一種少稀土類多勵磁源雙定子磁通切換記憶電機(jī)的制作方法

本發(fā)明屬于電機(jī)本體設(shè)計(jì)及其工作原理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電機(jī)，特別是涉及一種用于電動汽車的少稀土類多勵磁源雙定子磁通切換記憶電機(jī)的本體設(shè)計(jì)技術(shù)。

背景技術(shù)：

稀土永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、功率密度大的特點(diǎn)，是新能源車用驅(qū)動電機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)，也是國內(nèi)外新能源汽車廠商們主流的選擇。近年來，一類永磁體位于定子的磁通切換永磁電機(jī)，其結(jié)構(gòu)上特殊的聚磁效應(yīng)可以使得電機(jī)的功率密度更高，其轉(zhuǎn)子上既無永磁體也無繞組，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、轉(zhuǎn)動慣量更小，磁通切換永磁電機(jī)在電動汽車應(yīng)用領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢吸引了越來越多相關(guān)學(xué)者的注意。然而，現(xiàn)有技術(shù)的磁通切換永磁電機(jī)中，稀土永磁材料的用量普遍較大，稀土永磁材料的供應(yīng)源不穩(wěn)和價(jià)格上漲，造成該類電機(jī)制造成本過高，這也為稀土永磁電機(jī)在新能源汽車領(lǐng)域的大規(guī)模推廣和應(yīng)用增添了不確定因素。因此越來越多的專家和學(xué)者開始研究稀土永磁電機(jī)中稀土永磁材料的深度利用以及如何有效降低稀土永磁材料的用量。另外，和傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)類似，磁通切換永磁電機(jī)的勵磁源單一，永磁磁場恒定難以調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍十分有限，傳統(tǒng)的通過增設(shè)電勵磁繞組的混合勵磁磁通切換永磁電機(jī)中，持續(xù)施加的電勵磁電流又會帶來額外的弱磁損耗，降低電機(jī)效率。因此如何實(shí)現(xiàn)該類電機(jī)氣隙磁場的有效調(diào)節(jié)也一直是相關(guān)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

為降低磁通切換永磁電機(jī)中稀土永磁材料的用量，中國專利申請?zhí)?01410508547.2發(fā)明專利公開了一種混和永磁體在磁通切換永磁電機(jī)中的應(yīng)用方法，在定子中采用了高磁能積的稀土永磁和非稀土鐵氧體兩種磁性能不同的永磁體，有效降低了稀土永磁材料的用量。然而，為了維持較高的功率密度，獲得足夠的磁通，就必須采用足夠厚度的非稀土鐵氧體材料，在定子空間十分受限的磁通切換永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)下，不易實(shí)現(xiàn)，也會造成電機(jī)制造尺寸的增大。

為實(shí)現(xiàn)對磁通切換永磁電機(jī)氣隙磁場的有效調(diào)節(jié)，中國專利申請?zhí)?01510663688.6發(fā)明專利公開了一種雙定子雙功率繞組聚磁式混合永磁記憶電機(jī)和中國專利申請?zhí)?01510756639.7發(fā)明專利公開了一種組合勵磁型定子分區(qū)式混合永磁磁通切換記憶電機(jī)，均采用了定子分區(qū)式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電樞繞組和永磁體的分離，內(nèi)定子中均采用了高磁能積稀土釹鐵硼和低矯頑力非稀土鋁鎳鈷混合永磁材料，降低稀土永磁材料用量的同時，通過脈沖磁化電流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)鋁鎳鈷永磁體磁化水平的調(diào)節(jié)，從而改變電機(jī)氣隙磁場，達(dá)到擴(kuò)寬電機(jī)調(diào)速范圍的目的。然而，該類電機(jī)中，兩種不同類型的永磁體以及磁化繞組都置于內(nèi)定子，使得內(nèi)定子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而外定子僅繞制電樞繞組，空間利用率低。中國專利申請?zhí)?01510756884.8發(fā)明專利則公開了一種少稀土類寬調(diào)速混合永磁磁通切換雙定子電機(jī)，與前述兩種電機(jī)類似，同樣采用了定子分區(qū)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)定子僅放置混合永磁單元，磁化繞組移至外定子，但其串聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合永磁磁路易造成兩種永磁體的相互耦合影響，從而降低電機(jī)氣隙磁場的實(shí)際調(diào)節(jié)范圍。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)的少稀土類多勵磁源磁通切換電機(jī)應(yīng)用于新能源汽車驅(qū)動領(lǐng)域，在電機(jī)氣隙磁場的有效調(diào)節(jié)與控制、電機(jī)調(diào)速范圍的擴(kuò)寬、保證電機(jī)高效高轉(zhuǎn)矩密度的前提下有效減少稀土永磁材料用量、降低電機(jī)制造成本和優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)等方面，尚存在亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是針對傳統(tǒng)磁通切換永磁電機(jī)稀土永磁材料用量大、電機(jī)制造成本高、氣隙磁場難以調(diào)節(jié)、調(diào)速范圍窄和高速運(yùn)行效率低的問題，提出一種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、定子分區(qū)式結(jié)構(gòu)、采用稀土釹鐵硼和非稀土鋁鎳鈷混合永磁材料，具有高功率密度、高效率、寬調(diào)速范圍和低成本的少稀土類多勵磁源雙定子磁通切換記憶電機(jī)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種少稀土類多勵磁源雙定子磁通切換記憶電機(jī)，包括電機(jī)殼，其特征在于：所述少稀土類多勵磁雙定子磁通記憶電機(jī)從外至內(nèi)依次由同軸的外定子、轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子相互套接組成；所述外定子與轉(zhuǎn)子之間、所述轉(zhuǎn)子與內(nèi)定子之間均存在徑向氣隙；

