專利名稱：寬調(diào)速磁通記憶式定子永磁型電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于永磁無刷電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域，特指一種適合于混合動(dòng)力汽車、電 動(dòng)汽車等需要寬調(diào)速、高效率運(yùn)行應(yīng)用場合的定子永磁型電機(jī)。
背景技術(shù)：
近年來，國際原油價(jià)格持續(xù)飆升，能源問題和環(huán)境污染日益突出。新型節(jié)能 與新能源汽車受到廣泛關(guān)注和重視，其中混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車發(fā)展最為迅猛。 作為混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車的關(guān)鍵執(zhí)行部件之一的車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)性能 的好壞直接影響著混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車的整車性能。以釹鐵硼為主要永磁材 料的稀土永磁電機(jī)具有效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，在車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域，已經(jīng) 引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和高度重視。1993年，美國學(xué)者首次將高性能永磁材料引入開關(guān)磁阻電機(jī)的定子，提出 的一種新型節(jié)能、高效的定子永磁型電機(jī)，該種電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)繼承開關(guān)磁阻電機(jī) 轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)，既無永磁體、又無繞組，機(jī)械強(qiáng)度高，適合高速運(yùn)行；其永磁體位 于定子，易于冷卻，有效避免了永磁體過熱產(chǎn)生的不可逆去磁。國內(nèi)外學(xué)者對該 類電機(jī)研究過程中揭示出定子永磁型電機(jī)與永磁同步電機(jī)、無刷直流電機(jī)等轉(zhuǎn)子 永磁型電機(jī)相似，具有效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，但同樣存在氣隙磁場難以調(diào) 節(jié)，調(diào)速范圍窄等不足，在電動(dòng)汽車等需寬調(diào)速(調(diào)速范圍不低于5倍基速)運(yùn)行 場合的應(yīng)用受到一定限制。如何實(shí)現(xiàn)定子永磁型電機(jī)氣隙磁場的有效調(diào)節(jié)與控 制，成為定子永磁型電機(jī)研究的難點(diǎn)和進(jìn)一步推廣應(yīng)用的瓶頸之一。為了改善和拓寬定子永磁型電機(jī)的調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒功率弱磁控制， 國內(nèi)外學(xué)者對此開展了深入研究，并先后提出了幾種解決方案。第一種方案采用 機(jī)械方法削弱定子永磁型電機(jī)的永磁磁場，原理見圖l?？梢圆捎萌鐖Dl所示的 方法，在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，將永磁體從定子鐵芯中拉出一部分，以削弱永磁磁場。 第二種方案是采用多極抽頭繞組的寬調(diào)速雙凸極電機(jī)永磁電機(jī)，該電機(jī)已獲得中 國發(fā)明專利，專利號為(ZL98111107.6)。該種電機(jī)定子齒套有多級抽頭的集中式 繞組，電機(jī)隨著轉(zhuǎn)速的升高，通過抽頭的切換，將每相繞組的匝數(shù)減少，永磁磁 場在每相繞組中產(chǎn)生的反電勢亦成比例減少，從而拓寬電機(jī)的調(diào)速范圍。第三種 方案是將永磁體用電勵(lì)磁繞組代替，形成電勵(lì)磁式雙凸極電機(jī)，見圖2。利用電勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁場作為電機(jī)的主磁場，通過調(diào)節(jié)電勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流的大 小，可實(shí)現(xiàn)對氣隙磁場的調(diào)節(jié)與控制，拓寬電機(jī)的調(diào)速范圍。第一種方案屬于機(jī)械型，需要專門工具和控制裝置，操作相對困難，實(shí)用價(jià) 值不大。