一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機的制作方法

本發明屬于混合勵磁永磁電機領域，更具體地，涉及一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機。

背景技術：

在節能減排和保護環境的雙重壓力，具有能源利用率高、低噪聲、環保等優良特性的混合動力及純電動汽車技術越來越受到各國政府及工業界的重視。我國早已在國家“十二五”規劃中將新能源汽車列為七大戰略性新興產業之一。目前，幾乎所有的汽車公司都推出了自己的混合動力汽車或純電動汽車。

牽引電機作為混合動力或純電動汽車的主要動力來源，與常規工業用電機相比，除了要求其具有高效率、高可靠性、高功率密度之外，還要求其具有很寬的恒功率調速范圍。

根據電機類型，牽引電機可分為以下幾類：1.有刷直流電機；2.異步電機；3.磁阻式電機；4.永磁電機；5.混合勵磁電機。有刷直流電機、異步電機和磁阻式電機分別由于其固有的結構缺陷：如有刷直流電機需要電刷和機械換向器；異步電機高轉子損耗，低速運行效率和功率因數較低；磁阻式電機高的轉矩脈動問題，而在牽引電機領域的應用受到限制。而永磁電機由于其固有的高效率、高功率密度等特點，因此目前在電動汽車領域得到了較多的應用。國外代表車型主要有豐田第三代prius、本田insight，日產leaf、通用的volt增程式電動汽車；國內目前研制的電動汽車也多采用永磁同步電機，如奇瑞瑞虎e3v純電動汽車、比亞迪的f3dm雙模電動汽車和紅旗7ca7130n混合動力汽車。

然而，永磁電機由于采用永磁體作為單一磁勢源，導致電機內氣隙磁場調節困難。為滿足電動汽車寬調速范圍的要求，大多采用矢量控制技術進行弱磁，因此在高速時，系統的效率會較低。

混合勵磁永磁電機是在永磁電機的基礎上發展而來的一種電機，其含有永磁體和勵磁線圈兩周磁勢源，同時具有永磁電機功率密度搞和電勵磁電機磁場調節容易的優點，可以方便的實現低速大轉矩輸出和寬廣的調速范圍。目前，國內外已逐漸開始對混合勵磁電機在電動汽車方面的應用進行研究。

為了克服普通永磁電機的上述缺陷，專利文獻cn101662172a公開了一種基于磁通反向原理的混合勵磁磁通反向永磁電機，其包括：定子、單相集中勵磁繞組、永磁體、三相集中電樞繞組和轉子。該發明的特點為：在每個定子齒中部面向氣隙開有一個槽，放置單相集中勵磁繞組；在每個定子齒面向氣隙表面貼裝有兩個極性相互相反的永磁體，相鄰兩個定子齒下面的四塊永磁體極性交錯分布，呈ns-sn分布；三相集中電樞繞組的各線圈均異常橫跨于一個定子齒上。該電機存在如下不足：

(1)該電機需要專門的勵磁繞組，勵磁線圈雖然為集中繞組，但是其端部仍然很長，銅材料消耗較大，電機結構復雜；

(2)勵磁線圈產生的勵磁磁勢的磁路必須穿過永磁體，從結構上講，屬于串聯式混合勵磁結構，由于永磁體的磁導率較低，磁阻較大，因此需要較大的勵磁電流才能調節氣隙磁密，勵磁銅耗較大，磁場調節能力有限

(3)此當勵磁磁勢穿過永磁體時，如果勵磁磁勢的方向與永磁體磁化方向相反，則永磁體可能存在退磁的風險。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機，由于省略了專用的勵磁繞組，在同樣銅耗的條件下，輸出轉矩更大；電樞繞組中的直流分量產生的勵磁磁場所經過的磁阻較小，因此磁場調節能力很強；在短路故障下短路電流小、可靠性高；此外，電機結構得到較大的簡化，加工工藝簡單，成本降低。

為實現上述目的，本發明提供了一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機，其包括定子、轉子、繞組以及永磁體；