所述外定子固定設(shè)置在所述電機(jī)殼的內(nèi)壁上，所述外定子由外定子軛部、電樞鐵心齒和容錯齒構(gòu)成；所述電樞鐵心齒和容錯齒均沿所述外定子的內(nèi)圓周面均勻間隔排列，所述電樞鐵心齒上設(shè)有電樞繞組，所述容錯齒上設(shè)有磁化繞組；

所述轉(zhuǎn)子固定設(shè)置在電機(jī)輸出軸上，所述轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子支架、導(dǎo)磁硅鋼塊和磁絕緣塊構(gòu)成；所述導(dǎo)磁硅鋼塊和磁絕緣塊均勻交錯設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子支架的外圓表面；

所述內(nèi)定子由內(nèi)定子鐵心和混合永磁單元塊構(gòu)成，所述混合永磁單元塊沿圓周方向均勻嵌置在所述定子鐵心內(nèi)，相鄰的所述混合永磁單元塊沿切向充磁且方向相反分布。

所述外定子采用雙凸極結(jié)構(gòu)，電樞鐵心齒和容錯齒的齒數(shù)相同，外定子軛部為環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

所述電樞繞組和磁化繞組均為集中分布式繞組，電樞繞組為m相繞組，磁化繞組為單相繞組。

所述混合永磁單元塊是由稀土汝鐵硼永磁體和非稀土鋁鎳鈷永磁體呈徑向并列設(shè)置的雙層式結(jié)構(gòu)。

所述轉(zhuǎn)子整體呈圓筒杯狀，環(huán)體沿周向交錯排列導(dǎo)磁硅鋼塊和磁絕緣塊，形成調(diào)制環(huán)結(jié)構(gòu)。

所述混合永磁單元塊的中心線與電樞鐵心齒的中心線對齊，混合永磁單元塊的外徑等于內(nèi)定子的外徑，混合永磁單元塊的內(nèi)徑等于電機(jī)軸徑，非稀土鋁鎳鈷永磁體靠近轉(zhuǎn)子一側(cè)，稀土釹鐵硼永磁體靠近電機(jī)軸一側(cè)，相鄰的混合永磁單元塊充磁方向相反，即NS-SN分布。

所述外定子總齒數(shù)為X、電樞繞組相數(shù)為m、導(dǎo)磁硅鋼塊個數(shù)為q、混合永磁單元塊個數(shù)為K，上述參數(shù)滿足關(guān)系：X=2mNc=2K和2q=X±2n，n為正整數(shù)，Nc為一相繞組的線圈個數(shù)。

本發(fā)明的有益效果如下：

(1)本發(fā)明中的雙定子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電樞繞組與永磁體的分離，解決了傳統(tǒng)磁通切換永磁電機(jī)內(nèi)多勵磁源在空間上的相互牽制問題；

(2)本發(fā)明中磁化繞組和電樞繞組位于外定子，內(nèi)定子中僅放置混和永磁材料，簡化了內(nèi)定子結(jié)構(gòu)，空間利用率高，易提升電機(jī)功率密度和轉(zhuǎn)矩密度；

(3)本發(fā)明中的轉(zhuǎn)子近于傳統(tǒng)磁齒輪調(diào)制環(huán)，僅充當(dāng)導(dǎo)磁鐵心的作用，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，轉(zhuǎn)動慣量小，適合高速運(yùn)行；