第二種方案結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，具有一定的實(shí)用性，但在電機(jī)寬調(diào)速 運(yùn)行過程中需要頻繁切換電樞繞組的控制匝數(shù)，電樞繞組中會(huì)出現(xiàn)較大的電壓、 電流的變化率，需要專門的續(xù)流或能量回饋電路，控制成本相對增加。方案三中， 通過改變勵(lì)磁電流的大小，雖然能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的寬調(diào)速運(yùn)行，但由于該電機(jī)沒有采 用高性能的永磁材料，只采用電勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，存在持續(xù)的電勵(lì)磁 損耗，而且由于勵(lì)磁繞組占用的空間較大，電機(jī)的功率密度和效率均難以提高， 該類電機(jī)在混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車等運(yùn)行場合，應(yīng)用也受到一定的限制。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種真正意義上的寬調(diào)速、高效率的磁通記憶式定子永 磁型電機(jī)，將解決定子永磁型電機(jī)氣隙磁場難以調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍窄，恒功率運(yùn)行 區(qū)效率低等的不足，特別適合于混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車等需寬調(diào)速、高效率運(yùn) 行的場合。一種寬調(diào)速磁通記憶式定子永磁型電機(jī)，由定子、轉(zhuǎn)子、電樞繞組和釹鐵硼 永磁體組成，其特征在于保留原有釹鐵硼永磁體，并在定子上增加鋁鎳鈷永磁 體以及用來調(diào)節(jié)鋁鎳鈷永磁體磁場強(qiáng)度和磁通密度的磁化繞組。上述的寬調(diào)速磁通記憶式定子永磁型電機(jī)，設(shè)電機(jī)的相數(shù)為m，定子齒數(shù)為M，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為w，釹鐵硼永磁體的數(shù)目為p，鋁鎳鈷永磁體的數(shù)目為丄，磁化繞組的匝數(shù)為J，其特征在于定子齒數(shù)A^2mk，轉(zhuǎn)子齒數(shù)A^2Aym，釹鐵硼 永磁體的數(shù)目為i^4k，鋁鎳鈷永磁體的數(shù)目為Z:2k，磁化繞組的數(shù)目J-2k，其 中k為大于或等于l的正整數(shù)。相數(shù)m為l到5內(nèi)的正整數(shù)。上述的寬調(diào)速磁通記憶式定子永磁型電機(jī)，其特征在于每2塊釹鐵硼永磁 體之間放置1塊鋁鎳鈷永磁體。上述的寬調(diào)速磁通記憶式定子永磁型電機(jī)，其特征在于釹鐵硼永磁體和鋁鎳鈷永磁體為徑向充磁的永磁體。在該電機(jī)中用來調(diào)節(jié)鋁鎳鈷永磁體的磁場強(qiáng)度和磁通密度的繞組可定義為 磁化繞組。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在磁化繞組兩端加一大小和幅值可調(diào)節(jié)的電壓，可以在磁化繞組中獲得不同大小和方向的電流，這里可定義為磁化電流。當(dāng)磁化電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢方向與鋁鎳鈷永磁體磁化方向相同時(shí)，能增加鋁鎳鈷永磁體的磁化強(qiáng)度；當(dāng)磁化繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢方向與鋁鎳鈷永磁體磁化方向相反時(shí)，能減少鋁鎳鈷永磁體的磁化強(qiáng)度。所以，通過改變磁化繞組端電壓和磁化電流大小和方向，能在線調(diào)節(jié)鋁鎳鈷永磁體的磁化強(qiáng)度和磁通密度等級，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的氣隙磁場的在線調(diào)節(jié)與控制。有益效果1. 電機(jī)定子上的釹鐵硼永磁體和鋁鎳鈷永磁體產(chǎn)生的永磁磁場在氣隙中是 迭加的，共同作用形成電機(jī)的氣隙磁場。保留原有的釹鐵硼永磁體，保 證了電機(jī)具有較大的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，鋁鎳鈷永磁體磁化強(qiáng)度能在 線調(diào)節(jié)的特性，使得電機(jī)氣隙磁場不但平滑可調(diào)而且調(diào)節(jié)范圍很大，使 該電機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍；2. 本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是磁化繞組的直接引入，與采用電樞電流的直軸磁 化分量進(jìn)行磁場調(diào)節(jié)的控制方法相比，磁場調(diào)節(jié)手段簡單、直接，而且 有效避免了與電樞繞組之間的耦合；3. 