其中，所述轉子為開槽的凸極結構；

其特征在于，所述定子為帶齒靴結構，且在定子齒頂端的兩側或奇數定子齒頂端的中間開槽，用于安放所述永磁體；

所述繞組采用分數槽非重疊集中繞組，繞組中電流包括交流分量和直流分量。

進一步地，相鄰兩個定子齒上的所述永磁體磁化方向沿徑向相反。

進一步地，所述繞組的極對數pa滿足如下關系：

其中，pdc為通入直流時氣隙圓周所產生的磁勢極對數，nr為轉子槽數，pm為永磁體極對數。

進一步地，所述繞組的每一相的線圈包括兩部分，一部分為正線圈，用于注入正的直流；另一部分為負線圈，用于注入與正線圈所通的直流相反方向的直流，兩部分線圈中電流的幅值相同、頻率相同且相位相同。

進一步地，所述繞組為a、b和c三相，a相包括所述正線圈a+和負線圈a-，其通入電流分別為ia+和ia-；b相包括所述正線圈b+和負線圈b-，其通入電流分別為ib+和ib-；c相包括所述正線圈c+和負線圈c-，其通入電流分別為ic+和ic-，通入電流滿足如下關系：

其中，idc為直流分量平均值，iac為交流分量有效值，we為交流電頻率，t為時間。

進一步地，所述直流分量的比例k滿足如下關系時為最佳電流配置方式：

其中，nr為轉子槽數，ψpm為永磁磁鏈，iq為交流分量變換到q軸的q軸電流，lm為繞組等效的激磁電感，idc為直流分量的平均值，irms為交流分量有效值。

進一步地，所述繞組的極對數pa和繞組中交流分量的電頻率we分別滿足一定關系，且交流分量與反電勢的夾角為零時，該電機的輸出轉矩最大；其中，所述關系為：

pa＝|pdc-nr|

we＝nrwr

其中，nr為轉子槽數，pdc為通入直流時氣隙圓周所產生的磁勢極對數，wr為轉子的機械頻率。

進一步地，所述交流分量的電頻率we與轉子轉速n具有如下關系：

優選地，定子與轉子可以是外定子內轉子結構，也可以是外轉子內定子結構。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)該電機在結構上無勵磁繞組，但仍具有和帶勵磁繞組的混合勵磁電機同樣的磁場調節能力。在保證磁場調節能力的前提下，只有一套繞組，結構簡單、加工方便，便于采用自動化嵌線，提高生產率，降低成本；

(2)由于省略了勵磁繞組，因此定子上電樞繞組可利用的空間更大，在同樣銅耗的條件下，由于可利用的電負荷更高，因此輸出轉矩更大；

(3)電樞繞組通入的直流分量所產生的勵磁磁場與永磁磁場為并聯式，因此磁場調節能力強，調速范圍更寬；

(4)在發生短路故障時，由于空載反電勢較小，因此短路電流也較小，避免故障時燒毀電機；

(5)轉子上無任何繞組和永磁體，魯棒性好，高速運行可靠性高。

附圖說明

圖1為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機拓撲，其定子為12槽，轉子為10槽，繞組為4對極，永磁體極對數為6，直流勵磁極對數為6；

圖2(a)為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機拓撲，其定子為12槽，轉子為10槽，繞組為4對極，永磁體極對數為6，直流勵磁極對數為6；

圖2(b)為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機拓撲，其定子為12槽，轉子為11槽，繞組為5對極，永磁體極對數為6，直流勵磁極對數為6；

圖2(c)為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機拓撲，其定子為12槽，轉子為13槽，繞組為7對極，永磁體極對數為6，直流勵磁極對數為6；

圖2(d)為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機拓撲，其定子為12槽，轉子為14槽，繞組為8對極，永磁體極對數為6，直流勵磁極對數為6；

圖3為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機繞組引出線與逆變器的連接圖；

圖4為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機在幾種不同勵磁情況時的a相反電勢波形；

圖5為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機在幾種不同勵磁情況時的轉矩波形；

圖6為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機電磁轉矩隨電流中直流分量比例的變化關系，其中相電流有效值為19a；

圖7為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機采用注入直流方式的轉矩增加變化曲線。

在圖1、圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1—定子，2—轉子，3—a相繞組，4—永磁體。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機拓撲，其定子為12槽，轉子為10槽，繞組為5對極，永磁體極對數為6，直流勵磁極對數為6。如圖1所示，該混合勵磁永磁電機包括定子1、轉子2和繞組3和永磁體4，

