專利名稱：開關磁通永磁同步電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種開關磁通永磁同步電機，屬于電機技術領域。
背景技術：
在電動汽車上應用的電機主要有異步電機、無刷永磁同步電機和開關磁阻電機。 其中異步電機的矢量調控技術比較成熟，較早應用于電動汽車的驅動系統(tǒng)，具有明顯的優(yōu) 勢，是電動汽車驅動系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。但是異步電機的驅動電路復雜，制造成本高，與無刷 永磁同步電機相比，其效率和功率密度都偏低，正逐步被新型的無刷永磁同步電機所取代。無刷永磁同步電機采用圓柱形徑向磁場結構或盤式軸向磁場結構，具有較高的功 率密度和效率，并且調速范圍寬，是電動汽車用電機中的強有力競爭者。但由于其存在高成 本，弱磁控制差以及加工制造困難等缺陷，影響了它的發(fā)展。嵌入式永磁電機雖在弱磁控制 方面具有優(yōu)勢，但由于其轉子結構復雜及成本高，依然影響其進一步的發(fā)展。同時由于無刷 永磁同步電機將永磁體安裝在轉子上，為了防止轉子高速運行時永磁體受到離心力的作用 而甩落出去，需要采用不銹鋼或非金屬纖維材料制成的固定裝置來對永磁體進行固定，固 定裝置會引起轉子的散熱困難，導致溫升過高，這可能會導致永磁體發(fā)生不可逆退磁、限制 電機出力及減小功率密度等。開關磁阻電機由于結構緊湊牢固，適合高速運行，驅動電路簡單，成本低，性能可 靠，轉速范圍寬且效率高并能夠方便的實現(xiàn)四象限控制，而適用于各種電動車輛的各種工 況下運行。但是由于這種電機設計與控制上存在的缺陷，會造成轉矩脈動大，進而出現(xiàn)較 大的噪聲和振動，功率密度和效率偏低；同時還要配合位置傳感器來使用，造成系統(tǒng)結構復 雜，可靠性降低。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有電動汽車用電機存在的轉矩脈動大及弱磁控制能 力差的問題，提供一種開關磁通永磁同步電機。本發(fā)明包括定子和轉子，定子的內環(huán)表面和轉子的外環(huán)表面之間為氣隙，所述定 子由12塊定子鐵心疊片和12塊永磁體依次相間緊密拼裝成圓筒形，每塊定子鐵心疊片的 徑向截面為開口向內的U型，定子的定子鐵心疊片的U型槽內分布有集中繞組；所述轉子的 外圓周上均勻分布有10個凸極；
所述永磁體的充磁方向為圓周方向，相鄰永磁體的充磁方向沿圓周方向相反。本發(fā)明的優(yōu)點是
本發(fā)明是一種全新設計的電機結構，它采用定子與轉子的雙凸極結構，將永磁體與定 子鐵心疊片相間排列，在定子上采用集中繞組的繞線形式，這種結構形式充分利用了永磁 體的聚磁效應，有利于縮小定子的U型開槽空間和減少永磁體的用量，使電機的總體積變 小，從而降低了電機的成本；由于本發(fā)明中電機定子結構的特殊性，它將永磁體嵌在U型定 子鐵心的疊片之間，集中繞組集中在定子上，使得其電樞反應磁通與永磁磁通在磁路上是并聯(lián)的，而不同于轉子永磁型和一般定子永磁型電機中的串聯(lián)關系，它使電樞反應磁場對 永磁體工作點的擾動很小，提高了電機的電樞電流和負載能力。電機的轉子上既無永磁體 又無繞組，提高了其機械強度，適合高速運行，并能夠允許較高的工作溫度，工作效率高。電機的弱磁控制能力一般通過調節(jié)電流密度有效值和槽滿率來調節(jié)，本發(fā)明電機 所形成的電樞反應磁通與永磁磁通的并聯(lián)結構，能有效避免永磁體的不可逆退磁，所以集 中繞組的電流密度可以選擇較大，使電機適合高速運行，保證電機通過弱磁控制穩(wěn)定運行 在恒定功率區(qū)域，這使電機的弱磁控制能力得到明顯的改善。本發(fā)明中轉子有10個凸極，則其極距所跨的機械角度為36°，這樣每相永磁磁鏈 及相應的反電動勢在36°范圍內接近正弦分布，由此可以采用正弦波電流供電，對本發(fā)明 所述電機采用正弦波控制，采用矢量控制方法控制電機的轉矩，并合理選擇集中繞組的匝 數(shù)、氣隙、永磁體厚度等結構參數(shù)后，可以使電機穩(wěn)定運行，使轉矩波動控制在一定的允許 范圍內。
圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式包括定子和轉子2， 定子的內環(huán)表面和轉子2的外環(huán)表面之間為氣隙，其特征在于所述定子由12塊定子鐵心 疊片1-1和12塊永磁體1-2依次相間緊密拼裝成圓筒形，每塊定子鐵心疊片1-1的徑向截 面為開口向內的U型，定子的定子鐵心疊片1-1的U型槽內分布有集中繞組1-3 ；所述轉子 2的外圓周上均勻分布有10個凸極；
所述永磁體1-2的充磁方向為圓周方向，相鄰永磁體1-2的充磁方向沿圓周方向相反。本實施方式所述電機的制造成本低，結構簡單，它采用無刷電機技術，將永磁體 1-2鑲嵌于相鄰的定子鐵心疊片1-1之間，這種結構，方便于采用定子冷卻的方式來進行永 磁體1-2的冷卻控制，以避免永磁體1-2的高溫退磁。永磁體1-2可采用最簡單的長方體結 構，易于加工和制造，并且安裝容易。轉子2的結構簡單且堅固可靠，無永磁材料，不存在 永磁散熱及固緊問題。所述電機借鑒了開關磁阻電機以及表面封裝永磁電機的結構特點， 它不但具有開關磁阻電機的高可靠性和低成本的特點，同時具有表面封裝永磁電機的高性 能，并且整體性能優(yōu)于表面安裝和內部安裝永磁體的電機，具有很強的市場競爭力。當電機通電旋轉時，轉子2將受到電磁力矩的作用，為防止轉子2在電機軸上打 滑，使轉子2與電機軸之間有一定的過盈量，壓入過盈配合。能夠防止轉子2在電機軸上軸 向竄動。本實施方式所述電機是一種永磁交流電機，除用于混合動力汽車方面的使用，在 HV/EV牽引電機、汽車伺服電機、工業(yè)驅動電機、風力水利發(fā)電機等領域具有非常廣泛的工 業(yè)應用前景。工作過程及原理本發(fā)明所述電機在運行時遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿 著磁阻最小的路徑閉合，因磁場的扭曲會產(chǎn)生切向磁拉力，形成電磁轉矩。在電機運行過程 中，假定轉子極中心線與同一定子極下左、右定子鐵心疊片1-1的中心線重合的位置分別為位置A和位置B，那么當轉子2從位置A移動到位置B的過程中，集中繞組1-3里匝鏈的 磁通在數(shù)量上保持不變，但其方向會隨著轉子2位置的改變而反向，就實現(xiàn)了磁通切換，由 此電機命名為開關磁通永磁同步電機，其每相的永磁磁鏈為雙極性，這是其一大特性。在電機運行過程中，電機的結構特點保證了每相永磁磁鏈及相應的反電勢波形在 1個轉子極距36°內接近正弦波，這使本發(fā)明電機可以采用正弦波電流供電控制的方式運 行，使其在交流驅動領域有良好的應用前景。此外，永磁體1-2置于定子鐵心疊片1-1之間， 產(chǎn)生的高磁阻磁路限制了電樞反應磁通穿過永磁體，并且電樞反應磁通與永磁磁通在磁路 上是并聯(lián)的，能夠有效避免永磁體1-2的高溫不可逆退磁。
具體實施方式
二 本實施方式與實施方式一的不同之處在于所述轉子2由多個冷 軋硅鋼片疊壓而成。其它組成及連接關系與實施方式一相同。轉子2是電機主磁路的導磁體，轉子2由多個冷軋硅鋼片疊壓而成，能夠減小轉 子2的渦流損耗。本實施方式中的轉子2可選擇牌號為DW310-35的冷軋硅鋼片疊壓而成， 它的表面具有良好的絕緣薄膜。DW310-35是一種含碳量極低的硅鐵軟磁合金，硅的含量為 0. 5-4. 5%。加入硅后提高了鐵的電阻率和最大磁導率，降低了矯頑力、鐵心損耗和磁時效， 它能使電機的磁場能量最大的轉化為力矩，降低了熱能的產(chǎn)生，提高了電機的效率。
具體實施方式
三本實施方式與實施方式一的不同之處在于所述定子由多個冷軋 硅鋼片疊壓而成。其它組成及連接關系與實施方式一相同。定子的材質可與轉子2的材質相同，定子的多個冷軋硅鋼片之間通過涂酚醛樹脂 粘結劑的粘結方式，晾干后疊壓，成形。酚醛樹脂是一種堿性碳纖維樹脂復合材料，具有良 好的耐酸性能、力學性能、耐熱性能，防腐蝕，它使定子的多個冷軋硅鋼片的粘結強度高，并 且具有良好的耐熱性能。
具體實施方式
四本實施方式與實施方式一的不同之處在于所述永磁體1-2的材 質為釹鐵硼材料。其它組成及連接關系與實施方式一相同。采用釹鐵硼材料制作永磁體1-2，例如型號為N38H的釹鐵硼材料，它的工作溫度 最高可達120°C。釹鐵硼材料是當前磁性最強的永磁材料，具有體積小、重量輕、磁性強和價 格低的特點，有極高的磁能積和矯力，是混合動力汽車電機重要的功能材料。
具體實施方式
五本實施方式與實施方式一、二、三或四的不同之處在于所述集中 繞組1-3采用高強度聚酯漆包圓銅線繞制而成。其它組成及連接關系與實施方式一、二、三 或四相同。集中繞組1-3采用高強度聚酯漆包圓銅線繞制而成，例如采用QZ-2型高強度聚酯 漆包圓銅線，它的標準直徑為1. 12mm，絕緣等級為B，耐溫可達120°C。本發(fā)明中電機的轉子軸可采用不導磁不銹鋼材料lCrl8Ni9Ti制成，經(jīng)熱處理和 二三次研磨加工后，其裝配部分的表面硬度能達到HV500-HV600，精度可達微米級，表面粗 糙度Ra ( 0. 8um，能夠保證電機轉子2與電機軸的同心度安裝要求。本發(fā)明不局限于上述實施方式，還可以是上述各實施方式中所述技術特征的合理 組合。
權利要求
一種開關磁通永磁同步電機，它包括定子和轉子(2)，定子的內環(huán)表面和轉子(2)的外環(huán)表面之間為氣隙，其特征在于所述定子由12塊定子鐵心疊片(1-1)和12塊永磁體(1-2)依次相間緊密拼裝成圓筒形，每塊定子鐵心疊片(1-1)的徑向截面為開口向內的U型，定子的12塊定子鐵心疊片(1-1)的U型槽內分布有集中繞組(1-3)；所述轉子(2)的外圓周上均勻分布有10個凸極；所述永磁體(1-2)的充磁方向為圓周方向，相鄰永磁體(1-2)的充磁方向沿圓周方向相反。
2.根據(jù)權利要求1所述的開關磁通永磁同步電機，其特征在于所述轉子(2)由多個冷 軋硅鋼片疊壓而成。
3.根據(jù)權利要求1所述的開關磁通永磁同步電機，其特征在于所述定子由多個冷軋 硅鋼片疊壓而成。
4.根據(jù)權利要求1所述的開關磁通永磁同步電機，其特征在于所述永磁體(1-2)的材 質為釹鐵硼材料。
5.根據(jù)權利要求1、2、3或4所述的開關磁通永磁同步電機，其特征在于所述集中繞 組(1-3)采用高強度聚酯漆包圓銅線繞制而成。
全文摘要
開關磁通永磁同步電機，屬于電機技術領域。它解決了現(xiàn)有電動汽車用電機存在的轉矩脈動大及弱磁控制能力差的問題。它包括定子和轉子，定子的內環(huán)表面和轉子的外環(huán)表面之間為氣隙，所述定子由12塊定子鐵心疊片和12塊永磁體依次相間緊密拼裝成圓筒形，每塊定子鐵心疊片的徑向截面為開口向內的U型，定子的定子鐵心疊片的U型槽內分布有集中繞組；所述轉子的外圓周上均勻分布有10個凸極；所述永磁體的充磁方向為圓周方向，相鄰永磁體的充磁方向沿圓周方向相反。本發(fā)明作為電動汽車的驅動電機。
文檔編號H02K1/17GK101860158SQ201010175339
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權日2010年5月18日
發(fā)明者劉繼平, 唐富忠, 張志強, 張星, 燕申武, 索來春, 高立軍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學