(4)本發(fā)明采用了稀土釹鐵硼和非稀土鋁鎳鈷混合永磁材料，一方面在有效降低稀土永磁材料的用量的同時，保證高的氣隙磁密，確保了電機(jī)功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，另一方面可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)氣隙磁場的靈活調(diào)節(jié)，提高轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍；

(5)本發(fā)明內(nèi)定子中，高磁能積的釹鐵硼永磁體和低矯頑力的鋁鎳鈷永磁體呈徑向并列雙層式排布，并聯(lián)的混合永磁磁路結(jié)構(gòu)，降低了兩種不同類型永磁體的相互耦合影響作用；

(6)本發(fā)明中電樞繞組和磁化繞組均采用集中式繞組，具有端部短、漏抗小、銅損低的優(yōu)點(diǎn)，其中磁化電流持續(xù)時間短、損耗低、運(yùn)行效率高。

附圖說明

圖1 為本發(fā)明的徑向截面示意圖結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 為本發(fā)明中鋁鎳鈷正向充磁時轉(zhuǎn)子不同位置a、b、c、d下該電機(jī)的混合永磁磁路和磁場方向示意圖。

圖3 為本發(fā)明中同一電樞繞組匝鏈永磁磁鏈變化示意圖。

圖4 為本發(fā)明中轉(zhuǎn)子運(yùn)行到位置b時，鋁鎳鈷永磁體充磁和極限去磁至反向充磁狀態(tài)下該電機(jī)的磁力線分布圖。

圖5 為本發(fā)明中鋁鎳鈷正向滿充磁和反向全去磁情況下的同一電樞繞組空載反電勢波形圖。

圖中：外定子1、外定子軛部1-1、電樞鐵心齒1-2、容錯齒1-3、電樞繞組1-4、磁化繞組1-5、轉(zhuǎn)子2、導(dǎo)磁硅鋼塊2-1、磁絕緣塊2-2、內(nèi)定子3、內(nèi)定子鐵心3-1、混合永磁單元塊3-2、稀土釹鐵硼永磁體3-2a、非稀土鋁鎳鈷永磁體3-2b。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

如圖1所示，一種少稀土類多勵磁源雙定子磁通切換記憶電機(jī)，以一臺外定子12槽/轉(zhuǎn)子11極/內(nèi)定子6極電機(jī)為例，該電機(jī)包括由外至內(nèi)順次套接并同軸設(shè)置的外定子1、轉(zhuǎn)子2和內(nèi)定子3，外定子1與轉(zhuǎn)子2之間、轉(zhuǎn)子2與內(nèi)定子3之間均有徑向氣隙；

外定子1包括環(huán)狀的外定子軛部1-1、電樞鐵心齒1-2、容錯齒1-3、電樞繞組1-4和磁化繞組1-5。沿著外定子內(nèi)表面圓周方向，6個電樞鐵心齒1-2和6個容錯齒1-3均勻交錯分布。其中，電樞鐵心齒1-2上繞制三相集中分布式電樞繞組1-4，容錯齒上繞制單相集中分布式磁化繞組1-5；

轉(zhuǎn)子2整體呈圓筒杯狀，環(huán)體沿周向交錯排列11塊導(dǎo)磁硅鋼塊2-1和11塊磁絕緣塊2-2，形成類似磁齒輪的調(diào)制環(huán)結(jié)構(gòu)；

內(nèi)定子3中包括內(nèi)定子鐵心3-1和內(nèi)部沿周向均勻嵌放的6個混合永磁體單元塊3-2。每一個混合永磁單元塊3-2均由稀土釹鐵硼永磁體3-2a和非稀土鋁鎳鈷永磁體3-2b呈徑向并列擺放構(gòu)成，且中心線與相應(yīng)的電樞鐵心齒1-2中心線保持平齊?；旌嫌来艈卧獕K3-2的外徑等于內(nèi)定子3的外徑，混合永磁單元塊3-2的內(nèi)徑等于電機(jī)軸徑，非稀土鋁鎳鈷永磁體3-2b靠近轉(zhuǎn)子2一側(cè)，稀土釹鐵硼永磁體3-2a靠近電機(jī)軸一側(cè)。兩種永磁體均為切向充磁，且相鄰的混合永磁體單元塊充磁方向相反，即NS-SN分布，圖中箭頭表示磁化方向。

本發(fā)明電機(jī)采用雙邊定子結(jié)構(gòu)，可以使用多種極槽配合，但需要保證所述的電樞鐵心齒1-2和容錯齒1-3總數(shù)X、電樞繞組相數(shù)m、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁硅鋼塊數(shù)q、混合永磁體單元塊數(shù)K滿足關(guān)系：X=2mNc =2K和2q=X±2n，其中，n為正整數(shù)、Nc為一相繞組的線圈個數(shù)。