其中，所述轉子2為開槽的凸極結構，采用無取向硅鋼片疊壓而成，電機的轉子部分只有鐵心，無任何繞組和磁鋼，因此結構非常簡單、可靠。

如圖1所示，所述定子1為帶齒靴結構，用硅鋼片疊壓而成，在每個定子齒靴的兩邊挖掉形成小槽，永磁體4就放置在該小槽中，并用膠與定子齒粘牢固，相鄰兩個定子齒上的永磁體磁化方向沿徑向相反；

如圖1所示，所述繞組3采用分數槽非重疊集中繞組，繞組中電流包括交流分量和直流分量，與現有的混合勵磁永磁電機相比，由于省略了專用的勵磁繞組，電機結構得到較大的簡化，且繞線和嵌線工藝簡單，端部繞組很短，端部長度占電機總長度比例較小，便于采用自動化嵌線，提高生產率，降低成本；由于省略了勵磁繞組，因此定子上電樞繞組可利用的空間更大，在同樣銅耗的條件下，由于可利用的電負荷更高，因此輸出轉矩更大；每一個勵磁繞組產生的勵磁磁通不經過永磁體，而經過永磁體中間的鐵心，因此，電樞繞組中的直流分量產生的勵磁磁場所經過的磁阻較小，因此磁場調節能力很強。

此外，本發明所提供的集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機，由于當電樞繞組不通電時，永磁體產生的磁場有很大一部分會通過兩塊磁鋼之間的定子齒形成漏磁，因此在電樞繞組空載時，空載反電勢就比較小。由于空載反電勢較小，在發生故障時，短路電流較小，對電機的危害很小。相比于傳統的永磁電機在故障情況下由于難以滅磁而使得短路電流較大的這個缺陷，所提出的混合勵磁永磁電機具有在短路故障下短路電流小、可靠性高的優點。

如圖1所示，所述繞組3的極對數pa滿足如下關系：

其中，pdc為通入直流時氣隙圓周所產生的磁勢極對數，nr為轉子槽數，pm為永磁體極對數，采用繞組理論和分數槽繞組的槽電勢星形圖，可以得到三相電樞繞組的排布。

在確定三相電樞繞組的排布后，需要將三相電樞繞組的每一相的線圈分成兩部分，一部分定義為正線圈，注入正的直流；另一部分線圈為負線圈，注入與正線圈所通的直流相反方向的直流。而在兩部分線圈中的交流電流具有相同幅值、相同頻率和相同相位。

圖3為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機繞組引出線與逆變器的連接圖。如圖3所示，從電機的出線端來說，雖然是三相電機，但由于每一相都分成了2個子相，因此總共有六根引出線，所述繞組為a、b和c三相，a相包括所述正線圈a+和負線圈a-，其通入電流分別為ia+和ia-；b相包括所述正線圈b+和負線圈b-，其通入電流分別為ib+和ib-；c相包括所述正線圈c+和負線圈c-，其通入電流分別為ic+和ic-，每一相繞組的線圈分成兩個子相需保證所有繞組通入直流后氣隙圓周所產生的磁勢極對數為pdc。

繞組中所通入電流的滿足如下關系：

其中，idc為直流分量平均值，iac為交流分量有效值，we為交流電頻率，t為時間。

圖4為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機在幾種不同勵磁情況時的a相反電勢波形。由圖4可知，電樞繞組中通入的直流是能改變氣隙磁場進而影響電樞繞組反電勢的。

圖5為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機在幾種不同勵磁情況時的轉矩波形。由圖5可知，電樞繞組中通入不同大小的直流，電機的電磁轉矩是發生改變的。

傳統的定子永磁型電機的轉矩表達式為：

tem＝nrψpmiq

其中，nr為轉子槽數，ψpm為永磁磁鏈，iq為交流分量變換到q軸的q軸電流；

而當注入直流后，由于注入直流的作用是在繞組中產生磁鏈，因此電機的轉矩表達式為：

tem＝nr(ψpm+ψdc)iq＝nrψpmiq+nridclmiq

其中，nr為轉子槽數，ψpm為永磁磁鏈，lm為繞組等效的激磁電感；

由上式可知，采用注入直流的正弦電流方式，轉矩不僅包含永磁轉矩，還包含直流分量和交流分量作用產生的電磁轉矩。原有的永磁轉矩與電流成正比關系，而新引入的轉矩分量與電流的平方成正比關系。