磁化繞組在線去磁(或充磁)持續(xù)時(shí)間短，效率高；4. 控制磁化電流的大小和方向， 一方面實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的弱磁控制，使電機(jī)具 有寬廣的調(diào)速范圍；同時(shí)還可以進(jìn)行增磁控制，滿足電動(dòng)汽車快速起動(dòng)、 爬坡以及緊急制動(dòng)所需的大轉(zhuǎn)矩的要求。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用高性能釹鐵硼永磁體和磁化強(qiáng)度可在線調(diào)節(jié)的鋁鎳鈷 永磁體共同形成電機(jī)磁場的方法，在定子永磁型電機(jī)中首次引入了鋁鎳鈷永磁體 和磁化繞組，使磁通記憶式定子永磁型電機(jī)繼承了定子永磁型電機(jī)的功率密度 大、容錯(cuò)性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又有效解決了定子永磁型電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)弱磁控制、恒 功率調(diào)速范圍較小、恒功率運(yùn)行區(qū)運(yùn)行效率低等不足，使電機(jī)具有寬廣的調(diào)速范 圍的同時(shí)，保持了電機(jī)較高的運(yùn)行效率，適合混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車等應(yīng)用場 合，具有一定的科研和利用價(jià)值。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)械式弱磁定子永磁型電機(jī)。 l釹鐵硼永磁體；2定子；3轉(zhuǎn)子；4電樞繞組；5拖動(dòng)裝置圖2是現(xiàn)有技術(shù)的磁場可調(diào)電勵(lì)磁式雙凸極電機(jī)。 2定子；3轉(zhuǎn)子；4電樞繞組；6電勵(lì)磁繞組；7軸圖3為本發(fā)明的12/8極磁通記憶式定子永磁型電機(jī)的截面示意圖。l釹鐵硼永磁體；2定子；3轉(zhuǎn)子；4電樞繞組；7軸；8鋁鎳鈷永磁體；9磁化繞組具體實(shí)施方式
本發(fā)明是在高性能定子永磁型電機(jī)的基礎(chǔ)上，保留抗去磁能力強(qiáng)的高性能釹 鐵硼永磁體，增加增加剩磁密度高、但矯頑力較低的鋁鎳鈷永磁體，在電機(jī)不同 的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)通過控制磁化電流的大小和方向，對電機(jī)進(jìn)行磁場調(diào)節(jié)與控制，進(jìn) 一步拓寬了定子永磁型電機(jī)的應(yīng)用場合和范圍。圖3為本發(fā)明的12/8極磁通記憶式定子永磁型電機(jī)的截面示意圖，這里電 機(jī)相數(shù)111=3， k=2，則電機(jī)的定子齒A^12，轉(zhuǎn)子齒為iV嚴(yán)8，釹鐵硼永磁體數(shù)目 尸=8，鋁鎳鈷永磁體數(shù)目X=4，磁化繞組數(shù)目J-4。電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，便于 與電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)軸相聯(lián)結(jié)。定子2上有12個(gè)均勻分布的齒，轉(zhuǎn)子3上有8個(gè)均 勻分布的齒。采用硅鋼片按圖3中定、轉(zhuǎn)子形狀沖成定子沖片和轉(zhuǎn)子沖片，用足 量的沖片疊壓成定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心。在定子2上嵌入8塊釹鐵硼永磁體1和4 塊鋁鎳鈷永磁體8，每兩塊釹鐵硼永磁體1之間放置1塊鋁鎳鈷永磁體8。在每 個(gè)定子齒上套一個(gè)線圈，處于空間相同位置齒上的線圈經(jīng)串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相電 樞繞組4， 12個(gè)定子齒上的線圈共組成三相電樞繞組。在定子2上的永磁體釹鐵 硼1和8內(nèi)側(cè)設(shè)有磁化繞組9。兩種永磁體均采用徑向充磁，兩種永磁材料用量 根據(jù)電機(jī)的功率以及調(diào)速范圍等性能指標(biāo)確定。以一臺(tái)額定功率PN=750W，調(diào)速范圍a不小于5的12/8極磁通記憶式定子 永磁型電機(jī)為例，主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為額定速度為1500r/m，電樞繞組額定電壓為42V，電樞額定電流為20A，磁 化繞組額定電壓為42V，磁化繞組電流范圍為(-6A—+6A)。定子內(nèi)徑78mm，硅鋼片疊片長80mm,氣隙厚度0.5mm，定子極弧 20°，轉(zhuǎn)子極弧15。，定子極高15mm,轉(zhuǎn)子極高6.5mm，每相電樞繞組匝數(shù) 200匝，磁化繞組匝數(shù)100匝，每塊釹鐵硼永磁體尺寸8wmx80wwx4.57ww， 每塊鋁鎳鈷永磁體尺寸8wwx80wmx7.5/ww ，每一個(gè)磁化繞組匝數(shù)100匣。定、轉(zhuǎn)子均采用厚為0.5mm的硅鋼片疊壓。
