專利名稱：電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機，屬于電機技術 領域。
背景技術：
隨著稀土永磁材料的發(fā)展，永磁同步發(fā)電機的應用越來越廣泛。與電 勵磁的同步電機相比，永磁勵磁無需勵磁繞組，具有結(jié)構簡單、運行可靠、 體積小、效率高、功率密度高等優(yōu)點。但其最大的缺點是永磁勵磁無法調(diào) 節(jié)，作為電動機，無法通過調(diào)節(jié)勵磁達到弱磁擴速、獲得寬廣的恒功率調(diào)
速；作為發(fā)電機，由于轉(zhuǎn)子永磁體的高矯頑力，使發(fā)電機的輸出電壓無法 調(diào)節(jié)，當負載或轉(zhuǎn)速變化時，永磁同步發(fā)電機難以保持恒壓，因此在電動 汽車中的應用受到限制。復合勵磁永磁同步發(fā)電機較好地解決了永磁電機 勵磁調(diào)節(jié)困難以及電勵磁電機效率低的問題，具有永磁體和勵磁電流兩種 磁源，融合了兩者的優(yōu)點，利用永磁體和電勵磁繞組組合勵磁，對氣隙磁 進行控制，調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓。氣隙磁場的主要部分由稀土永磁體建立， 而電壓調(diào)節(jié)所需的磁場變化部分由輔助的電勵磁繞組來實現(xiàn)。
目前各種結(jié)構的復合勵磁同步電機，各自存在以下缺陷如爪極電勵
磁永磁同步電機、徑向/軸向復合勵磁同步電機和環(huán)形定子橫向磁通電機
等，電勵磁磁路附加氣隙多，軸向磁場受電機直徑的制約，電機結(jié)構復雜； 同步/永磁復合勵磁電機電壓諧波多，轉(zhuǎn)矩波動大；同步/永磁復合勵磁 電機和組合轉(zhuǎn)子復合勵磁電機可靠性和效率較低；組合轉(zhuǎn)子復合勵磁電機 鐵磁損耗隨速度顯著增大；永磁軸向分段式電機，即永磁主發(fā)部分和電勵磁輔發(fā)部分通過轉(zhuǎn)軸共用一套定子鐵心連接，結(jié)構有多種多樣，但實際上 在軸向是兩臺電機，體積、重量增加；后兩種電機均為表面安裝式永磁，
磁場調(diào)節(jié)、弱磁擴速困難，并且沒有極靴保護，存在去磁危險，調(diào)壓性能 差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種電動汽車用復合
勵磁永磁同步發(fā)電機(HESG)，確保發(fā)電機負載變化時輸出電壓恒定，具 有良好的波形。
本發(fā)明的目的通過以下技術方案來實現(xiàn)
電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機，所述電機包括機殼和機殼內(nèi)的 定子和轉(zhuǎn)子，定子包括固定在機殼內(nèi)壁的定子鐵芯和定子繞組，定子鐵芯
包括定子磁軛、定子槽和定子齒，轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子鐵芯，特點是所
述轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)圓周方向設有輔助電勵磁繞組和內(nèi)置式v型磁鋼，永磁體作
用的磁路與電勵磁作用的磁路在轉(zhuǎn)子極面聯(lián)成一體，兩者磁路各自獨立，
共用一套定子鐵芯(電樞)；電樞感應電勢由永磁體和輔助電勵磁繞組共 同產(chǎn)生，達到輸出端電壓高效節(jié)能、高精度調(diào)節(jié)的目的，V型內(nèi)置式永磁 有顯著的聚磁效應，可增加輸出電壓8%。
所述內(nèi)置式V型磁鋼與極靴構成永磁極，所述輔助電勵磁繞組與該繞 組間的鐵心構成勵磁極；相鄰反極性的磁極不是自身勵磁或者設置磁鋼構 成，而是磁通回路在轉(zhuǎn)子鐵芯8形成的鐵心極10，實際極數(shù)和電機特性， 取決于輔助電勵磁繞組7產(chǎn)生的勵磁極的勵磁方式設發(fā)電機極數(shù)為2P， 則勵磁極數(shù)為P/2，永磁極數(shù)為P/2;如果輔助電勵磁繞組7通入正向勵磁 電流+Ie，即電勵磁繞組產(chǎn)生的極性與永磁極性相同，則HESG形成對稱 2P極的磁場，勵磁磁場在定子繞組感應的電勢應與永磁磁場感應的電勢相 加，輸出電壓與功率最大；如果勵磁繞組不勵磁，Ie=0，則HESG形成非 對稱P極的磁場，通過定子的磁通不為零，此時，感應的電勢不為零，有少量輸出電壓與功率；如果勵磁繞組通入反向勵磁電流-Ie，即電勵磁繞組
產(chǎn)生的極性與永磁極性相反，則HESG形成對稱P極的磁場。
進一步地，上述的電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機，其中，所述
內(nèi)置式v型磁鋼為分段式結(jié)構，與v型整體磁鋼相比，每段磁鋼質(zhì)量僅為
整體磁鋼1/3，大幅度減小發(fā)電機高速運行時對磁鋼槽的應力和離心力，
有利于發(fā)電機高速運行。
更進一步地，上述的電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機，其中，所
述內(nèi)置式V型磁鋼間的極靴設置有孔穴，所述孔穴中填充樹脂，減輕轉(zhuǎn)子 重量和應力，避免轉(zhuǎn)子高速變形。
更進一步地，上述的電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機，其中，所 述內(nèi)置式V型磁鋼間的極靴中心徑向開槽，形成極靴槽，極靴槽中填充非 磁性良導體(銅條)，負載突然增加時，在銅導體上產(chǎn)生渦流，阻礙磁通 上升，抑制靜態(tài)、動態(tài)電樞反應，避免磁鋼去磁危險，改善輸出電壓波形， 提高氣隙磁密，提高輸出功率。
再進一步地，上述的電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機，所述轉(zhuǎn)子 同時帶有直流勵磁繞組和內(nèi)置式V型永磁，功率密度和可靠性高，但內(nèi)置 式永磁磁場的非線性和漏磁增加，為減小漏磁，內(nèi)置式V型磁鋼兩端設置 隔磁槽，減少漏磁，減少鐵心損耗，提高氣隙磁密25%、過載能力和輸出 功率，使HESG能高功率密度、高速、高精度、小型輕量化平穩(wěn)運行。
本發(fā)明技術方案突出的實質(zhì)性特點和顯著的進步主要體現(xiàn)在
① 本發(fā)明輔助勵磁繞組與內(nèi)置式V型永磁磁極間有良好的導磁通道，
勵磁磁通小e很方便通過氣隙，直流勵磁調(diào)壓性能優(yōu)良；
② 本發(fā)明轉(zhuǎn)子同時帶有直流勵磁繞組和內(nèi)置式v型永磁，輔助電勵磁
部分與永磁部分共用一套定子鐵心(電樞)，結(jié)構緊湊，功率密度和可靠
性高；直流勵磁繞組通入正反向勵磁電流時其感應電勢應與永磁磁場感應 的電勢相加減，實現(xiàn)輸出端電壓高效節(jié)能、高精度調(diào)節(jié)；③本發(fā)明轉(zhuǎn)子內(nèi)采用分段磁鋼、極靴內(nèi)設置樹脂填充的孔穴、開極靴 槽、開隔磁槽等措施，有利于發(fā)電機高效、高速運行，既具有永磁同步發(fā) 電機的優(yōu)點，又方便的解決了永磁發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)問題，同時具備永磁 體勵磁和電勵磁兩種勵磁方式；
體積小、結(jié)構簡單和運行可靠，電勵磁部分損耗小，具有永磁發(fā)電 機高效節(jié)能的特點，通過調(diào)節(jié)電勵磁部分來調(diào)節(jié)磁通，達到了調(diào)壓的目的，
過載能力強、負載范圍寬、輸出功率可調(diào)；與傳統(tǒng)的發(fā)電機相比，性能指 標顯著提高。該發(fā)電機電壓調(diào)整率小，并可全自動調(diào)壓，具有接近水平的 外特性。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術方案作進一步說明
圖l:電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機(HESG)原理示意圖； 圖2:電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機永磁轉(zhuǎn)子原理示意圖； 圖3:電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機外特性示意圖； 圖4:帶V型分段(6段)磁鋼和極靴孔穴的電動汽車用HESG剖面
圖5:帶V型分段(6段)磁鋼和極靴槽的電動汽車用HESG剖面圖; 圖6:復合勵磁永磁同步發(fā)電機感應電勢曲線。 圖中各附圖標記的含義見下表
附圖 標記含義附圖 標記含義附圖 標記含義
1定子2定子磁軛3定子槽
4定子齒5氣隙6內(nèi)置式V型磁鋼
6a內(nèi)置式v型分段磁 鋼7輔助電勵磁繞組8轉(zhuǎn)子鐵心
9轉(zhuǎn)軸10鐵心極11極靴附圖 標記含義附圖 標記含義附圖 標記含義
12導磁橋13孔穴14隔磁槽
15極靴槽小m永磁磁通小e電勵磁磁通
AO電勵磁電流為IN時 的外特性曲線Al電勵磁電流為Imax 時的外特性曲線A2電勵磁電流為Ii 時的外特性曲線
E0空載感應電勢Ie電勵磁電流
具體實施例方式
如圖1所示，電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機(HESG)，電機包 括機殼和機殼內(nèi)的定子和轉(zhuǎn)子，定子包括固定在機殼內(nèi)壁的定子鐵芯1和 定子繞組，定子鐵芯包括定子磁軛2、定子槽3和定子齒4，轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn) 軸9和轉(zhuǎn)子鐵芯8，定轉(zhuǎn)子間形成氣隙5，其中，轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)圓周方向設 有輔助電勵磁繞組7和內(nèi)置式V型磁鋼6。兩者磁路各自獨立，共用一套 定子鐵芯(電樞)。電樞感應電勢由永磁體和輔助電勵磁繞組共同產(chǎn)生， 調(diào)節(jié)電勵磁繞組中直流勵磁電流的大小與方向，可方便調(diào)節(jié)氣隙磁場，保 持其端電壓恒定，達到輸出端電壓高效節(jié)能、高精度調(diào)節(jié)的目的。V型內(nèi) 置式磁鋼有顯著的聚磁效應，可增加輸出電壓8%。當原動機的轉(zhuǎn)速、負 載或環(huán)境溫度等條件發(fā)生變化時，HESG的端電壓也隨之變化。要保持其 端電壓恒定，需在輔助電勵磁調(diào)節(jié)器的作用下給勵磁繞組7通入直流勵磁 電流If來調(diào)節(jié)氣隙磁場，保持其端電壓恒定；當勵磁電流建立的磁場極性 與永磁磁場極性相同時為正向勵磁，相反時為反向勵磁；即通入正向勵磁 電流時其磁場在定子繞組感應的電勢應與永磁磁場感應的電勢相加，通入 反向勵磁電流時其感應電勢應與永磁磁場感應的電勢相減，達到輸出端電 壓高效節(jié)能、高精度調(diào)節(jié)的目的。
內(nèi)置式V型磁鋼6與極靴構成永磁極，輔助電勵磁繞組7與該繞組間 的鐵心構成勵磁極，相鄰反極性的磁極不是自身勵磁或者設置磁鋼構成，而是磁通回路在轉(zhuǎn)子鐵芯8形成的鐵心極10。通過電勵磁繞組通入正反向 直流勵磁電流時其感應電勢與永磁磁場感應的電勢相加減，來調(diào)節(jié)發(fā)電機 輸出端電壓。圖2中(f)m和(J)e分別為永磁磁通和輔助電勵磁磁通，箭頭方向 為磁通路徑走向。實際極數(shù)和電機特性，取決于輔助電勵磁繞組7產(chǎn)生的 勵磁極的勵磁方式設發(fā)電機極數(shù)為2P，則勵磁極數(shù)為P/2，永磁極數(shù)為 P/2;如果輔助電勵磁繞組7通入正向勵磁電流+Ie，即如圖2所示，電勵
磁繞組產(chǎn)生的極性與永磁極性相同，則HESG形成對稱2P極的磁場，勵 磁磁場在定子繞組感應的電勢應與永磁磁場感應的電勢相加，輸出電壓與 功率最大；如果勵磁繞組不勵磁，Ie=0，則HESG形成非對稱P極的磁場， 通過定子的磁通不為零，此時，感應的電勢不為零，有少量輸出電壓與功 率；如果勵磁繞組通入反向勵磁電流-Ie，即電勵磁繞組產(chǎn)生的極性與永磁 極性相反，則HESG形成對稱P極的磁場。
輔助電勵磁繞組之間的鐵心段和鐵心極10徑向截面積優(yōu)化，在發(fā)電 機小型輕量化設計原則下，控制轉(zhuǎn)子鐵心磁路飽和程度，使勵磁磁通和永 磁磁通形成良好的磁回路進行調(diào)控輸出電壓。
HESG在恒定轉(zhuǎn)速下即使無勵磁電流，定子繞組也有很小的感應電壓。 HESG高速運行時，即使勵磁電流為零，也有足夠的輸出電壓和電流，不 需要電勵磁或者可顯著減小勵磁電流，以提高發(fā)電機效率。輸出電壓的調(diào) 控，不是傳統(tǒng)上的兩步控制策略，即平均勵磁電流不是通過周期性的通/ 斷轉(zhuǎn)換來控制，而是通過調(diào)節(jié)勵磁電流Ie的大小和正反向。
圖3示意了電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機外特性，外特性曲線 A0為額定點(IN， UN)，定子空載感應電勢為EQ;當負載電流增加到Imax 時，HESG輸出電壓要下降，為了保持恒定的輸出電壓，需要加大電勵磁 電流，使感應電勢增加到E(H，外特性上移為曲線A1，過(Imax, UN)點； 當負載電流減少到L時，HESG輸出電壓要增加，為了保持恒定的輸出電 壓，使電勵磁電流反向，此時定子空載感應電勢減少為E。2，外特性下移0 lmax變化，通 過調(diào)節(jié)勵磁電流Ie的大小和正反向，保持HESG輸出電壓Un恒定。
圖4示意了帶V型分段(6段)磁鋼和極靴孔穴的電動汽車用HESG 剖面，圖5示意了帶V型分段(6段)磁鋼和極靴槽的電動汽車用HESG 剖面。d軸為永磁極中心線，q軸為相鄰永磁極中心線，極弧角為a，箭頭 為分段磁鋼磁場方向。內(nèi)置式V型磁鋼6為分段式結(jié)構，即永磁轉(zhuǎn)子采用 內(nèi)置式V型分段磁鋼6a,內(nèi)置式V型相鄰分段磁鋼之間的鐵心構成導磁 橋12，與V型整體磁鋼相比，每段磁鋼質(zhì)量僅為整體磁鋼1/3，大幅度減 小發(fā)電機高速運行時對磁鋼槽的應力和離心力。內(nèi)置式V型磁鋼間的極靴 11內(nèi)設置由高強度樹脂填充的孔穴13，進一步減輕轉(zhuǎn)子重量和應力，避免 轉(zhuǎn)子高速變形。永磁轉(zhuǎn)子采用極靴11中心徑向開槽，即極靴槽15，極靴 槽15內(nèi)填充非磁性良導體，非磁性良導體一般選用銅條，負載突然增加 時，在銅導體上產(chǎn)生渦流，阻礙磁通上升，抑制靜態(tài)、動態(tài)電樞反應，避 免磁鋼去磁危險，改善輸出電壓波形，提高氣隙磁密，提高輸出功率。內(nèi) 置式V型磁鋼6兩端設置隔磁槽14，減少漏磁，減少鐵心損耗，提高氣隙 磁密25%,增加輸出功率，使HESG能高功率密度、高速、高精度平穩(wěn)運 行。
圖6為復合勵磁永磁同步發(fā)電機感應電勢曲線，曲線表明通過增加
電勵磁電流Ie，感應電勢E線性增加，由于鐵心飽和，感應電勢E曲線逐
漸趨于平坦，直到不再增加。如果增加反向電勵磁電流-Ie，則感應電勢E 減小，直到HESG最后成為P/2極電機。圖6曲線中，M區(qū)與N區(qū)分別為 永磁磁場與輔助電勵磁繞組產(chǎn)生的磁場同向和反向。
綜上所述，本發(fā)明電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機(HESG)同 時具備永磁勵磁和電勵磁兩種勵磁方式，集永磁同步發(fā)電機和電勵磁同步 發(fā)電機的優(yōu)點于一體，具有較寬的電壓調(diào)節(jié)能力或?qū)挿秶兯俸銐撼瞿?力。其氣隙磁場可以在轉(zhuǎn)速、負載及環(huán)境溫度等條件改變時進行調(diào)節(jié)，維
9持HESG系統(tǒng)輸出電壓恒定，達到高精度調(diào)壓的目的。適用于對電壓穩(wěn)定
性要求較高的應用場合，可以作為電動汽車蓄電池動態(tài)充電電源、備用電 源或獨立供電電源使用，在電動汽車、城市輕軌、電力機車、電動裝甲車、 電動坦克、艦艇和航空航天等領域具有廣泛的發(fā)展與應用前景。
以上僅是本發(fā)明的具體應用范例，對本發(fā)明的保護范圍不構成任何限 制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術方案，均落在本發(fā)明權利 保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機，所述電機包括機殼和機殼內(nèi)的定子和轉(zhuǎn)子，定子包括固定在機殼內(nèi)壁的定子鐵芯(1)和定子繞組，定子鐵芯包括定子磁軛(2)、定子槽(3)和定子齒(4)，轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸(9)和轉(zhuǎn)子鐵芯(8)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)圓周方向設有輔助電勵磁繞組(7)和內(nèi)置式V型磁鋼(6)，所述內(nèi)置式V型磁鋼(6)與極靴構成永磁極，所述輔助電勵磁繞組(7)與繞組間的鐵心構成勵磁極。
2. 根據(jù)權利要求1所述的電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機，其 特征在于所述內(nèi)置式V型磁鋼(6)為分段式結(jié)構。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機， 其特征在于所述內(nèi)置式V型磁鋼間的極靴設置有孔穴(13)，所述孔穴(13)中填充樹脂。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機， 其特征在于所述內(nèi)置式V型磁鋼間的極靴中心徑向開槽，形成極靴槽(15)，極靴槽(15)中填充非磁性良導體。
5. 根據(jù)權利要求4所述的電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機，其 特征在于所述非磁性良導體為銅條。
6. 根據(jù)權利要求1或2所述的電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機， 其特征在于所述內(nèi)置式V型磁鋼兩端設置隔磁槽(14)。
全文摘要
本發(fā)明涉及電動汽車用復合勵磁永磁同步發(fā)電機，在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)圓周方向設有輔助電勵磁繞組和內(nèi)置式V型磁鋼，內(nèi)置式V型磁鋼與極靴構成永磁極，輔助電勵磁繞組與繞組間的鐵心構成勵磁極。由永磁體和輔助電勵磁繞組共同產(chǎn)生電樞感應電勢，調(diào)節(jié)電勵磁繞組中直流勵磁電流的大小與方向，可方便調(diào)節(jié)氣隙磁場，實現(xiàn)輸出端電壓高效節(jié)能、高精度調(diào)節(jié)；同時，永磁轉(zhuǎn)子采用V型分段磁鋼，并在極靴內(nèi)設置孔穴，以減輕轉(zhuǎn)子重量，避免轉(zhuǎn)子高速變形；極靴中心徑向開槽并填充非磁性良導體，V型磁鋼兩端設置隔磁槽，以抑制靜態(tài)、動態(tài)電樞反應，改善輸出電壓波形，提高氣隙磁密，減少漏磁，提高輸出功率；該發(fā)電機能高功率密度、高速、高精度平穩(wěn)運行。
文檔編號H02K21/14GK101662197SQ20091003537
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月17日 優(yōu)先權日2009年9月17日
發(fā)明者林德芳, 崗 胡, 胡溢文, 鋒 陳 申請人:蘇州工業(yè)園區(qū)美能新能源有限公司;蘇州工業(yè)園區(qū)和鑫電器有限公司