當采用直流偏置的電流模式時，定義直流分量比例k，則

idc＝kirms

其中，idc為直流分量的平均值，irms為交流分量有效值；

因此電機的最大轉矩電流比可以采用下列公式確定：

對電磁轉矩求關于直流分量比例k的導數，并另導數為零，此時的k即為最大轉矩電流比時的最佳電流配置方式。

圖6為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機電磁轉矩隨電流中直流分量比例的變化關系，其中相電流有效值為19a；可以發現，采用直流偏置的電流模式后，轉矩有所增加。

圖7為本發明實施例的一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機采用注入直流方式的轉矩增加變化曲線。如圖7所示，隨相電流增加，轉矩密度的增加比例越來越大，由于新引入的轉矩分量與電流平方成正比，因此隨電流的增加，新引入的轉矩占比越來越大。

在本實施例中，所述繞組3的極對數pa和繞組中交流分量的電頻率we分別滿足一定關系，且交流分量與反電勢的夾角為零時，該電機的輸出轉矩最大；

其中，所述關系為：

pa＝|pdc-nr|

we＝nrwr

其中，nr為轉子槽數，pdc為通入直流時氣隙圓周所產生的磁勢極對數，wr為轉子的機械頻率；

所述交流分量的電頻率we與轉子轉速n具有如下關系：

在本發明的優選實施例中，定子1與轉子2可以是外定子內轉子結構，也可以是外轉子內定子結構。

本發明的另一個實施例如圖2(a)所示，其電機拓撲基本相同，區別僅在于槽極配合和永磁體的安放位置不同。如圖2(a)所示，一種集中繞組式混合勵磁永磁型電機拓撲，其定子為12槽，轉子為10槽，繞組為4對極，永磁體極對數為6，直流勵磁極對數為6；在奇數定子齒頂端的中間開槽，永磁體4安放在所述開槽中，偶數定子齒的頂端不開槽，不安放永磁體4。

本發明的另一個實施例如圖2(b)所示，其電機拓撲基本相同，區別僅在于槽極配合和永磁體的安放位置不同。圖2(b)所示，一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機拓撲，其定子為12槽，轉子為11槽，繞組為5對極，永磁體極對數為6，直流勵磁極對數為6；在奇數定子齒頂端的中間開槽，永磁體4安放在所述開槽中，偶數定子齒的頂端不開槽，不安放永磁體4。

本發明的另一個實施例如圖2(c)所示，其電機拓撲基本相同，區別僅在于槽極配合和永磁體的安放位置不同。如圖2(c)所示，一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機拓撲，其定子為12槽，轉子為13槽，繞組為7對極，永磁體極對數為6，直流勵磁極對數為6；在奇數定子齒頂端的中間開槽，永磁體4安放在所述開槽中，偶數定子齒的頂端不開槽，不安放永磁體4。

本發明的另一個實施例如圖2(d)所示，其電機拓撲基本相同，區別僅在于槽極配合和永磁體的安放位置不同。如圖2(d)所示，一種集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機拓撲，其定子為12槽，轉子為14槽，繞組為8對極，永磁體極對數為6，直流勵磁極對數為6；在奇數定子齒頂端的中間開槽，永磁體4安放在所述開槽中，偶數定子齒的頂端不開槽，不安放永磁體4。

在本發明的技術方案中，實施例中給出了效果較優的永磁體安放位置及槽極配合方案的集中繞組直流偏置型混合勵磁永磁電機拓撲，但本發明不限于上述實施例中的極槽配合方案及其永磁體安放位置的組合，只要滿足上述通入直流時產生的磁勢極對數pdc、轉子槽數nr及永磁體極對數pm之間的關系的槽極配合方案均可，具體的永磁體安放位置、槽極配合方案及其組合方式根據實際情況確定。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。