轴磁场增强控制方法，满足电机大转矩性能要求，有效避免了电机低速、重载运行条件下较大的电枢反应所产生的去磁电流对永磁磁钢带来的不可逆退磁风险；电机在高速运行时可采用直轴磁场增强与轻度直轴磁场削弱相协调控制的方法，这与传统内置式永磁无刷电机相比，采用同样大小的弱磁直轴电流，能使本发明具有更加宽广的调速范围，提高了电机的驱动性能和可靠性。