電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)(小于100r/m)，可調(diào)節(jié)磁化繞組兩端的電壓產(chǎn)生較大的磁 化電流(如+4A的磁化電流)，增強(qiáng)電機(jī)的鋁鎳鈷永磁體的磁化強(qiáng)度，獲得更大 的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，有效提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能；電機(jī)在基速以上(大于1500r/m)高速 運(yùn)行時(shí)，可改變磁化繞組電壓和磁化電流的方向(如-6A磁化電流)，減弱電機(jī)鋁 鎳鈷永磁體的磁化強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的弱磁升速運(yùn)行，能拓寬電機(jī)的調(diào)速范圍。由 于鋁鎳鈷永磁體在線磁化的時(shí)間較短，磁化繞組的損耗可以忽略不計(jì)，使該電機(jī) 具有寬調(diào)速范圍的同時(shí)，保持了較高的運(yùn)行效率。
權(quán)利要求
1、一種寬調(diào)速磁通記憶式定子永磁型電機(jī)，由定子(2)、轉(zhuǎn)子(3)、電樞繞組(4)和釹鐵硼永磁體(1)組成，其特征在于保留原有釹鐵硼永磁體(1)，并在定子(2)上增加鋁鎳鈷永磁體(8)以及用來調(diào)節(jié)鋁鎳鈷永磁體(8)磁場強(qiáng)度和磁通密度的磁化繞組(9)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬調(diào)速磁通記憶式定子永磁型電機(jī)，其特征在于 設(shè)電機(jī)的相數(shù)為m，定子(2)齒數(shù)為A^，轉(zhuǎn)子(3)齒數(shù)為7V,，釹鐵硼永磁體(O的數(shù)目為尸，鋁鎳鈷永磁體(8)的數(shù)目為Z，磁化繞組(9)的匝數(shù)為J， 定子(2)齒數(shù)7V,2mk，轉(zhuǎn)子(3)齒數(shù)iV,=2AVm，釹鐵硼永磁體(1)的數(shù)目 為尸-4k，鋁鎳鈷永磁體(8)的數(shù)目為i^2k，磁化繞組(9)的數(shù)目^2k，其中 k為大于或等于l的正整數(shù)，相數(shù)m為1到5內(nèi)的正整數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬調(diào)速磁通記憶式定子永磁型電機(jī)，其特征在于 每2塊釹鐵硼永磁體(1)之間放置l塊鋁鎳鈷永磁體(8)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬調(diào)速磁通記憶式定子永磁型電機(jī)，其特征在于 釹鐵硼永磁體(1)和鋁鎳鈷永磁體(8)為徑向充磁的永磁體。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的寬調(diào)速磁通記憶式定子永磁型電機(jī)，其特征在于 在磁化繞組(9)兩端加一大小和幅值可調(diào)節(jié)的電壓。
全文摘要
本發(fā)明屬于永磁無刷電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域，特指一種適合于混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車等需要寬調(diào)速、高效率運(yùn)行應(yīng)用場合的定子永磁型電機(jī)，其由定子、轉(zhuǎn)子、電樞繞組和釹鐵硼永磁體組成，其特征在于保留原有釹鐵硼永磁體，并在定子上增加鋁鎳鈷永磁體以及用來調(diào)節(jié)鋁鎳鈷永磁體磁場強(qiáng)度和磁通密度的磁化繞組，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在定子永磁型電機(jī)中首次引入了鋁鎳鈷永磁體和磁化繞組，使磁通記憶式定子永磁型電機(jī)繼承了定子永磁型電機(jī)的功率密度大、容錯(cuò)性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又有效解決了定子永磁型電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)弱磁控制、恒功率調(diào)速范圍較小、恒功率運(yùn)行區(qū)運(yùn)行效率低等不足。
文檔編號H02K3/28GK101325349SQ200810023409
公開日2008年12月17日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者朱孝勇, 明 程 申請人:江蘇大學(xué)