如圖2-3所示，一種少稀土類多勵磁源雙定子磁通切換記憶電機(jī)的運(yùn)行原理如下：圖2(a)、(b)、(c)、(d)分別示出轉(zhuǎn)子2在不同位置a、b、c、d下，該電機(jī)的混合永磁磁路和磁場方向。其中，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至位置b時，混合永磁單元塊產(chǎn)生的磁通經(jīng)過內(nèi)定子鐵心和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁硅鋼塊，進(jìn)入外定子電樞鐵心齒，通過外定子軛部1-1，再依次經(jīng)過另一相鄰的容錯齒、轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁硅鋼塊和內(nèi)定子鐵心，形成并聯(lián)的混合永磁磁路。對于電樞繞組1-4來說，其兩端會感應(yīng)出相應(yīng)的反電勢。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至位置d時，穿行于電樞繞組1-2的磁通數(shù)量不變但方向相反。即，圖2(a)與圖2(c)中，電樞繞組在混合永磁磁場下產(chǎn)生的匝鏈感應(yīng)磁通為零，圖2(b)與圖2(d)中，電樞繞組匝鏈的磁鏈幅值分別為正、負(fù)最大值。于是，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，導(dǎo)磁硅鋼塊從混和永磁體的北極旋轉(zhuǎn)到南極，對應(yīng)的定子電樞繞組中即可產(chǎn)生如圖3所示的匝鏈雙極性磁鏈，其中a、b、c、d分別對應(yīng)圖2中的四個位置。

如圖4-5所示，一種少稀土類多勵磁源雙定子磁通切換記憶電機(jī)，利用有限元仿真分析，研究磁化繞組對本發(fā)明電機(jī)磁場的調(diào)節(jié)性能。本發(fā)明電機(jī)由釹鐵硼和鋁鎳鈷永磁體共同提供氣隙磁場，通過給磁化繞組施加不同大小和方向的脈沖電流產(chǎn)生磁場，改變鋁鎳鈷永磁體的磁化水平，從而調(diào)節(jié)氣隙磁場大小。由于磁化繞組施加的是短時電流脈沖，因此脈沖磁勢不會明顯影響氣隙磁場。當(dāng)鋁鎳鈷永磁體與釹鐵硼永磁磁通方向一致時，如圖4(a)所示，可增加鋁鎳鈷永磁體的磁化強(qiáng)度，氣隙磁場得到增強(qiáng),提高電機(jī)的負(fù)載過載能力；而當(dāng)鋁鎳鈷永磁體與釹鐵硼永磁磁通方向相反時，如圖4(b)所示，釹鐵硼永磁將被鋁鎳鈷永磁大量短路，混合永磁單元塊內(nèi)部形成回路，使得氣隙磁場顯著降低，在電樞繞組輸入額定電流不變的情況下，降低電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，起到弱磁升速的作用，能提高電機(jī)的調(diào)速范圍。從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的弱磁升速運(yùn)行。

如圖所示，一種少稀土類多勵磁源雙定子磁通切換記憶電機(jī)，空載情況下鋁鎳鈷反向全去磁和正向滿充磁時的電樞繞組反電勢波形圖，可以看出，反電勢的有效值從20V變化至44V，變化幅度高達(dá)120%，進(jìn)一步說明本發(fā)明電機(jī)中，磁化繞組可以達(dá)到在線調(diào)節(jié)非稀土鋁鎳鈷永磁體的磁化強(qiáng)度和磁通密度等級的目的，從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明電機(jī)的氣隙磁場的有效調(diào)節(jié)，擴(kuò)寬本發(fā)明電機(jī)的調(diào)速范圍。

本電機(jī)的雙定子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電樞繞組與永磁體的分離，解決了傳統(tǒng)磁通切換永磁電機(jī)內(nèi)多勵磁源在空間上的相互牽制問題，本電機(jī)的磁化繞組和電樞繞組位于外定子，內(nèi)定子中僅放置混和永磁材料，簡化了內(nèi)定子結(jié)構(gòu)，空間利用率高，易提升電機(jī)功率密度和轉(zhuǎn)矩密度；與此同時，采用了稀土釹鐵硼和非稀土鋁鎳鈷混合永磁材料，一方面在有效降低稀土永磁材料的用量的同時，保證高的氣隙磁密，確保了電機(jī)功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，另一方面可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)氣隙磁場的靈活調(diào)節(jié)，提高轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍。